Электрический заряд и его свойства. дискретность. элементарный электрический заряд. закон сохранения электрического заряда

Электрометр

Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электрометр. Электрометр состоит из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 2). Стержень со стрелкой закреплен в плексигласовой втулке и помещен в металлический корпус цилиндрической формы, закрытый стеклянными крышками.

Принцип работы электрометра. Прикоснемся положительно заряженной палочкой к стержню электрометра. Мы увидим, что стрелка электрометра отклоняется на некоторый угол (см. рис. 2). Поворот стрелки объясняется тем, что при соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стрелке и стержню. Силы отталкивания, действующие между одноименными электрическими зарядами на стержне и стрелке, вызывают поворот стрелки. Наэлектризуем эбонитовую палочку еще раз и вновь коснемся ею стержня электрометра. Опыт, показывает, что при увеличении электрического заряда на стержне угол отклонения стрелки от вертикального положения увеличивается. Следовательно, по углу отклонения стрелки электрометра можно судить о значении электрического заряда, переданного стержню электрометра.

Рис. 2

Электрический заряд и его свойства.

Электрический заряд это физическая величина, характеризующая способность частиц или тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q. В системе СИ электрический заряд измеряется в Кулонах (Кл).
Свободный заряд в 1 Кл – это гигантская величина заряда, практически не встречающаяся в природе. Как правило, Вам придется иметь дело с микрокулонами (1 мкКл = 10–6 Кл), нанокулонами (1 нКл = 10–9 Кл) и пикокулонами (1 пКл = 10–12 Кл).

Электрический заряд обладает следующими свойствами:.

1. Электрический заряд является видом материи.

2. Электрический заряд не зависит от движения частицы и от ее скорости.

3. Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

4. Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

5. Все заряды взаимодействуют друг с другом. При этом одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Силы взаимодействия зарядов являются центральными, то есть лежат на прямой, соединяющей центры зарядов.

6. Существует минимально возможный (по модулю) электрический заряд, называемый элементарным зарядом. Его значение:

e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.

Электрический заряд любого тела всегда кратен элементарному заряду:

где: N – целое число

Обратите внимание, невозможно существование заряда, равного 0,5е; 1,7е; 22,7е и так далее. Физические величины, которые могут принимать только дискретный (не непрерывный) ряд значений, называются квантованными

Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда.

7. Закон сохранения электрического заряда. В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака

Из закона сохранения заряда так же следует, если два тела одного размера и формы, обладающие зарядами q1 и q2
(совершенно не важно какого знака заряды), привести в соприкосновение, а затем обратно развести, то заряд каждого из тел станет равным:

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны.
Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному (то есть минимально возможному) заряду e.

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов, или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или
отрицательно заряженный ион

Обратите внимание, что положительные протоны входят в состав ядра атома, поэтому их число может изменяться только при ядерных реакциях. Очевидно, что при электризации тел ядерных реакций не происходит

Поэтому в любых электрических явлениях число протонов не меняется, изменяется только число электронов. Так, сообщение телу отрицательного заряда означает передачу ему лишних электронов. А сообщение положительного заряда, вопреки частой ошибке, означает не добавление протонов, а отнимание электронов.
Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число электронов.

Иногда в задачах электрический заряд распределен по некоторому телу. Для описания этого распределения вводятся следующие величины:

1. Линейная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по нити:

где: L – длина нити. Измеряется в Кл/м.

2. Поверхностная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по поверхности тела:

где: S – площадь поверхности тела. Измеряется в Кл/м2.

3. Объемная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по объему тела:

где: V – объем тела. Измеряется в Кл/м3.

Обратите внимание на то, что масса электрона равна:

me = 9,11∙10–31 кг.

Решение задач

Электростатика – эта наука, занимающаяся изучением и нахождением сил, возникающих при взаимодействии заряженных частиц между собой в состоянии покоя. При помощи закона Кулона проводить постоянные измерения для этого не нужно, достаточно использовать полученные им закономерности.

Например, с помощью математики и знания нужных формул можно решать следующие виды задач:

Определить, с какой силой будут действовать друг на друга электроны, несущие заряд 10-8 кулон каждый, если расстояние между ними составляет три сантиметра. Это задача одноходовая, то есть решается по одной формуле: F = k * (q 1 * q 2 / r 2)

Следует обратить внимание, что расстояние дано в сантиметрах, а подставлять его нужно согласно СИ в метрах. После подстановки и выполнения вычислений ответ должен получиться следующим: F = 9 * 109 * (H * m 2 / Кл2) * (10 -8)2 (Кл) / (3 * 10-2)2 (м) = 10-3 Н.
Найти, во сколько раз электроотталкивание между двумя электронами будет больше их силы притяжения

Для решения этой задачи понадобится взять данные о массе частицы и величине её заряда из справочника. Затем по закону Кулона рассчитать силу электрического взаимодействия, а по закону всемирного тяготения — гравитационную и найти соотношение полученных результатов. Так, F 1 = (k * q 1 * q 2) / r 2 = k * (e)2 / r 2, а F 2 = G * (m 1 * m 2) / r 2 = G * m / r 2. Отсюда F 1 / F 2 = 9 * 109 * 1,6 * 10-19 / 6,67 * 10-11 * (9,1 * 10-31)2 = 4, 23 * 1042.
Заряженные частицы находятся друг от друга на расстоянии семь миллиметров. Вычислить силу, действующую на заряд 2 нКл расположенный в точке, удалённой на три миллиметра от заряда в 10 нКл и на четыре от 16 нКл. Равнодействующую возникших сил можно определить так: F = F1 – F2, где: F1 – взаимодействие c третьим первого заряда, а F2 — второго. Таким образом, рабочая формула примет вид: F = k * (q 1 * q 3) / r 12 – k * (q1 * q3) / r 22 = k * q 3 * (q 1/ r 12 – q 2/ r 22). После подстановки данных в ответе должна получиться сила, равная: F = 2 * 10-3 Н.

Нужно обратить внимание, что при подстановке исходных данных в формулы нужно обязательно придерживаться СИ

Это важно, тем более что с помощью размерностей можно проверить правильность используемого или полученного выражения. А также при решении задач часто приходится прибегать к использованию справочника по электрофизике

Другие сложности при знании формул возникнуть не должны

А также при решении задач часто приходится прибегать к использованию справочника по электрофизике. Другие сложности при знании формул возникнуть не должны.

История

Майкл Фарадей за опытами в своей лаборатории

Бенджамин Франклин проводит свой знаменитый опыт с летающим змеем, в котором доказывает, что молния — это электричество.

Ещё в глубокой древности было известно, что янтарь (др.-греч. ἤλεκτρον — электрон), потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы. А уже в конце XVI века английский врач Уильям Гильберт назвал тела, способные после натирания притягивать лёгкие предметы, наэлектризованными.

В 1729 году Шарль Дюфе установил, что существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным» соответственно. Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл Бенджамин Франклин.

В начале XX века американский физик Роберт Милликен опытным путём показал, что электрический заряд дискретен, то есть заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда.

Общие сведения

Проводя серию опытов с янтарём, Уильям Гильберт заметил, что при определённых обстоятельствах он был способен притягивать к себе другие предметы. В XVI веке врач из Англии назвал тела, которые обладали таким свойством наэлектризованными. Им было сделано предположение, что в теле существует определённая субстанция, которая склонна к взаимодействию.

Французский учёный Шарль Франсуа Дюфе, провёдший большую работу по систематизации сведений, связанных с электричеством, пришёл к выводу, что такой субстанцией является элементарная частица. В каждом теле существует несколько их видов. Как показали опыты, одни образовывались при трении стекла о шёлк, а другие — смолы. Поэтому учёный назвал частицы «стеклянными» и «смоляными».

В 1897 году физиком Томсоном была открыта элементарная частица, получившая название электрон. Через двадцать лет Резерфорд выдвинул предположение о существовании противоположной величины. После этого теория была подтверждена экспериментально, а частица была названа протоном. Учёный из Англии в 1932 году смог обнаружить новый вид частиц, близких по размеру открытым, но отличающихся своим поведением. Назвал он их нейтронами, что в переводе с латинского обозначает «ни тот ни другой».

После открытия тока и напряжения учёными были обнаружены интересные эффекты. Проводник, по которому протекало электричество, вызывал отклонение магнитной стрелки. Это явление позволило сделать вывод, что элементарная частица является носителем энергии, которую и назвали зарядом. Понятие же о положительной и отрицательной частицы ввёл Вениамин Франклин.

Таким образом, было установлено, что атом вещества состоит из трёх частиц:

  • отрицательно заряженного электрона;
  • имеющего положительный заряд протона;
  • нейтральной частицы нейтрона.

Сегодня под ним понимают скалярную физическую величину, определяющую возможности физического тела быть источником возникновения электромагнитных полей. Именно количество заряда и обеспечивает появление электромагнитного взаимодействия. Поэтому он не может существовать без носителя.

Защита радиоаппаратуры от воздействия электростатического электричества

Антистатическое заземление

Заземление не является защитой о статических зарядов, но оно необходимо для
ограничения зарядов, скапливающихся на изоляционных материалах и могущих попасть
на проводящие конструкции установок.

Для статического электричества, объект считается
заземленным если сопротивление заземления имеет величину порядка !07
Ом при относительной влажности 60%.

Для предупреждения вывода из строя электронной аппаратуры применяются
следующие методы.

Схемотехнический

  1. Применение элементной базы с максимальной устойчивостью к воздействию
    ЭСР
  2. Использование схемотехнической защиты от перенавряжений во входных —
    выходных цепях.

Конструкторский

  1. Создание рационального заземления,
  2. Экранирование узлов и блоков.
  3. Ограничение доступа к цепям и блокам,
  4. Выбор материалов и покрытий

Технологический

  1. Устранение разности потенциалов на материалах,
  2. Использование специальной тары и транспорта,
  3. Применение средств снятия эл. статических зарядов с тела операторов,
  4. Нейтрализация зарядов
  5. Заземление объектов

Эксплуатация

  1. Повышение поверхностной проводимости материалов за счет обработки
    материалов и создания оптимальной влажности,
  2. Нейтрализация эл. статических зарядов,
  3. Антистатическая отделка помещения,
  4. Индивидуальная антистатическая защита персонала.

Простое средство для снятия статического электрического заряда
с теле человека — оператора.

Для снятия электрического заряда с тела человека — оператора на производства,
в мастерских да и в домашней лаборатории применяется антистатический браслет.

Его внешний вид показан на рис.5.

Рисунок 5

Антистатический браслет

Ремешок такого браслета выполнен из слабо проводящего материала,
электрический контакт с которым выполнен с помощью специальной конструкции
позволяющей подключить к браслету специальный провод со штеккером.
В него должен быть встроен резистор 1 мОм, который
позволяет заряду стекать с тела человека без ощущения этого процесса (как
происходит при непосредственном касании пальцем «земли»).

Внимание!Предупреждение самодельшикам!Все кто сами пытаются изготовить антистатический
браслет должны помнить, что его нельзя подключать обычным проводом к
«земле» или клемме заземления!
В антистатическом браслете подключение к «земле» должно осуществляться
через сопротивление 1 мОм!
Иначе Вы можете потерять руку или погибнуть от поражения электрическим
током!

Ссылки:

  1. Конспект лекций по
    электростатике ИАТЭ НИЯУ МИФИ кафедра ОиСФ
  2. Защита электронных средств от воздействия статического электричества,
    Кучиев Л.Н, Пожидаев Е.Д., ИД «Технологии», М, 2005
  3. Схемотехнические методы защиты рассмотрены
    здесь.

Собрал А.Сорокин,
2013 г.

Электрический заряд элементарной частицы

Электрический заряд элементарной частицы – это не особый «механизм» в частице, который можно было бы снять с нее, разложить на составные части и снова собрать. Наличие электрического заряда у электрона и других частиц означает лишь существование определенных взаимодействий между ними.

В природе имеются частицы с зарядами противоположных знаков. Заряд протона называется положительным, а электрона – отрицательным. Положительный знак заряда у частицы не означает, конечно, наличия у нее особых достоинств. Введение зарядов двух знаков просто выражает тот факт, что заряженные частицы могут как притягиваться, так и отталкиваться. При одинаковых знаках заряда частицы отталкиваются, а при разных – притягиваются.

Никакого объяснения причин существования двух видов электрических зарядов сейчас нет. Во всяком случае, никаких принципиальных различий между положительными и отрицательными зарядами не обнаруживается. Если бы знаки электрических зарядов частиц изменились на противоположные, то характер электромагнитных взаимодействий в природе не изменился бы.

Положительные и отрицательные заряды очень хорошо скомпенсированы во Вселенной. И если Вселенная конечна, то ее полный электрический заряд, по всей вероятности, равен нулю.

Наиболее замечательным является то, что электрический заряд всех элементарных частиц строго одинаков по модулю. Существует минимальный заряд, называемый элементарным, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Заряд может быть положительным, как у протона, или отрицательным, как у электрона, но модуль заряда во всех случаях один и тот же.

Отделить часть заряда, например, у электрона невозможно. Это, пожалуй, самое удивительное. Никакая современная теория не может объяснить, почему заряды всех частиц одинаковы, и не в состоянии вычислить значение минимального электрического заряда. Оно определяется экспериментально с помощью различных опытов.

В 60-е гг., после того как число вновь открытых элементарных частиц стало угрожающе расти, была выдвинута гипотеза о том, что все сильно взаимодействующие частицы являются составными. Более фундаментальные частицы были названы кварками. Поразительным оказалось то, что кварки должны иметь дробный электрический заряд: 1/3 и 2/3 элементарного заряда. Для построения протонов и нейтронов достаточно двух сортов кварков. А максимальное их число, по-видимому, не превышает шести.

Электростатика

Электростатика — раздел учения об электричестве, изучающий взаимодействие
неподвижных электрических зарядов.
Между одноимённо заряженными телами возникает электростатическое (или
кулоновское) отталкивание, а между разноимённо заряженными — электростатическое
притяжение. Явление отталкивания одноименных зарядов лежит в основе создания
электроскопа — прибора для обнаружения электрических зарядов.

Рисунок 1

Наглядное действие закона Кулона

В основе электростатики лежит закон Кулона. Этот закон описывает взаимодействие
точечных электрических зарядов.

Закон Кулона имеет вид:

здесь ε
= 8,85×10-12Ф/м
— электрическая постоянная.

Простой пример действия закона Кулона и наглядно наблюдаемый — перенос
электростатического заряда на кисть из тонких эластичных волосков.

Свойства электрического заряда

Заряд бывает двух видов, называемых положительным и отрицательным:
заряды одного вида отталкиваются друг от друга, заряды разных видов —
притягиваются, причем сила отталкивания равна по модулю силе притягивания;
число положительных и отрицательных зарядов в веществе одинаковое.
Полный электрический заряд изолированной системы сохраняется.
Величина заряда может принимать только дискретные значения:
минимальный заряд частицы e = 1.60·10-19 Кл;
любой заряд q кратен минимальному, т.е. q=Ne, где N — целое число;
минимальные положительный и отрицательный заряды равны по абсолютной величине.

Электрическое поле

Заряд изменяет свойства окружающего его пространства, т.е. он создает вокруг
себя нечто материальное, посредством чего осуществляется взаимодействие между
зарядами. Это нечто и называется электрическим полем.
Поле характеризуется величиной напряженности, которая численно равна силе,
действующей на единичный заряд:

Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на
заряд.

Величина φ

называется потенциалом.

Потенциал (φ) численно равен потенциальной энергии
(Wp), которой
обладал бы в данной точке поля положительный единичный заряд
(q). Работа по переносу
заряда q из точки 1 в точку 2 может быть записана как:
 

Тогда, так как потенциал на бесконечности считаем равным нулю то можно сказать,
что потенциал равен работе, которую совершают силы поля над единичным
положительным зарядом при удалении его из данной точки на бесконечность.

Единицей потенциала является Вольт.

1В — это потенциал в такой точке, для
перемещения в которую из бесконечности заряда в 1Кл нужно затратить работу в
1Дж.
Потенциал поля, создаваемого системой зарядов равен
алгебраической сумме потенциалов, создаваемых каждым из зарядов в отдельности:

Напряженность электрического поля

Закон Кулона

Возможность взаимодействия зарядов между собой впервые подтвердил Кулон. Для этого он использовал крутильные весы собственного изобретения. На них было закреплено коромысло, подвешенное на шёлковую нить. К другому её концу через зажим крепилась стрелка микрометра. На одну чашу весов ложился шар, а на другую — противовес. Вся эта конструкция размещалась в сосуде, из которого был выкачан воздух. Через специальное отверстие в колбу можно было поместить другой шар.

В результате таких действий физик наблюдал, как при помещении шаров с разным зарядом происходило закручивание нити. Силу этого взаимодействия он определял по отклонению стрелки микрометра. Кроме этого, с помощью проводника Кулон замыкал оба тела и наблюдал распределение электрозарядов. Такое устройство позволяло измерять силы до 10-11 ньютон.

Проведя ряд экспериментов, учёный установил, что сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между носителями и пропорциональна произведению их зарядов. То есть, чем большей энергией обладают носители и плотнее расположены друг к другу, тем сильнее они испытывают обоюдное влияние. В честь его работы величина энергии частицы стала измеряться в кулонах (Кл).

В математическом виде сила взаимодействия описывается выражением: F = k * (q1 * q2) / r2. Где:

  • q – величина энергии которой обладает элементарная частица;
  • k – коэффициент;
  • r – расстояние между зарядами.

Коэффициент является постоянной величиной, но зависит от выбора системы измерений. Так, для Гаусса его можно вычислить по формуле: K = (p * E0) / 4, где E0 – электрическая постоянная.

Литература

  1. Буров Л.И., Стрельченя В.М. Физика от А до Я: учащимся, абитуриентам, репетиторам. – Мн.: Парадокс, 2000. – 560 с.
  2. Мякишев Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 кл.: учеб. Для углубленного изучения физики /Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. – М.Ж Дрофа, 2005. – 476 с.
  3. Физика: Учеб. пособие для 10 кл. шк. и классов с углубл. изуч. физики/ О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, Э. Е. Эвенчик и др.; Под ред. А. А. Пинского. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 1995. – 415 с.
  4. Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3 т./ Под ред. Г.С. Ландсберга: Т. 2. Электричество и магнетизм. – М: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 480 с.

Свойства заряда

Для упрощения описания поля, возникающего вокруг заряженного тела или даже их системы, была введена идеализация — пробный точечный заряд. Простыми словами — это величина с размерами носителя, которым можно пренебречь. В абстрактном смысле заряд представляет собой генератор непрерывной симметрии изучаемой физической системы. По сути, это субстанция, которая «течёт» в физическом теле.

Для изучения взаимодействия заряженных частиц используют специальные приборы — электроскоп и электрометр. В состав первого входит металлический стержень, проходящий сквозь диэлектрическую пробку, с прикреплёнными к нему двумя тонкими металлическими лепестками (фольга). При взаимодействии тела со стержнем листки заряжаются и отклоняются друг от друга. Во втором же устройстве используется стрелка, которая может свободно вращаться на стержне. По её отклонениям судят о величине электрического заряда и его влиянии.

Из известных свойств заряженных частиц можно выделить следующие:

  1. В природе есть как отрицательные, так и положительные заряды. При взаимодействии для разноимённых характерно появление силы притягивания, а одноимённых — отталкивания. Носителем наименьшего отрицательного заряда в физическом теле является электрон. Его величина составляет q = -1,6*10-19 Кл, а масса m = 9,1*10-31 кг. Положительный же переносят протоны. Значение их заряда аналогично электрону, но только с противоположным знаком, а масса больше m = 1,67*10-27 кг.
  2. Электрический заряд по природе дискретный. Это значит, что его значение в любом случае будет кратно величине электрона: q = N qe. При этом n — всегда целое число.
  3. При создании определённых условий электрический заряд можно переместить из одного тела в другое.
  4. В замкнутой системе действует закон сохранения энергии частиц. Экспериментально установлено, что появление положительно заряженной частицы сопровождается исчезновением отрицательной. Любого знака заряды при их равенстве и взаимодействии могут аннигилировать, то есть нейтрализовать друг друга.
  5. За единицу заряда принимается величина, определяемая как количество прошедших частиц через поперечное сечение проводника за единицу времени.
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: