Jednoduché experimenty s elektrifikáciou rôznych telies ilustrujú nasledujúce body.
1. Existujú dva typy nábojov: kladný (+) a záporný (-). Kladný náboj vzniká, keď sa sklo trie o kožu alebo hodváb, a záporný náboj, keď sa jantár (alebo ebonit) trie o vlnu.
2. Poplatky (príp nabité telá) vzájomne pôsobia. Rovnaké poplatky odtlačiť a na rozdiel od poplatkov sú priťahovaní.
3. Stav elektrifikácie sa môže prenášať z jedného telesa na druhé, čo je spojené s prenosom elektrického náboja. V tomto prípade môže byť na telo prenesený väčší alebo menší náboj, teda náboj má veľkosť. Pri elektrizovaní trením získajú obe telesá náboj, jedno je kladné a druhé záporné. Je potrebné zdôrazniť, že absolútne hodnoty nábojov telies elektrizovaných trením sú rovnaké, čo potvrdzujú početné merania nábojov pomocou elektromerov.
Bolo možné vysvetliť, prečo sa telesá elektrizujú (t. j. nabijú) počas trenia po objavení elektrónu a štúdiu štruktúry atómu. Ako viete, všetky látky pozostávajú z atómov; atómy zase pozostávajú z elementárnych častíc - negatívne nabitých elektróny, kladne nabitý protóny a neutrálne častice - neutróny. Elektróny a protóny sú nositeľmi elementárnych (minimálnych) elektrických nábojov.
Elementárny elektrický náboj ( e) je najmenší elektrický náboj, kladný alebo záporný, rovný náboju elektrónu:
e = 1,6021892(46) 10-19 °C.
Existuje veľa nabitých elementárnych častíc a takmer všetky majú náboj +e alebo -e tieto častice sú však veľmi krátkodobé. Žijú menej ako milióntinu sekundy. Len elektróny a protóny existujú vo voľnom stave neobmedzene dlho.
Protóny a neutróny (nukleóny) tvoria kladne nabité jadro atómu, okolo ktorého rotujú záporne nabité elektróny, ktorých počet sa rovná počtu protónov, takže atóm ako celok je hnacou silou.
Za normálnych podmienok sú telesá pozostávajúce z atómov (alebo molekúl) elektricky neutrálne. Počas procesu trenia sa však niektoré elektróny, ktoré opustili svoje atómy, môžu pohybovať z jedného tela do druhého. Pohyby elektrónov nepresahujú medziatómové vzdialenosti. Ale ak sú telá po trení oddelené, ukáže sa, že sú nabité; telo, ktoré sa vzdalo niektorých svojich elektrónov, bude nabité kladne a telo, ktoré ich získalo, bude nabité záporne.
Telá sa teda elektrizujú, to znamená, že dostanú elektrický náboj, keď stratia alebo získajú elektróny. V niektorých prípadoch je elektrifikácia spôsobená pohybom iónov. V tomto prípade nevznikajú žiadne nové elektrické náboje. Existuje len rozdelenie existujúcich nábojov medzi elektrizujúce telesá: časť negatívnych nábojov prechádza z jedného telesa do druhého.
Stanovenie poplatku.
Zvlášť treba zdôrazniť, že náboj je integrálnou vlastnosťou častice. Môžete si predstaviť časticu bez náboja, ale nemôžete si predstaviť náboj bez častice.
Nabité častice sa prejavujú príťažlivosťou (opačné náboje) alebo odpudzovaním (ako náboje) silami, ktoré sú o mnoho rádov väčšie ako gravitačné sily. Sila elektrickej príťažlivosti elektrónu k jadru atómu vodíka je teda 10 39-krát väčšia ako sila gravitačnej príťažlivosti týchto častíc. Interakcia medzi nabitými časticami sa nazýva elektromagnetická interakcia, a elektrický náboj určuje intenzitu elektromagnetických interakcií.
V modernej fyzike je náboj definovaný takto:
Nabíjačka je fyzikálna veličina, ktorá je zdrojom elektrické pole, prostredníctvom ktorého dochádza k interakcii častíc s nábojom.
Čerstvo vyprané oblečenie musíme zo sušičky doslova šúpať jedno od druhého, alebo keď si jednoducho nevieme dať do poriadku naše elektrizované a doslova stojace vlasy. Kto sa nepokúsil obesiť balón k stropu po tom, čo si ho šúchal o hlavu? Táto príťažlivosť a odpor je prejavom statická elektrina. Takéto akcie sú tzv elektrifikácia.
Statická elektrina sa vysvetľuje jej existenciou v prírode nabíjačka . Náboj je integrálnou vlastnosťou elementárnych častíc. Náboj, ktorý sa objaví na skle, keď sa trení o hodváb, sa bežne nazýva pozitívne, a náboj vznikajúci na ebonite pri trení s vlnou je negatívne.
Zoberme si atóm. Atóm sa skladá z jadra a elektrónov lietajúcich okolo neho (modré častice na obrázku). Jadro sa skladá z protónov (červené) a neutrónov (čierne).
.Nositeľom záporného náboja je elektrón, kladného náboja je protón. Neutrón je neutrálna častica a nemá náboj.
Veľkosť elementárneho náboja - elektrónu alebo protónu, má konštantnú hodnotu a rovná sa
Celý atóm je neutrálne nabitý, ak sa počet protónov zhoduje s počtom elektrónov. Čo sa stane, ak sa jeden elektrón odlomí a odletí? Atóm bude mať o jeden protón viac, to znamená, že bude viac pozitívnych častíc ako negatívnych. Takýto atóm sa nazýva kladný ión. A ak sa pripojí jeden elektrón navyše, dostaneme záporný ión. Elektróny, ktoré odídu, sa nemusia znova spojiť, ale môžu sa nejaký čas voľne pohybovať a vytvárať záporný náboj. Voľnými nosičmi náboja v látke sú teda elektróny, kladné ióny a záporné ióny.
Aby tam mohol byť voľný protón, musí byť zničené jadro a to znamená zničenie celého atómu. Nebudeme uvažovať o takýchto metódach získavania elektrických nábojov.
Telo sa nabije, keď obsahuje nadbytok jednej alebo druhej nabitej častice (elektróny, kladné alebo záporné ióny).
Množstvo náboja na tele je násobkom elementárneho náboja. Napríklad, ak má telo 25 voľných elektrónov a zvyšné atómy sú neutrálne, potom je telo záporne nabité a jeho náboj je . Elementárny náboj nie je deliteľný – táto vlastnosť sa nazýva diskrétnosť
Podobne ako poplatky (dva kladné alebo dve záporné) odraziť, opak (pozitívny a negatívny) - sú priťahovaní
Bodový poplatok- je hmotný bod, ktorý má elektrický náboj.
Zákon zachovania elektrického náboja
Uzavretý systém telies v elektrine je systém telies, keď nedochádza k výmene elektrických nábojov medzi vonkajšími telesami.
Algebraický súčet elektrických nábojov telies alebo častíc zostáva konštantný počas akýchkoľvek procesov prebiehajúcich v elektricky uzavretom systéme.
Na obrázku je príklad zákona zachovania elektrického náboja. Na prvom obrázku sú dve telesá s opačným nábojom. Na druhom obrázku sú tie isté telá po kontakte. Na treťom obrázku bolo tretie neutrálne teleso zavedené do elektricky uzavretého systému a telesá boli uvedené do vzájomnej interakcie.
V každej situácii zostáva algebraický súčet náboja (berúc do úvahy znamienko náboja) konštantný.
Hlavná vec na zapamätanie
1) Elementárny elektrický náboj - elektrón a protón
2) Množstvo elementárneho náboja je konštantné
3) Pozitívne a negatívne náboje a ich vzájomné pôsobenie
4) Voľné nosiče náboja sú elektróny, kladné ióny a záporné ióny
5) Elektrický náboj je diskrétny
6) Zákon zachovania elektrického náboja
Rovnako ako koncept gravitačnej hmotnosti telesa v newtonovskej mechanike, koncept náboja v elektrodynamike je primárny, základný koncept.
Nabíjačka - Toto fyzikálne množstvo, charakterizujúce vlastnosť častíc alebo telies vstúpiť do elektromagnetických silových interakcií.
Elektrický náboj je zvyčajne reprezentovaný písmenami q alebo Q.
Súhrn všetkých známych experimentálnych faktov nám umožňuje vyvodiť tieto závery:
Existujú dva typy elektrických nábojov, bežne nazývané kladné a záporné.
Náboje je možné prenášať (napríklad priamym kontaktom) z jedného tela na druhé. Na rozdiel od telesnej hmotnosti nie je elektrický náboj integrálnou charakteristikou daného telesa. To isté teleso za rôznych podmienok môže mať rôzny náboj.
Ako náboje odpudzujú, na rozdiel od nábojov priťahujú. To odhaľuje aj zásadný rozdiel medzi elektromagnetickými silami a gravitačnými silami. Gravitačné sily sú vždy príťažlivé sily.
Jeden zo základných prírodných zákonov je experimentálne stanovený zákon zachovania elektrického náboja .
V izolovanom systéme zostáva algebraický súčet nábojov všetkých telies konštantný:
|
q 1 + q 2 + q 3 + ... +qn= konšt. |
Zákon zachovania elektrického náboja hovorí, že v uzavretej sústave telies nemožno pozorovať procesy vzniku alebo zániku nábojov len jedného znamienka.
Z moderného pohľadu sú nosiče náboja elementárne častice. Všetky bežné telá sa skladajú z atómov, ktoré zahŕňajú kladne nabité protóny, záporne nabité elektróny a neutrálne častice - neutróny. Protóny a neutróny sú súčasťou atómových jadier, elektróny tvoria elektrónový obal atómov. Elektrické náboje protónu a elektrónu majú presne rovnakú veľkosť a rovnajú sa elementárnemu náboju e.
V neutrálnom atóme sa počet protónov v jadre rovná počtu elektrónov v obale. Toto číslo sa volá atómové číslo . Atóm danej látky môže stratiť jeden alebo viac elektrónov alebo získať elektrón navyše. V týchto prípadoch sa neutrálny atóm zmení na kladne alebo záporne nabitý ión.
Náboj sa môže prenášať z jedného telesa na druhé len po častiach obsahujúcich celé číslo elementárnych nábojov. Elektrický náboj telesa je teda diskrétna veličina:
Fyzikálne veličiny, ktoré môžu mať iba diskrétny rad hodnôt, sa nazývajú kvantované . Základný poplatok e je kvantum (najmenšia časť) elektrického náboja. Treba si uvedomiť, že v modernej fyzike elementárnych častíc sa predpokladá existencia takzvaných kvarkov – častíc s frakčným nábojom a Kvarky však zatiaľ neboli pozorované vo voľnom stave.
Pri bežných laboratórnych pokusoch a elektromer ( alebo elektroskop) - zariadenie pozostávajúce z kovovej tyče a ukazovateľa, ktoré sa môže otáčať okolo horizontálnej osi (obr. 1.1.1). Tyč šípu je izolovaná od kovového tela. Keď sa nabité teleso dostane do kontaktu s tyčou elektromera, elektrické náboje rovnakého znamienka sa rozložia po tyči a ukazovateli. Elektrické odpudzujúce sily spôsobujú, že sa ihla otáča o určitý uhol, podľa ktorého je možné posúdiť náboj prenášaný na tyč elektromera.
Elektrometer je dosť hrubý prístroj; neumožňuje študovať sily interakcie medzi nábojmi. Zákon vzájomného pôsobenia stacionárnych nábojov prvýkrát objavil francúzsky fyzik Charles Coulomb v roku 1785. Coulomb vo svojich experimentoch meral sily príťažlivosti a odpudzovania nabitých guľôčok pomocou zariadenia, ktoré navrhol – torznej váhy (obr. 1.1.2). , ktorý sa vyznačoval mimoriadne vysokou citlivosťou. Napríklad kladina bola otočená o 1° pod vplyvom sily rádovo 10-9 N.
Myšlienka meraní bola založená na Coulombovom brilantnom odhade, že ak sa nabitá guľa dostane do kontaktu s presne tou istou nenabitou, potom sa náboj prvej rozdelí medzi ne rovnomerne. Bol teda naznačený spôsob, ako zmeniť náboj lopty dvakrát, trikrát atď. V Coulombových experimentoch sa merala interakcia medzi loptičkami, ktorých rozmery boli oveľa menšie ako vzdialenosť medzi nimi. Takéto nabité telesá sa zvyčajne nazývajú bodové poplatky.
Bodový poplatok nazývané nabité teleso, ktorého rozmery možno v podmienkach tohto problému zanedbať.
Na základe mnohých experimentov Coulomb stanovil nasledujúci zákon:
Interakčné sily medzi stacionárnymi nábojmi sú priamo úmerné súčinu modulov náboja a nepriamo úmerné druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi:
Interakčné sily sa riadia tretím Newtonovým zákonom:
Sú to odpudivé sily s rovnakými znamienkami nábojov a príťažlivé sily s rôznymi znamienkami (obr. 1.1.3). Interakcia stacionárnych elektrických nábojov je tzv elektrostatické alebo Coulomb interakcia. Odvetvie elektrodynamiky, ktoré študuje Coulombovu interakciu, sa nazýva elektrostatika .
Pre bodovo nabité telesá platí Coulombov zákon. V praxi je Coulombov zákon dobre splnený, ak sú veľkosti nabitých telies oveľa menšie ako vzdialenosť medzi nimi.
Faktor proporcionality k v Coulombovom zákone závisí od výberu sústavy jednotiek. V medzinárodnom systéme SI sa za jednotku náboja považuje byť prívesok(Cl).
Prívesok je náboj, ktorý prejde za 1 s prierezom vodiča pri sile prúdu 1 A. Jednotka prúdu (Ampér) v SI je spolu s jednotkami dĺžky, času a hmotnosti základná jednotka merania.
Koeficient k v sústave SI sa zvyčajne píše ako:
Kde 
- elektrická konštanta
.
V sústave SI elementárny náboj e rovná:
Skúsenosti ukazujú, že Coulombove interakčné sily sa riadia princípom superpozície:
Ak nabité teleso interaguje súčasne s viacerými nabitými telesami, potom výsledná sila pôsobiaca na dané teleso sa rovná vektorovému súčtu síl pôsobiacich na toto teleso od všetkých ostatných nabitých telies.
Ryža. 1.1.4 vysvetľuje princíp superpozície na príklade elektrostatickej interakcie troch nabitých telies.
Princíp superpozície je základným prírodným zákonom. Jeho použitie si však vyžaduje určitú opatrnosť, keď hovoríme o interakcii nabitých telies konečných veľkostí (napríklad dvoch vodivých nabitých guľôčok 1 a 2). Ak sa tretia nabitá guľa dostane do systému dvoch nabitých loptičiek, potom sa interakcia medzi 1 a 2 zmení v dôsledku prerozdelenie poplatkov.
Princíp superpozície hovorí, že keď dané (pevné) rozdelenie poplatkov na všetkých telesách, sily elektrostatickej interakcie medzi akýmikoľvek dvoma telesami nezávisia od prítomnosti iných nabitých telies.
Na základe pozorovaní interakcie elektricky nabitých telies nazval americký fyzik Benjamin Franklin niektoré telesá kladne nabité a iné záporne nabité. Podľa tohto a elektrické náboje volal pozitívne A negatívne.
Telá s podobnými nábojmi sa odpudzujú. Telesá s opačným nábojom sa priťahujú.
Tieto názvy nábojov sú celkom konvenčné a ich jediný význam je, že telesá s elektrickými nábojmi sa môžu buď priťahovať, alebo odpudzovať.
Znak elektrického náboja telesa je určený interakciou s konvenčným štandardom znaku náboja.
Ako jeden z týchto štandardov sa bral náboj ebonitovej tyčinky potretý kožušinou. Verí sa, že ebonitová palica po trení srsťou má vždy záporný náboj.
Ak je potrebné určiť, aký znak náboja daného telesa, privedie sa na ebonitovú palicu, potrie sa kožušinou, zafixuje sa v ľahkom závese a pozoruje sa interakcia. Ak je palica odpudzovaná, telo má záporný náboj.
Po objavení a štúdiu elementárnych častíc sa ukázalo, že záporný náboj má vždy elementárnu časticu - elektrón.
Electron (z gréčtiny - jantár) - stabilná elementárna častica so záporným elektrickým nábojome = 1,6021892 (46). 10 -19 C, kľudová hmotam e =9,1095. 10-19 kg. Objavil ho v roku 1897 anglický fyzik J. J. Thomson.
Ako štandard kladný náboj Náboj sa odoberá zo sklenenej tyčinky potiahnutej prírodným hodvábom. Ak je palica odrazená od elektrifikovaného tela, potom má toto telo kladný náboj.
Pozitívny náboj vždy má protón, ktorý je súčasťou atómového jadra. Materiál zo stránky
Pomocou vyššie uvedených pravidiel na určenie znamenia náboja telesa si musíte uvedomiť, že závisí od podstaty interagujúcich telies. Ebonitová tyčinka teda môže mať kladný náboj, ak sa trení látkou vyrobenou zo syntetických materiálov. Sklenená tyčinka bude mať záporný náboj, ak ju potriete kožušinou. Preto, ak plánujete získať negatívny náboj na ebonitovej tyčinke, určite by ste ju mali použiť pri trení kožušinou alebo vlnenou látkou. To isté platí aj o elektrifikácii sklenenej tyčinky, ktorá sa pretiera látkou z prírodného hodvábu, aby sa získal kladný náboj. Iba elektrón a protón majú vždy a jednoznačne záporný a kladný náboj.
Na tejto stránke sú materiály k nasledujúcim témam:
Aký je konvenčný štandard záporného náboja?
Aký je konvenčný štandard záporného náboja
Aký je konvenčný štandard kladného náboja?
Toto je konvenčný štandard záporného náboja
-
