Muatan listrik, interaksinya.
Rangkaian listrik DC, hukum dasarnya.
Teori elektronik tentang struktur materi.
Semua zat di alam terdiri dari molekul, molekul atom.
Molekul adalah partikel terkecil yang memiliki sifat kimia dari suatu zat tertentu.
Atom adalah partikel terkecil yang memiliki sifat kimia dan fisika dari suatu unsur tertentu.
Terdiri dari:
inti bermuatan positif
elektron negatif berputar dalam orbit yang diizinkan.
Inti atom terdiri dari proton positif dan neutron netral.
Muatan elektron sama dengan muatan proton, tetapi tandanya berlawanan. Partikel elementer ini tidak sama dalam ukuran dan massa, proton lebih besar dari elektron.
Atom adalah partikel netral secara elektrik (tidak bermuatan), yaitu, karena banyak proton berada di dalam nukleus, begitu banyak elektron berputar di sekitar nukleus, karena satu proton dapat menampung satu elektron.
Dengan demikian, keragaman dunia di sekitar kita terbentuk dari berbagai kombinasi hanya tiga partikel: neutron, proton, dan elektron, yang pada gilirannya juga memiliki struktur internal.
Elektron valensi adalah elektron yang berada di orbit ekstrim. Mereka menentukan sifat kimia suatu zat dan konduktivitas listriknya.
Konduktivitas listrik adalah kemampuan suatu zat untuk menghantarkan arus listrik.
Muatan listrik, interaksinya.
Bahkan di zaman kuno, diketahui bahwa amber, yang dikenakan pada wol, memperoleh kemampuan untuk menarik benda-benda ringan. Belakangan ditemukan bahwa banyak zat lain yang memiliki sifat serupa. Benda-benda yang mampu, seperti ambar, setelah digosok menarik benda-benda ringan, disebut beraliran listrik. Pada benda dalam keadaan ini terdapat muatan listrik, dan benda itu sendiri disebut bermuatan.
Di alam, hanya ada dua jenis muatan - positif dan negatif. Muatan bertanda sama (muatan sejenis) tolak menolak, muatan berlawanan tanda (muatan berlawanan) tarik menarik.
Partikel dasar memiliki muatan (dasar) terkecil. Misalnya, proton dan positron bermuatan positif, sedangkan elektron dan antiproton bermuatan negatif.
Muatan negatif dasar sama besarnya dengan muatan positif dasar. Dalam sistem SI, muatan diukur dalam liontin(CL). Nilai muatan dasar e \u003d 1.6-10-19 C. Di alam, di mana pun dan tidak pernah ada muatan listrik dengan tanda yang sama muncul dan menghilang. Munculnya muatan listrik positif + q selalu disertai dengan munculnya muatan listrik negatif yang sama - q. Baik muatan positif maupun negatif tidak dapat hilang secara terpisah satu sama lain, mereka hanya dapat saling menetralkan satu sama lain jika mereka sama.
Untuk mendapatkan muatan dari atom netral, Anda perlu bertindak dengan semacam gaya dan merobek elektron, atau menempelkan elektron asing ke atom netral. Akibatnya, pada pemisahan (misalnya, selama gesekan), diperoleh atom bermuatan positif, yang disebut ion positif, dan ketika dilampirkan - ion negatif.
Ionisasi adalah proses pembentukan muatan dari atom netral.
8.1. Dua jenis muatan listrik
Jika beberapa partikel (atau benda) memiliki kemampuan untuk mengambil bagian dalam interaksi listrik, maka masuk akal untuk menghubungkan mereka dengan beberapa karakteristik yang akan menunjukkan sifat mereka. Sifat ini disebut muatan listrik. Benda yang mengambil bagian dalam interaksi listrik disebut bermuatan. Jadi, istilah "bermuatan listrik" sinonim dengan ungkapan "berpartisipasi dalam interaksi listrik". Mengapa beberapa partikel elementer memiliki muatan listrik, sementara yang lain tidak - tidak ada yang tahu!
Penalaran lebih lanjut, berdasarkan data eksperimen, dimaksudkan untuk mengkonkretkan karakteristik ini, jika mungkin, menjadikannya kuantitatif.
Sejarah studi fenomena listrik panjang dan penuh drama, ...
Selanjutnya, kami menjelaskan serangkaian eksperimen sederhana yang dapat dilakukan di rumah "di dapur" atau di laboratorium sekolah. Saat menjelaskannya, kita akan menggunakan pengetahuan yang telah diperoleh oleh banyak ilmuwan selama beberapa ratus tahun, sebagai hasil dari eksperimen yang banyak dan beragam.
Sekarang, kami akan mereproduksi dalam bentuk yang sangat disederhanakan beberapa tahap penelitian eksperimental, kesimpulan yang menjadi dasar teori interaksi listrik modern.
Untuk melakukan eksperimen, pertama-tama, seseorang harus belajar cara mendapatkan benda bermuatan. Cara paling sederhana untuk mencapai tujuan ini adalah elektrifikasi oleh gesekan. Misalnya, kaca dialiri listrik dengan baik (yaitu, memperoleh muatan listrik) jika digosok dengan sutra. Munculnya muatan listrik dimanifestasikan dalam kenyataan bahwa tongkat seperti itu mulai menarik potongan kertas, rambut, partikel debu, dll.
Dapat juga ditetapkan bahwa banyak zat lain juga dialiri listrik oleh gesekan. Mengetahui hasilnya terlebih dahulu, sebagai "sumber" listrik kedua, kami memilih tongkat ebonit yang dikenakan dengan wol. Mari kita sebut muatan listrik yang muncul di kaca - "kaca", dan muatan pada ebonit "resin".
Selanjutnya, kita membutuhkan "perangkat" yang dapat merespon keberadaan muatan listrik. Untuk melakukan ini, kami menggantung cangkir ringan yang dipelintir dari selembar kertas timah pada seutas benang. Sangat mudah untuk memeriksa apakah cangkir ini tidak terisi daya - sehingga kami tidak membawa pensil, tangan, buku teks fisika, dll. ke dalamnya, tidak ada efek pada cangkir yang muncul.
Mari kita membawa tongkat listrik kaca bermuatan ke kaca tak bermuatan (Gbr. 141). Kaca tertarik padanya, seperti benda kecil lainnya. Dari sudut deviasi benang (dengan massa cangkir yang diketahui dan panjang benang), seseorang bahkan dapat menghitung gaya tarik-menarik. Jika kaca tidak bersentuhan dengan tongkat bermuatan, kaca tetap tidak bermuatan, yang dapat dengan mudah diverifikasi secara eksperimental. Jika kaca menyentuh tongkat bermuatan, maka kaca akan menjauh darinya dengan tajam. Jika sekarang kita melepas tongkatnya, gelas akan terisi, yang dapat diverifikasi dengan membawa benda lain yang tidak bermuatan ke sana. Misalnya, itu akan tertarik ke tangan yang terangkat.
Hasil serupa diperoleh jika kita mengganti batang kaca yang digosokkan pada sutra dengan batang ebonit yang digosokkan pada wol.
Jadi, dalam eksperimen ini, perbedaan antara listrik "kaca" dan "resin" tidak muncul.
Kita belum akan membahas mengapa cangkir yang tidak bermuatan ditarik ke tongkat yang bermuatan, dan cangkir yang bermuatan ditarik ke tangan yang tidak bermuatan. Satu-satunya kesimpulan yang dapat kita tarik dari percobaan adalah bahwa sebagai hasil dari kontak, kaca memperoleh muatan listrik. Oleh karena itu, muatan listrik dapat ditularkan dari satu tubuh ke tubuh lainnya.
Ambil dua cangkir foil identik, gantung berdampingan di atas benang dengan panjang yang sama. Jika cangkir diisi dengan cara yang sama (baik dengan bantuan gelas atau dengan bantuan batang ebonit), maka cangkir ditolak (Gbr. 142). Jika cangkir diisi dengan muatan yang berbeda, maka keduanya tarik-menarik.
Dengan demikian, kami membuktikan bahwa setidaknya ada dua jenis muatan listrik.
Untuk percobaan lebih lanjut, kami akan mengganti "gelas ukur" dengan perangkat yang lebih canggih yang disebut elektrometer (Gbr. 143). Perangkat ini terdiri dari batang logam dan penunjuk logam ringan yang dapat berputar di sekitar sumbu horizontal. Perangkat ini ditempatkan dalam wadah logam, ditutup dengan penutup kaca. Sudut defleksi pointer dapat diukur dengan menggunakan skala. Batang panah dipasang di tubuh dengan selongsong kaca plexiglass. Batang dengan panah memainkan peran yang sama seperti cangkir foil pada percobaan sebelumnya - ketika benda bermuatan menyentuh batang, muatan akan mengalir ke batang dan panah, yang akan menyebabkan defleksi. Selain itu, arah defleksi panah tidak bergantung pada jenis muatan yang dilaporkan.
Untuk percobaan lebih lanjut, kami akan menggunakan dua elektroskop yang identik. Mari kita mengisi salah satunya menggunakan, misalnya, batang kaca. Selanjutnya, kita akan mulai menghubungkan batang elektrometer menggunakan berbagai bahan. Saat menghubungkan batang dengan kayu, kaca kosong, ebonit, tongkat plastik; benang tekstil, tidak ada perubahan yang terjadi - satu elektrometer tetap terisi, yang kedua tidak terisi. Jika Anda menghubungkan batang dengan kawat logam, maka kedua elektrometer diisi. Selain itu, deviasi panah elektrometer yang bermuatan awal akan berkurang (Gbr. 144).
Dua kesimpulan penting yang dapat diambil dari hasil percobaan ini: pertama, beberapa bahan (logam) dapat mentransmisikan muatan listrik, yang lain (kaca, plastik, kayu) tidak; kedua, muatannya bisa berubah, bisa lebih atau kurang. Eksperimen yang sama dapat diulang menggunakan listrik tipe kedua ("resin"). Hasilnya akan sama - bahan yang menghantarkan listrik "kaca" menghantarkan listrik "resin". Jika muatan "kaca" didistribusikan kembali di antara elektrometer, maka muatan "resin" juga berperilaku.
Jadi, kita dapat membagi bahan menjadi dua kelompok - bahan yang mentransmisikan muatan listrik (bahan ini disebut konduktor), dan yang tidak menghantarkan muatan listrik (disebut isolator). Omong-omong, batang elektrometer dipisahkan dari tubuh dengan bantuan selongsong isolator sehingga muatan listrik tidak "menyebar" ke seluruh tubuh, tetapi tetap pada batang dan panah.
Berbagai penyimpangan jarum elektrometer dengan jelas menunjukkan bahwa gaya interaksi antara benda bermuatan dapat berbeda, dan oleh karena itu besar muatan dapat berbeda. Oleh karena itu, muatan dapat dicirikan oleh beberapa nilai numerik (dan tidak, seperti yang kami katakan sebelumnya - "adalah, atau tidak").
Hasil menarik lainnya - jika Anda menyentuh batang elektrometer bermuatan dengan tangan Anda, maka elektrometer habis - muatannya hilang. Bahkan berdasarkan pengamatan kualitatif ini, dimungkinkan untuk menjelaskan di mana muatan menghilang ketika tangan disentuh. Tubuh manusia adalah konduktor, sehingga muatan dapat mengalir ke dalam tubuh manusia.
Untuk mengkonfirmasi gagasan ini tentang sifat kuantitatif muatan, percobaan berikut dapat dilakukan. Kami mengisi satu elektrometer - kami mencatat sudut deviasi panah. Kami menghubungkannya ke elektrometer kedua - sudut deviasi panah akan berkurang secara nyata. Kami menghapus kontak antara perangkat dan tangan, melepaskan elektrometer kedua, setelah itu kami menghubungkan elektrometer lagi - penyimpangan panah akan berkurang lagi. Dengan demikian, muatan listrik dapat dibagi menjadi beberapa bagian. Anda juga dapat melakukan percobaan terbalik - secara bertahap menambahkan muatan ke elektrometer.
"Campur" sekarang, tersedia dua jenis listrik. Untuk melakukan ini, kami mengisi satu elektrometer dengan listrik "kaca", dan yang kedua dengan "resin", mencoba memastikan bahwa deviasi awal panah kedua elektrometer kira-kira sama. Setelah itu, kami menghubungkan batang elektrometer dengan kawat logam (pada pegangan isolasi agar muatan tidak mengalir). Hasil percobaan ini mungkin mengejutkan - kedua elektroskop dilepaskan, atau listrik "kaca" dan "resin" dinetralkan, saling mengimbangi (Gbr. 145). Akibatnya, ternyata dimungkinkan untuk menetapkan tanda aljabar yang berbeda untuk berbagai jenis muatan - untuk menyebut satu muatan positif, yang kedua negatif. Masuk akal untuk mengasumsikan bahwa gaya interaksi tergantung pada muatan total. Jika pada awalnya elektrometer diisi dengan berbagai jenis listrik, tetapi pada tingkat yang berbeda (penyimpangan panah berbeda), dan kemudian mereka terhubung, maka hanya kompensasi sebagian muatan yang akan terjadi - panah akan dibelokkan, tetapi untuk tingkat yang jauh lebih rendah.
Secara historis, muatan "kaca" disebut positif, dan muatan "resin" menjadi negatif.
Perangkat yang dijelaskan oleh kami, elektrometer, hanya memungkinkan penilaian kualitatif dari besarnya muatan; tidak mungkin untuk melakukan pengukuran kuantitatif dengannya. Coba, misalnya, untuk membawa tangan Anda ke elektrometer bermuatan (tanpa menyentuh batang) - penyimpangan panah akan meningkat! Bawa tongkat bermuatan ke batang yang tidak bermuatan tanpa menyentuh batang - panah akan menyimpang, meskipun elektrometer tidak bermuatan. Kami akan kembali ke penjelasan fakta-fakta ini nanti.
Menggantung bola kertas tipis pada dua utas dan menyentuh masing-masing dengan batang kaca yang digosokkan pada sutra, Anda dapat melihat bahwa bola akan saling tolak. Jika Anda kemudian menyentuh satu bola dengan batang kaca yang digosokkan pada sutra, dan yang lainnya dengan batang ebonit yang digosokkan pada bulu, maka bola-bola itu akan saling tarik-menarik. Ini berarti bahwa batang kaca dan ebonit memperoleh muatan tanda yang berbeda , yaitu ada di alam dua jenis muatan listrik memiliki tanda yang berlawanan: positif dan negatif. Kami sepakat untuk mempertimbangkan bahwa batang kaca, digosokkan pada sutra, memperoleh muatan positif , dan sebatang kayu ebonit, digosokkan pada bulu, memperoleh muatan negatif .
Ini juga mengikuti dari eksperimen yang dijelaskan bahwa benda bermuatan berinteraksi satu sama lain. Interaksi muatan ini disebut listrik. Di mana biaya serupa, itu. muatan bertanda sama , saling tolak menolak, dan muatan yang berlawanan saling tarik menarik.
Perangkat ini didasarkan pada fenomena tolakan benda bermuatan serupa elektroskop- instrumen untuk menentukan apakah benda tertentu bermuatan, dan elektrometer, perangkat yang memungkinkan Anda memperkirakan nilai muatan listrik.
Jika benda bermuatan menyentuh batang elektroskop, maka daun elektroskop akan menyebar, karena mereka akan memperoleh muatan dengan tanda yang sama. Hal yang sama akan terjadi dengan jarum elektrometer jika benda bermuatan menyentuh batangnya. Dalam hal ini, semakin besar muatannya, semakin besar sudut panah menyimpang dari batang.
Dari percobaan sederhana dapat disimpulkan bahwa gaya interaksi antara benda bermuatan bisa lebih besar atau lebih kecil, tergantung pada besarnya muatan yang diperoleh. Dengan demikian, kita dapat mengatakan bahwa muatan listrik, di satu sisi, mencirikan kemampuan tubuh untuk interaksi listrik, dan di sisi lain, adalah kuantitas yang menentukan intensitas interaksi ini.
Muatan dilambangkan dengan huruf q , diambil sebagai satuan muatan liontin: [q ] = 1 cl.
Jika Anda menyentuh satu elektrometer dengan tongkat bermuatan, dan kemudian menghubungkan elektrometer ini dengan batang logam ke elektrometer lain, maka muatan pada elektrometer pertama akan dibagi antara dua elektrometer. Anda kemudian dapat menghubungkan elektrometer ke beberapa elektrometer lagi, dan muatan akan dibagi di antara mereka. Jadi, muatan listrik memiliki sifat dapat dibagi . Batas pembagian muatan, mis. muatan terkecil yang ada di alam adalah muatan elektron. Muatan elektron adalah negatif dan sama dengan 1.6 * 10 -19 C. Muatan lain adalah kelipatan dari muatan elektron.
1 Dua jenis muatan listrik. Interaksi muatan listrik
Struktur alam semesta dibentuk oleh gaya tarik gravitasi, tetapi hanya gaya ini yang akan menyebabkan kompresi tak terbatas. Agar dimensi benda tetap stabil, diperlukan gaya tolak. Gaya-gaya ini termasuk gaya interaksi elektromagnetik. Mereka menyebabkan daya tarik dan tolakan partikel. Elektrodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari interaksi elektromagnetik dari partikel bermuatan. Elektrostatika adalah bagian dari elektrodinamika yang mempelajari interaksi muatan listrik (statis) yang tidak bergerak.
Apa itu muatan listrik? Untuk membuat representasi diperlukan informasi awal, pengetahuan, pengalaman, eksperimen dan hipotesis.
Interaksi listrik (sebagai lawan gravitasi) tidak hanya saling tarik-menarik, tetapi juga tolakan.
Mari kita lakukan percobaan: kita membawa tongkat ebonit, dialiri listrik oleh gesekan, pertama ke satu "sultan", lalu ke yang kedua. Kita akan melihat bahwa daun akan menolak ketika kita membawa "sultan" satu sama lain (Gbr. 1).
Kami menggemparkan "sultan" kedua dengan tongkat yang terbuat dari kaca, dikenakan di atas sutra. Mari kita bawa ke "sultan" pertama, dan kita akan melihat daya tarik daunnya (Gbr. 2, 3).
Muatan listrik yang ada di alam (positif dan negatif) dapat dikonfirmasi dengan eksperimen ini.
Benda-benda yang bermuatan listrik berinteraksi satu sama lain sebagai berikut:
menarik jika mereka memiliki muatan dari tanda yang berlawanan (Gbr. 4);
menolak jika mereka memiliki muatan dari tanda yang sama (Gbr. 5).
Dalam proses elektrifikasi benda yang berbeda, gaya interaksi antar benda akan lebih besar (jika benda memiliki muatan besar) atau lebih kecil (jika benda memiliki muatan kecil). Jadi, muatan adalah kuantitas fisik, dan 1 liontin (1C) dianggap sebagai satuan muatan.
Muatan listrik adalah ukuran fisik yang mencirikan sifat-sifat benda bermuatan untuk berinteraksi satu sama lain.
Bagian terkecil dari muatan adalah muatan dasar, yaitu sebesar 1,6 10-19 C. Muatan benda apapun tidak boleh kurang dari nilai ini.
Jika Anda menyetrum tongkat ebonit dengan sarung tangan wol, dan tongkat kaca dengan syal sutra, kemudian menggantung tongkat pada benang, Anda dapat melihat bahwa:
Ebonit dan wol saling tarik menarik;
Kaca dan sutra saling tarik menarik;
Kaca dan wol saling tolak;
Ebonit dan sutra saling tolak-menolak.
Kami menyetrum dua benda dengan gesekan, sementara mereka bermuatan sama besar dan berlawanan tanda. Karena kontak, tubuh pertama kehilangan elektron, yang lain memperolehnya. Ini dapat menjelaskan mengapa pada satu benda akan ada kelebihan elektron (muatan negatif), dan di sisi lain - kekurangan (muatan positif).
Kesimpulan: jika tubuh bermuatan negatif, maka ia memiliki kelebihan elektron, tetapi jika
bermuatan positif, tidak memiliki elektron.
Dua benda yang dialiri arus listrik akan tarik menarik atau tolak menolak, tergantung bagaimana benda tersebut dialiri arus listrik. Benda yang dialiri listrik oleh gesekan selalu hanya tarik-menarik.
Dalam konduktor, beberapa elektron dapat berpindah dari satu atom ke atom lainnya, proses ini terjadi karena fakta bahwa elektron terikat lemah pada inti atom. Mereka disebut gratis. Atom-atom inilah yang menyediakan transfer muatan (konduktivitas).
Praktis tidak ada konduktivitas dalam dielektrik, karena mereka hampir tidak memiliki elektron bebas dan "tidak ada seorang pun" yang membawa muatan.
Menurut sifat listrik, semua zat dapat dibagi menjadi dua jenis:
1. Dielektrik - zat yang tidak memiliki muatan bebas dan tidak memungkinkan muatan dari satu benda "mengalir" ke benda lain.
2. Konduktor adalah benda dan zat yang di dalamnya terdapat partikel bermuatan bebas; mereka dapat bergerak, sambil mentransfer muatan ke bagian lain dari tubuh atau ke tubuh lain.
Menurut kemampuan untuk melakukan muatan, zat dapat dibagi menjadi konduktor: logam, tanah, larutan garam dan asam, dll., dan non-konduktor (dielektrik): porselen, ebonit, kaca, gas, plastik, dll. Semikonduktor termasuk sejumlah zat, yang konduktivitasnya tergantung pada kondisi eksternal (suhu, iluminasi, keberadaan pengotor).
Elektrometer adalah perangkat untuk mendeteksi muatan listrik dan menentukan nilai perkiraannya (Gbr. 6).
Untuk mengetahui apakah benda tersebut bermuatan atau tidak, dapat menggunakan elektrometer. Untuk melakukan ini, Anda perlu membawa tubuh ke bola A, jika tubuh diisi, maka panah B akan menyimpang. Mengapa dia menurun? Misalkan tubuh memiliki muatan negatif, yaitu. ada kelebihan elektron pada tubuh. Saat bersentuhan dengan bola, sebagian elektron akan berpindah ke elektrometer. Bola akan menjadi bermuatan negatif. Bola terhubung ke batang, dan batang terhubung ke panah, dan semuanya adalah konduktor, elektron akan pindah ke batang, dan kemudian ke panah. Sumbat plastik akan membantu mengisolasi bola, batang, sistem panah. Akibatnya, batang dan panah akan menerima muatan negatif yang sama dan akan menolak, sehingga panah akan menyimpang. Selain itu, semakin besar muatannya, semakin besar sudut defleksi panah. Elektrometer hanya memungkinkan Anda untuk memperkirakan besarnya muatan, mis. mengatakan bahwa satu tubuh memiliki muatan lebih dari yang lain. Menggunakan elektrometer, tidak mungkin untuk menentukan keberadaan muatan kecil, karena. dengan muatan kecil, gaya tolak menolak muatan sejenis tidak akan cukup untuk membelokkan panah, mis. menggunakan elektrometer tidak mungkin untuk menentukan keberadaan muatan kecil. Mengapa panah kembali ke posisi semula tanpa adanya muatan? Panah akan cenderung mengambil posisi vertikal, karena titik suspensi panah berada di atas pusat gravitasi.
Topik pengkode USE: elektrisasi benda, interaksi muatan, dua jenis muatan, hukum kekekalan muatan listrik.
Interaksi elektromagnetik adalah salah satu interaksi paling mendasar di alam. Gaya elastisitas dan gesekan, tekanan gas dan banyak lagi dapat direduksi menjadi gaya elektromagnetik antara partikel materi. Interaksi elektromagnetik itu sendiri tidak lagi direduksi menjadi jenis interaksi lain yang lebih dalam.
Jenis interaksi yang sama mendasarnya adalah gravitasi - gaya tarik gravitasi dari dua benda. Namun, ada beberapa perbedaan penting antara interaksi elektromagnetik dan gravitasi.
1. Tidak semua orang dapat berpartisipasi dalam interaksi elektromagnetik, tetapi hanya dibebankan tubuh (memiliki muatan listrik).
2. Interaksi gravitasi selalu merupakan daya tarik dari satu benda ke benda lainnya. Interaksi elektromagnetik dapat berupa tarik-menarik dan tolak-menolak.
3. Interaksi elektromagnetik jauh lebih intens daripada interaksi gravitasi. Misalnya, gaya tolak menolak listrik dari dua elektron beberapa kali lebih besar daripada gaya tarik gravitasi mereka satu sama lain.
Setiap benda bermuatan memiliki sejumlah muatan listrik. Muatan listrik adalah besaran fisika yang menentukan kekuatan interaksi elektromagnetik antara benda-benda alam. Satuan muatan adalah liontin(CL).
Dua jenis biaya
Karena interaksi gravitasi selalu merupakan daya tarik, massa semua benda adalah non-negatif. Tapi ini tidak berlaku untuk biaya. Dua jenis interaksi elektromagnetik - tarik-menarik dan tolak-menolak - mudah dijelaskan dengan memperkenalkan dua jenis muatan listrik: positif dan negatif.
Muatan yang berbeda tanda saling tarik menarik, dan muatan yang berbeda tanda saling tolak menolak. Ini diilustrasikan pada gambar. satu ; bola tergantung pada benang diberi biaya dari satu tanda atau lainnya.
Beras. 1. Interaksi dua jenis muatan
Manifestasi gaya elektromagnetik di mana-mana dijelaskan oleh fakta bahwa partikel bermuatan ada dalam atom zat apa pun: proton bermuatan positif adalah bagian dari inti atom, dan elektron bermuatan negatif bergerak dalam orbit di sekitar inti.
Muatan proton dan elektron sama dalam nilai absolut, dan jumlah proton dalam nukleus sama dengan jumlah elektron dalam orbit, dan oleh karena itu ternyata atom secara keseluruhan netral secara listrik. Itulah sebabnya, dalam kondisi normal, kita tidak melihat efek elektromagnetik dari benda-benda di sekitarnya: muatan total masing-masing adalah nol, dan partikel bermuatan didistribusikan secara merata ke seluruh volume benda. Tetapi jika netralitas listrik dilanggar (misalnya, sebagai akibat dari elektrifikasi) tubuh segera mulai bekerja pada partikel bermuatan di sekitarnya.
Mengapa ada dua jenis muatan listrik, dan bukan jumlah lainnya, saat ini tidak diketahui. Kami hanya dapat menegaskan bahwa penerimaan fakta ini sebagai yang utama memberikan deskripsi yang memadai tentang interaksi elektromagnetik.
Muatan proton adalah Cl. Muatan elektron berlawanan tanda dan sama dengan C. Nilai
ditelepon muatan dasar. Ini adalah muatan minimum yang mungkin: partikel bebas dengan muatan yang lebih kecil tidak ditemukan dalam percobaan. Fisika belum bisa menjelaskan mengapa alam memiliki muatan terkecil dan mengapa besarnya persis seperti itu.
Muatan suatu benda selalu merupakan jumlah dari keseluruhan jumlah muatan dasar:
Jika , maka tubuh memiliki kelebihan jumlah elektron (dibandingkan dengan jumlah proton). Sebaliknya, jika tubuh kekurangan elektron: ada lebih banyak proton.
Elektrifikasi tubuh
Agar benda makroskopik memberikan pengaruh listrik pada benda lain, benda itu harus dialiri arus listrik. Elektrifikasi- ini merupakan pelanggaran terhadap netralitas listrik tubuh atau bagian-bagiannya. Sebagai hasil dari elektrifikasi, tubuh menjadi mampu melakukan interaksi elektromagnetik.
Salah satu cara untuk menggemparkan suatu benda adalah dengan memberikan muatan listrik padanya, yaitu, untuk mencapai kelebihan muatan dengan tanda yang sama pada benda tertentu. Ini mudah dilakukan dengan gesekan.
Jadi, ketika batang kaca digosok dengan sutra, sebagian muatan negatifnya masuk ke sutra. Akibatnya, tongkat bermuatan positif, dan sutra bermuatan negatif. Tetapi ketika tongkat ebonit digosok dengan wol, sebagian muatan negatif berpindah dari wol ke tongkat: tongkat bermuatan negatif, dan wol bermuatan positif.
Metode elektrifikasi tubuh ini disebut elektrifikasi oleh gesekan. Anda mengalami elektrifikasi oleh gesekan setiap kali Anda melepas sweter di atas kepala Anda ;-)
Jenis lain dari elektrifikasi disebut induksi elektrostatik, atau elektrifikasi melalui pengaruh. Dalam hal ini, muatan total tubuh tetap sama dengan nol, tetapi didistribusikan kembali sehingga muatan positif menumpuk di beberapa bagian tubuh, dan muatan negatif di bagian lain.
Beras. 2. Induksi elektrostatik
Mari kita lihat gambar. 2. Pada jarak tertentu dari badan logam ada muatan positif. Ini menarik muatan negatif dari logam (elektron bebas), yang menumpuk di area permukaan tubuh yang paling dekat dengan muatan. Muatan positif yang tidak terkompensasi tetap berada di daerah yang jauh.
Terlepas dari kenyataan bahwa muatan total tubuh logam tetap sama dengan nol, pemisahan spasial muatan terjadi di dalam tubuh. Jika sekarang kita membagi tubuh di sepanjang garis putus-putus, maka bagian kanan akan bermuatan negatif, dan bagian kiri akan bermuatan positif.
Anda dapat mengamati elektrifikasi tubuh menggunakan elektroskop. Sebuah elektroskop sederhana ditunjukkan pada Gambar. 3 (gambar dari en.wikipedia.org).
Beras. 3. Elektroskop
Apa yang terjadi dalam kasus ini? Batang bermuatan positif (misalnya, digosok sebelumnya) dibawa ke piringan elektroskop dan mengumpulkan muatan negatif di atasnya. Di bawah, pada daun elektroskop yang dapat bergerak, tetap ada muatan positif yang tidak terkompensasi; mendorong menjauh dari satu sama lain, daun menyimpang ke arah yang berbeda. Jika Anda melepas tongkatnya, maka muatan akan kembali ke tempatnya dan daunnya akan jatuh kembali.
Fenomena induksi elektrostatik dalam skala besar diamati selama badai petir. pada gambar. 4 kita melihat awan petir menyelimuti bumi.
Beras. 4. Elektrifikasi bumi oleh awan petir
Di dalam awan ada gumpalan es dengan ukuran berbeda, yang bercampur oleh arus udara yang naik, bertabrakan satu sama lain dan menjadi listrik. Dalam hal ini, ternyata muatan negatif terakumulasi di bagian bawah awan, dan muatan positif terakumulasi di bagian atas.
Bagian bawah awan yang bermuatan negatif menginduksi muatan positif di permukaan bumi. Sebuah kapasitor raksasa muncul dengan tegangan kolosal antara awan dan tanah. Jika tegangan ini cukup untuk menembus celah udara, maka pelepasan akan terjadi - kilat, yang Anda ketahui.
Hukum kekekalan muatan
Mari kita kembali ke contoh elektrifikasi dengan gesekan - menggosok tongkat dengan kain. Dalam hal ini, tongkat dan secarik kain memperoleh muatan yang sama besar dan berlawanan tanda. Muatan total mereka, karena sama dengan nol sebelum interaksi, tetap sama dengan nol setelah interaksi.
Kita lihat di sini hukum kekekalan muatan yang berbunyi: dalam sistem benda tertutup, jumlah aljabar muatan tetap tidak berubah untuk setiap proses yang terjadi dengan benda ini:
Ketertutupan suatu sistem benda berarti bahwa benda-benda ini hanya dapat bertukar muatan di antara mereka sendiri, tetapi tidak dengan objek lain di luar sistem yang diberikan.
Ketika tongkat dialiri listrik, tidak ada yang mengejutkan dalam kekekalan muatan: berapa banyak partikel bermuatan yang meninggalkan tongkat - jumlah yang sama datang ke selembar kain (atau sebaliknya). Anehnya, dalam proses yang lebih kompleks, disertai dengan transformasi timbal balik partikel dasar dan perubahan nomor partikel bermuatan dalam sistem, muatan total masih kekal!
Misalnya, pada gambar. Gambar 5 menunjukkan proses di mana sebagian radiasi elektromagnetik (yang disebut foton) berubah menjadi dua partikel bermuatan - elektron dan positron. Proses seperti itu dimungkinkan dalam kondisi tertentu - misalnya, di medan listrik inti atom.
Beras. 5. Penciptaan pasangan elektron-positron
Muatan positron sama dalam nilai absolut dengan muatan elektron dan berlawanan dengan tandanya. Hukum kekekalan muatan terpenuhi! Memang, pada awal proses kami memiliki foton yang muatannya nol, dan pada akhirnya kami mendapatkan dua partikel dengan muatan total nol.
Hukum kekekalan muatan (bersama dengan keberadaan muatan dasar terkecil) saat ini adalah fakta ilmiah utama. Fisikawan belum berhasil menjelaskan mengapa alam berperilaku seperti ini dan bukan sebaliknya. Kami hanya dapat menyatakan bahwa fakta-fakta ini dikonfirmasi oleh berbagai eksperimen fisik.
