Paprasti įvairių kūnų elektrifikavimo eksperimentai iliustruoja šiuos dalykus.
1. Yra dviejų tipų krūviai: teigiami (+) ir neigiami (-). Teigiamas krūvis atsiranda stiklui trintis į odą ar šilką, o neigiamas – gintarui (arba ebonitui) trintis į vilną.
2. Mokesčiai (arba įkrauti kūnai) bendrauti tarpusavyje. Tie patys mokesčiai atstumti ir skirtingai nei kaltinimai yra traukiami.
3. Elektrifikacijos būsena gali būti perkelta iš vieno kūno į kitą, kuri yra susijusi su elektros krūvio perkėlimu. Tokiu atveju į kūną gali būti perkeltas didesnis ar mažesnis krūvis, t.y. krūvis turi dydį. Įsielektrinus trinties, abu kūnai įgyja krūvį, vienas yra teigiamas, o kitas neigiamas. Reikėtų pabrėžti, kad trinties elektrifikuotų kūnų krūvių absoliučios vertės yra lygios, o tai patvirtina daugybė krūvių matavimų naudojant elektrometrus.
Paaiškinti, kodėl trinties metu kūnai įsielektrina (t. y. įkrauna), tapo įmanoma po elektrono atradimo ir atomo sandaros tyrimo. Kaip žinote, visos medžiagos susideda iš atomų; atomai savo ruožtu susideda iš elementariųjų dalelių – neigiamai įkrautų elektronų, teigiamai įkrautas protonų ir neutralios dalelės - neutronų. Elektronai ir protonai yra elementarių (minimalių) elektros krūvių nešėjai.
Elementarus elektros krūvis ( e) yra mažiausias teigiamas arba neigiamas elektros krūvis, lygus elektrono krūviui:
e = 1.6021892(46) 10 -19 C.
Įkrautų elementariųjų dalelių yra daug ir beveik visos turi krūvį +e arba -e, tačiau šios dalelės yra labai trumpalaikės. Jie gyvena mažiau nei milijonąją sekundės dalį. Laisvoje būsenoje neribotą laiką egzistuoja tik elektronai ir protonai.
Protonai ir neutronai (nukleonai) sudaro teigiamai įkrautą atomo branduolį, aplink kurį sukasi neigiamai įkrauti elektronai, kurių skaičius lygus protonų skaičiui, todėl visas atomas yra jėgainė.
Normaliomis sąlygomis kūnai, susidedantys iš atomų (arba molekulių), yra elektriškai neutralūs. Tačiau trinties proceso metu kai kurie elektronai, palikę savo atomus, gali pereiti iš vieno kūno į kitą. Elektronų judesiai neviršija tarpatominių atstumų. Bet jei kūnai bus atskirti po trinties, jie pasirodys įkrauti; kūnas, kuris atsisakė kai kurių savo elektronų, bus įkrautas teigiamai, o juos įgijęs kūnas – neigiamai.
Taigi kūnai įsielektrina, tai yra, jie gauna elektros krūvį, kai praranda arba įgyja elektronų. Kai kuriais atvejais elektrifikaciją sukelia jonų judėjimas. Tokiu atveju naujų elektros krūvių neatsiranda. Tarp elektrifikuojančių kūnų yra tik esamų krūvių padalijimas: dalis neigiamų krūvių pereina iš vieno kūno į kitą.
Mokesčio nustatymas.
Ypač reikia pabrėžti, kad krūvis yra neatskiriama dalelės savybė. Galite įsivaizduoti dalelę be krūvio, bet neįsivaizduojate krūvio be dalelės.
Įkrautos dalelės pasireiškia traukimu (priešingi krūviai) arba atstūmimu (kaip ir krūviai), kurių jėgos yra daugybe dydžių didesnės už gravitacines jėgas. Taigi elektrono elektrinio pritraukimo jėga prie branduolio vandenilio atome yra 10 39 kartus didesnė už šių dalelių gravitacinio traukos jėgą. Įkrautų dalelių sąveika vadinama elektromagnetinė sąveika, o elektros krūvis lemia elektromagnetinės sąveikos intensyvumą.
Šiuolaikinėje fizikoje krūvis apibrėžiamas taip:
Elektros krūvis yra fizikinis dydis, kuris yra šaltinis elektrinis laukas, per kurią vyksta dalelių sąveika su krūviu.
Mes tiesiogine prasme turime lupti ką tik išskalbtus drabužius iš džiovyklės vieną nuo kito arba kai tiesiog negalime susitvarkyti savo įsielektrinusių ir tiesiogine prasme stovinčių plaukų. Kas nebandė pakabinti balionas iki lubų, kai nusitrynė į galvą? Šis potraukis ir atstūmimas yra pasireiškimas statinė elektra. Tokie veiksmai vadinami elektrifikavimas.
Statinė elektra paaiškinama jos egzistavimu gamtoje elektros krūvis . Krūvis yra neatskiriama elementariųjų dalelių savybė. Krūvis, kuris atsiranda ant stiklo, kai jis trinamas į šilką, yra sutartinai vadinamas teigiamas, o ebonito trinties su vilna metu atsirandantis krūvis yra neigiamas.
Panagrinėkime atomą. Atomas susideda iš branduolio ir aplink jį skraidančių elektronų (paveikslėlyje mėlynos dalelės). Branduolys sudarytas iš protonų (raudonų) ir neutronų (juodų).
.Neigiamo krūvio nešėjas yra elektronas, teigiamo – protonas. Neutronas yra neutrali dalelė ir neturi jokio krūvio.
Elementaraus krūvio – elektrono arba protono – dydis turi pastovią reikšmę ir yra lygus
Visas atomas yra neutraliai įkrautas, jei protonų skaičius sutampa su elektronų skaičiumi. Kas atsitiks, jei vienas elektronas nutrūks ir nuskrenda? Atomas turės dar vieną protoną, tai yra, teigiamų dalelių bus daugiau nei neigiamų. Toks atomas vadinamas teigiamas jonas. Ir jei prisijungs vienas papildomas elektronas, gausime neigiamas jonas. Atsiskyrę elektronai gali vėl nesusijungti, bet kurį laiką laisvai judėti, sukurdami neigiamą krūvį. Taigi laisvieji krūvio nešėjai medžiagoje yra elektronai, teigiami jonai ir neigiami jonai.
Kad būtų laisvas protonas, turi būti sunaikintas branduolys, o tai reiškia viso atomo sunaikinimą. Tokių elektros krūvių gavimo būdų nenagrinėsime.
Kūnas pasikrauna, kai jame yra vienokių ar kitokių įkrautų dalelių (elektronų, teigiamų ar neigiamų jonų) perteklius.
Kūno krūvio dydis yra elementaraus krūvio kartotinis. Pavyzdžiui, jei kūne yra 25 laisvieji elektronai, o likę atomai yra neutralūs, tada kūnas yra neigiamai įkrautas, o jo krūvis yra . Elementarus krūvis nedalomas – ši savybė vadinama diskretiškumas
Kaip krūviai (du teigiami arba du neigiami) atstumti, priešinga (teigiama ir neigiama) - yra traukiami
Taško mokestis- yra materialus taškas, turintis elektros krūvį.
Elektros krūvio tvermės dėsnis
Uždara kūnų sistema elektroje – tai kūnų sistema, kai tarp išorinių kūnų nevyksta elektros krūvių mainai.
Kūnų ar dalelių elektrinių krūvių algebrinė suma išlieka pastovi per bet kokius procesus, vykstančius elektriškai uždaroje sistemoje.
Paveikslėlyje parodytas elektros krūvio tvermės dėsnio pavyzdys. Pirmoje nuotraukoje yra du priešingų krūvių kūnai. Antroje nuotraukoje matyti tie patys kūnai po kontakto. Trečiame paveiksle trečias neutralus kūnas buvo įvestas į elektriškai uždarą sistemą ir kūnai sąveikauja vienas su kitu.
Kiekvienoje situacijoje krūvio algebrinė suma (atsižvelgiant į krūvio ženklą) išlieka pastovi.
Svarbiausia prisiminti
1) Elementarus elektros krūvis – elektronas ir protonas
2) Elementariojo krūvio dydis yra pastovus
3) Teigiami ir neigiami krūviai bei jų sąveika
4) Laisvieji krūvininkai yra elektronai, teigiami jonai ir neigiami jonai
5) Elektros krūvis yra atskiras
6) Elektros krūvio tvermės dėsnis
Kaip ir Niutono mechanikos kūno gravitacinės masės samprata, elektrodinamikos krūvio samprata yra pagrindinė, pagrindinė sąvoka.
Elektros krūvis - Tai fizinis kiekis, apibūdinantis dalelių ar kūnų savybę sąveikauti su elektromagnetinėmis jėgomis.
Elektros krūvis dažniausiai žymimas raidėmis q arba K.
Visų žinomų eksperimentinių faktų visuma leidžia padaryti tokias išvadas:
Yra dviejų tipų elektros krūviai, paprastai vadinami teigiamais ir neigiamais.
Krūvis gali būti perduodamas (pavyzdžiui, tiesioginio kontakto būdu) iš vieno kūno į kitą. Skirtingai nuo kūno masės, elektros krūvis nėra neatsiejama tam tikro kūno savybė. Tas pats kūnas skirtingomis sąlygomis gali turėti skirtingą krūvį.
Kaip krūviai atstumia, kitaip nei krūviai traukia. Tai taip pat atskleidžia esminį skirtumą tarp elektromagnetinių ir gravitacinių jėgų. Gravitacinės jėgos visada yra patrauklios jėgos.
Vienas iš pagrindinių gamtos dėsnių yra eksperimentiškai nustatytas elektros krūvio tvermės dėsnis .
Izoliuotoje sistemoje visų kūnų krūvių algebrinė suma išlieka pastovi:
|
q 1 + q 2 + q 3 + ... +qn= konst. |
Elektros krūvio tvermės dėsnis teigia, kad uždaroje kūnų sistemoje negali būti stebimi tik vieno ženklo krūvių susidarymo ar išnykimo procesai.
Šiuolaikiniu požiūriu krūvininkai yra elementarios dalelės. Visi įprasti kūnai susideda iš atomų, į kuriuos įeina teigiamai įkrauti protonai, neigiamai įkrauti elektronai ir neutralios dalelės – neutronai. Protonai ir neutronai yra atomo branduolių dalis, elektronai sudaro atomų elektroninį apvalkalą. Protono ir elektrono elektriniai krūviai yra lygiai tokio paties dydžio ir lygūs elementariajam krūviui e.
Neutralaus atomo protonų skaičius branduolyje yra lygus elektronų skaičiui apvalkale. Šis numeris vadinamas atominis skaičius . Tam tikros medžiagos atomas gali prarasti vieną ar daugiau elektronų arba įgyti papildomą elektroną. Tokiais atvejais neutralus atomas virsta teigiamai arba neigiamai įkrautu jonu.
Krūvis gali būti perduodamas iš vieno kūno į kitą tik dalimis, turinčiomis sveiką skaičių elementariųjų krūvių. Taigi kūno elektrinis krūvis yra atskiras dydis:
Vadinami fiziniai dydžiai, kurie gali turėti tik atskirą reikšmių seriją kvantuota . Elementarus mokestis e yra elektros krūvio kvantinis (mažiausia dalis). Reikėtų pažymėti, kad šiuolaikinėje elementariųjų dalelių fizikoje daroma prielaida, kad egzistuoja vadinamieji kvarkai - dalelės, turinčios dalinį krūvį ir Tačiau kvarkai dar nebuvo pastebėti laisvoje būsenoje.
Įprastuose laboratoriniuose eksperimentuose a elektrometras ( arba elektroskopu) - prietaisas, susidedantis iš metalinio strypo ir rodyklės, galinčios suktis apie horizontalią ašį (1.1.1 pav.). Rodyklės strypas yra izoliuotas nuo metalinio korpuso. Kai įkrautas kūnas liečiasi su elektrometro lazdele, to paties ženklo elektros krūviai pasiskirsto ant strypo ir rodyklės. Dėl elektros atstūmimo jėgų adata pasisuka tam tikru kampu, pagal kurį galima spręsti apie krūvį, perduodamą į elektrometro strypą.
Elektrometras yra gana grubus instrumentas; tai neleidžia tirti krūvių sąveikos jėgų. Stacionarių krūvių sąveikos dėsnį pirmasis atrado prancūzų fizikas Charlesas Coulombas 1785 m.. Savo eksperimentuose Kulonas matavo įkrautų rutuliukų traukos ir atstūmimo jėgas naudodamas savo sukurtą prietaisą – sukimo balansą (1.1.2 pav.). , kuri pasižymėjo itin dideliu jautrumu. Pavyzdžiui, pusiausvyros sija buvo pasukta 1°, veikiant maždaug 10–9 N jėgai.
Matavimų idėja buvo pagrįsta nuostabiu Kulono spėjimu, kad jei įkrautas rutulys susiliečia su lygiai tuo pačiu neįkrautu rutuliu, tada pirmojo krūvis jiems pasiskirstys po lygiai. Taigi buvo nurodytas būdas pakeisti kamuoliuko krūvį du, tris ir tt kartus. Kulono eksperimentuose buvo išmatuota sąveika tarp rutulių, kurių matmenys buvo daug mažesni už atstumą tarp jų. Tokie įkrauti kūnai paprastai vadinami taškiniai mokesčiai.
Taško mokestis vadinamas įkrautu kūnu, kurio matmenų šio uždavinio sąlygomis galima nepaisyti.
Remdamasis daugybe eksperimentų, Kulonas nustatė tokį dėsnį:
Sąveikos jėgos tarp stacionarių krūvių yra tiesiogiai proporcingos krūvio modulių sandaugai ir atvirkščiai proporcingos atstumo tarp jų kvadratui:
Sąveikos jėgos paklūsta trečiajam Niutono dėsniui:
Tai yra atstumiančios jėgos, turinčios vienodus krūvio ženklus, ir traukiančios jėgos su skirtingais ženklais (1.1.3 pav.). Stacionarių elektros krūvių sąveika vadinama elektrostatinės arba Kulonas sąveika. Elektrodinamikos šaka, tirianti Kulono sąveiką, vadinama elektrostatika .
Kulono dėsnis galioja taškinio krūvio kūnams. Praktiškai Kulono dėsnis tenkinamas, jei įkrautų kūnų dydžiai yra daug mažesni už atstumą tarp jų.
Proporcingumo koeficientas k Kulono dėsnyje priklauso nuo vienetų sistemos pasirinkimo. Tarptautinėje SI sistemoje įkrovos vienetas laikomas pakabukas(Cl).
Pakabukas yra krūvis, praeinantis per 1 s laidininko skerspjūvį, esant 1 A srovės stipriui. Srovės vienetas (amperas) SI yra kartu su ilgio, laiko ir masės vienetais pagrindinis matavimo vienetas.
Koeficientas k SI sistemoje paprastai rašoma taip:
Kur 
- elektros konstanta
.
SI sistemoje elementarus krūvis e lygus:
Patirtis rodo, kad Kulono sąveikos jėgos paklūsta superpozicijos principui:
Jei įkrautas kūnas vienu metu sąveikauja su keliais įkrautais kūnais, tai susidaranti jėga, veikianti tam tikrą kūną, yra lygi jėgų, veikiančių šį kūną nuo visų kitų įkrautų kūnų, vektorinei sumai.
Ryžiai. 1.1.4 paaiškina superpozicijos principą naudojant trijų įkrautų kūnų elektrostatinės sąveikos pavyzdį.
Superpozicijos principas yra pagrindinis gamtos dėsnis. Tačiau jo naudojimas reikalauja tam tikro atsargumo, kai kalbame apie baigtinių dydžių įkrautų kūnų sąveiką (pavyzdžiui, du laidus įkrauti rutuliai 1 ir 2). Jei trečias įkrautas rutulys yra įtrauktas į dviejų įkrautų rutulių sistemą, tada sąveika tarp 1 ir 2 pasikeis dėl mokesčių perskirstymas.
Superpozicijos principas teigia, kad kai duoto (fiksuoto) krūvio paskirstymas ant visų kūnų elektrostatinės sąveikos jėgos tarp bet kurių dviejų kūnų nepriklauso nuo kitų įkrautų kūnų buvimo.
Remdamasis elektra įkrautų kūnų sąveikos stebėjimais, amerikiečių fizikas Benjaminas Franklinas vienus kūnus pavadino teigiamai, o kitus neigiamai. Atitinkamai tai ir elektros krūviai paskambino teigiamas Ir neigiamas.
Kūnai su panašiais krūviais atstumia. Priešingų krūvių kūnai traukia.
Šie krūvių pavadinimai yra gana įprasti, ir jų vienintelė reikšmė yra ta, kad kūnai su elektros krūviais gali arba pritraukti, arba atstumti.
Kūno elektros krūvio ženklą lemia sąveika su sutartiniu krūvio ženklo etalonu.
Kailiu patrintos ebonito lazdos užtaisas buvo laikomas vienu iš šių etalonų. Manoma, kad ebonito pagaliukas, patrynus kailiu, visada turi neigiamą krūvį.
Jei reikia nustatyti, koks konkretaus kūno krūvio požymis, jis privedamas prie ebonito lazdelės, trinamas kailiu, fiksuojamas lengvoje suspensijoje ir stebima sąveika. Jei lazda atstumiama, tada kūnas turi neigiamą krūvį.
Po elementariųjų dalelių atradimo ir tyrimo paaiškėjo, kad neigiamas krūvis visada turi elementariąją dalelę - elektronas.
Elektronas (iš graikų – gintaras) – stabili elementarioji dalelė, turinti neigiamą elektros krūvįe = 1.6021892(46) . 10 -19 C, poilsio masėm e =9.1095. 10-19 kg. 1897 m. atrado anglų fizikas J. J. Thomson.
Kaip standartas teigiamas krūvis Užtaisas imamas iš stiklinės lazdelės, įtrintos natūraliu šilku. Jei lazda atstumiama nuo elektrifikuoto kūno, tai šis kūnas turi teigiamą krūvį.
Teigiamas krūvis visada turi protonas, kuri yra atomo branduolio dalis. Medžiaga iš svetainės
Naudodamiesi aukščiau pateiktomis taisyklėmis, norėdami nustatyti kūno krūvio ženklą, turite atsiminti, kad jis priklauso nuo sąveikaujančių kūnų medžiagos. Taigi, ebonito pagaliukas gali turėti teigiamą krūvį, jei jį patrynus audiniu, pagamintu iš sintetinių medžiagų. Stiklinis strypas turės neigiamą krūvį, jei bus trinamas kailiu. Todėl, jei planuojate gauti neigiamą ebonito lazdelės krūvį, jį būtinai naudokite trindami kailiu ar vilnoniu audiniu. Tas pats pasakytina ir apie stiklinio strypo elektrifikavimą, kuris trinamas audiniu iš natūralaus šilko, kad būtų gautas teigiamas krūvis. Tik elektronas ir protonas visada ir vienareikšmiškai turi atitinkamai neigiamus ir teigiamus krūvius.
Šiame puslapyje yra medžiagos šiomis temomis:
Koks yra įprastas neigiamo krūvio standartas?
Koks yra sutartinis neigiamo krūvio standartas
Koks yra įprastas teigiamo krūvio standartas?
Tai yra įprastas neigiamo krūvio standartas
-
