§ 1 Два вида электрических зарядов. Взаимодействие электрических зарядов
Структура Вселенной формируется гравитационным притяжением, но только эта сила привела бы к неограниченному сжатию. Чтобы размеры тел оставались стабильными, необходима сила отталкивания. К таким силам можно отнести силы электромагнитного взаимодействия. Они вызывают притяжение и отталкивание частиц. Электродинамика - область физики, которая изучает электромагнитное взаимодействие заряженных частиц. Электростатика - раздел электродинамики, изучающий взаимодействие неподвижных (статических) электрических зарядов.
Что же такое электрический заряд? Для создания представления необходимы начальные сведения, знания, опыты, эксперименты и гипотезы.
Электрическое взаимодействие (в отличие от гравитационного) - это не только взаимное притяжение, но и отталкивание.
Проведем эксперимент: эбонитовую палочку, наэлектризованную трением, подносим сначала к одному «султанчику», затем ко второму. Увидим, что листочки будут отталкиваться, когда «султанчики» будем подносить друг к другу (рис.1).
Второй «султанчик» электризуем палочкой, изготовленной из стекла, потертую о шелк. Поднесем его к первому «султанчику», и увидим притяжение их листочков (рис. 2, 3).
Существующие в природе электрические заряды (положительные и отрицательные) можно подтвердить этими опытами.
Тела, имеющие электрический заряд, взаимодействуют друг с другом следующим образом:
·притягиваются, если имеют заряды противоположного знака (рис. 4);
·отталкиваются, если они имеют заряды одинакового знака (рис. 5).
В процессе электризации разных тел сила взаимодействия между телами будет больше (если тело имеет большой заряд) или меньше (если тело имеет маленький заряд). Таким образом, заряд - это физическая величина, и единицей измерения заряда принято считать 1 кулон (1Кл).
Электрический заряд - это физическая мера, характеризующая свойства заряженных тел взаимодействовать друг с другом.
Самая маленькая порция заряда - элементарный заряд, он равняется 1,6 · 10-19 Кл. Меньше этой величины не может быть заряд никакого тела.
Если наэлектризовать эбонитовую палочку шерстяной варежкой, а шелковым платком стеклянную палочку, то подвесив палочки на нитях, можно увидеть, что:
Эбонит и шерсть притягивают друг друга;
Стекло и шелк притягивают друг друга;
Стекло и шерсть отталкиваются друг от друга;
Эбонит и шелк отталкиваются друг от друга.
Два тела наэлектризуем трением, при этом они заряжаются равными по модулю и противоположными по знаку зарядами. Благодаря контакту первое тело теряет электроны, другое приобретает их. Этим можно объяснить, почему на одном теле будет избыток электронов (отрицательный заряд), а на другом - недостаток (положительный заряд).
Вывод: если тело заряжено отрицательно, то у него имеется избыток электронов, если же оно
заряжено положительно, то у него недостаток электронов.
Два наэлектризованных тела притягиваются или отталкиваются, это зависит от того, каким способом они наэлектризованы. Тела, которые электризуются с помощью трения, всегда только притягиваются.
В проводниках некоторые электроны могут перемещаться от одного атома к другому, этот процесс происходит по причине того, что электроны слабо связаны с атомным ядром. Их называют свободными. Именно эти атомы обеспечивают перенос заряда (проводимость).
В диэлектриках практически нет проводимости, т.к. в них почти нет свободных электронов и "некому" переносить заряд.
По электрическим свойствам все вещества можно разделить на два вида:
1. Диэлектрики - вещества, которые не имеют свободных зарядов и не позволяют заряду одного тела "перетекать" на другие тела.
2. Проводники - это тела и вещества, в которых существуют свободные заряженные частицы; они могут перемещаться, при этом переносят заряд в другие части тела либо к другим телам.
По способности проводить заряды вещества можно разделить на проводники: металлы, почва, растворы солей и кислот и т. п., и непроводники (диэлектрики): фарфор, эбонит, стекло, газы, пластмассы и т. п. К полупроводникам относят ряд веществ, проводимость которых зависит от внешних условий (температуры, освещенности, наличия примесей).
Электрометр - это прибор для обнаружения электрических зарядов и определения их приблизительной величины (Рис. 6).
Чтобы определить, заряжено тело или нет, можно воспользоваться электрометром. Для этого нужно поднести тело к шару А, если тело заряжено, то стрелка В отклонится. Почему же она отклоняется? Допустим, тело обладало отрицательным зарядом, т.е. на теле был избыток электронов. При соприкосновении с шаром часть электронов переместится на электрометр. Шар станет отрицательно заряженным. Шар соединен со стержнем, а стержень - со стрелкой, и все они являются проводниками, электроны переместятся на стержень, а затем и на стрелку. Пластмассовая пробка поможет в изоляции системы шар, стержень, стрелка. Следовательно, стержень и стрелка получат одноименный отрицательный заряд и будут отталкиваться, тем самым стрелка отклонится. Причем, чем больше будет заряд, тем больше будет угол отклонения стрелки. Электрометр позволяет только оценить величину заряда, т.е. сказать, что у одного тела заряд больше, чем у другого. С помощью электрометра нельзя определить наличие маленького заряда, т.к. при малом заряде силы отталкивания одноименных зарядов будет недостаточно для отклонения стрелки, т.е. с помощью электрометра невозможно определить наличие маленького заряда. Почему же стрелка при отсутствии заряда возвращается в исходное положение? Стрелка будет стремиться принять вертикальное положение, так как точка подвеса стрелки находится выше центра тяжести.
Электрические заряды, их взаимодействие.
Электрическая цепь постоянного тока, ее основные законы.
Электронная теория строения вещества.
Все вещества в природе состоят из молекул, молекулы из атомов.
Молекула – это наименьшая частица, которой присущи химические свойства данного вещества.
Атом – это наименьшая частица, которой присущи химические и физические свойства данного элемента.
Он состоит из:
· положительно заряженного ядра
· вращающихся по разрешенным орбитам отрицательных электронов.
Ядро состоит из положительных протонов и нейтральных нейтронов.
Заряд электрона равен заряду протона, но знаки противоположные. По размеру и массе эти элементарные частицы не равны, протон больше электрона.
Атом электрически нейтральная частица (не заряжена), то есть, сколько в ядре протонов, столько и электронов вращается вокруг ядра, так как один протон может удержать один электрон.
Таким образом разнообразие окружающего нас мира формируется из различных комбинаций всего трех частиц: нейтрона, протона и электрона, которые в свою очередь тоже имеют внутреннее строение.
Валентные электроны – это электроны, которые находятся на крайней орбите. Ими определяются химические способности вещества и его электропроводность.
Электропроводность – это способность вещества проводить электрический ток.
Электрические заряды, их взаимодействие.
Еще в глубокой древности было известно, что янтарь, потертый о шерсть, приобретает способность притягивать легкие предметы. Позже было установлено, что аналогичным свойством обладают многие другие вещества. Тела, способные, подобно янтарю, после натирания притягивать легкие предметы, называют наэлектризованными. На телах в таком состоянии имеются электрические заряды, а сами тела называем заряженными.
В природе существуют только два вида зарядов - положительные и отрицательные. Заряды одного знака (одноименные заряды) отталкиваются, заряды разных знаков (разноименные заряды) притягиваются.
Наименьшим (элементарным) зарядом обладают элементарные частицы. Например, протон и позитрон заряжены положительно, электрон и антипротон - отрицательно.
Элементарный отрицательный заряд по величине равен элементарному положительному заряду. В системе СИ заряд измеряется в кулонах (Кл). Величина элементарного заряда е = 1,6-10-19 Кл. В природе нигде и никогда не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда + q всегда сопровождается появлением равного отрицательного электрического заряда - q . Ни положительный, ни отрицательный заряды не могут исчезнуть по отдельности один от другого, они могут лишь взаимно нейтрализовать друг друга, если они равны.
Чтобы получить заряд из нейтрального атома нужно подействовать какой-то силой и оторвать электроны, или присоединить чужие электроны к нейтральному атому. В результате при отрыве (например, при трении) получается положительно заряженный атом, который называется положительный ион , а при присоединении – отрицательный ион.
Ионизация – это процесс образования зарядов из нейтрального атома.
Темы кодификатора ЕГЭ : электризация тел, взаимодействие зарядов, два вида заряда, закон сохранения электрического заряда.
Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.
Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение - гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.
1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные тела (имеющие электрический заряд ).
2. Гравитационное взаимодействие - это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.
3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.
Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда . Электрический заряд - это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы . Единицей измерения заряда является кулон (Кл).
Два вида заряда
Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия - притяжение и отталкивание - удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные .
Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды разных знаков друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1 ; подвешенным на нитях шарикам сообщены заряды того или иного знака.
Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов
Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.
Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации ) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.
Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.
Заряд протона равен Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен Кл. Величина
называется элементарным зарядом . Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.
Заряд любого тела всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:
Если , то тело имеет избыточное количество электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же , то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на больше.
Электризация тел
Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация - это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.
Один из способов электризовать тело - сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.
Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк - отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть - положительно.
Данный способ электризации тел называется электризацией трением . С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову;-)
Другой тип электризации называется электростатической индукцией , или электризацией через влияние . В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других - отрицательные.
Рис. 2. Электростатическая индукция
Давайте посмотрим на рис. 2 . На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд . Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.
Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая - положительно.
Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3 (изображение с сайта en.wikipedia.org).
Рис. 3. Электроскоп
Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.
Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.
Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей
Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней - положительный.
Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд - хорошо известная вам молния.
Закон сохранения заряда
Вернёмся к примеру электризации трением - натирании палочки тканью. В этом случае палочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после взаимодействия.
Мы видим здесь закон сохранения заряда , который гласит: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими телами :
Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.
При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряженных частиц ушло с палочки - столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элементарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно сохраняется!
Например, на рис. 5 показан процесс , при котором порция электромагнитного излучения (так называемый фотон ) превращается в две заряженные частицы - электрон и позитрон . Такой процесс оказывается возможным при некоторых условиях - например, в электрическом поле атомного ядра.
Рис. 5. Рождение пары электрон–позитрон
Заряд позитрона равен по модулю заряду электрона и противоположен ему по знаку. Закон сохранения заряда выполнен! Действительно, в начале процесса у нас был фотон, заряд которого равен нулю, а в конце мы получили две частицы с нулевым суммарным зарядом.
Закон сохранения заряда (наряду с существованием наименьшего элементарного заряда) является на сегодняшний день первичным научным фактом. Объяснить, почему природа ведёт себя именно так, а не иначе, физикам пока не удаётся. Мы можем лишь констатировать, что эти факты подтверждаются многочисленными физическими экспериментами.
Подвесив на двух нитях лёгкие шарики из фольги и коснувшись каждого из них стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, можно увидеть, что шарики оттолкнутся дpуг от друга. Если потом коснуться одного шарика стеклянной палочкой, потёpтой о шёлк, а другого эбонитовой палочкой, потёpтoй о мех, то шарики притянутся дpуг к другу. Это означает, что стеклянная и эбонитовая палочки при трении приобретают заряды разных знаков , т.е. в природе существуют два рода электрических зарядов , имеющих противоположные знаки: положительный и отрицательный. Условились считать, что стеклянная палочка, потёртая о шёлк, приобретает положительный заряд , а эбонитовая палочка, потёртая о мех, приобретает отрицательный заряд .
Из описанного опыта также следует, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом . Такое взаимодействие зарядов называют электрическим. При этом одноимённые заряды, т.е. заряды одного знака, отталкиваются друг от друга, а разноимённые заряды притягиваются друг к другу.
На явлении отталкивания одноимённо заряженных тел основано устройство электроскопа - прибора, позволяющего определить, заряжено ли данное тело, и электрометра , прибора, позволяющего оценить значение электрического заряда.
Если заряженным телом коснуться стержня электроскопа, то листочки электроскопа разойдутся, поскольку они приобретут заряд одного знака. То же произойдёт со стрелкой электрометра, если коснуться заряженным телом его стержня. При этом, чем больше заряд, тем на больший угол отклонится стрелка от стержня.
Из простых опытов следует, что сила взаимодействия между заряженными телами может быть больше или меньше в зависимости от величины приобретённого заряда. Таким образом, можно сказать, что электрический заряд, с одной стороны, характеризует способность тела к электрическому взаимодействию, а с другой стороны, является величиной, определяющей интенсивность этого взаимодействия.
Заряд обозначают буквой q , за единицу заряда принят кулон : [q ] = 1 Кл .
Если коснуться заряженной палочкой одного электрометра, а затем этот электрометр соединить металлическим стержнем с другим электрометром, то заряд, находящийся на первом электрометре, поделится между двумя электрометрами. Можно затем соединить электрометр с ещё несколькими электрометрами, и заряд будет делиться между ними. Таким образом, электрический заряд обладает свойством делимости . Пределом делимости заряда, т.е. наименьшим зарядом, существующим в природе, является заряд электрона . Заряд электрона отрицателен и равен 1,6*10 -19 Кл . Любой другой заряд кратен заряду электрона.
Простые опыты по электризации различных тел иллюстрируют следующие положения.
1. Существуют заряды двух видов: положительные (+) и отрицательные (-). Положительный заряд возникает при трении стекла о кожу или шелк, а отрицательный — при трении янтаря (или эбонита) о шерсть.
2. Заряды (или заряженные тела ) взаимодействуют друг с другом. Одноименные заряды оттал-киваются, а разноименные заряды притягиваются.
3. Состояние электризации можно передать от одного тела к другому, что связано с переносом электрического заряда . При этом телу можно передать больший или меньший заряд, т. е. заряд имеет величину. При электризации трением заряд приобретают оба тела, причем одно — поло-жительный, а другое — отрицательный. Следует подчеркнуть, что абсолютные величины зарядов наэлектризованных трением тел равны, что подтверждается многочисленными измерениями заря-дов с помощью электрометров.
Объяснить, почему тела электризуются (т. е. заряжаются) при трении, стало возможным после открытия электрона и изучения строения атома. Как известно, все вещества состоят из атомов; атомы , в свою очередь, состоят из элементарных частиц — отрицательно заряженных электронов , положительно заряженных протонов и нейтральных частиц - нейтронов . Электроны и протоны являются носителями элементарных (минимальных) электрических зарядов.
Элементарный электрический заряд (е ) — это наименьший электрический заряд, положи-тельный или отрицательный, равный величине заряда электрона:
е = 1,6021892(46) · 10 -19 Кл .
Заряженных элементарных частиц существует много, и почти все они обладают зарядом +e или -e , однако эти частицы весьма недолговечны. Они живут меньше миллионной доли се-кунды. Только электроны и протоны существуют в свободном состоянии неограниченно долго.
Протоны и нейтроны (нуклоны) составляют положительно заряженное ядро атома , вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны, число которых равно числу протонов, так что атом в целом электроцентралей.
В обычных условиях тела, состоящие из атомов (или молекул), электрически нейтральны. Однако в процессе трения часть электронов, покинувших свои атомы, может перейти с одного тела на другое. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний. Но если тела после трения разъединить, то они окажутся заряженными; тело, которое отдало часть своих электронов, будет заряжено положительно, а тело, которое их приобрело, — отрицательно.
Итак, тела электризуются, т. е. получают электрический заряд, когда они теряют или приоб-ретают электроны. В некоторых случаях электризация обусловлена перемещением ионов. Новые электрические заряды при этом не возникают. Происходит лишь разделение имеющихся заря-дов между электризующимися телами: часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое.
Определение заряда.
Следует особо подчеркнуть, что заряд является неотъемлемым свойством частицы. Частицу без заряда представить себе можно, но заряд без частицы — нельзя.
Проявляют себя заряженные частицы в притяжении (разноименные заряды) либо в отталкивании (одноименные заряды) с силами, на много порядков превышающими гравитационные. Так, сила электрического притяжения электрона к ядру в атоме водорода в 10 39 раз больше силы гра-витационного притяжения этих частиц. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным взаимодействием , а электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.
В современной физике так определяют заряд:
Электрический заряд — это физическая величина , являющаяся источником электрического поля, посредством которого осуществляется взаимодействие частиц, обладающих зарядом.
