Как формулируется закон сохранения электрического заряда

Закон сохранения электрического заряда

Как формулируется закон сохранения электрического заряда

Абсолютно всем известно такое понятие, как закон сохранения энергии. Энергия не возникает из ничего и не пропадает в никуда. Она только переходит из одной формы в другую.

Это основополагающий закон Вселенной. Именно благодаря этому закону Вселенная может существовать стабильно и продолжительно.

Формулировка закона сохранения заряда

Существует еще один подобный закон, который тоже является одним из основополагающих. Это закон сохранения электрического заряда.

В телах, которые находятся в покое и электрически нейтральны, заряды противоположных знаков равны по величине и взаимно компенсируют друг друга. Когда происходит электризация одних тел другими, заряды переходят с одного тела на другое, однако их общий суммарный заряд остается прежним.

В изолированной системе тел общий суммарный заряд всегда равен некоторой постоянной величине: q_1+q_2+⋯+q_n=const,  где q_1, q_2, , q_n заряды тел или частиц, входящих в систему.

Как же быть с превращением частиц?

Существует один момент, который может вызывать вопросы превращение частиц. Действительно, частицы могут рождать и исчезать, переходя при этом в другие частицы, излучение или энергию.

При этом такие процессы могут происходить как с нейтральными, так и с несущими заряд частицами. Как же быть в таком случае с законом сохранения заряда?

Оказалось, что рождение и исчезновение частиц может происходить только парно. То есть частицы переходят в иной тип существования, например, в излучение только парой, когда исчезают одновременно и положительная и отрицательная частицы.

При этом появляется некий вид излучения и определенная энергия. В обратном случае, когда под влиянием некоего излучения и потреблением энергии рождаются заряженные частицы, то они тоже рождаются только парой: положительная и отрицательная.

Соответственно, общий заряд новоявленной пары частиц будет равен нулю и закон сохранения заряда выполняется.

Экспериментальное подтверждение закона

Выполнение закона сохранения электрического заряда подтверждено экспериментально множество раз. Нет ни одного факта, который бы говорил об ином.

Поэтому, ученые полагают, что полный электрический заряд всех тел во Вселенной сохраняется неизменным и, скорее всего, равен нулю. То есть количество всех положительных зарядов равно количеству всех отрицательных зарядов.

Природа существования закона сохранения заряда пока непонятна. В частности, непонятно, почему заряженные частицы рождаются и аннигилируют только парами.

Однако, очевидно, что часть мудрого устройства Вселенной, и она необходима для стабильного и продолжительного существования материи как таковой.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Электрический заряд и элементарные частицы | Физика, 10 класс
Следующая тема:   Закон Кулона: единица измерения электрического заряда

Источник: http://www.nado5.ru/e-book/zakon-sokhraneniya-ehlektricheskogo-zaryada

Урок 22. Закон сохранения – HIMI4KA

Как формулируется закон сохранения электрического заряда
Архив уроков › Основные законы химии

В уроке 22 «Закон сохранения» из курса «Химия для чайников» рассмотрим соотношение Эйнштейна и открытие электростатического заряда. Кроме того ответим на вопрос: почему ученые, которые по всей видимости, интересуются изменениями, происходящими с материей, уделяют столько внимания поиску законов сохранения, указывающих нам, что неизменно в природе?

Настоящая наука начинается тогда, когда мы понимаем, каковы ограничения произвольных изменений. Камень, брошенный вверх, не поднимется сколь-угодно высоко; в конце концов он начинает падать, поскольку имеет ограниченную кинетическую энергию. Автомобилю не хватает навсегда бака бензина из-за ограниченной химической энергии этого горючего.

Химический завод не может выпускать больше продуктов, чем он получает сырья, так как должен выполняться закон сохранения массы. Пытаясь понять изменения, происходящие в природе, мы стараемся найти пределы, которыми предположительно ограничены эти изменения. Тогда можно предвидеть предстоящие изменения и извлечь пользу из этих сведений.

Если вас настигает поезд, это менее опасно, чем преследование рассерженного автомобилиста, так как можно понять ограничения движения поезда и использовать эти знания, чтобы убраться с его пути.

Соотношение Эйнштейна

Первыми двумя законами сохранения, установленными в науке, были закон сохранения массы и энергии. В физических законах движения, кроме того, часто используется закон сохранения импульса (количества движения).

В ядерных реакциях может происходить взаимопревращение массы и энергии, но их сумма обязательно должна сохраняться.

Ядерная энергия получается только за счет исчезновения массы; соотношение между массой и энергией было установлено Эйнштейном и носит его имя. Согласно соотношению Эйнштейна:

где E — энергия, m — соответствующая ей масса, а c — скорость света.

В ядерных реакциях также происходит сохранение заряда. Когда ядро изотопа углерода-14 распадается с образованием ядра азота-14, это сопровождается испусканием электрона (происходит так называемый бета-распад)

Здесь верхние индексы указывают массовое число, или полное число тяжелых частиц (протонов и нейтронов) в ядре, а это число одинаково в изотопах углерода-14 и азота-14.

Приведенная реакция дает пример сохранения тяжелых частиц, связанный с законом сохранения массы. Нижние индексы определяют заряд частицы, который мог увеличиться от +6 до только за счет того, что в окружающую среду был испущен отрицательный заряд.

Этот заряд -1 несет электрон, испускаемый при бета-распаде. Полный заряд в результате реакции сохраняется.

В ядерных реакциях и реакциях между элементарными частицами происходит точное или почти точное сохранение даже таких мало известных свойств, как четность, странность и «шарм» (привлекательность). Эти свойства представляются довольно таинственными, поскольку мы ничего не слышали о них раньше, прежде чем узнали о необходимости их сохранения. Масса и энергия были известны задолго до того, как были обнаружены законы их сохранения.

Но кто когда-нибудь слышал о «шарме» элементарных частиц, прежде чем был провозглашен закон его сохранения? Вопреки обычной логике последовательности сначала было замечено, что элементарные частицы поддаются распределению на классы, причем для каждого класса могут быть установлены строгие правила взаимодействия между принадлежащими к нему частицами, а затем было открыто новое свойство, при сохранении которого в реакциях между частицами удается предсказать их наблюдаемое поведение.

Открытие электростатического заряда

Впрочем, эта ситуация не слишком сильно отличается от того, как был в свое время открыт электростатический заряд (см. рис).

В XVIII веке экспериментаторы наблюдали, что при энергетичном трении стеклянной палочки о шелк на ней накапливается заряд (а), который можно частично передать легкому пластмассовому шарику, висящему на нити (в). После того как шарик получал заряд от стеклянной палочки, он отталкивался от нее (г).

Но, кроме того, было обнаружено, что при натирании эбонитового стержня шерстью (б) этот стержень притягивает легкий шарик из бузины (д), предварительно наэлектризованный прикосновением натертой о шелк стеклянной палочки.

Чтобы объяснить наблюдаемые явления, ученые предположили существование двух различных типов заряда, а также наличие сил притяжения между зарядами разных типов и сил отталкивания между зарядами одного типа. Бенжамин Франклин стал называть заряды этих двух типов положительными и отрицательными. Заряд во времена Франклина был не менее таинственным свойством, чем «шарм» или «странность» в наши дни.

Из урока 22 «Закон сохранения» вы должны извлечь одну важную мысль, что в основе всех законов сохранения лежит общая идея: когда нам известно, чего не может произойти, мы может лучше предсказать, что будет происходить.

Для химиков наиболее важными являются законы сохранения массы и энергии, и все расчеты, приведенные в данной главе, основаны на применении следствий этих законов. Остались вопросы, пишите их в комментарии.

Если вопросов нет, то переходите к заключению главы «Законы сохранения массы и энергии».

Источник: https://himi4ka.ru/arhiv-urokov/urok-22-zakon-sohranenija.html

Закон сохранения электрических зарядов

Как формулируется закон сохранения электрического заряда

Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. Эти силы называют электромагнитными силами.

Закон сохранения электрического заряда

В обычных условиях микроскопические тела являются электрически нейтральными, потому что положительно и отрицательно заряженные частицы, которые образуют атомы, связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы. Если электрическая нейтральность тела нарушена, то такое тело называется наэлектризованное тело. Для электризации тела необходимо, чтобы на нём был создан избыток или недостаток электронов или ионов одного знака.

Способы электризации тел, которые представляют собой взаимодействие заряженных тел, могут быть следующими:

  1. Электризация тел при соприкосновении. В этом случае при тесном контакте небольшая часть электронов переходит с одного вещества, у которого связь с электроном относительно слаба, на другое вещество.
  2. Электризация тел при трении. При этом увеличивается площадь соприкосновения тел, что приводит к усилению электризации.
  3. Влияние. В основе влияния лежит явление электростатической индукции, то есть наведение электрического заряда в веществе, помещённом в постоянное электрическое поле.
  4. Электризация тел под действием света. В основе этого лежит фотоэлектрический эффект, или фотоэффект, когда под действием света из проводника могут вылетать электроны в окружающее пространство, в результате чего проводник заряжается.

Многочисленные опыты показывают, что когда имеет место электризация тела, то на телах возникают электрические заряды, равные по модулю и противоположные по знаку.

Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов на теле по сравнению с протонами, а положительный заряд обусловлен недостатком электронов.

Когда происходит электризация тела, то есть когда отрицательный заряд частично отделяется от связанного с ним положительного заряда, выполняется закон сохранения электрического заряда. Закон сохранения заряда справедлив для замкнутой системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Какая мощность электрической духовки

Закон сохранения электрического заряда формулируется следующим образом:

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остаётся неизменной:

q1 + q2 + q3 + + qn = const

где
q1, q2 и т.д. – заряды частиц.

Определения

Элементарные частицы могут иметь эл. заряд, тогда они называются заряженными;

Элементарные частицы — взаимодействуют друг с другом с силами, которые зависят от расстояния между частицами, но превышают во много раз силы взаимного тяготения (это взаимодействие называется электромагнитным).

Электрический заряд — физическая величина, определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Существует 2 знака эл.зарядов:

  • положительный
  • отрицательный

Частицы с одноименными зарядами отталкиваются, с разноименными — притягиваются. Протон имеет положительный заряд, электрон — отрицательный, нейтрон — электрически нейтрален.

Элементарный заряд — минимальный заряд, разделить который невозможно.

Чем объяснить наличие электромагнитных сил в природе? — в состав всех тел входят заряженные частицы.

В обычном состоянии тела электрически нейтральны (т.к. атом нейтрален), и электромагнитные силы не проявляются.

Тело заряжено, если имеет избыток зарядов какого-либо знака:

  • отрицательно заряжено — если избыток электронов;
  • положительно заряжено — если недостаток электронов.

Электризация тел — это один из способов получения заряженных тел, например, соприкосновением).

При этом оба тела заряжаются , причем заряды противоположны по знаку, но равны по модулю.

Взаимодействие электрически заряженных тел

Взаимодействие тел, имеющих заряды одинакового или разного знака, можно продемонстрировать на следующих опытах. Наэлектризуем эбонитовую палочку трением о мех и прикоснёмся ею к металлической гильзе, подвешенной на шёлковой нити.

На гильзе и эбонитовой палочке распределяются заряды одного знака (отрицательные заряды). Приближая заряженную отрицательно эбонитовую палочку к заряженной гильзе, можно увидеть, что гильза будет отталкиваться от палочки (рис. 1.1).

Если теперь поднести к заряженной гильзе стеклянную палочку, потёртую о шёлк (положительно заряженную), то гильза будет к ней притягиваться (рис. 1.2).

Закон сохранения электрического заряда на практике

Возьмём два одинаковых электрометра и один из них зарядим (рис. 2.1). Его заряд соответствует 6 делениям шкалы.

Если соединить эти электрометры стеклянной палочкой, то никаких изменений не произойдёт. Это подтверждает тот факт, что стекло является диэлектриком. Если же для соединения электрометров использовать металлический стержень А (рис. 2.

2), держа его за не проводящую электричество ручку В, то можно заметить, что первоначальный заряд разделится на две равные части: половина заряда перейдёт с первого шара на второй. Теперь заряд каждого электрометра соответствует 3 делениям шкалы.

Таким образом, первоначальный заряд не изменился, он только разделился на две части.

Если заряд передать от заряженного тела к незаряженному телу такого же размера, то заряд разделится пополам между двумя этими телами. Но если второе, незаряженное тело, будет больше, чем первое, то на второе перейдёт больше половины заряда. Чем больше тело, которому передают заряд, тем большая часть заряда на него перейдёт.

Но общая сумма заряда при этом не изменится. Таким образом, можно утверждать, что заряд сохраняется. Т.е. выполняется закон сохранения электрического заряда.

Электрические заряды не существуют сами по себе, а являются внутренними свойствами элементарных частиц – электронов, протонов и др.

       Опытным путем в 1914 г. американский физик Р. Милликен показал что электрический заряд дискретен. Заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда e = 1.6 × 10-19 Кл.

В реакции образования электронно-позитронной пары действует закон сохранения заряда.

qэлектрона + qпозитрона = 0.

Позитрон — элементарная частица, имеющая массу, приблизительно равную массе электрона; заряд позитрона положительный и равен заряду электрона.

На основании закона сохранения электрического заряда объясняется электризация макроскопических тел.

Как известно, все тела состоят из атомов, в состав которых входят электроны и протоны. Количество электронов и протонов в составе незаряженного тела одинаковое. Поэтому такое тело не проявляет электрического действия на другие тела. Если же два тела находятся в тесном контакте (при натирании, сжатии, ударе и т.п.), то электроны, связанные с атомами значительно слабее, чем протоны, переходят с одного тела на другое.

Тело, на которое перешли электроны, будет иметь их избыток. Согласно закону сохранения электрический заряд этого тела будет равняться алгебраической сумме положительных зарядов всех протонов и зарядов всех электронов. Этот его заряд будет отрицательным и по значению равным сумме зарядов избыточных электронов.

У тела с излишком электронов отрицательный заряд.

Тело, утратившее электроны, будет иметь положительный заряд, модуль которого бу­дет равен сумме зарядов электронов, поте­рянных телом.

У тела, имеющего положитель­ный заряд, электронов мень­ше, чем протонов.

Электрический заряд не изме­няется при переходе тела в другую систему отсчета.

Законы сохраненияФормулы Физика Теория 8 класс Закон Динамика Механика

Источник: https://calcsbox.com/post/zakon-sohranenia-elektriceskih-zaradov.html

Основной закон электростатики – закон кулона

Если расстояниемежду телами во много раз больше ихразмеров, то ни форма, ни размерызаряженных тел существенно не влияютна взаимодействия между ними. В такомслучае эти тела можно рассматриватькак точечные.

Силавзаимодействия заряженных тел зависитот свойств среды между заряженнымителами.

Силавзаимодействия двух точечных неподвижныхзаряженных тел в вакууме прямопропорциональна произведению модулейзаряда и обратно пропорциональнаквадрату расстояния между ними. Этусилу называют кулоновской.

,где

|q1|и |q2|- модули зарядов тел,

r– расстояние между ними,

k– коэффициент пропорциональности.

Fсилавзаимодействия

Силывзаимодействия двух неподвижных точечныхзаряженных тел направлены вдоль прямой,соединяющей эти тела.

Единица электрического заряда

Единицасилы тока – ампер.

Одинкулон (1Кл)– это заряд, проходящий за 1 с черезпоперечное сечение проводника при силетока 1 А

g[Кулон=Кл]

е=1,610-19Кл

-электрическаяпостоянная

БЛИЗКОДЕЙСТВИЕ ИДЕЙСТВИЕ НА РАССТОЯНИИ

Предположениео том, что взаимодействие между удаленнымидруг от друга телами всегда осуществляетсяс помощью промежуточных звеньев (илисреды), передающих взаимодействие отточки к точке, составляет сущностьтеории близкодействия.Распр.с конечной скоростью.

Теорияпрямого действияна расстоянии непосредственно черезпустоту. Согласно этой теории действиепередается мгновенно на сколь угоднобольшие расстояния.

https://www.youtube.com/watch?v=MSyIkiRw-q0\u0026list=PL09vGOlsPpJ14cZiAlghYgOTphTvNqF_Q

Обетеории являются взаимно противоположнымидруг другу. Согласно теориидействия на расстоянии однотело действует на другое непосредственночерез пустоту и это действие передаетсямгновенно.

Теорияблизкодействия утверждает,что любое взаимодействие осуществляетсяс помощью промежуточных агентов ираспространяется с конечной скоростью.

Существованияопределенного процесса в пространствемежду взаимодействующими телами, которыйдлится конечное время, — вот главное,что отличает теорию близкодействияот теории действия на расстоянии.

Согласноидее Фарадея электрическиезаряды не действуют друг на друганепосредственно. Каждыйиз них создает в окружающем пространствеэлектрическое поле. Поле одного зарядадействует на другой заряд, и наоборот.По мере удаления от заряда поле ослабевает.

Электромагнитныевзаимодействия должны распространятсяв пространстве с конечной скоростью.

Электрическоеполе существует реально, его свойстваможно исследовать опытным путем, но мыне можем сказать из чего это поле состоит.

Оприроде электрического поля можносказать, что поле материально; оно сущ.независимо от нас, от наших знаний онем;

Полеобладает определенными свойствами,которые не позволяют спутать его счем-либо другим в окружающем мире;

Главноесвойство электрического поля – действиеего на электрические заряды с некоторойсилой;

Электрическоеполе неподвижных зарядов называютэлектростатическим.Оно не меняется со временем.Электростатическое поле создаетсятолько электрическими зарядами. Оносуществует в пространстве, окружающемэти заряды, и неразрывно с ним связано.

Напряженностьэлектрического поля.

Отношение силы, действующейна помещенный в данную точку поля заряд,к этому заряду для каждой точки поля независит от заряда и может рассматриватьсякак характеристика поля.

Напряженностьполя равна отношению силы, с которойполе действует на точечный заряд, кэтому заряду.

Напряженность поляточечного заряда.

.

Модульнапряженности поля точечного зарядаqoна расстоянииrот него равен:

.

Еслив данной точке пространства различныезаряженные частицы создают электрическиеполя, напряженности которых ит. д., то результирующая напряженностьполя в этой точке равна:

СИЛОВЫЕ ЛИНИИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛ.

НАПРЯЖЕННОСТЬПОЛЯ ЗАРЯЖЕННОГО ШАРА

Электрическоеполе, напряженность которого одинаковаво всех точках пространства, называетсяоднородным.

Густотасиловых линий больше вблизи заряженныхтел, где напряженность поля также больше.

-напряженностьполя точечного заряда.

Внутрипроводящего шара (r> R)напряженность поля равна нулю.

ПРОВОДНИКИ ВЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

Впроводниках имеются заряженные частицы,способные перемещаться внутри проводникапод влиянием электрического поля. Зарядыэтих частиц называют свободнымизарядами.

Электростатическогополя внутри проводника нет. Весьстатический заряд проводника сосредоточенна его поверхности. Заряды в проводникемогут располагаться только на егоповерхности.

Источник: https://studfile.net/preview/830910/page:3/

Природа электризации тел. Закон сохранения заряда

Конспект по физике для 8 класса «Природа электризации тел. Закон сохранения заряда». ВЫ УЗНАЕТЕ: Как осуществляется электризация тел при их соприкосновении. Как передаётся заряд от одного тела к другому. Почему одни тела являются проводниками электричества, а другие — не являются. Почему возникает притяжение между заряженными и незаряженными телами. Как формулируется закон сохранения заряда.

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике

Природа электризации тел.
Закон сохранения заряда

В обычном состоянии тела, образованные из нейтральных молекул и атомов, являются незаряженными. Каким же образом тогда осуществляется электризация тел, каков её механизм?

ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ТРЕНИЕМ

Для того чтобы получить заряженные тела, т. е. наэлектризовать их, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним заряда положительного.

Например, если провести расчёской несколько раз по сухим волосам, то некоторая часть самых подвижных заряженных частиц — электронов — перейдёт с волос на расчёску и зарядит её отрицательно. Волосы при этом зарядятся положительно.

Появление заряда на расчёске обнаруживается очень просто: она начинает притягивать лёгкие предметы (кусочки бумаги, пушинки и т. д.).

При электризации трением само по себе трение не является существенным. Оно лишь способствует более тесному контакту между разнородными веществами. При таком контакте часть электронов того вещества, у которого связь электронов с ядром атома относительно слаба, переходит на другое вещество.

Аналогичное явление происходит при натирании стеклянной палочки о шёлк: электроны со стекла переходят на шёлк, в результате чего стекло оказывается заряженным положительно, а шёлк — отрицательно. Заряды тел при этом равны: сколько электронов покинуло стекло, перенеся совокупный отрицательный заряд на шёлк, столько же протонов образовало некомпенсированный положительный заряд на стекле.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Кто изобрел электричество Эдисон

https://www.youtube.com/watch?v=bmghx701ffs\u0026list=PL09vGOlsPpJ14cZiAlghYgOTphTvNqF_Q

Таким образом, при электризации заряды тел не создаются, они лишь перераспределяются между разнородными телами.

Но почему часть заряда переходит с наэлектризованного тела на незаряженное при их контакте?

Например, мы касаемся отрицательно заряженной расчёской бумажной гильзы, подвешенной на нити. Гильза также зарядится отрицательно и оттолкнётся от расчёски. Это происходит потому, что из-за взаимного отталкивания часть электронов с расчёски переходит на гильзу.

А как передаётся телу положительный заряд? Если прикоснуться к незаряженной гильзе стеклянной палочкой, заряженной положительно, то часть электронов с гильзы под действием сил притяжения перейдёт на палочку. В результате этого гильза зарядится положительно.

СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ

Во всех случаях электризации тел перемещаются только электроны, а положительно заряженные ионы остаются в своём прежнем положении. Хорошая проводимость ряда веществ объясняется возможностью перемещения электронов. Например, в металлах имеется часть электронов, которые могут покидать свои атомы. Эти наиболее удалённые от ядра электроны называют свободными электронами. Диэлектрики не проводят электрический заряд, так как в них очень мало свободных электронов.

ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ЧЕРЕЗ ВЛИЯНИЕ

Проведём следующий опыт. Приблизим к незаряженному электроскопу положительно заряженную палочку. Мы увидим, что листочки электроскопа разошлись, т. е. на них появился одноимённый заряд. Поскольку электроскоп в целом остаётся незаряженным, то на его шарике возникает равный по величине заряд, но противоположного знака. Уберём палочку. Листочки при этом опадут — разделение заряда прекратится.

Суть данного явления заключается в следующем. Когда мы подносим к электроскопу положительно заряженное тело, то свободные электроны под действием притяжения заряда будут перемещаться по стержню и накапливаться на его шарике. Листочки электроскопа при этом зарядятся положительно.

Когда же к электроскопу приближается отрицательный заряд, электроны под действием отталкивания устремляются к нижнему концу стержня. В обоих случаях концы стержня электроскопа заряжаются противоположными по знаку зарядами.

Электризацию незаряженного тела, осуществляемую без непосредственного его контакта с заряженным телом, называют электростатической индукцией или электризацией через влияние.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЗАРЯДА

Общее число электронов у тел, участвующих в процессе электризации, остаётся неизменным вследствие фундаментального закона природы — закона сохранения заряда. Он формулируется так: алгебраическая сумма электрических зарядов тел остаётся постоянной:

q1 + q2 + q3 + = const.

Если одно тело при электризации приобретает положительный заряд, то второе тело приобретает равный по модулю отрицательный заряд.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Природа электризации тел. Закон сохранения заряда».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Источник: http://xn--8-8sb3ae5aa.xn--p1ai/priroda-jelektrizacii-tel-zakon-sohranenija-zarjada/

Электрический заряд: что это такое, его свойства и единицы измерения

Научное обоснование многих электрических явлений стало возможным благодаря опытам Кулона, на основании которых учёный ввёл термин «точечный электрический заряд». Исследуя природу электризации, французский физик с помощью изобретённых им крутильных весов, открыл закон взаимодействия точечных зарядов, известный нам как закон Кулона.

Впоследствии этот основополагающий закон помог учёным сформировать представление о строении атомов, объяснить природу электричества. Это способствовало созданию источников электрического тока, без которого современного уровня научно-технического прогресса не удалось бы достигнуть.

История

На существование электрических зарядов обращали внимание мыслители ещё до нашей эры. Однако они не способны были объяснить их природу и, тем более, описать взаимодействие.

Прошло много веков до того момента, когда учёные вплотную занялись изучением электрических явлений, что и привело их к открытиям в данной области. В частности Уильям Гильберт ещё в XVI веке, не понимая природы электричества, называл наэлектризованными тела, которые притягивали другие вещества.

В 1729 году, наблюдая за электризацией различных тел, Шарль Дюфе пришёл к выводу о существовании зарядов двух видов, которые называл «стеклянными» (так как они проявляли себя на стеклянной палочке) и «смоляными» (возникающими при электризации смол). Позже Бенджамином Франклином понятия «стеклянные» и «смоляные» были заменены на более общие термины: «положительные» и «отрицательные». Данными терминами мы пользуемся по сегодняшний день.

Несмотря на то, что эти исследователи понимали факт распределения зарядов, они не смогли объяснить природу явления. Вплотную приблизился к пониманию элементарных частиц как носителей зарядов учёный-физик Ш. Кулон. Придуманный им термин «точечный заряд» помог учёному понять взаимодействие элементарных частиц, что привело его к открытию закона.

На основании своего открытия, физик уже мог объяснить причину взаимодействия точечных заряженных тел (см. рис. 1).

Рис. 1. Взаимодействие наэлектризованных тел

Дискретность (неделимость) элементарных заряженных частиц доказал Роберт Милликен. Учёный подтвердил, что заряженное тело содержит целое число элементарных частиц. Он пришёл к выводу, что делимость заряда имеет предел. Носителем элементарного заряда является электрон.

На рисунке 2 изображён опыт, подтверждающий делимость заряда. Опыт показывает, что деление кратно, это наталкивает на мысль о существовании элементарных частиц.

Рис. 2. Делимость заряда

Целостная картина сложилась после обнародования предложенной Резерфордом наглядной планетарной модели атома. Модель предполагает, что атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Это довольно упрощённая модель, но она уже объясняла многие электрические процессы, включая электризацию тел.

Рис. 3. Современная интерпретация планетарной модели атома

Что такое электрический заряд?

Данный термин обозначает то, что заряженное тело способно создавать электрическое поле. В более широком значении, зарядом называют количество электричества – скалярную величину, являющейся источником электромагнитного поля, участвующую в процессах электромагнитных взаимодействий. Электрический заряд не может существовать без носителя.

Элементарными носителями отрицательных зарядов являются электроны. Антиподом электрона является позитрон – устойчивая античастица, равная по массе электрону, но со знаком «+». Существует ещё одна устойчивая, положительно заряженная элементарная частица – протон.

Частицы, заряжены дробными частями (кварки), могут существовать только в составе адронов, поэтому их не считают носителями.

Заряженные протоны, из которых состоит ядро атома, тесно связаны ядерными силами. Они не могут свободно вырываться с ядра атома. Поэтому в качестве свободных носителей положительного заряда принято считать ион – атом, с орбиты которого удалился электрон. Образование отрицательных ионов происходит за счёт присоединения к ним свободных электронов.

Заряженность нейтральных атомов и молекул нулевая, а число положительных и отрицательных ионов в ячейках кристаллических решёток скомпенсировано. Поэтому тела в обычных условиях электростатически нейтральны. Между нейтральными атомами взаимодействие отсутствует.

Свойства

Установлено, что неподвижный заряд q неразрывно связан с электрическим полем, представителем особого вида материи. Поле является материальным носителем взаимодействия между элементарными частицами. Это свойство поля проявляется даже в случае отсутствия вещества между взаимодействующими телами.

Электрическое поле действует с силой F  на пробный заряд q′, расположенный в любой точке поля.

Векторная величина:

характеризует действие электричества и называется напряженностью поля. Линии, касательные к которым совпадают с вектором напряжённости, образуют линии напряжённости. Густота линий напряжённости определяет величину напряжённости.

Линии напряженности электростатического поля точечного заряда представляют собой лучи, выходящие из одной точки (для положительного) или входящего в точку (для отрицательного) (см. рис. 4).

Рис. 4. Линии напряжённости поля

Электростатическое взаимодействие электромагнитных полей можно наблюдать на поведении заряженных шариков. Если эбонитовую или стеклянную палочку наэлектризовать трением и приблизить её к крохотным бузиновым шарикам, то мы увидим, как в результате силовых взаимодействий частицы отталкиваются (если они одинаковых знаков), либо притягиваются (разнознаковые).

Насыщение свободными носителями зарядов различных веществ не одинаково. Больше всего свободных электронов содержится в металлах. Поскольку заряженные электроны способны перемещаться под действием электрического поля, они являются основными транспортировщиками электрического тока в металлах. При этом движения электронов не приводит к каким-либо химическим изменениям.

Перенос зарядов в расплавленных солях или в растворах кислот осуществляется ионами. Они могут быть заряжены как положительно, так и отрицательно. В отличие от металлов, перераспределение зарядов в этих жидкостях сопровождается химическими реакциями. Поэтому растворы называют проводниками второго рода, то есть такими, которые под действием постоянных токов приводят к изменению химического состава вещества.

Таким образом, вещества условно подразделяют по типу проводимости:

  • проводники первого рода (металлы);
  • проводники второго рода (соляные, щелочные и кислотные растворы);
  • полупроводники (электронно-дырочная проводимость);
  • диэлектрики (вещества не способные проводить электричество из-за отсутствия свободных носителей).

Единица измерения

Единицей измерения заряда в международной системе СИ принято 1 кулон – совокупный заряд элементарных частиц, преодолевающих сечение проводника с током в 1 А, за единицу времени (секунду). Это огромная величина. Силу взаимодействия величиной в 1 Кл на расстоянии 1 м можно сравнить с действием гравитационного притяжения Землёй тела, массой 1 млн. т (9 × 109 Н).

Взаимодействие зарядов

Многочисленные опыты показали, что заряженные элементарные частицы взаимодействуют между собой. Носители одноименных зарядов отталкиваются, а носители разноименных зарядов – притягиваются (см.рис. 5).

Рис. 5. Взаимодействие элементарных частиц

Силу взаимодействия точечных зарядов определяют по формуле, вытекающей из закона Кулона: F = (k*q1*q2)/r2 , где q1 и q2 –две заряженные точки, расположенные на расстоянии r, а k – коэффициент, размерность которого зависит от выбранной системы измерений, а значение – от свойств окружающей среды. Закон Кулона – один из фундаментальных законов физики.

Рис. 6. Интерпретация закона кулона

Способы измерения

Самый простой прибор для измерения – электроскоп. Он состоит из двух лепестков из фольги, расположенных на металлическом стержне. Конструкция накрыта стеклянным колпаком.

Если наэлектризованным телом прикоснуться к стержню, то лепестки наэлектризуются. Поскольку знаки на них одинаковые, то кулонова сила оттолкнёт их в разные стороны. По величине угла отклонения можно оценить величину статического электричества поступившего на лепестки.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Как выполняется зануление и принцип его действия

Более сложный прибор – электрометр (схематическое изображение на рис. 8). Прибор состоит из стержня электрометра, стрелки и шкалы. Принцип действия аналогичен электроскопу (стрелка отталкивается от стержня). Благодаря наличию шкалы отклонение стрелки электрометра показывает количественную величину переданного электричества.

Рис. 8. Схематическое изображение электрометра

Мы уже упоминали, что Кулон в своих опытах пользовался крутильными весами. Этот измерительный прибор позволил учёному открыть знаменитый закон, названный в честь его имени.

Источник: https://www.asutpp.ru/elektricheskiy-zaryad.html

Формулировка закона сохранения электрического заряда

В любой замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов – величина неизменная, не зависимо от того, какие процессы происходят в данной системе.

где N – количество зарядов.

Электрический заряд — это релятивистски инвариантная величина, что означает независимость заряда от системы отсчета, то есть величина заряда не зависит от движения или покоя заряда.

Эмпирическим путем (опыты Р. Милликена) было доказано, что электрический заряд – это дискретная величина. Заряд любого тела является кратным целым от заряда электрона, который носит название элементарного заряда. Заряд электрона равен

Электризация тел

Тела в природе могут приобретать электрический заряд. Процесс приобретения электрического заряда называют электризацией. Электризацию можно реализовывать различными способами: трением, при помощи электростатической индукции и т. д.

Однако, любой процесс получения телом заряда является разделением зарядов. При этом одно тело или его часть получает избыточный положительный заряд, а другое тело (его часть) имеет при этом избыточный отрицательный заряд.

Сумма заряда обоих знаков, которую содержат тела, не изменяется, заряды только испытывают перераспределение.

При соединении заряженного проводника с незаряженным, заряд перераспределяется между обоими телами. Допустим, что одно тело несет отрицательный заряд, его соединяют с незаряженным телом. Электроны заряженного тела под воздействием сил взаимного отталкивания переходят на незаряженное тело. При этом заряд первого тела уменьшается, заряд второго увеличивается, до тех пор пока не наступит равновесие.

Если соединяют положительные и отрицательные заряды, они компенсируют друг друга. Это значит, что объединяя одинаковые по величине отрицательные и положительные заряды, мы получим незаряженное тело.

При электризации тел, с использованием трения, так же происходит перераспределение зарядов. Основной причиной при этом является переход части электронов при тесном контакте тел от одного тела к другому.

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/fizika/zakon-soxraneniya-elektricheskogo-zaryada/

Электрический заряд. Закон его сохранения

В соответствии с современными представлениями атомы всех тел построены из электрически заряженных частиц. Относительно легких электронов и довольно тяжелых положительно заряженных атомных ядер. В целом тела электрически нейтральны, так как суммарный отрицательный заряд электронов равен суммарному положительному заряду атомных ядер данного тела.

Отрицательный заряд электрона равен (так как к этой величине прибегают довольно часто, то заряд электрона часто имеет свое обозначение $q_e$ или $e$) $e=1,6\cdot {10}{-16}Кл$ (в системе СИ) или $e=4,8\cdot {10}{-10}$ абсолютных электростатических единиц электричества (в СГСЭ).

Положительные заряды атомных ядер равны по модулю целым, кратным элементарному заряду (так еще называют заряд электрона), то есть заряд ядра: $q=ne$, где $n$- целое число. Масса электрона равна $m_e=9.1\cdot {10}{-31}кг$. Самым лёгким ядром является ядро атома водорода, которое именуется протоном. Его масса равна $m_p=1.67\cdot {10}{-27}кг$.

Размеры атомных ядер, электронов малы по сравнению с расстояниями между ними в атомах и молекулах, что позволяет во многих случаях считать их материальными точками, которые имеют массу и электрический заряд.

  • Курсовая работа 480 руб.
  • Реферат 280 руб.
  • Контрольная работа 210 руб.

Мысль о дискретности электрического заряда была высказана уже Б. Франклином в 1752 г. Экспериментом она подтверждена Фарадеем, при исследовании законов электролиза. Однако окончательный вывод о дискретности электрического заряда был сделан Г.Л. Гельмгольцем и Д. Стонеем в 1881 г.

Количественное значение элементарного заряда было вычислено на основании законов электролиза. Прямое экспериментальное измерение элементарного заряда было сделано Р.Э. Милликеном в 1909 г. Были предприняты поиски дробных зарядов, но они дали отрицательный результат.

Сделаем вывод, на сегодняшний момент установлено, что дробных зарядов в свободном состоянии не существует.

Независимость количественного значения элементарного заряда от скорости доказывается фактом нейтральности атомов. Электроны в атоме движутся значительно быстрее протонов (это следствие различая масс). В том случае, если бы заряд зависел от скорости, то нейтральность атомов нарушалась. Инвариантность заряда относительно скорости — одно из экспериментальных обоснований теории электричества.

В большинстве макроскопических явлений участвует очень большое количество электрических зарядов, в таком случае их дискретность значения не имеет, и в большинстве случаев можно считать, что заряд как бы непрерывно распределён в пространстве.

Объемная плотность распределения

Объемной плотностью распределения зарядов называют отношение:

где $\triangle Q$- полный заряд, находящийся в объеме $\triangle V$, $e_i$ — элементарный заряд, $\triangle V$ — малый объем, но не бесконечно малый в математическом смысле, он характеризуется координатой точки внутри него. Это значит, что можно записать: $\rho =\rho \left(x,y,z\right).$ При определении объемной плотности $\rho $ можно рассматривать как функцию, а заряд считать непрерывно распределенным, тогда можно записать, что:

где $dV$- дифференциал объема.

Концентрацией зарядов (n) называют отношение:

где ∆n — количество зарядов в объеме $\triangle V$.

Поверхностной плотностью заряда ($\sigma$) называется соотношение:

где $\triangle S$- малая площадь поверхности, $\triangle Q$ — заряд, находящийся на поверхности $\triangle S$. Полный заряд поверхности, при условии равномерного распределения заряда по ней, можно найти как:

где $dS$ — дифференциал площади поверхности.

Закон сохранения заряда

Закон сохранения заряда приведем в двух формах. Одна из них следующая. Она исходит из двух фактов:

  1. Электрон и протон — материальные частицы с бесконечным временем жизни, их заряды инвариантны и не зависят от скорости. В такой трактовке, закон сохранение — следствие неуничтожимой носителей заряда.
  2. Кроме протонов и электронов существуют другие заряженные элементарные частицы. Все они рождаются, порождают другие частицы, участвуют в процессах взаимных превращений, но какими бы ни были превращения, суммарный заряд частиц до равен суммарному заряду после взаимопревращений.

Таким образом, закон сохранения заряда может быть сформулирован следующим образом:

Заряд сохраняется при всех процессах и движениях носителей зарядов.

Здесь надо отметить, что имея некоторую самостоятельность, заряд не может существовать отдельно от его носителя — материи.

Закон сохранения заряда можно записать в интегральной форме. Изменение заряда в некотором объеме V может произойти только в результате втекания или вытекания заряда через замкнутую поверхность $S$, которая ограничивает объем $V$. Или в математическом виде:

где сила тока, протекающая через замкнутую поверхность S равна интегралу по этой поверхности:

где $\overrightarrow{j}\cdot d\overrightarrow{S}=jdScos(\widehat{\overrightarrow{j}\cdot d\overrightarrow{S}})$, j — плотность тока $\overrightarrow{j}=\frac{1}{\triangle V}\sum\limits_{\triangle V}{e_i{\overrightarrow{v}}_i}$, ${\overrightarrow{v}}_i$ — скорость элементарного заряда, $d\overrightarrow{S}$ направлен по внешней нормали к поверхности.

$\frac{\partial }{\partial t}\intolimits_V{\rho dV}$- скорость изменения заряда в объеме. Знак минус в формуле (6) указывает на то, что если положительный заряд внутри объема уменьшатся, то плотность тока направлена из объема $V$.

Дифференциальная форма закона сохранения заряда (оно же уравнение непрерывности) имеет вид:

Напомним, что $div\overrightarrow{j}=\frac{\partial j_x}{\partial x}+\frac{\partial j_y}{\partial y}+\frac{\partial j_z}{\partial z}$.

Пример 1

Схема опытов Милликена изображена на рис. 1. Маленькие заряженные шарообразные частицы (капельки масла) движутся в воздухе при наличии однородного электрического поля $\overrightarrow{E}.$ На частицу действуют следующие силы: силы тяжести ($\ \ {\rho }_{ch}>{\rho }_{vozd},\ плотность\ частицы\ \left(\ {\rho }_{ch}\right),\ плотность\ воздуха\ ({\rho }_{vozd})$), сила вязкого трения, электростатическая сила, сила Архимеда.

Сила вязкого трения пропорциональна скорости, следовательно, при постоянной скорости частицы сумма действующих на частицу сил равна нулю. Все силы, помимо электрической измерялись экспериментально при движении частицы в отсутствии электрического поля. Исследовав движение частицы в поле, Милликен нашел силу $q\overrightarrow{E}.$ Это позволило вычислить заряд частицы, так как напряженность поля известна.

Изменяя напряженность поля можно добиться, чтобы заряженная частица находилась в покое.

Задание: В электростатическое поле впрыскивают заряженную каплю масла (плотность масла считать известной, равной ${\rho }_{ch}$) радиуса R. Напряжённость поля (E) подбирают такой, чтобы капля масла оставалась неподвижной. Капля находится в воздухе, плотность воздуха ${\rho }_{vozd}$. Определите заряд капли.

Решение:

Рис. 1

Если скорость частицы равна нулю, то сила вязкого трения также равна нулю.

Запишем второй закон Ньютона для заряженной капельки масла, если мы знаем, что частица неподвижна:

\[m\overrightarrow{g}+\overrightarrow{F_A}+\overrightarrow{F_E}=0\left(1.1\right).\]

Направим ось ОX вдоль поля, запишем проекцию уравнения (1.1) на эту ось:

\[F_A+F_E-mg=0\ \left(1.2\right),\]

где $F_A$ сила Архимеда, которая равна:

\[F_A=с_{vozd}Vg=с_{vozd}\frac{4}{3}\pi R3g\ \left(1.3\right),\]

$R$ — радиус капли масла.

$F_E$ — электростатическая сила, действующая на заряженную каплю со стороны поля:

\[F_E=qE\ \left(1.4\right),\]

где $q$ — заряд капли масла, $E$ — напряженность электростатического поля.

$mg$- сила тяжести, действующая на каплю, ее можно выразить через плотность масла:

\[mg=с_{ch}\frac{4}{3} \pi R3g\ \left(1.5\right).\]

Подставим выражения (1.3) — (1.5) в уравнение (1.2), получим:

\[{\rho }_{vozd}\frac{4}{3}\pi R3g\ +qE-{\rho }_{ch}g\frac{4}{3}\pi R3=0\ \left(1.6\right).\]

Выразим из (1.6) заряд капли:

\[q=\frac{{\rho }_{ch}g\frac{4}{3}\pi R3-{\rho }_{vozd}\frac{4}{3}\pi R3g}{E}=\frac{\frac{4}{3}{\pi R3(\rho }_{ch}-{\rho }_{vozd})g}{E}\]

Ответ: Заряд капли масла должен быть $q=\frac{\frac{4}{3}{\pi R3(\rho }_{ch}-{\rho }_{vozd})g}{E}$.

Пример 2

Задание: Два одинаковых металлических шарика имею заряды $q_1$ и $q_2$ одинаковые по знаку. Их соединили, а за тем развели. Чему будут равны заряды каждого из шариков после разъединения.

Решение:

Основа для решения — закон сохранения заряда, запишем его для нашего случая:

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektrostatika/elektricheskiy_zaryad_zakon_ego_sohraneniya/

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Электрогенератор
Как определить межвитковое замыкание в обмотке генератора

Закрыть