Elektrische Ladungen, ihre Wechselwirkung.
Gleichstromkreis, seine Grundgesetze.
Elektronische Theorie der Struktur der Materie.
Alle Substanzen in der Natur bestehen aus Molekülen, Molekülen aus Atomen.
Molekül ist das kleinste Teilchen, das die chemischen Eigenschaften einer bestimmten Substanz hat.
Atom ist das kleinste Teilchen, das die chemischen und physikalischen Eigenschaften eines bestimmten Elements hat.
Es besteht aus:
ein positiv geladener Kern
negative Elektronen, die in erlaubten Bahnen rotieren.
Der Atomkern besteht aus positiven Protonen und neutralen Neutronen.
Die Ladung eines Elektrons ist gleich der Ladung eines Protons, aber die Vorzeichen sind entgegengesetzt. Diese Elementarteilchen sind in Größe und Masse nicht gleich, das Proton ist größer als das Elektron.
Ein Atom ist ein elektrisch neutrales Teilchen (nicht geladen), das heißt, so viele Protonen sich im Kern befinden, so viele Elektronen kreisen um den Kern, da ein Proton ein Elektron aufnehmen kann.
Die Vielfalt der uns umgebenden Welt wird also aus verschiedenen Kombinationen von nur drei Teilchen gebildet: einem Neutron, einem Proton und einem Elektron, die wiederum auch eine innere Struktur haben.
Valenzelektronen sind die Elektronen, die sich in der äußersten Umlaufbahn befinden. Sie bestimmen die chemischen Eigenschaften eines Stoffes und seine elektrische Leitfähigkeit.
Elektrische Leitfähigkeit ist die Fähigkeit eines Stoffes, elektrischen Strom zu leiten.
Elektrische Ladungen, ihre Wechselwirkung.
Schon in der Antike war bekannt, dass Bernstein, auf Wolle getragen, die Fähigkeit erlangt, leichte Gegenstände anzuziehen. Später wurde festgestellt, dass viele andere Substanzen eine ähnliche Eigenschaft haben. Körper, die wie Bernstein nach dem Reiben leichte Gegenstände anziehen können, werden als elektrifiziert bezeichnet. Auf Körpern in diesem Zustand gibt es elektrische Ladungen, und die Körper selbst werden geladen genannt.
In der Natur gibt es nur zwei Arten von Ladungen - positiv und negativ. Ladungen mit gleichem Vorzeichen (wie Ladungen) stoßen sich ab, Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen (entgegengesetzte Ladungen) ziehen sich an.
Elementarteilchen haben die kleinste (Elementar-)Ladung. Beispielsweise sind ein Proton und ein Positron positiv geladen, während ein Elektron und ein Antiproton negativ geladen sind.
Die negative Elementarladung ist betragsmäßig gleich der positiven Elementarladung. Im SI-System wird die Ladung eingemessen Anhänger(CL). Der Wert der Elementarladung e \u003d 1,6-10-19 C. In der Natur entsteht und verschwindet nirgendwo und niemals eine elektrische Ladung gleichen Vorzeichens. Das Erscheinen einer positiven elektrischen Ladung + q geht immer mit dem Erscheinen einer gleich großen negativen elektrischen Ladung - q einher. Weder positive noch negative Ladungen können getrennt voneinander verschwinden, sie können sich nur gegenseitig aufheben, wenn sie gleich sind.
Um eine Ladung von einem neutralen Atom zu erhalten, müssen Sie mit einer Art Kraft wirken und Elektronen abreißen oder Fremdelektronen an ein neutrales Atom binden. Als Ergebnis wird bei der Trennung (z. B. während der Reibung) ein positiv geladenes Atom erhalten, das als bezeichnet wird positives Ion, und wenn angebracht - negatives Ion.
Ionisation ist der Prozess der Bildung von Ladungen aus einem neutralen Atom.
8.1. Zwei Arten von elektrischen Ladungen
Wenn einige Teilchen (oder Körper) die Fähigkeit haben, an elektrischen Wechselwirkungen teilzunehmen, dann ist es sinnvoll, ihnen eine Eigenschaft zuzuschreiben, die diese Eigenschaft von ihnen anzeigt. Diese Eigenschaft heißt elektrische Ladung. Körper, die an elektrischen Wechselwirkungen teilnehmen, werden als geladen bezeichnet. Somit ist der Begriff "elektrisch geladen" gleichbedeutend mit dem Ausdruck "an elektrischen Wechselwirkungen beteiligt". Warum manche Elementarteilchen elektrisch geladen sind und andere nicht – das weiß niemand!
Weitere Überlegungen, basierend auf experimentellen Daten, sollen dieses Merkmal möglichst quantitativ konkretisieren.
Die Geschichte der Erforschung elektrischer Phänomene ist lang und voller Dramatik, ...
Als nächstes beschreiben wir eine Reihe einfacher Experimente, die zu Hause „in der Küche“ oder im Schullabor durchgeführt werden können. Bei deren Erläuterung werden wir auf das Wissen zurückgreifen, das viele Wissenschaftler in mehreren hundert Jahren als Ergebnis zahlreicher und vielfältiger Experimente gewonnen haben.
Wir werden nun in sehr vereinfachter Form einige Stadien der experimentellen Forschung wiedergeben, deren Schlussfolgerungen als Grundlage für die moderne Theorie der elektrischen Wechselwirkungen dienten.
Um Experimente durchzuführen, sollte man zunächst lernen, wie man geladene Körper erhält. Der einfachste Weg, dieses Ziel zu erreichen, ist Elektrifizierung durch Reibung. Zum Beispiel wird Glas gut elektrifiziert (d. h. es erhält eine elektrische Ladung), wenn es mit Seide gerieben wird. Das Auftreten einer elektrischen Ladung äußert sich darin, dass ein solcher Stab beginnt, Papierstücke, Haare, Staubpartikel usw. anzuziehen.
Es lässt sich auch feststellen, dass auch viele andere Stoffe durch Reibung elektrisiert werden. Da wir das Ergebnis im Voraus kennen, wählen wir als zweite "Stromquelle" einen Ebonitstab, der mit Wolle getragen wird. Nennen wir die elektrische Ladung, die auf dem Glas erscheint, "Glas" und die Ladung auf Ebonit "Harz".
Als nächstes brauchen wir ein "Gerät", das auf das Vorhandensein einer elektrischen Ladung reagieren könnte. Dazu hängen wir einen aus einem Stück Folie gedrehten Lichtbecher an einen Faden. Es ist leicht zu überprüfen, dass dieser Becher nicht aufgeladen ist - damit wir keinen Bleistift, keine Hand, kein Physiklehrbuch usw. dazu bringen, tritt keine Auswirkung auf den Becher auf.
Bringen wir einen aufgeladenen Elektrostab aus Glas zu einem ungeladenen Glas (Abb. 141). Das Glas wird davon angezogen, wie andere kleine Körper. Aus dem Ablenkungswinkel des Fadens (bei bekannter Masse des Bechers und der Länge des Fadens) kann man sogar die Anziehungskraft berechnen. Kommt das Glas nicht mit einem aufgeladenen Stab in Kontakt, bleibt es ungeladen, was sich leicht experimentell nachweisen lässt. Wenn das Glas den aufgeladenen Stick berührt, wird es scharf davon weggedrückt. Wenn wir jetzt den Zauberstab entfernen, wird der Kelch aufgeladen, was überprüft werden kann, indem man einen anderen ungeladenen Körper in die Nähe bringt. Zum Beispiel wird es von der erhobenen Hand angezogen.
Ähnliche Ergebnisse erhält man, wenn man einen auf Seide geriebenen Glasstab durch einen auf Wolle geriebenen Ebonitstab ersetzt.
Daher tritt in diesen Experimenten der Unterschied zwischen "Glas"- und "Harz"-Elektrizität nicht auf.
Wir werden noch nicht diskutieren, warum ein ungeladener Kelch von einem geladenen Stab angezogen wird und ein geladener Kelch von einer ungeladenen Hand angezogen wird. Die einzige Schlussfolgerung, die wir aus dem Experiment ziehen können, ist, dass sich das Glas durch Kontakt elektrisch auflädt. Daher die elektrische Ladung übertragen werden können von einem Körper zum anderen.
Nehmen Sie zwei identische Folienbecher, hängen Sie sie nebeneinander an gleich lange Fäden. Werden die Schalen auf die gleiche Weise aufgeladen (entweder mit Hilfe eines Glases oder mit Hilfe eines Ebonitstabes), so werden die Schalen abgestoßen (Abb. 142). Werden die Becher unterschiedlich aufgeladen, ziehen sie sich an.
Damit beweisen wir, dass es zumindest gibt zwei Arten von elektrischen Ladungen.
Für weitere Experimente ersetzen wir die „Messbecher“ durch ein fortschrittlicheres Gerät namens Elektrometer (Abb. 143). Das Gerät besteht aus einem Metallstab und einem um eine horizontale Achse drehbaren Leichtmetallzeiger. Dieses Gerät befindet sich in einem Metallgehäuse, das mit Glasabdeckungen verschlossen ist. Der Ausschlagwinkel des Zeigers kann mit einer Skala gemessen werden. Die Pfeilstange wird mit einer Plexiglashülse im Körper fixiert. Der Stab mit dem Pfeil spielt die gleiche Rolle wie die Folienbecher in den vorherigen Experimenten – wenn ein geladener Körper den Stab berührt, fließt die Ladung zum Stab und zum Pfeil, was zu dessen Ablenkung führt. Außerdem hängt die Ablenkrichtung des Pfeils nicht von der Art der gemeldeten Ladung ab.
Für weitere Experimente werden wir zwei identische Elektroskope verwenden. Lassen Sie uns einen von ihnen zum Beispiel mit einem Glasstab aufladen. Als nächstes beginnen wir, die Stäbe von Elektrometern mit verschiedenen Materialien zu verbinden. Beim Verbinden der Stäbe mit Holz-, ungeladenen Glas-, Ebonit- und Kunststoffstäben; Textilfäden treten keine Veränderungen auf - ein Elektrometer bleibt geladen, das zweite ungeladen. Wenn Sie die Stäbe mit einem Metalldraht verbinden, werden beide Elektrometer aufgeladen. Außerdem nimmt die Abweichung des Pfeils des anfänglich geladenen Elektrometers ab (Abb. 144).
Aus den Ergebnissen dieses Experiments lassen sich zwei wichtige Schlussfolgerungen ziehen: Erstens können einige Materialien (Metalle) eine elektrische Ladung weiterleiten, andere (Glas, Kunststoff, Holz) nicht; zweitens kann sich die Ladung ändern, mehr oder weniger sein. Dieselben Experimente können mit der zweiten Elektrizitätsart („Harz“) wiederholt werden. Die Ergebnisse sind die gleichen - Materialien, die "Glas"-Elektrizität leiten, leiten "Harz"-Elektrizität. Wenn die "Glas"-Ladung zwischen den Elektrometern umverteilt wird, verhält sich auch die "Harz"-Ladung.
Wir können also Materialien in zwei Gruppen einteilen - solche, die eine elektrische Ladung übertragen (diese Materialien werden als Dirigenten) und solche, die keine elektrische Ladung übertragen (sie wurden genannt Isolatoren). Übrigens wird der Stab des Elektrometers mit Hilfe einer Isolierhülse vom Körper getrennt, damit sich die elektrische Ladung nicht über den Körper „ausbreitet“, sondern auf dem Stab und dem Pfeil verbleibt.
Verschiedene Abweichungen der Elektrometernadel zeigen deutlich, dass die Wechselwirkungskraft zwischen geladenen Körpern unterschiedlich sein kann und daher die Größe der Ladungen unterschiedlich sein kann. Daher kann die Gebühr durch einen numerischen Wert charakterisiert werden (und nicht, wie wir bereits sagten – „ist oder ist nicht“).
Ein weiteres interessantes Ergebnis - wenn Sie den Stab eines geladenen Elektrometers mit der Hand berühren, wird das Elektrometer entladen - die Ladung verschwindet. Auch anhand dieser qualitativen Beobachtungen lässt sich erklären, wo die Ladung bei Berührung der Hand verschwindet. Der menschliche Körper ist ein Leiter, also kann die Ladung in den menschlichen Körper fließen.
Um diese Vorstellung über die quantitative Natur der Ladung zu bestätigen, kann das folgende Experiment durchgeführt werden. Wir laden ein Elektrometer auf - wir notieren den Abweichungswinkel des Pfeils. Wir verbinden es mit dem zweiten Elektrometer - der Abweichungswinkel des Pfeils nimmt merklich ab. Wir entfernen den Kontakt zwischen den Geräten und der Hand, entladen das zweite Elektrometer und schließen die Elektrometer wieder an - die Abweichung des Pfeils nimmt wieder ab. Somit kann die elektrische Ladung in Teile geteilt werden. Sie können auch das umgekehrte Experiment durchführen - dem Elektrometer allmählich Ladung hinzufügen.
„Mischen“ Sie nun die beiden verfügbaren Stromarten. Dazu laden wir ein Elektrometer mit „Glas“ -Elektrizität und das zweite mit „Harz“ auf und versuchen sicherzustellen, dass die anfänglichen Abweichungen der Pfeile beider Elektrometer ungefähr gleich sind. Danach verbinden wir die Stäbe der Elektrometer mit einem Metalldraht (an einem isolierenden Griff, damit die Ladungen nicht weglaufen). Das Ergebnis dieses Experiments mag überraschend sein - beide Elektroskope wurden entladen oder "Glas" und "Harz" wurden elektrisch neutralisiert und kompensiert (Abb. 145). Folglich erweist es sich als möglich, verschiedenen Ladungsarten unterschiedliche Vorzeichen zuzuordnen - eine Ladung positiv, die zweite negativ zu nennen. Es ist vernünftig anzunehmen, dass die Wechselwirkungskraft von der Gesamtladung abhängt. Wenn die Elektrometer zunächst mit unterschiedlichen Elektrizitätsarten aufgeladen wurden, jedoch in unterschiedlichem Maße (die Abweichungen der Pfeile sind unterschiedlich), und sie dann verbunden werden, erfolgt nur ein teilweiser Ladungsausgleich - die Pfeile werden abgelenkt, aber zu in viel geringerem Umfang.
Historisch wurde die „Glas“-Ladung als positiv bezeichnet und die „Harz“-Ladung wurde negativ.
Das von uns beschriebene Gerät, das Elektrometer, erlaubt nur eine qualitative Beurteilung der Ladungsgröße, quantitative Messungen sind damit nicht möglich. Versuchen Sie zum Beispiel, Ihre Hand zu einem geladenen Elektrometer zu bringen (ohne den Stab zu berühren) - die Abweichung des Pfeils nimmt zu! Bringen Sie einen geladenen Stab zu einem ungeladenen Stab, ohne den Stab zu berühren - der Pfeil weicht ab, obwohl das Elektrometer nicht geladen ist. Wir werden später auf die Erklärung dieser Tatsachen zurückkommen.
Wenn Sie leichte Folienkugeln an zwei Fäden hängen und sie jeweils mit einem auf Seide geriebenen Glasstab berühren, können Sie sehen, dass sich die Kugeln abstoßen. Wenn Sie dann einen Ball mit einem auf Seide geriebenen Glasstab und den anderen mit einem auf Fell geriebenen Ebonitstab berühren, werden die Bälle voneinander angezogen. Dies bedeutet, dass Glas- und Ebonitstäbe erhalten werden Ladungen verschiedener Vorzeichen , d.h. existieren in der Natur zwei Arten von elektrischen Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen: positiv und negativ. Wir einigten uns darauf, dass ein Glasstab, der auf Seide gerieben wird, erwirbt positive Ladung , und ein Ebonitstab, gegen Fell gerieben, erwirbt negative Ladung .
Aus dem beschriebenen Experiment folgt auch, dass geladene Körper miteinander interagieren. Diese Wechselwirkung von Ladungen wird als elektrisch bezeichnet. Dabei ähnliche Gebühren, jene. Gebühren gleichen Vorzeichens , stoßen sich ab und entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an.
Das Gerät basiert auf dem Phänomen der Abstoßung gleich geladener Körper Elektroskop- ein Instrument, um festzustellen, ob eine bestimmte Stelle angeklagt ist, und Elektrometer, ein Gerät, mit dem Sie den Wert einer elektrischen Ladung schätzen können.
Wenn ein geladener Körper den Stab eines Elektroskops berührt, werden die Blätter des Elektroskops zerstreut, da sie eine Ladung mit demselben Vorzeichen erhalten. Dasselbe geschieht mit der Nadel des Elektrometers, wenn der geladene Körper seinen Stab berührt. Je größer die Ladung ist, desto größer wird in diesem Fall der Winkel, in dem der Pfeil von der Stange abweicht.
Aus einfachen Experimenten folgt, dass die Wechselwirkungskraft zwischen geladenen Körpern je nach Größe der aufgenommenen Ladung größer oder kleiner sein kann. Wir können also sagen, dass die elektrische Ladung einerseits die Fähigkeit des Körpers zur elektrischen Wechselwirkung charakterisiert und andererseits eine Größe ist, die die Intensität dieser Wechselwirkung bestimmt.
Die Gebühr wird durch den Buchstaben bezeichnet q , als Ladungseinheit genommen Anhänger: [q ] = 1cl.
Wenn Sie ein Elektrometer mit einem geladenen Stab berühren und dieses Elektrometer dann mit einem Metallstab mit einem anderen Elektrometer verbinden, wird die Ladung des ersten Elektrometers zwischen den beiden Elektrometern aufgeteilt. Sie können das Elektrometer dann mit mehreren weiteren Elektrometern verbinden, und die Ladung wird zwischen ihnen geteilt. Somit hat die elektrische Ladung Teilbarkeitseigenschaft . Die Grenze der Ladungsteilbarkeit, d.h. die kleinste Ladung, die in der Natur existiert, ist die Ladung Elektron. Die Ladung eines Elektrons ist negativ und gleich 1,6 * 10 -19 C. Jede andere Ladung ist ein Vielfaches der Elektronenladung.
§ 1 Zwei Arten elektrischer Ladungen. Wechselwirkung elektrischer Ladungen
Die Struktur des Universums wird durch die Anziehungskraft der Schwerkraft geformt, aber nur diese Kraft würde zu einer unbegrenzten Kompression führen. Damit die Abmessungen von Körpern stabil bleiben, ist eine abstoßende Kraft erforderlich. Diese Kräfte umfassen die Kräfte der elektromagnetischen Wechselwirkung. Sie bewirken Anziehung und Abstoßung von Teilchen. Die Elektrodynamik ist ein Zweig der Physik, der die elektromagnetische Wechselwirkung geladener Teilchen untersucht. Die Elektrostatik ist ein Teilgebiet der Elektrodynamik, das die Wechselwirkung bewegungsloser (statischer) elektrischer Ladungen untersucht.
Was ist eine elektrische Ladung? Um eine Darstellung zu erstellen, sind erste Informationen, Kenntnisse, Erfahrungen, Experimente und Hypothesen notwendig.
Elektrische Wechselwirkung (im Gegensatz zur Gravitation) ist nicht nur gegenseitige Anziehung, sondern auch Abstoßung.
Führen wir ein Experiment durch: Wir bringen einen durch Reibung elektrifizierten Ebonitstab zuerst zu einem "Sultan", dann zum zweiten. Wir werden sehen, dass sich die Blätter abstoßen, wenn wir die „Sultane“ zueinander bringen (Abb. 1).
Den zweiten "Sultan" elektrisieren wir mit einem Stab aus Glas, der auf Seide getragen wird. Bringen wir es zum ersten "Sultan", und wir werden die Anziehungskraft ihrer Blätter sehen (Abb. 2, 3).
In der Natur vorhandene elektrische Ladungen (positiv und negativ) können durch diese Experimente bestätigt werden.
Körper mit einer elektrischen Ladung interagieren wie folgt miteinander:
ziehen sich an, wenn sie Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen haben (Abb. 4);
abstoßen, wenn sie Ladungen gleichen Vorzeichens haben (Abb. 5).
Bei der Elektrisierung verschiedener Körper wird die Wechselwirkungskraft zwischen den Körpern größer (wenn der Körper eine große Ladung hat) oder kleiner (wenn der Körper eine kleine Ladung hat). Ladung ist also eine physikalische Größe, und 1 Pendant (1C) wird als Ladungseinheit betrachtet.
Elektrische Ladung ist ein physikalisches Maß, das die Eigenschaften geladener Körper charakterisiert, miteinander zu interagieren.
Der kleinste Anteil der Ladung ist die Elementarladung, sie beträgt 1,6 · 10-19 C. Die Ladung eines Körpers darf diesen Wert nicht unterschreiten.
Wenn Sie einen Ebonitstab mit einem Wollhandschuh und einen Glasstab mit einem Seidenschal elektrisieren und die Stäbchen dann an Fäden hängen, können Sie Folgendes sehen:
Ebonit und Wolle ziehen sich an;
Glas und Seide ziehen sich an;
Glas und Wolle stoßen sich ab;
Ebonit und Seide stoßen sich ab.
Wir elektrisieren zwei Körper durch Reibung, während sie mit Ladungen gleicher Größe und entgegengesetzten Vorzeichens geladen werden. Durch den Kontakt verliert der erste Körper Elektronen, der andere nimmt sie auf. Dies kann erklären, warum auf einem Körper ein Elektronenüberschuss (negative Ladung) und auf dem anderen ein Mangel (positive Ladung) vorhanden ist.
Fazit: Wenn der Körper negativ geladen ist, dann hat er einen Elektronenüberschuss, aber wenn schon
positiv geladen, es fehlen Elektronen.
Zwei elektrifizierte Körper ziehen sich an oder stoßen sich ab, es kommt darauf an, wie sie elektrifiziert sind. Durch Reibung elektrifizierte Körper ziehen sich immer nur an.
In Leitern können sich einige Elektronen von einem Atom zum anderen bewegen, dieser Vorgang erfolgt aufgrund der Tatsache, dass die Elektronen schwach an den Atomkern gebunden sind. Sie heißen frei. Es sind diese Atome, die für Ladungstransfer (Leitfähigkeit) sorgen.
In Dielektrika gibt es praktisch keine Leitfähigkeit, weil Sie haben fast keine freien Elektronen und "niemand", der die Ladung trägt.
Alle Stoffe können nach ihren elektrischen Eigenschaften in zwei Arten eingeteilt werden:
1. Dielektrika - Substanzen, die keine freien Ladungen haben und die Ladung eines Körpers nicht zu anderen Körpern "fließen" lassen.
2. Leiter sind Körper und Stoffe, in denen sich freie geladene Teilchen befinden; sie können sich bewegen, während sie die Ladung auf andere Körperteile oder auf andere Körper übertragen.
Entsprechend der Fähigkeit, Ladungen zu leiten, können Substanzen in Leiter unterteilt werden: Metalle, Erde, Lösungen von Salzen und Säuren usw. und Nichtleiter (Dielektrika): Porzellan, Ebonit, Glas, Gase, Kunststoffe usw. Zu den Halbleitern gehören eine Reihe von Substanzen, deren Leitfähigkeit von äußeren Bedingungen (Temperatur, Beleuchtung, Vorhandensein von Verunreinigungen) abhängt.
Ein Elektrometer ist ein Gerät zum Nachweis elektrischer Ladungen und zur Bestimmung ihres ungefähren Wertes (Abb. 6).
Um festzustellen, ob der Körper geladen ist oder nicht, können Sie ein Elektrometer verwenden. Dazu müssen Sie den Körper zum Ball A bringen. Wenn der Körper aufgeladen ist, weicht der Pfeil B ab. Warum lehnt sie ab? Angenommen, der Körper hätte eine negative Ladung, d.h. Es gab einen Überschuss an Elektronen auf dem Körper. Beim Kontakt mit der Kugel bewegen sich einige der Elektronen zum Elektrometer. Der Ball wird negativ geladen. Die Kugel ist mit dem Stab verbunden und der Stab ist mit dem Pfeil verbunden, und sie sind alle Leiter, die Elektronen bewegen sich zum Stab und dann zum Pfeil. Ein Kunststoffstopfen hilft beim Isolieren des Ball-, Stangen- und Pfeilsystems. Folglich erhalten die Stange und der Pfeil die gleiche negative Ladung und stoßen sich ab, wodurch der Pfeil abweicht. Außerdem ist der Ablenkwinkel des Pfeils umso größer, je größer die Ladung ist. Mit dem Elektrometer können Sie nur die Größe der Ladung abschätzen, d.h. sagen, dass ein Körper mehr Ladung hat als der andere. Mit einem Elektrometer ist es unmöglich, das Vorhandensein einer kleinen Ladung festzustellen, weil. Bei einer kleinen Ladung reicht die Abstoßungskraft gleicher Ladungen nicht aus, um den Pfeil abzulenken, d.h. Mit einem Elektrometer ist es unmöglich, das Vorhandensein einer kleinen Ladung festzustellen. Warum kehrt der Pfeil ohne Ladung in seine ursprüngliche Position zurück? Der Pfeil wird dazu neigen, eine vertikale Position einzunehmen, da der Aufhängepunkt des Pfeils über dem Schwerpunkt liegt.
Themen des USE-Kodifikators: Elektrisierung von Körpern, Wechselwirkung von Ladungen, zwei Ladungsarten, Erhaltungssatz der elektrischen Ladung.
Elektromagnetische Wechselwirkungen gehören zu den grundlegendsten Wechselwirkungen in der Natur. Elastizitäts- und Reibungskräfte, Gasdruck und vieles mehr lassen sich auf elektromagnetische Kräfte zwischen Materieteilchen zurückführen. Die elektromagnetischen Wechselwirkungen selbst werden nicht mehr auf andere, tiefere Arten von Wechselwirkungen reduziert.
Eine ebenso grundlegende Art der Wechselwirkung ist die Schwerkraft – die Anziehungskraft zweier beliebiger Körper. Es gibt jedoch mehrere wichtige Unterschiede zwischen elektromagnetischen und gravitativen Wechselwirkungen.
1. Nicht jeder kann an elektromagnetischen Wechselwirkungen teilnehmen, sondern nur berechnet Körper (haben elektrische Ladung).
2. Gravitationswechselwirkung ist immer die Anziehung eines Körpers zu einem anderen. Elektromagnetische Wechselwirkungen können sowohl Anziehung als auch Abstoßung sein.
3. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist viel intensiver als die Gravitation. Beispielsweise ist die elektrische Abstoßungskraft zweier Elektronen um ein Vielfaches größer als die Kraft ihrer gegenseitigen Anziehungskraft.
Jeder geladene Körper hat eine gewisse elektrische Ladung. Elektrische Ladung ist eine physikalische Größe, die die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Naturobjekten bestimmt. Die Gebühreneinheit ist Anhänger(CL).
Zwei Arten von Gebühren
Da die gravitative Wechselwirkung immer eine Anziehung ist, sind die Massen aller Körper nicht negativ. Dies gilt jedoch nicht für Gebühren. Zwei Arten der elektromagnetischen Wechselwirkung – Anziehung und Abstoßung – lassen sich bequem durch die Einführung von zwei Arten elektrischer Ladungen beschreiben: positiv und Negativ.
Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens ziehen sich an, Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens stoßen sich ab. Dies ist in Abb. 1 dargestellt. ein ; an Fäden aufgehängte Bälle erhalten Ladungen des einen oder anderen Zeichens.
Reis. 1. Wechselwirkung zweier Ladungsarten
Die allgegenwärtige Manifestation elektromagnetischer Kräfte erklärt sich aus der Tatsache, dass geladene Teilchen in den Atomen jeder Substanz vorhanden sind: Positiv geladene Protonen sind Teil des Atomkerns und negativ geladene Elektronen bewegen sich in Umlaufbahnen um den Kern.
Die Ladungen des Protons und des Elektrons sind im absoluten Wert gleich, und die Anzahl der Protonen im Kern ist gleich der Anzahl der Elektronen in Umlaufbahnen, und daher stellt sich heraus, dass das Atom als Ganzes elektrisch neutral ist. Deshalb bemerken wir unter normalen Bedingungen die elektromagnetische Wirkung der umgebenden Körper nicht: Die Gesamtladung jedes von ihnen ist Null und die geladenen Teilchen sind gleichmäßig über das Volumen des Körpers verteilt. Aber wenn die elektrische Neutralität verletzt wird (z Elektrifizierung) beginnt der Körper sofort, auf die umgebenden geladenen Teilchen einzuwirken.
Warum es genau zwei Arten von elektrischen Ladungen gibt und nicht eine andere Anzahl davon, ist derzeit nicht bekannt. Wir können nur behaupten, dass die Annahme dieser Tatsache als primär eine angemessene Beschreibung der elektromagnetischen Wechselwirkungen liefert.
Die Ladung eines Protons ist Cl. Die Ladung eines Elektrons hat das entgegengesetzte Vorzeichen und ist gleich C. Wert
namens elementare Ladung. Dies ist die minimal mögliche Ladung: Freie Teilchen mit geringerer Ladung wurden in den Experimenten nicht gefunden. Die Physik kann noch nicht erklären, warum die Natur die kleinste Ladung hat und warum sie genau so groß ist.
Die Ladung eines Körpers ist immer die Summe von das Ganze Anzahl der Elementarladungen:
Wenn , dann hat der Körper einen Überschuss an Elektronen (im Vergleich zur Anzahl an Protonen). Fehlen dem Körper dagegen Elektronen: Es sind mehr Protonen vorhanden.
Elektrifizierung von Körpern
Damit ein makroskopischer Körper einen elektrischen Einfluss auf andere Körper ausüben kann, muss er elektrifiziert werden. Elektrifizierung- Dies ist eine Verletzung der elektrischen Neutralität des Körpers oder seiner Teile. Durch die Elektrifizierung wird der Körper zu elektromagnetischen Wechselwirkungen befähigt.
Eine der Möglichkeiten, einen Körper zu elektrifizieren, besteht darin, ihm eine elektrische Ladung zu verleihen, dh in einem bestimmten Körper einen Ladungsüberschuss mit demselben Vorzeichen zu erreichen. Das geht ganz einfach mit Reibung.
Wenn Sie also einen Glasstab mit Seide reiben, geht ein Teil seiner negativen Ladungen auf die Seide. Dadurch wird der Stick positiv und die Seide negativ geladen. Aber wenn man einen Ebonitstab mit Wolle reibt, wird ein Teil der negativen Ladungen von der Wolle auf den Stab übertragen: Der Stab wird negativ und die Wolle positiv geladen.
Diese Methode der Elektrifizierung von Körpern wird genannt Elektrifizierung durch Reibung. Elektrifizierung durch Reibung begegnet einem jedes Mal, wenn man einen Pullover über dem Kopf auszieht ;-)
Eine andere Art der Elektrifizierung wird genannt Elektrostatische Induktion, oder Elektrifizierung durch Beeinflussung. In diesem Fall bleibt die Gesamtladung des Körpers gleich Null, wird jedoch umverteilt, sodass sich in einigen Körperteilen positive Ladungen und in anderen negative Ladungen ansammeln.
Reis. 2. Elektrostatische Induktion
Betrachten wir Abb. 2. In einiger Entfernung vom Metallkörper liegt eine positive Ladung vor. Es zieht die negativen Ladungen des Metalls (freie Elektronen) an, die sich auf den Bereichen der Körperoberfläche ansammeln, die der Ladung am nächsten sind. Unkompensierte positive Ladungen verbleiben in den fernen Regionen.
Obwohl die Gesamtladung des metallischen Körpers gleich Null blieb, kam es im Körper zu einer räumlichen Ladungstrennung. Wenn wir nun den Körper entlang der gestrichelten Linie teilen, dann wird die rechte Hälfte negativ geladen und die linke Hälfte positiv.
Mit einem Elektroskop können Sie die Elektrifizierung des Körpers beobachten. Ein einfaches Elektroskop ist in Abb. 3 (Bild von en.wikipedia.org).
Reis. 3. Elektroskop
Was passiert in diesem Fall? Ein positiv geladener Stab (z. B. vorher gerieben) wird an die Elektroskopscheibe herangeführt und sammelt darauf eine negative Ladung. Unten, auf den sich bewegenden Blättern des Elektroskops, verbleiben unkompensierte positive Ladungen; voneinander wegdrückend, weichen die Blätter in verschiedene Richtungen ab. Wenn Sie den Zauberstab entfernen, kehren die Ladungen an ihren Platz zurück und die Blätter fallen zurück.
Das Phänomen der elektrostatischen Induktion in grandiosem Ausmaß wird während eines Gewitters beobachtet. Auf Abb. 4 sehen wir eine Gewitterwolke über die Erde ziehen.
Reis. 4. Elektrifizierung der Erde durch eine Gewitterwolke
Im Inneren der Wolke befinden sich Eisschollen unterschiedlicher Größe, die durch aufsteigende Luftströmungen vermischt werden, miteinander kollidieren und sich elektrisieren. In diesem Fall stellt sich heraus, dass sich im unteren Teil der Wolke eine negative Ladung und im oberen Teil eine positive Ladung ansammelt.
Der negativ geladene untere Teil der Wolke induziert positive Ladungen auf der Erdoberfläche. Ein riesiger Kondensator erscheint mit einer kolossalen Spannung zwischen der Wolke und dem Boden. Wenn diese Spannung ausreicht, um den Luftspalt zu durchbrechen, kommt es zu einer Entladung - einem Ihnen wohlbekannten Blitz.
Gesetz der Ladungserhaltung
Kehren wir zum Beispiel der Elektrifizierung durch Reibung zurück – Reiben des Sticks mit einem Tuch. In diesem Fall erhalten der Stab und das Stück Stoff Ladungen mit gleichem Betrag und entgegengesetztem Vorzeichen. Ihre Gesamtladung, die vor der Wechselwirkung gleich Null war, bleibt nach der Wechselwirkung gleich Null.
Wir sehen hier Gesetz der Ladungserhaltung was lautet: in einem geschlossenen System von Körpern bleibt die algebraische Summe der Ladungen für alle Prozesse, die mit diesen Körpern ablaufen, unverändert:
Geschlossenheit eines Systems von Körpern bedeutet, dass diese Körper nur untereinander Ladungen austauschen können, nicht aber mit anderen Objekten außerhalb des gegebenen Systems.
Wenn der Stock elektrifiziert wird, ist die Ladungserhaltung nicht überraschend: Wie viele geladene Teilchen den Stock verlassen haben - die gleiche Menge kam zu einem Stück Stoff (oder umgekehrt). Überraschenderweise, in komplexeren Prozessen, begleitet von gegenseitige Verwandlungen Elementarteilchen u Nummer ändern geladenen Teilchen im System bleibt die Gesamtladung erhalten!
Zum Beispiel in Abb. 5 zeigt den Prozess, bei dem ein Teil der elektromagnetischen Strahlung (die sog Photon) verwandelt sich in zwei geladene Teilchen - ein Elektron und ein Positron. Ein solcher Prozess ist unter bestimmten Bedingungen möglich – zum Beispiel im elektrischen Feld des Atomkerns.
Reis. 5. Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares
Die Ladung des Positrons ist betragsmäßig gleich der Ladung des Elektrons und hat dazu entgegengesetztes Vorzeichen. Der Ladungserhaltungssatz ist erfüllt! Tatsächlich hatten wir am Anfang des Prozesses ein Photon, dessen Ladung Null ist, und am Ende haben wir zwei Teilchen mit einer Gesamtladung von Null.
Das Gesetz der Ladungserhaltung (zusammen mit der Existenz der kleinsten Elementarladung) ist heute die primäre wissenschaftliche Tatsache. Physikern ist es noch nicht gelungen zu erklären, warum sich die Natur so und nicht anders verhält. Wir können nur feststellen, dass diese Tatsachen durch zahlreiche physikalische Experimente bestätigt werden.
