Какие свойства электрического заряда вы знаете
Электри́ческий заря́д (коли́чество электри́чества) — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.
Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году.
Единица измерения электрического заряда в Международной системе единиц (СИ) — кулон. Один кулон равен электрическому заряду, проходящему через поперечное сечение проводника с током силой в 1 А за время 1 с. Электрический заряд в один кулон очень велик. Если бы два тела, каждое из которых обладает электрическим зарядом (q1 = q2 = 1 Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9⋅109H, то есть с силой равной по величине силе, с которой гравитация Земли притягивает предмет массой порядка 1 миллиона тонн.
История[править | править код]
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.
Электростатика[править | править код]
Электростатикой называют раздел учения об электричестве, в котором изучаются взаимодействия и свойства систем электрических зарядов, неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчета.
Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) может принимать и положительные, и отрицательные значения; она является численной характеристикой носителей заряда и заряженных тел. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов, взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля, зависят от знака зарядов.
Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, равных примерно 1,6⋅10−19Кл[1] в системе СИ или 4,8⋅10−10ед. СГСЭ[2]. Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы. Наименьшей по массе устойчивой в свободном состоянии частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд, является электрон (его масса равна 9,11⋅10−31 кг). Наименьшая по массе устойчивая в свободном состоянии античастица с положительным элементарным зарядом — позитрон, имеющая такую же массу, как и электрон[3]. Также существует устойчивая частица с одним положительным элементарным зарядом — протон (масса равна 1,67⋅10−27 кг) и другие, менее распространённые частицы. Выдвинута гипотеза (1964 г.), что существуют также частицы с меньшим зарядом (±⅓ и ±⅔ элементарного заряда) — кварки; однако они не выделены в свободном состоянии (и, по-видимому, могут существовать лишь в составе других частиц — адронов), в результате любая свободная частица несёт лишь целое число элементарных зарядов.
Электрический заряд любой элементарной частицы — величина релятивистски инвариантная. Он не зависит от системы отсчёта, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится, он присущ этой частице в течение всего времени её жизни, поэтому элементарные заряженные частицы зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решеток твёрдых тел скомпенсированы.
Взаимодействие зарядов[править | править код]
Взаимодействие электрически заряженных тел: одноимённо заряженные тела отталкиваются, разноимённо — притягиваются друг к другу
Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе носителей электрических зарядов, — электризация тел при соприкосновении[4]. Способность носителей электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух различных видов электрических зарядов[5]. Один вид электрического заряда называют положительным, а другой — отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются друг от друга.
При соприкосновении двух электрически нейтральных тел в результате трения заряды переходят от одного тела к другому. В каждом из них нарушается равенство суммы положительных и отрицательных зарядов, и тела заряжаются разноимённо.
При электризации тела через влияние в нём нарушается равномерное распределение заряда. Они перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток положительного заряда, а в другой — отрицательных. Если две эти части разъединить, то они будут заряжены разноимённо.
Закон сохранения электрического заряда[править | править код]
Совокупный электрический заряд замкнутой системы[6] сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.
В рассматриваемой системе могут образовываться новые электрически заряженные частицы, например, электроны — вследствие явления ионизации атомов или молекул, ионы — за счёт явления электролитической диссоциации и др. Однако, если система электрически изолирована, то алгебраическая сумма зарядов всех частиц, в том числе и вновь появившихся в такой системе, всегда сохраняется.
Закон сохранения электрического заряда — один из основополагающих законов физики. Он был впервые экспериментально подтверждён в 1843 году английским учёным Майклом Фарадеем и считается на настоящее время одним из фундаментальных законов сохранения в физике (подобно законам сохранения импульса и энергии). Всё более чувствительные экспериментальные проверки закона сохранения заряда, продолжающиеся и поныне, пока не выявили отклонений от этого закона.
Свободные носители заряда[править | править код]
В зависимости от концентрации свободных носителей электрических зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.
- Проводники — тела, в которых носители электрического заряда могут перемещаться по всему его объёму. Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (металлы), в которых перемещение носителей элементарных электрических зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями; 2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот), в которых перенос носителей зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведёт к химическим изменениям.
- Диэлектрики (например стекло, пластмасса) — тела, в которых практически отсутствуют свободные носители электрического заряда.
- Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
Измерение[править | править код]
Для обнаружения и измерения совокупного электрического заряда тела применяется электроскоп, который состоит из металлического стержня — электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным телом носители электрического заряда стекают через электрод на листочки фольги, листочки оказываются одноимённо заряженными и поэтому отклоняются друг от друга.
Также может применяться электрометр, в простейшем случае состоящий из металлического стержня и стрелки, которая способна вращаться вокруг горизонтальной оси. При соприкосновении электрически заряженного тела со стержнем электрометра носители электрического заряда распределяются по стержню и стрелке, и силы отталкивания, действующие между носителями одноимённых электрических зарядов на стержне и стрелке, вызывают её поворот. Для измерения малых электрических зарядов используются более чувствительные электронные электрометры.
См. также[править | править код]
- Заряд (физика)
- Точечный электрический заряд
- Элементарный электрический заряд
- Плотность заряда
- Заряд электрона
Литература[править | править код]
- М. Ю. Хлопов. Заряд // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия (т. 1—2); Большая Российская энциклопедия (т. 3—5), 1988—1999. — ISBN 5-85270-034-7.
Примечания[править | править код]
- ↑ Или, более точно, 1,602176487(40)⋅10−19 Кл.
- ↑ Или, более точно, 4,803250(21)⋅10−10 ед СГСЭ.
- ↑ Обычная для позитрона неустойчивость, связанная с аннигиляцией электрон-позитронной пары, при этом не рассматривается
- ↑ Но это далеко не единственный способ электризации тел. Электрические заряды могут возникнуть, например, под действием света
- ↑ Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004. — Т. III. Электричество. — С. 16. — 656 с. — ISBN 5-9221-0227-3.
- ↑ Электрически замкнутая система — это система, у которой через ограничивающую её поверхность не могут проникать электрически заряженные частицы (система, не обменивающаяся зарядами с внешними телами).
Основные свойства электрического заряда:
1. Заряд инвариантен – его величина одинакова при измерении в любой инерциальной системе отсчёта.
2. Заряд сохраняется – суммарный заряд изолированной систе-мы тел не изменяется.
3. Заряд аддитивен – заряд системы тел равен сумме зарядов отдельных тел.
4. Заряд дискретен – заряд любого тела по величине кратен ми-нимальному заряду, который обозначается символом e и ра —
вен 1,6 10 19 Кл.
12
5. Существуют заряды двух разных «сортов». Заряды одного «сорта» названы положительными, а другого «сорта» – от—рицательными. Одноимённые заряды отталкиваются, а раз-ноимённые – притягиваются.
Если вблизи одной заряженной частицы (заряда q1 ), располо-
женной в начале координат, будет находиться вторая заряженная час-тица (заряд q2 ), то на второй заряд будет действовать электрическая
(кулоновская) F , определяемая законом Кулона:
F 4 q1q2r 2 er ,
где r – радиус-вектор точки наблюдения;
er – единичный радиус-вектор, направленный в точку наблюде-ния;
0 – электрическая постоянная; – диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме 1).
Напряжённость электрического поля – характеристика силового действия электрического поля на заряд. Напряжённость электриче-ского поля, создаваемого зарядом q1 , есть векторная величина, обо-
значаемая символом E(q1 ) и определяемая соотношением:
F | , |
E(q ) | |
1 | q2 |
где | – сила, действующая на заряд q2 . |
F |
Силовые линии или линии напряжённости – линии, в любой точке которых вектор напряжённости электрического поля направлен по касательной к ним.
Электрическое поле подчиняется принципу суперпозиции: на-пряжённость электрического поля нескольких источников является суммой векторов напряжённости поля, создаваемого независимо каж-дым источником:
E Ei .
i
Потоком электрического поля называется интеграл по некото-рой поверхности S от скалярного произведения напряжённости элек-трического поля на элемент поверхности:
ФЕ EdS ,
S
где вектор dS направлен по нормали к поверхности.
13
Дипольный (электрический) момент есть произведение
Закон Гаусса для электрического поля: поток электрического поля через замкнутую поверхность S0 пропорционален суммарному
заряду, расположенному внутри объёма, ограниченного поверхно-стью интегрирования потока V (S0 ) :
Линии напряжённости электрического поля точечного заряда представляют собой прямые линии, идущие от заряда (положительно-го) или к заряду.
Потенциалом данной точки r электрического поля называется скалярная величина, численно равная работе сил поля по перемеще-нию единичного положительного заряда из данной точки в другую
фиксированную точку r0 , в которой потенциал принят за 0 (напри-мер, в бесконечность):
(r ) Edr .
r
Уравнение, выражающее напряжённость через потенциал:
E grad( ) , где оператор градиента grad | ; | ; | . |
x | y | ||
z |
Диполь есть два одинаковых по величине, но противоположных по знаку точечных заряда q , расположенных на расстоянии L ( L –
| pe | qL .
Вектор дипольного момента направлен от отрицательного к положи-тельному заряду.
На линии, проходящей через центр диполя, перпендикулярно электрическому моменту диполя и на большом расстоянии r от его центра напряжённость равна:
Методика и порядок измерений
Рассмотрите рисунок 2.1 и зарисуйте необходимое в конспект.
14
Рис. 2.1. Взаимодействие зарядов
Эксперимент 1. Исследование поля точечного заряда
1. Запустите эксперимент «Взаимодействие электрических заря-
дов».
2. Зацепив мышью, перемещайте заряд q1 и зафиксируйте его
вблизи левой границы экспериментального поля. Зацепив мышью, перемещайте движок регулятора величины первого заряда и устано-вите величину заряда q1 , указанную в таблице 2.1, для вашей брига-
ды. Заряд q3 поместите под первым, а его величину установите рав-ной 0. Заряд q2 установите равным 10-8 Кл.
3. Перемещайте, нажав левую кнопку мыши, заряд q2 вправо, устанавливая расстояния r12 до первого заряда, указанные в табли-
це 2.1. Измеренные в данных точках значения E1 | F12 / q2 занесите в | |||
соответствующую строку таблицы 2.2. | ||||
Таблица 2.1 | ||||
Значения величины заряда q 10 8 | Кл (не перерисовывать) | |||
1 | ||||
Бригада | q1, Кл | |||
1 и 5 | 4 | 6 | 8 | 10 |
2 и 6 | 4 | 5 | 9 | 10 |
3 и 7 | -4 | -5 | -7 | -9 |
4 и 8 | -4 | -6 | -8 | -10 |
15 |
Электрический заряд и его основные свойства.
Закон сохранения электрического заряда.
Электрический заряд — это скалярная физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий. Единица заряда — [q] кулон.
Свойства электрического заряда:
1. Электрический заряд не является знакоопределенной величиной, существуют как положительные, так и отрицательные заряды.
2. Электричесий заряд — величина инвариантная. Он не изменяется при движении носителя заряда.
3. Электричесий заряд аддитивен.
4. Электричесий заряд кратен элементарному. q = Ne. Это свойство заряда называется дискретностью (квантованностью).
5. Суммарныйэлектричесий заряд всякой изолированной системы сохраняется. Это свойство естьзакон сохранения электрического заряда.
Закон сохранения электрического заряда — электрические заряды не создаются и не исчезают, а только передаются от одного тела к другому или перераспределяются внутри тела.
Электростатика. Точечный заряд. Закон Кулона. Принцип суперпозиции сил. Объемная поверхностная и линейная плотность заряда.
Электростатика — раздел учения об электричестве, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов.
Точечный заряд – это заряженное тело, размерами и формой, которого можно пренебречь.
Формулировка закона Кулона: Сила электростатического взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль соединяющей их прямой так, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.
Принцип суперпозиции сил заключается в том, что действие нескольких сил можно заменить действием одной — равнодействующей. Равнодействующей называется единственная сила, результат действия которой эквивалентен одновременному действию всех сил, приложенных к этому телу.
Линейная плотность заряда: заряд, приходящийся на единицу длины.
Поверхностная плотность заряда: заряд, приходящийся на единицу площади.
Объемная плотность заряда: заряд, приходящийся на единицу объема.
Напряженность электрического поля. Силовые линии электростатического поля. Напряженность поля неподвижного точечного заряда. Электростатическое поле. Принцип суперпозиции.
Напряжённость электрического поля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы действующей на неподвижный точечный заряд, помещённый в данную точку поля, к величине этого заряда q.
Силовые линии электростатического поля имеют следующие свойства:
1. Всегда незамкнуты: начинаются на положительных зарядах (или на бесконечности) и заканчиваются на отрицательных зарядах (или на бесконечности).
2. Не пересекаются и не касаются друг друга.
3. Густота линий тем больше, чем больше напряжённость, то есть напряжённость поля прямо пропорциональна количеству силовых линий, проходящих через площадку единичной площади, расположенную перпендикулярно линиям.
Потенциальность электростатического поля. Циркуляция поля вектора Е. Теорема о циркуляции вектора Е электростатического поля в инт. и диф. формах, их содержательный смысл.
Так как для напряженности электростатического поля справедлив принцип суперпозиции, то потенциальным является любое электростатическое поле.
Теорема о циркуляции вектора Е электростатического поля: Циркуляция Епо замкнутому контуру L всегда равно нулю.
В диф. форме:
Электростатическое поле является потенциальным.
Потенциальная энергия точечного заряда в электростатическом поле. Потенциал электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности. Потенциал поля точечного неподвижного заряда. Принцип суперпозиции для потенциала.
Потенциальная энергия заряда в однородном электростатическом поле равна:
Потенциал –скалярная величина, является энергетической характеристикойполя в данной точке и равный отношению потенциальной энергии, которой обладает пробный заряд, к этому заряду.
Эквипотенциальная поверхность– это поверхность, на которой потенциал данного поля принимает одно и то же значение.
Потенциал поля точечного неподвижного заряда:
Принцип суперпозиций для потенциалов — Потенциал поля, созданного ГРУ ппой зарядов в произвольной точке равен сумме потенциалов полей, созданных каждым зарядом.
Момента
и приобретает потенциальную энергию
Диполь обладает:
· минимальной пот. энергией:
в положении (положение устойчивого равновесия);
· максимальной пот. энергией:
в положении (положение неустойчивого равновесия);
Во всех остальных случаях возникает момент сил, поворачивающий диполь в положение устойчивого равновесия.
Во внешнем неоднородной электростатическом поле на точечный диполь действует момент сил и этот диполь обладает потенциальной энергией
Сила, действующая на точечный диполь в неоднор. эл. стат. поле:
Во внешнем неоднородном эл. стат. поле точечный диполь под одновременным действием момента сил поворачивается в направлении поля и силы, перемещается в направлении, где по модулю больше (вытягивается в сторону более сильного поля).
В проводнике.
В проводнике имеются своб. заряды – носители тока, способные под действием сколь угодно малой силы перемещ. по всему объему проводника.
Электростатическая индукция – явление перераспределения зарядов на поверхности проводника под действием стор. электростатического поля.
Перераспредел. зарядов прекращ., когда любой точке проводника будет выполн. условие:
Т.к. , то напряженность электростатического поля в любой точке внутри проводника:
Поскольку то
– потенциал проводника одинак. во всех его внутр. точках и на поверхности
Условия стационарного распределения зарядов в проводнике:
1.Напряженность э-статического поля в любой точке внутри проводника равна нулю
2.Изб. заряды внутри проводника отсутств., а индуцированные заряды распределены
на его поверхности ( )
3.Вблизи внешней стороны поверхн. проводника вектор направлен по нормали к этой
поверхности в каждой её точке ( )
4.Весь объем проводника явл. эквипотенциальной обл., а его поверхность – эквипотенциальна
,
Контур с током в магнитном поле. Момент сил, действующих на контур с током, и потенциальная энергия контура с током в однородном магнитном поле. Работа сил магнитного поля при перемещении контура с током.
Магнитный момент линейного тока I, идущего по замкнутому плоскому контуру (все точки которого лежат в одной плоскости):
S – площадь поверхности, ограниченной контуром; в СИ [ ] = А*
Результирующая сила Ампера, действующая на контур с током в однородном магнитном поле равна 0.
Поэтому суммарный момент амперовых сил не зависит от выбора точки О, относительно которой он вычисляется:
Момент сил, действующий на замкнутый контур с током I в магнитном поле индукции :
При M=0 (т.е. контур с током находится в положении равновесия).
При на контур действует максимальный момент сил .
Потенциальная энергия замкнутого контура с током в магнитном поле:
Работа сил Ампера:
При этом направление положительной нормали образует правовинтовую систему. Данная формула справедлива в случае произвольного перемещения контура любой формы в магнитном поле.
29. Магнитное поле в веществе. Намагничение диа- и парамагнетиков. Вектор намагниченности . Теорема о циркуляции поля вектора в интегральной и дифференциальной форме.
Любое вещество – магнетик (т.е. способно намагничиваться под действием внешнего магнитного поля)
Ток проводимости (I, ) – ток, обусловленный направленным движением в веществе носителей тока.
Молекулярные токи ( ) – токи, связанные с орбитальным движением и спином элементарных частиц в атомах вещества. Каждый молекулярный ток обладает магнитным моментом.
Диамагнетики – вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю, т.е. магнитные моменты всех элементарных частиц атома (молекулы) скомпенсированы.
Парамагнетики – вещества, атомы которых в отсутствие внешнего магнитного поля имеют отличный от нуля магнитный момент, но их направление ориентировано хаотично, поэтому .
При внесении во внешнее магнитное поле диамагнетика в каждом его атоме индуцируется дополнительный момент , направленный против внешнего магнитного поля .
При внесении во внешнее магнитное поле парамагнетика магнитный момент его атомов (молекул) приобретают ориентированную по направлению внешнего поля .
Намагничение вещества обусловлено приемущественной ориентацией или индуцирование отдельных молекул в одном направлении. Намагничение вещества приводит к возникновению токов намагничения (усредненные по макроскопической области молекулярные токи):
где — вектор плотности тока намагничивания, идущего через ориентированную поверхность S.
Согласно принципу суперпозиции:
где – индукция внешнего поля;
— индукция магнитного поля токов намагничивания.
Вектор намагниченности – количественная характеристика намагниченного состояния вещества, равная отношению суммарного магнитного момента физически малого объема магнетика у этому объему :
В СИ [J] = А/м.
Теорема о циркуляции вектора магнитостатического поля в дифференциальной форме:
в любой точке магнитостатического поля ротор вектора равен вектору плотности тока намагничивания в этой же точке:
Теорема о циркуляции поля вектора в интегральной форме:
циркуляция вектора намагниченности магнитостатического поля по любому замкнутому конуру (L) равна алгебраической сумме токов намагничивания J’, охватываемых этим контуром:
30. Вектор напряженности магнитного поля. Теорема о циркуляции поля вектора в дифференциальной и интегральной форме. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость вещества.
Величина:
— вектор напряженности магнитного поля.
Теорема о циркуляции вектора магнитостатического поля в дифференциальной форме:
Теорема о циркуляции поля вектора магнитостатического поля в интегральной форме:
Циркуляция вектора магнитостатического поля по любому контуру (L) равна алгебраической сумме токов проводимости, охватываемых этой поверхностью.
Для изотропных диамагнитных и парамагнитных сред :
где — магнитная восприимчивость, характерная для каждого магнетика:
где — магнитная проницаемость вещества.
31.Условия на границе раздела двух магнетиков для векторов . Закон преломления силовых линий.
Вблизи поверхности раздела двух изотропных магнетиков (при отсутствии токов проводимости) поля вектора удовлетворяют условиям:
на границе раздела 2-ух магнетиков:
1)нормальная составляющая вектора и тангенциальная составляющая вектора непрерывны;
2)тангенциальная составляющая вектора и нормальная составляющая вектора претерпевают разрыв.
Закон преломления силовых линий вектора (или ):
Электрический заряд и его основные свойства.