Один кулон — это заряд, который протекает через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за одну секунду. Единица тока (ампер) является основной единицей измерения в СИ, наряду с единицами длины, времени и массы.
Электрические заряды. Точечный заряд. Закон Кулона
Многие физические явления, которые можно наблюдать в природе и в окружающей нас жизни, нельзя объяснить только законами механики, молекулярно-кинетической теорией и термодинамикой. Эти явления являются выражением сил, действующих между телами на определенном расстоянии, причем эти силы не зависят от массы взаимодействующих тел и поэтому не имеют гравитационного характера. Эти силы называются электромагнитными.
О существовании электромагнитных сил было известно уже древним грекам. Но систематическое, количественное изучение физических явлений, в которых проявляется электромагнитное взаимодействие тел, началось только в конце XVIII века. Век. Работа многих ученых в XIX веке завершила создание целостной науки по изучению электрических и магнитных явлений. Эта наука, которая является одной из важнейших областей физики, была названа электродинамикой.
Основными объектами изучения в электродинамике являются электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами и токами.
1. Электрический заряд. Закон Кулона
Как и понятие гравитационной массы в ньютоновской механике, понятие заряда является первичным, фундаментальным понятием в электродинамике.
Читайте также: Индуктивность конденсатора и полное сопротивление
Электрический заряд — это физическая величина, которая описывает свойство частиц или тел вступать во взаимодействие с электромагнитными силами.
Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.
Совокупность всех известных экспериментальных данных приводит к следующим выводам:
- Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
- 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.
- Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.
Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда.
В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:
| q1 + q2 + q3 + … +qn = const. |
Теорема сохранения электрического заряда гласит, что в замкнутой системе тел не может наблюдаться процессов возникновения или исчезновения зарядов с одним знаком.
С современной точки зрения, носители заряда — это элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, которые состоят из положительно заряженных протонов, отрицательно заряженных электронов и нейтральных частиц — нейтронов. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, а электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона в точности равны по модулю и соответствуют элементарному заряду e.
В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом определенного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести дополнительный электрон. В этих случаях нейтральный атом становится положительно или отрицательно заряженным ионом.
Заряд может передаваться от одного тела к другому только в частях, которые содержат целое число элементарных зарядов. Поэтому электрический заряд тела является дискретной величиной:
Физические величины, которые могут принимать только дискретный диапазон значений, называются квантованными величинами. Элементарный заряд e — это квант (наименьшая часть) электрического заряда. Следует отметить, что современная физика частиц предполагает существование так называемых кварков — частиц с частичным зарядом и долей этого заряда. Однако кварки еще не наблюдались в свободном состоянии.
В стандартных лабораторных экспериментах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр — прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. Когда заряженное тело касается вала электрометра, электрические заряды одного знака распределяются на валу и на стрелке. Под действием сил электрического отталкивания стрелка поворачивается на определенный угол, по которому мы можем судить о заряде, переданном электрометрическому стержню.
Крутильные весы Шарля Кулона
Этот прибор, разработанный Кулоном в 1777 году, помог вывести зависимость силы, которая позже получила свое название. Он используется для изучения взаимодействия точечных зарядов и магнитных полюсов.
Торсионные весы имеют небольшую шелковую нить, закрепленную в вертикальной плоскости, к которой подвешен уравновешенный рычаг. На концах рычага имеются точечные нагрузки.
Читайте также: Полупроводники. Структура полупроводников. Структура полупроводников.
Под действием внешних сил рычаг начинает двигаться в горизонтальном направлении. Рычаг движется в плоскости до тех пор, пока не будет уравновешен силой упругости нити.
Во время движения рычаг отклоняется от вертикальной оси на определенный угол. Он называется d и является углом поворота. Зная значение этого параметра, можно определить момент возникающих сил.
Опыты Иоффе и Милликена
В действительности чувствительность школьного электрометра недостаточна для определения элементарного заряда. Физики определили величину элементарного заряда несколько иным способом.
Ученые Абрам Иоффе (СССР) и Роберт Милликен провели эксперименты по определению элементарного заряда.
Они наэлектризовали маленькие зерна цинка и измерили их заряд. От эксперимента к эксперименту заряд зерен изменялся на целое кратное число.
Это привело к идее, что в природе существует частица, обладающая этим самым малым — элементарным зарядом, который не расщепляется на части.
Заряд и масса электрона
Элементарный заряд — это очень маленький заряд. Элементарная частица, электрон, имеет такой заряд. Элементарная частица, протон, имеет заряд с тем же, но противоположным знаком. Электрон имеет отрицательный заряд, протон — положительный.
\ \large \boxed =16 \cdot 10^ \left( \text \right)>\
Заряд — одно из важнейших свойств электрона. Невозможно отделить его заряд от заряда электрона.
\ \large \boxed =91 \cdot 10^ \left( \text \right)>\
У него очень маленькая масса, почти в 2000 раз меньше массы самого легкого и самого маленького атома — атома водорода.
Единица измерения заряда
Электрический заряд измеряется в кулонах, в честь французского физика Шарля Огюстена Кулона. Он изучал электричество и механику и жил с 1736 по 1806 г. В то время, когда Кулон проводил свои эксперименты по изучению электричества, не существовало единиц измерения заряда.
Заряд в системе СИ
Примечание: Как правило, для измерения физической величины можно выбрать любую подходящую единицу. Это именно то, что было сделано раньше. Например, для измерения длины использовались такие единицы, как аршин, куб, ваттон и т.д.
Со временем в разных странах накопилось большое количество различных единиц для одних и тех же измерений. При переводе из одной единицы измерения в другую возникали несоответствия и путаница. Чтобы избежать различий, была введена единая международная система, которая для краткости называется СИ. В современной физике эта система единиц широко используется.
В качестве единицы измерения заряда логично было бы выбрать заряд электрона. Но заряд электрона — это очень маленькая величина. А для большинства технических проблем такой маленький заряд невыгодно выбирать в качестве единицы измерения.
В системе СИ не существует стандарта для единицы измерения заряда. А заряд выражается в терминах других величин, для которых существует стандарт.
Основной единицей измерения электрических величин в СИ является ампер. Это единица измерения фактической мощности (ссылка). Числовая норма 1 ампера определяется магнитным взаимодействием двух токов.
Единица заряда, 1 кулон, связана с 1 ампером.
\ большой \ упакованный<1 \text= 1 a \cdot 1 c>\
Если сила тока в проводнике равна 1 амперу, то через его поперечное сечение за 1 секунду проходит заряд в 1 кулон.
Кратность любого заряда элементарному заряду
Заряд, приписываемый телу, всегда кратен элементарному заряду:
\(q \left( \text
ight) \) — заряд тела,
\( e \left( \text/right) \) — элементарный заряд,
\( N \left( \text/right)\) — число элементарных зарядов, это целое число,
Заряд может быть распределен в теле, для описания распределенных зарядов используется термин плотность заряда.
Электрон. Что такое электрон, его заряд, масса, спин, энергия покоя
Каждый заряд в пространстве создает вокруг себя электрическое поле.
Электрон — это стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица.
Электроны играют важную роль почти во всех физических явлениях. Поскольку электроны несут заряд, они также генерируют электрическое поле. Когда электрон приходит в движение, создается магнитное поле. Когда электрон проходит через другое внешнее электрическое поле, его путь изменяется под действием силы Лоренца.
Электрон принадлежит к лептонному семейству частиц. В стандартной модели физики частиц существует множество различных семейств частиц.
Спин электрона и магнитный момент электрона.
Согласно современным знаниям, лептоны являются элементарными частицами. По сравнению с другими лептонами, электрон имеет наименьшую массу среди заряженных лептонов. Он принадлежит к первому поколению лептонов. Второе и третье поколения — мюон и тауон. Эти две частицы имеют тот же заряд и спин, что и электрон, но отличаются от него массой.
Лептоны отличаются от других элементарных частиц, таких как кварки, отсутствием сильного взаимодействия. Поскольку все лептоны принадлежат к семейству фермионов, электрон обладает собственным угловым моментом («спином») s = ½ в единицах ℏ, где ℏ — уменьшенная постоянная Планка).e«Как и любая заряженная частица со спином, электрон имеет магнитный момент, который делится на нормальную и аномальную части (добавление около 0,116 %). Магнитный момент электрона m
= -9.2847647043(28)⋅10-24 Дж/Тл».
Википедия
Атомы и молекулы.
Электроны связаны с атомными ядрами «притягательной» кулоновской силой. Такое соединение атомного ядра и одного или нескольких электронов называется атомом. Электроны движутся вокруг ядра атома. Если число электронов отличается от заряда ядра, то это ион.
Волновая природа связанных электронов описывается атомными орбиталями. Каждая из этих орбиталей имеет ряд квантовых чисел, таких как энергия и импульс. Кроме того, атом может иметь только определенное количество орбиталей. В силу принципа Паули орбиталь может содержать не более двух электронов, спины которых имеют разные знаки.
Делимость электрического заряда
Химическая связь между атомами происходит через электромагнитные взаимодействия, которые описываются с помощью квантовой физики. Самые прочные связи образуются путем обмена или переноса электронов. Это позволяет образовывать молекулы. В молекулах электроны движутся подобно атомам и занимают молекулярные орбитали. Однако фундаментальное различие заключается в образовании пар электронов с разными спинами. Таким образом, многие электроны могут занимать одну и ту же орбиталь, не нарушая принцип Паули.
Известно, что в нормальном состоянии молекулы и атомы не имеют электрического заряда. Поэтому мы не можем объяснить электризацию их движением. Однако если мы предположим, что в природе существуют частицы с электрическим зарядом, мы должны обнаружить, что существует предел распределения электрического заряда.
В ходе нескольких экспериментов советским ученым Абрамом Федоровичем Иоффе и американским ученым Робертом Милликеном было установлено, что существует заряженная частица с минимальным зарядом, которую невозможно разделить.
В своих экспериментах они электризовали мелкие частицы цинкового порошка. Заряд частиц пыли изменился и был рассчитан. Это происходило несколько раз. Обвинение каждый раз было разным. Однако все изменения были кратны целому числу, превышающему минимальный заряд (например, 2, 3, 4 и т.д.). Этот результат можно интерпретировать только следующим образом. Только наименьший заряд (или целое число таких зарядов) связан с частицей цинковой пыли или отделен от нее. Это обвинение больше не разделяется. Частица с наименьшим зарядом называется электроном.
Свойства электрона
Эксперименты также показали, что каждая частица материи либо электрически нейтральна, либо имеет заряд, кратный заряду электрона.
Масса электрона
Электрон обладает и другими важными свойствами, помимо спина и магнитного момента. Давайте посмотрим на них.eЭлектроны очень малы. Масса электрона равна m
= 9,109 — 1 0-31 кг или 5, 489 — 1 0-4 атомных единиц массы (а.е.м.). Эта масса примерно в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, которая является самой маленькой из всех молекул. Из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт).
Заряд электрона
Отношение массы протона к массе электрона равно 1836, т.е. протон в 1836 раз «тяжелее» электрона.
Электрический заряд — одно из важнейших свойств электрона. Невозможно представить, что электроны могут излучать заряд. Они неотделимы друг от друга.0Электрический заряд — это физическая величина. Он символизируется буквой q. Единицей электрического заряда является кулон (Кл). Эта единица названа в честь французского физика Шарля Кулона. Электрон — это частица с наименьшим отрицательным зарядом. Его заряд равен e
= — 1,6 — 1 0-19 кл .
Мера заряда электрона называется элементарным электрическим зарядом. Он обозначается e. Измерения показали, что e = 1,6 — 10 — 19 Cl .
Заметим, что каждый заряд тела, даже самый маленький, содержит целое число элементарных зарядов. Поскольку заряд тела обозначается q, q = eN, где N — целое число (N = 1, 2, 3, … ).
Элементарный заряд может показаться очень маленьким, но давайте вспомним: каждое тело, видимое невооруженным глазом, содержит невообразимо большое количество заряженных частиц. Общий заряд электронов в столовой ложке воды, например, составляет по модулю около одного миллиона кулонов (а вы уже знаете, насколько велик заряд 1 Cl).
Энергия покоя электрона
Это важно: термин элементарный заряд был придуман, когда считалось, что этот заряд является наименьшим электрическим зарядом в природе. Сегодня мы знаем, что 1/3 элементарного заряда также приходится на кварки.
Энергия электрона рассчитывается из эквивалентности массы и энергии. Вы знаете формулу из теории относительности E=mc 2. E означает энергию, m — массу, а c — скорость света. Как упоминалось ранее в этой статье, «из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт)».eВ формуле это можно рассчитать следующим образом: E = m
Электрометр
c 2 = 9,109 — 1 0-31 — (3 — 10 8 ) 2 = 8,2 — 1 0-14 J = 0,511 — 10 6 эВ ≈ 0,511 МэВ
Электрометр используется для обнаружения и измерения электрических зарядов. Электрометр состоит из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 2). Стержень со стрелкой прикреплен к плексигласовой втулке и установлен в цилиндрическом металлическом корпусе, который закрыт стеклянными крышками.
Свойства электрического заряда
Принцип работы электрометра. Коснитесь положительно заряженным стержнем стержня электрометра. Вы увидите, что стрелка электрометра отклоняется на определенный угол (см. рисунок 2). Вращение стрелки объясняется тем, что при контакте заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются на стрелке и стержне. Силы отталкивания, действующие между электрическими зарядами на стержне и стрелке, заставляют стрелку вращаться. Снова наэлектризуйте эбонитовый стержень и снова коснитесь им измерительного шпинделя. Эксперимент показывает, что угол отклонения стрелы от вертикального положения увеличивается по мере увеличения электрического заряда на палочке. Следовательно, угол отклонения стрелки электрометра можно использовать для оценки величины электрического заряда, переданного палочке электрометра.
- Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Положительно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные тела так же, как стекло, наэлектризованное трением о шелк. Отрицательно заряженными называют тела, которые действуют так же, как эбонит, наэлектризованный трением о шерсть. Выбор названия «положительный» для зарядов, возникающих на стекле, и «отрицательный» для зарядов на эбоните совершенно случаен.
- 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.
- Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.
- Важным свойством электрического заряда является его дискретность. Это означает, что существует некоторый наименьший, универсальный, далее не делимый элементарный заряд, так что заряд q любого тела является кратным этому элементарному заряду: \(~q = N \cdot e\), где N – целое число, е – величина элементарного заряда. Согласно современным представлениям, этот заряд численно равен заряду электрона e = 1,6∙10 -19 Кл. Поскольку величина элементарного заряда весьма мала, то для большинства наблюдаемых и используемых на практике заряженных тел число N очень велико, и дискретный характер изменения заряда не проявляется. Поэтому считают, что в обычных условиях электрический заряд тел изменяется практически непрерывно.
- Закон сохранения электрического заряда. Внутри замкнутой системы при любых взаимодействиях алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной: \(~q_1 + q_2 + \ldots + q_n = \operatorname\). Изолированной (или замкнутой) системой мы будем называть систему тел, в которую не вводятся извне и не выводятся из нее электрические заряды.
Объединив все известные экспериментальные данные, можно вывести следующие свойства заряда:
Нигде и никогда в природе электрический заряд не появляется и не исчезает с одним и тем же знаком. Появление положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением соответствующего отрицательного заряда. Ни положительный, ни отрицательный заряд не могут исчезнуть по отдельности, они могут только аннулировать друг друга, если они равны по модулю.
Таким образом, элементарные частицы могут превращаться друг в друга. Однако при рождении заряженных частиц всегда наблюдается пара частиц с противоположными знаками. Также можно наблюдать одновременное рождение нескольких таких пар. Только пары заряженных частиц исчезают и становятся нейтральными частицами. Все эти факты не оставляют сомнений в том, что теорема о сохранении электрического заряда строго соблюдается.
Электризация тела
Причина сохранения электрического заряда до сих пор неизвестна.
Макроскопические тела обычно электрически нейтральны. Атом любого вещества нейтрален, потому что число электронов в атоме равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны электрическими силами и образуют нейтральные системы.
Большое тело заряжено, если оно содержит избыток элементарных частиц с одинаковым знаком заряда. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов над протонами, а положительный заряд — недостатком электронов.
Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело, или, как говорят, наэлектризовать его, необходимо отделить часть отрицательного заряда от присоединенного к нему положительного заряда.
Самый простой способ добиться этого — трение. Когда вы проводите расческой по волосам, небольшая часть более подвижных заряженных частиц — электронов — перемещается с волос на расческу и заряжает ее отрицательно, а волосы становятся положительно заряженными. Электризация за счет трения дает двум телам противоположные знаки, но одинаковое количество заряда.
Очень легко наэлектризовать тела трением. Но объяснить, как это происходит, оказалось очень сложно.
1 Версия. Когда тела электризуются, важен тесный контакт между ними. Электрические силы удерживают электроны в теле. Однако эти силы различны для разных веществ. При тесном контакте небольшая часть электронов вещества, электронная связь которого с телом относительно слаба, мигрирует к другому телу. В этом случае смещения электронов не превышают величину межатомного расстояния (10-8 см). Однако если тела разделяются, то обвиняются оба. Поскольку поверхности тел никогда не бывают идеально гладкими, тесный контакт между телами, необходимый для перехода, происходит только на небольших участках поверхностей. По мере того как тела трутся друг о друга, количество областей тесного контакта увеличивается, а значит, увеличивается и общее количество заряженных частиц, передаваемых от одного тела к другому. Однако неясно, как электроны могут двигаться в непроводящих материалах (изоляторах), таких как эбонит, плексиглас и другие. В конце концов, они связаны с нейтральными молекулами.
Версия 2: Используя ионный кристалл LiF (изолятор) в качестве примера, объяснение следующее. При образовании кристаллов возникают различные типы дефектов, особенно вакансии, то есть пустые места в узлах кристаллической решетки. Если количество вакансий для положительных ионов лития и отрицательных ионов фтора неодинаково, кристалл становится объемно заряженным во время формирования. Но заряд в целом не может долго находиться в кристалле. В воздухе всегда есть некоторое количество ионов, и кристалл вытягивает их до тех пор, пока заряд кристалла не будет нейтрализован ионным слоем на его поверхности. Различные изоляторы имеют разные объемные заряды и, следовательно, разные заряды на поверхностных слоях ионов. Во время трения поверхностные слои ионов перемешиваются, и когда изоляторы разделяются, каждый из них заряжается.
