Experimentos sencillos sobre la electrificación de diversos cuerpos ilustran los siguientes puntos.
1. Hay dos tipos de cargas: positivas (+) y negativas (-). Se produce una carga positiva cuando el vidrio se frota contra el cuero o la seda, y una carga negativa cuando el ámbar (o ebonita) se frota contra la lana.
2. Cargos (o cuerpos cargados) Interactuar el uno con el otro. Mismos cargos alejarse, y a diferencia de los cargos se sienten atraídos.
3. El estado de electrificación se puede transferir de un cuerpo a otro, lo que está asociado a la transferencia de carga eléctrica. En este caso, se puede transferir una carga mayor o menor al cuerpo, es decir, la carga tiene una magnitud. Al electrizarse por fricción, ambos cuerpos adquieren carga, siendo uno positivo y el otro negativo. Cabe destacar que los valores absolutos de las cargas de los cuerpos electrificados por fricción son iguales, lo que se confirma mediante numerosas mediciones de cargas mediante electrómetros.
Fue posible explicar por qué los cuerpos se electrifican (es decir, se cargan) durante la fricción después del descubrimiento del electrón y el estudio de la estructura del átomo. Como sabes, todas las sustancias están formadas por átomos; Los átomos, a su vez, están formados por partículas elementales, cargadas negativamente. electrones, cargado positivamente protones y partículas neutras - neutrones. Los electrones y protones son portadores de cargas eléctricas elementales (mínimas).
Carga eléctrica elemental ( mi) es la carga eléctrica más pequeña, positiva o negativa, igual a la carga del electrón:
mi = 1.6021892(46) 10-19C.
Hay muchas partículas elementales cargadas y casi todas tienen carga. +e o -mi Sin embargo, estas partículas tienen una vida muy corta. Viven menos de una millonésima de segundo. Sólo los electrones y los protones existen en estado libre de forma indefinida.
Los protones y neutrones (nucleones) forman el núcleo de un átomo cargado positivamente, alrededor del cual giran electrones cargados negativamente, cuyo número es igual al número de protones, de modo que el átomo en su conjunto es una central eléctrica.
En condiciones normales, los cuerpos formados por átomos (o moléculas) son eléctricamente neutros. Sin embargo, durante el proceso de fricción, algunos de los electrones que han abandonado sus átomos pueden pasar de un cuerpo a otro. Los movimientos de los electrones no superan las distancias interatómicas. Pero si los cuerpos se separan después de la fricción, resultarán cargados; el cuerpo que cedió algunos de sus electrones estará cargado positivamente y el cuerpo que los adquirió estará cargado negativamente.
Entonces, los cuerpos se electrifican, es decir, reciben una carga eléctrica cuando pierden o ganan electrones. En algunos casos, la electrificación es provocada por el movimiento de iones. En este caso no surgen nuevas cargas eléctricas. Sólo existe una división de las cargas existentes entre los cuerpos electrizantes: parte de las cargas negativas pasa de un cuerpo a otro.
Determinación del cargo.
Cabe destacar especialmente que la carga es una propiedad integral de la partícula. Puedes imaginar una partícula sin carga, pero no puedes imaginar una carga sin partícula.
Las partículas cargadas se manifiestan en atracción (cargas opuestas) o repulsión (como cargas) con fuerzas que son muchos órdenes de magnitud mayores que las fuerzas gravitacionales. Por tanto, la fuerza de atracción eléctrica de un electrón hacia el núcleo en un átomo de hidrógeno es 10 39 veces mayor que la fuerza de atracción gravitacional de estas partículas. La interacción entre partículas cargadas se llama interacción electromagnética, y la carga eléctrica determina la intensidad de las interacciones electromagnéticas.
En física moderna, la carga se define de la siguiente manera:
Carga eléctrica es una cantidad física que es la fuente campo eléctrico, a través del cual se produce la interacción de partículas con una carga.
Tenemos que literalmente pelar la ropa recién lavada de la secadora una de otra, o cuando simplemente no podemos poner en orden nuestro cabello electrizado y literalmente erizado. ¿Quién no ha intentado colgar? globo al techo después de frotarlo contra tu cabeza? Esta atracción y repulsión es una manifestación electricidad estática. A este tipo de acciones se les llama electrificación.
La electricidad estática se explica por su existencia en la naturaleza. carga eléctrica . La carga es una propiedad integral de las partículas elementales. La carga que aparece en el vidrio cuando se frota contra la seda se denomina convencionalmente positivo, y la carga que surge en la ebonita durante la fricción con la lana es negativo.
Consideremos un átomo. Un átomo consta de un núcleo y electrones que vuelan a su alrededor (partículas azules en la figura). El núcleo está formado por protones (rojo) y neutrones (negro).
.El portador de una carga negativa es un electrón, una carga positiva es un protón. Un neutrón es una partícula neutra y no tiene carga.
El valor de una carga elemental, un electrón o un protón, tiene un valor constante y es igual a
Todo el átomo tiene carga neutra si el número de protones coincide con el número de electrones. ¿Qué sucede si un electrón se desprende y se va volando? El átomo tendrá un protón más, es decir, habrá más partículas positivas que negativas. Un átomo así se llama ion positivo. Y si se une un electrón extra, obtenemos Ion negativo. Es posible que los electrones, una vez desprendidos, no se vuelvan a unir, sino que se muevan libremente durante algún tiempo, creando una carga negativa. Por tanto, los portadores de carga libres en una sustancia son electrones, iones positivos e iones negativos.
Para que quede un protón libre es necesario destruir el núcleo, y esto supone la destrucción de todo el átomo. No consideraremos tales métodos para obtener cargas eléctricas.
Un cuerpo se carga cuando contiene un exceso de unas u otras partículas cargadas (electrones, iones positivos o negativos).
La cantidad de carga que tiene un cuerpo es múltiplo de la carga elemental. Por ejemplo, si un cuerpo tiene 25 electrones libres y los átomos restantes son neutros, entonces el cuerpo está cargado negativamente y su carga es . La carga elemental no es divisible; esta propiedad se llama discreción
Cargas similares (dos positivas o dos negativas) rechazar, opuesto (positivo y negativo) - se sienten atraídos
Cargo por puntos- es un punto material que tiene carga eléctrica.
Ley de conservación de la carga eléctrica.
Un sistema cerrado de cuerpos en electricidad es un sistema de cuerpos cuando no hay intercambio de cargas eléctricas entre cuerpos externos.
La suma algebraica de las cargas eléctricas de cuerpos o partículas permanece constante durante cualquier proceso que tenga lugar en un sistema eléctricamente cerrado.
La figura muestra un ejemplo de la ley de conservación de la carga eléctrica. En la primera imagen aparecen dos cuerpos de cargas opuestas. La segunda imagen muestra los mismos cuerpos después del contacto. En la tercera figura se introdujo un tercer cuerpo neutro en un sistema eléctricamente cerrado y los cuerpos se pusieron en interacción entre sí.
En cada situación, la suma algebraica de la carga (teniendo en cuenta el signo de la carga) permanece constante.
Lo principal para recordar.
1) Carga eléctrica elemental: electrón y protón.
2) La cantidad de carga elemental es constante.
3) Cargas positivas y negativas y su interacción.
4) Los portadores de carga libres son electrones, iones positivos e iones negativos.
5) La carga eléctrica es discreta.
6) Ley de conservación de la carga eléctrica.
Al igual que el concepto de masa gravitacional de un cuerpo en la mecánica newtoniana, el concepto de carga en electrodinámica es el concepto básico primario.
Carga eléctrica - Este cantidad física, que caracteriza la propiedad de partículas o cuerpos de entrar en interacciones de fuerza electromagnética.
La carga eléctrica suele estar representada por las letras q o q.
La totalidad de todos los hechos experimentales conocidos nos permite sacar las siguientes conclusiones:
Existen dos tipos de cargas eléctricas, convencionalmente llamadas positivas y negativas.
Las cargas pueden transferirse (por ejemplo, por contacto directo) de un organismo a otro. A diferencia de la masa corporal, la carga eléctrica no es una característica integral de un cuerpo determinado. Un mismo cuerpo en diferentes condiciones puede tener una carga diferente.
Las cargas iguales se repelen, las cargas diferentes se atraen. Esto también revela la diferencia fundamental entre las fuerzas electromagnéticas y las gravitacionales. Las fuerzas gravitacionales son siempre fuerzas de atracción.
Una de las leyes fundamentales de la naturaleza es la establecida experimentalmente. ley de conservación de la carga eléctrica .
En un sistema aislado, la suma algebraica de las cargas de todos los cuerpos permanece constante:
|
q 1 + q 2 + q 3 + ... +qnorte= constante |
La ley de conservación de la carga eléctrica establece que en un sistema cerrado de cuerpos no se pueden observar procesos de creación o desaparición de cargas de un solo signo.
Desde un punto de vista moderno, los portadores de carga son partículas elementales. Todos los cuerpos ordinarios están formados por átomos, que incluyen protones cargados positivamente, electrones cargados negativamente y partículas neutras: neutrones. Los protones y neutrones forman parte de los núcleos atómicos, los electrones forman la capa electrónica de los átomos. Las cargas eléctricas de un protón y un electrón son exactamente iguales en magnitud e iguales a la carga elemental. mi.
En un átomo neutro, el número de protones en el núcleo es igual al número de electrones en la capa. este numero se llama número atómico . Un átomo de una sustancia determinada puede perder uno o más electrones o ganar un electrón extra. En estos casos, el átomo neutro se convierte en un ion con carga positiva o negativa.
La carga puede transferirse de un cuerpo a otro sólo en porciones que contengan un número entero de cargas elementales. Por tanto, la carga eléctrica de un cuerpo es una cantidad discreta:
Las cantidades físicas que sólo pueden tomar una serie discreta de valores se denominan cuantificado . Carga elemental mi es un cuanto (porción más pequeña) de carga eléctrica. Cabe señalar que en la física moderna de las partículas elementales se supone la existencia de los llamados quarks: partículas con carga fraccionada y, sin embargo, todavía no se han observado quarks en estado libre.
En experimentos de laboratorio comunes, un electrómetro ( o electroscopio) - un dispositivo que consta de una varilla de metal y un puntero que puede girar alrededor de un eje horizontal (Fig. 1.1.1). La varilla de la flecha está aislada del cuerpo metálico. Cuando un cuerpo cargado entra en contacto con la varilla del electrómetro, se distribuyen cargas eléctricas del mismo signo sobre la varilla y el puntero. Las fuerzas de repulsión eléctrica hacen que la aguja gire un cierto ángulo, mediante el cual se puede juzgar la carga transferida a la varilla del electrómetro.
El electrómetro es un instrumento bastante tosco; no permite estudiar las fuerzas de interacción entre cargas. La ley de interacción de cargas estacionarias fue descubierta por primera vez por el físico francés Charles Coulomb en 1785. En sus experimentos, Coulomb midió las fuerzas de atracción y repulsión de bolas cargadas utilizando un dispositivo que diseñó: una balanza de torsión (Fig. 1.1.2). , que se distinguió por una sensibilidad extremadamente alta. Por ejemplo, la barra de equilibrio se giró 1° bajo la influencia de una fuerza del orden de 10 -9 N.
La idea de las mediciones se basó en la brillante suposición de Coulomb de que si una bola cargada entra en contacto exactamente con la misma sin carga, la carga de la primera se dividirá en partes iguales entre ellas. Así, se indicó una forma de cambiar la carga de la pelota dos, tres, etc. En los experimentos de Coulomb se midió la interacción entre bolas cuyas dimensiones eran mucho menores que la distancia entre ellas. Estos cuerpos cargados suelen denominarse cargos puntuales.
Cargo por puntos llamado cuerpo cargado, cuyas dimensiones pueden despreciarse en las condiciones de este problema.
Basándose en numerosos experimentos, Coulomb estableció la siguiente ley:
Las fuerzas de interacción entre cargas estacionarias son directamente proporcionales al producto de los módulos de carga e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre ellas:
Las fuerzas de interacción obedecen a la tercera ley de Newton:
Son fuerzas repulsivas con los mismos signos de carga y fuerzas de atracción con diferentes signos (Fig. 1.1.3). La interacción de cargas eléctricas estacionarias se llama electrostático o Culombio interacción. La rama de la electrodinámica que estudia la interacción de Coulomb se llama electrostática .
La ley de Coulomb es válida para cuerpos con carga puntual. En la práctica, la ley de Coulomb se cumple si los tamaños de los cuerpos cargados son mucho menores que la distancia entre ellos.
Factor de proporcionalidad k En la ley de Coulomb depende de la elección del sistema de unidades. En el Sistema Internacional SI, la unidad de carga se considera colgante(Cl).
Colgante es una carga que pasa en 1 s a través de la sección transversal de un conductor con una intensidad de corriente de 1 A. La unidad de corriente (amperio) en el SI es, junto con las unidades de longitud, tiempo y masa unidad básica de medida.
Coeficiente k En el sistema SI generalmente se escribe como:
Dónde 
- constante electrica
.
En el sistema SI, la carga elemental mi igual a:
La experiencia demuestra que las fuerzas de interacción de Coulomb obedecen al principio de superposición:
Si un cuerpo cargado interactúa simultáneamente con varios cuerpos cargados, entonces la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo dado es igual a la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre este cuerpo desde todos los demás cuerpos cargados.
Arroz. 1.1.4 explica el principio de superposición utilizando el ejemplo de la interacción electrostática de tres cuerpos cargados.
El principio de superposición es una ley fundamental de la naturaleza. Sin embargo, su uso requiere cierta precaución cuando se trata de la interacción de cuerpos cargados de tamaños finitos (por ejemplo, dos bolas conductoras cargadas 1 y 2). Si se lleva una tercera bola cargada a un sistema de dos bolas cargadas, entonces la interacción entre 1 y 2 cambiará debido a redistribución de carga.
El principio de superposición establece que cuando distribución de carga dada (fija) En todos los cuerpos, las fuerzas de interacción electrostática entre dos cuerpos cualesquiera no dependen de la presencia de otros cuerpos cargados.
Basándose en observaciones de la interacción de cuerpos cargados eléctricamente, el físico estadounidense Benjamin Franklin llamó a algunos cuerpos cargados positivamente y a otros con carga negativa. De acuerdo con esto y cargas eléctricas llamado positivo Y negativo.
Los cuerpos con cargas iguales se repelen. Los cuerpos con cargas opuestas se atraen.
Estos nombres de cargas son bastante convencionales y su único significado es que los cuerpos con cargas eléctricas pueden atraerse o repelerse.
El signo de la carga eléctrica de un cuerpo está determinado por la interacción con el estándar convencional del signo de carga.
Como uno de estos estándares se tomó la carga de una vara de ebonita frotada con piel. Se cree que una barra de ebonita, después de frotarla con pelo, siempre tiene carga negativa.
Si es necesario determinar qué signo de carga de un cuerpo determinado, se lleva a una barra de ebonita, se frota con piel, se fija en una suspensión ligera y se observa la interacción. Si el palo es repelido, entonces el cuerpo tiene carga negativa.
Después del descubrimiento y estudio de las partículas elementales, resultó que carga negativa siempre tiene una partícula elemental - electrón.
Electrón (del griego - ámbar): una partícula elemental estable con carga eléctrica negativami = 1,6021892(46) . 10 -19 C, masa en reposom e =9.1095. 10-19 kilos. Descubierto en 1897 por el físico inglés J. J. Thomson.
como estándar Carga positiva Se toma una carga de una varilla de vidrio frotada con seda natural. Si un cuerpo electrificado rechaza un palo, entonces este cuerpo tiene una carga positiva.
Carga positiva siempre ha protón, que forma parte del núcleo atómico. Material del sitio
Utilizando las reglas anteriores para determinar el signo de la carga de un cuerpo, debe recordarse que depende de la sustancia de los cuerpos que interactúan. Así, una barra de ebonita puede tener carga positiva si se frota con un paño fabricado con materiales sintéticos. Una varilla de vidrio tendrá carga negativa si se frota con pelo. Por lo tanto, si planea obtener una carga negativa en una barra de ebonita, definitivamente debe usarla frotándola con piel o paño de lana. Lo mismo se aplica a la electrificación de una varilla de vidrio, que se frota con un paño de seda natural para obtener una carga positiva. Sólo el electrón y el protón tienen siempre y sin ambigüedades cargas negativas y positivas, respectivamente.
En esta página hay material sobre los siguientes temas:
¿Cuál es el estándar convencional de carga negativa?
¿Cuál es el estándar convencional de carga negativa?
¿Cuál es el estándar convencional de carga positiva?
Este es un estándar convencional de carga negativa.
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