adalah salah satu hukum dasar alam. Hukum kekekalan muatan ditemukan pada tahun 1747 oleh B. Franklin.

Elektron- partikel yang merupakan bagian dari atom. Dalam sejarah fisika, ada beberapa model struktur atom. Salah satunya, yang memungkinkan untuk menjelaskan sejumlah fakta eksperimental, termasuk fenomena elektrifikasi , diusulkan E. Rutherford. Berdasarkan eksperimennya, ia menyimpulkan bahwa di pusat atom terdapat inti bermuatan positif, di mana elektron bermuatan negatif bergerak dalam orbitnya. Dalam atom netral, muatan positif inti sama dengan total muatan negatif elektron. Inti atom terdiri dari proton bermuatan positif dan partikel netral neutron. Muatan proton sama dalam modulus dengan muatan elektron. Jika satu atau lebih elektron dikeluarkan dari atom netral, maka ia menjadi ion bermuatan positif; Ketika elektron ditambahkan ke atom, itu menjadi ion bermuatan negatif.

Pengetahuan tentang struktur atom memungkinkan untuk menjelaskan fenomena elektrifikasi gesekan . Elektron yang terikat secara longgar pada nukleus dapat dipisahkan dari satu atom dan melekat pada atom lainnya. Ini menjelaskan mengapa satu tubuh bisa terbentuk kekurangan elektron, dan di sisi lain - mereka kelebihan. Dalam hal ini, tubuh pertama menjadi bermuatan positif , dan kedua - negatif .

Selama elektrifikasi, redistribusi biaya , kedua benda dialiri listrik, memperoleh muatan yang berlawanan tanda yang besarnya sama. Dalam hal ini, jumlah aljabar muatan listrik sebelum dan sesudah elektrifikasi tetap konstan:

q 1 + q 2 + … + q n = konstanta.

Jumlah aljabar muatan pelat sebelum dan sesudah elektrifikasi sama dengan nol. Persamaan tertulis mengungkapkan hukum dasar alam - hukum kekekalan muatan listrik.

Seperti hukum fisika lainnya, ia memiliki batas penerapan tertentu: ia valid untuk sistem benda tertutup , yaitu untuk satu set tubuh terisolasi dari objek lain.

Saat menggetarkan badan, hukum kekekalan muatan listrik. Hukum ini berlaku untuk sistem tertutup. Dalam sistem tertutup, jumlah aljabar muatan semua partikel tetap tidak berubah . Jika muatan partikel dilambangkan dengan q 1 , q 2 dst., maka

q 1 + q 2 + q 3 + … + q n= konstanta

Hukum dasar elektrostatika adalah hukum Coulomb

Jika jarak antara benda berkali-kali lebih besar dari ukurannya, maka baik bentuk maupun ukuran benda bermuatan tidak secara signifikan mempengaruhi interaksi di antara mereka. Dalam hal ini, badan-badan ini dapat dianggap sebagai badan titik.

Gaya interaksi benda bermuatan tergantung pada sifat medium antara benda bermuatan.

Gaya interaksi dua titik benda bermuatan yang tidak bergerak dalam ruang hampa berbanding lurus dengan produk modul muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara keduanya. Gaya ini disebut gaya Coulomb.

|q 1 | dan | q 2 | - modul muatan tubuh,

r- jarak antara mereka,

k- koefisien proporsionalitas.

F- kekuatan interaksi

Gaya interaksi dua benda bermuatan titik yang tidak bergerak diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan benda-benda tersebut.

Satuan muatan listrik

Satuan arus adalah ampere.

Satu liontin(1 Cl) - ini adalah muatan yang lewat dalam 1 s melalui penampang konduktor pada kekuatan arus 1 A

g [Coulomb=Cl]

e=1.610 -19 C

- konstanta listrik

TINDAKAN TUTUP DAN JARAK

Asumsi bahwa interaksi antara benda yang berjauhan satu sama lain selalu dilakukan dengan bantuan perantara (atau medium) yang mentransfer interaksi dari titik ke titik, adalah inti dari teori aksi jarak pendek. Distribusi dengan kecepatan akhir.

Teori aksi langsung pada jarak yang tepat melintasi kekosongan. Menurut teori ini, tindakan ditransmisikan secara instan melalui jarak jauh yang sewenang-wenang.

Kedua teori tersebut saling bertentangan satu sama lain. Berdasarkan teori aksi di kejauhan satu tubuh bertindak pada yang lain secara langsung melalui kekosongan dan tindakan ini ditransmisikan secara instan.

Teori jarak pendek menyatakan bahwa setiap interaksi dilakukan dengan bantuan agen perantara dan menyebar dengan kecepatan yang terbatas.

Adanya proses tertentu di ruang antara benda-benda yang berinteraksi, yang berlangsung dalam waktu yang terbatas - itu hal utama yang membedakan teori aksi jarak pendek dari teori aksi di kejauhan.

Menurut ide Faraday muatan listrik tidak bekerja secara langsung satu sama lain. Masing-masing menciptakan medan listrik di ruang sekitarnya. Medan satu muatan bekerja pada muatan lain, dan sebaliknya. Saat Anda menjauh dari muatan, medan melemah.

Interaksi elektromagnetik harus merambat di ruang angkasa pada kecepatan yang terbatas.

Medan listrik ada dalam kenyataan, sifat-sifatnya dapat dipelajari secara empiris, tetapi kita tidak dapat mengatakan terdiri dari apa medan ini.

Tentang sifat medan listrik, kita dapat mengatakan bahwa medan adalah materi; itu adalah kata benda. terlepas dari kita, dari pengetahuan kita tentangnya;

Bidang tersebut memiliki sifat tertentu yang tidak memungkinkannya dikacaukan dengan hal lain di dunia sekitarnya;

Sifat utama medan listrik adalah aksinya pada muatan listrik dengan gaya tertentu;

Medan listrik muatan stasioner disebut elektrostatis. Itu tidak berubah dengan waktu. Medan elektrostatik hanya dibuat oleh muatan listrik. Itu ada di ruang di sekitar muatan ini dan terkait erat dengannya.

Kekuatan medan listrik.

Rasio gaya yang bekerja pada muatan yang ditempatkan pada suatu titik tertentu dari medan terhadap muatan ini untuk setiap titik medan tidak bergantung pada muatan dan dapat dianggap sebagai karakteristik medan.

Kuat medan sama dengan rasio gaya yang bekerja pada medan pada muatan titik terhadap muatan ini.

Kekuatan medan muatan titik.

.

Modulus kekuatan medan muatan titik q Hai pada jarak r dari itu sama dengan:

.

Jika pada suatu titik tertentu dalam ruang, berbagai partikel bermuatan menciptakan medan listrik, yang kekuatannya dll, maka kuat medan yang dihasilkan pada titik ini adalah:

SALURAN DAYA POL LISTRIK.

KEKUATAN LAPANGAN DARI BOLA TERISI

Medan listrik yang intensitasnya sama di semua titik dalam ruang disebut homogen.

Kepadatan garis medan lebih besar di dekat benda bermuatan, di mana kekuatan medan juga lebih besar.

- kekuatan medan muatan titik.

Di dalam bola penghantar (r > R), kuat medannya adalah nol.

KONDUKTOR DI BIDANG LISTRIK.

Konduktor mengandung partikel bermuatan yang dapat bergerak di dalam konduktor di bawah pengaruh medan listrik. Muatan partikel ini disebut biaya gratis.

Tidak ada medan elektrostatik di dalam konduktor. Seluruh muatan statis konduktor terkonsentrasi pada permukaannya. Muatan dalam konduktor hanya dapat ditemukan pada permukaannya.

Hukum kekekalan muatan

Tidak semua fenomena alam dapat dipahami dan dijelaskan berdasarkan konsep dan hukum mekanika, teori molekuler-kinetik dari struktur materi, dan termodinamika. Ilmu-ilmu ini tidak mengatakan apa-apa tentang sifat gaya yang mengikat atom dan molekul individu, menahan atom dan molekul materi dalam keadaan padat pada jarak tertentu dari satu sama lain. Hukum interaksi atom dan molekul dapat dipahami dan dijelaskan berdasarkan gagasan bahwa muatan listrik ada di alam.

Fenomena paling sederhana dan paling sehari-hari, di mana fakta keberadaan muatan listrik di alam, adalah elektrisasi benda-benda pada kontak. Interaksi benda yang terdeteksi selama elektrisasi disebut interaksi elektromagnetik, dan kuantitas fisik yang menentukan interaksi elektromagnetik disebut muatan listrik. Kemampuan muatan listrik untuk menarik dan menolak menunjukkan adanya dua jenis muatan yang berbeda: positif dan negatif.

Muatan listrik dapat muncul tidak hanya sebagai hasil elektrifikasi ketika benda bersentuhan, tetapi juga selama interaksi lain, misalnya, di bawah pengaruh gaya (efek piezoelektrik). Tetapi selalu dalam sistem tertutup, yang tidak termasuk muatan, untuk setiap interaksi benda, jumlah aljabar (yaitu, dengan mempertimbangkan tanda) dari muatan listrik semua benda tetap konstan. Fakta yang ditetapkan secara eksperimental ini disebut hukum kekekalan muatan listrik.

Tidak ada tempat dan tidak pernah di alam muatan listrik dengan tanda yang sama muncul dan menghilang. Munculnya muatan positif selalu disertai dengan munculnya muatan negatif yang sama nilainya secara mutlak, tetapi berlawanan tanda. Baik muatan positif maupun negatif tidak dapat hilang secara terpisah satu sama lain jika keduanya sama dalam nilai absolut.

Munculnya dan hilangnya muatan listrik pada benda dalam banyak kasus dijelaskan oleh transisi partikel bermuatan dasar - elektron - dari satu benda ke benda lainnya. Seperti yang Anda ketahui, komposisi atom apa pun termasuk inti bermuatan positif dan elektron bermuatan negatif. Dalam atom netral, muatan total elektron sama persis dengan muatan inti atom. Sebuah benda yang terdiri dari atom dan molekul netral memiliki muatan listrik total sama dengan nol.

Jika, sebagai hasil dari interaksi apa pun, bagian dari elektron berpindah dari satu benda ke benda lain, maka satu benda menerima muatan listrik negatif, dan yang kedua - muatan positif yang sama dalam nilai absolut. Ketika dua benda bermuatan berlawanan bersentuhan, biasanya muatan listrik tidak hilang tanpa jejak, dan kelebihan jumlah elektron berpindah dari benda bermuatan negatif ke benda di mana beberapa atom memiliki satu set elektron yang tidak lengkap pada kulitnya.

Kasus khusus adalah pertemuan antipartikel bermuatan dasar, misalnya, elektron dan positron. Dalam hal ini, muatan listrik positif dan negatif benar-benar hilang, musnah, tetapi sepenuhnya sesuai dengan hukum kekekalan muatan listrik, karena jumlah aljabar muatan elektron dan positron sama dengan nol.

Hukum kekekalan muatan menyatakan bahwa selama interaksi sistem tertutup tertentu dengan ruang sekitarnya, jumlah muatan yang meninggalkan sistem melalui permukaannya sama dengan jumlah muatan yang masuk ke sistem. Dengan kata lain, jumlah aljabar semua muatan dalam sistem adalah nol.

Formula 1 - Hukum Kekekalan Muatan

Seperti yang Anda ketahui, ada dua jenis muatan di alam. Ini adalah positif dan negatif. Juga, besarnya muatan adalah diskrit, yaitu hanya dapat berubah sebagian. Muatan dasar adalah muatan elektron. Jika satu elektron ditambahkan ke atom, itu menjadi ion bermuatan negatif. Dan jika Anda mengambilnya, maka positif.

Ide dasar dari hukum kekekalan muatan adalah bahwa muatan tidak muncul entah dari mana dan tidak menghilang entah kemana. Ketika muatan satu tanda muncul, muatan dari tanda berlawanan dengan besaran yang sama segera muncul.

Untuk mengkonfirmasi hukum ini, kami akan melakukan percobaan. Baginya, kita membutuhkan dua elektrometer. Ini adalah perangkat yang menunjukkan muatan listrik. Ini terdiri dari batang di mana sumbu diperbaiki. Ada panah di sumbu. Semua ini ditempatkan dalam wadah silinder, ditutup di kedua sisi dengan kaca.

Pada batang elektrometer pertama adalah piringan logam. Di mana kami akan menempatkan disk lain seperti itu. Di antara disk perlu untuk meletakkan semacam isolator. Misalnya, kain. Disk atas memiliki pegangan dielektrik. Memegang pegangan ini, kami akan menggosok disk satu sama lain. Dengan demikian, menggemparkan mereka.

Gambar 1 - Elektrometer dengan disk terpasang

Setelah kita melepas piringan atas, elektrometer akan menunjukkan adanya muatan. Panahnya akan menyimpang. Selanjutnya, kami mengambil disk dan menyentuhnya ke batang elektrometer kedua. Dia juga akan menyimpang panah, menunjukkan adanya muatan. Meskipun muatannya akan berlawanan tanda. Selanjutnya, jika kita menghubungkan batang elektrometer, maka panah akan kembali ke posisi semula. Artinya, biaya membatalkan satu sama lain.

Gambar 2 - kompensasi biaya disk

Apa yang terjadi dalam percobaan ini. Ketika kita menggosok disk satu sama lain, ada pemisahan muatan di logam disk. Awalnya, setiap disk netral secara listrik. Salah satunya menerima kelebihan elektron, yaitu muatan negatif. Lain mendapat kekurangan elektron, yaitu, ia menjadi bermuatan positif.

Tuduhan dalam kasus ini tidak muncul begitu saja. Mereka sudah berada di dalam disk konduktif. Hanya mereka yang diberi kompensasi di antara mereka sendiri. Kami baru saja memisahkan mereka. Setelah ditempatkan pada waktu yang sama pada disk yang berbeda. Ketika kami menghubungkan batang elektrometer, muatan kembali saling mengimbangi. Apa yang ditunjukkan panah.

Jika kita menganggap elektrometer dan disk sebagai satu sistem. Kemudian, terlepas dari semua manipulasi kami, muatan total sistem ini konstan sepanjang waktu. Awalnya, disk netral secara listrik. Setelah pemisahan, muatan positif dan negatif massal muncul. Hanya saja ukurannya sama. Ini berarti bahwa muatan dalam sistem tetap sama. Setelah menghubungkan batang, sistem kembali ke keadaan semula.

Elektrostatika - bagian yang mempelajari muatan statis (tetap) dan medan listrik yang terkait dengannya.

Pergerakan muatan tidak ada, atau terjadi sangat lambat sehingga medan magnet yang timbul dari pergerakan muatan dapat diabaikan. Kekuatan interaksi antara muatan hanya ditentukan oleh pengaturan timbal baliknya. Oleh karena itu, energi interaksi elektrostatik adalah energi potensial.

Terlepas dari kelimpahan berbagai zat di alam, hanya ada dua jenis muatan listrik: muatan seperti yang muncul pada kaca yang digosokkan pada sutra, dan muatan seperti yang muncul pada amber yang digosokkan pada bulu. Yang pertama disebut positif, yang kedua negatif. Dinamakan oleh Benjamin Franklin pada tahun 1746.

Secara umum, muatan atom dari zat apa pun sama dengan nol, karena muatan positif inti atom dikompensasi oleh muatan berlawanan dari kulit elektron atom. Interaksi yang sangat kuat antara muatan praktis mengecualikan penampilan spontan benda makroskopik bermuatan. Dengan demikian, gaya tarik Coulomb antara elektron dan proton dalam atom hidrogen adalah 1039 kali lebih besar dari interaksi gravitasi mereka.

Diketahui bahwa muatan yang sejenis saling tolak menolak, dan muatan yang tidak sejenis tarik menarik. Selanjutnya, jika Anda membawa benda bermuatan (dengan muatan apa pun) ke cahaya - tidak bermuatan, maka akan ada daya tarik di antara mereka - sebuah fenomena elektrifikasi tubuh paru-paru melalui pengaruh. Pada ujung yang paling dekat dengan benda bermuatan, muncul muatan yang berlawanan tanda (muatan induksi), fenomena ini disebut induksi elektrostatik.

Pengalaman menunjukkan bahwa munculnya muatan pada suatu benda disertai dengan munculnya muatan yang besarnya sama, tetapi dengan tanda yang berlawanan, pada benda lain. Misalnya, ketika batang kaca digosokkan pada sutra, kedua benda bermuatan: batang negatif, sutra positif.

Jadi, semua orang proses pengisian ada proses pemisahan muatan. Jumlah biaya tidak berubah, biaya hanya didistribusikan kembali. ini menyiratkan hukum kekekalan muatan - salah satu hukum dasar alam, dirumuskan pada tahun 1747 oleh B. Franklin dan ditegaskan pada tahun 1843 oleh M. Faraday: jumlah aljabar muatan yang timbul dari setiap proses listrik pada semua benda yang berpartisipasi dalam proses selalu sama dengan nol . Atau lebih pendek: muatan listrik total sistem tertutup tidak berubah .

(Demonstrasi tersedia pada topik "Konservasi biaya" dan "Jenis biaya".).

Muatan listrik tidak ada dengan sendirinya, tetapi merupakan sifat internal partikel elementer - elektron, proton, dll.

Secara empiris pada tahun 1914, fisikawan Amerika R. Milliken menunjukkan bahwa muatan listrik bersifat diskrit . Muatan suatu benda adalah kelipatan bilangan bulat dari muatan listrik dasar .

,

Di mana n adalah bilangan bulat. Elektron dan proton masing-masing pembawa muatan dasar negatif dan positif.

Misalnya, Bumi kita memiliki muatan negatif C, ini ditetapkan dengan mengukur kekuatan medan elektrostatik di atmosfer Bumi.

Kontribusi besar untuk mempelajari fenomena elektrostatika dibuat oleh ilmuwan Prancis terkenal C. Coulomb. Pada tahun 1785 ia secara eksperimental menetapkan hukum interaksi titik pasti muatan listrik.