As forças eletromagnéticas desempenham um papel enorme na natureza devido ao fato de que a composição de todos os corpos inclui partículas eletricamente carregadas. As partes constituintes dos átomos do núcleo e dos elétrons têm uma carga elétrica

As forças eletromagnéticas que existem entre partículas carregadas são enormes. No entanto, a ação de forças eletromagnéticas entre corpos não é detectada diretamente, pois os corpos no estado normal são eletricamente neutros. Um átomo de qualquer substância é neutro, pois o número de elétrons nele é igual ao número de prótons no núcleo. Partículas carregadas positiva e negativamente são conectadas umas às outras por forças elétricas e formam sistemas neutros.

Um corpo macroscópico é eletricamente carregado se contém um excesso de partículas elementares com o mesmo sinal de carga. A carga negativa do corpo é devido a um excesso de elétrons em relação aos prótons, e a carga positiva é devido à falta de elétrons.

Para obter um corpo macroscópico eletricamente carregado, ou seja, eletrificá-lo, é necessário separar parte da carga negativa da carga positiva associada a ele. Isso pode ser feito com fricção. Se você passar um pente sobre o cabelo seco, uma pequena parte das partículas carregadas mais móveis - elétrons - passará do cabelo para o pente e o carregará negativamente, e o cabelo será carregado positivamente.

Igualdade de cargas durante a eletrização. Com a ajuda da experiência, pode-se provar que, quando eletrificados por atrito, ambos os corpos adquirem cargas de sinais opostos, mas idênticas em magnitude. Tomemos um eletrômetro com um

uma esfera de metal com furo e duas placas em longas alças: uma de ebonite e outra de plexiglas. Ao esfregar uma contra a outra, as placas são eletrificadas. Vamos trazer uma das placas para dentro da esfera sem tocar em suas paredes. Se a placa estiver carregada positivamente, alguns dos elétrons da agulha e da haste do eletrômetro serão atraídos para a placa e se acumularão na superfície interna da esfera. Neste caso, a flecha será carregada positivamente e repelida da haste (Fig. 92, a). Se outra placa for trazida para dentro da esfera, tendo removido previamente a primeira, os elétrons da esfera e da haste serão repelidos da placa e se acumularão em excesso na seta. Isso fará com que a seta se desvie e fique no mesmo ângulo do primeiro experimento. Tendo baixado ambas as placas dentro da esfera, não encontraremos o desvio da seta (Fig. 92, b). Isso prova que as cargas das placas são iguais em módulo e opostas em sinal.

Como é a eletrificação dos corpos? Ao eletrificar corpos, o contato próximo entre eles é importante. As forças elétricas mantêm os elétrons dentro do corpo. Mas para substâncias diferentes essas forças são diferentes. Em contato próximo, uma pequena parte dos elétrons dessa substância, na qual a conexão dos elétrons com o corpo é relativamente fraca, passa para outra substância. Neste caso, os deslocamentos dos elétrons não excedem os tamanhos das distâncias interatômicas (cm). Mas se os corpos forem separados, ambos serão cobrados.

Como as superfícies dos corpos nunca são perfeitamente lisas, o contato próximo entre os corpos necessário para a transferência de elétrons é estabelecido apenas em pequenas áreas das superfícies (Fig. 93). Quando os corpos se esfregam, o número de áreas com contato próximo aumenta e, portanto, aumenta o número total de partículas carregadas que passam de um corpo para outro.

Eletrização de corpos e sua aplicação em tecnologia. A eletrificação significativa ocorre durante o atrito de tecidos sintéticos. Ao tirar uma camisa de nylon no ar seco, um estalo característico pode ser ouvido. Pequenas faíscas saltam entre áreas carregadas de superfícies em atrito. Tais fenômenos devem ser considerados na produção. Assim, fios de fios nas fábricas têxteis são eletrificados por fricção, são atraídos por fusos e rolos e quebram. O fio atrai poeira e fica sujo.

É necessário aplicar medidas especiais contra a eletrificação dos fios.

A eletrificação de corpos em contato próximo é usada em máquinas eletrocopiadoras (como "Era", "Xerox", etc.).

Assim, em uma dessas instalações, o pó de resina preta é misturado com pequenas contas de vidro. Neste caso, as bolas são carregadas positivamente e as partículas de pó são carregadas negativamente. Devido à atração, eles cobrem a superfície das bolas com uma camada fina.

O texto ou desenho copiado é projetado em uma fina placa de selênio, cuja superfície é carregada positivamente. A placa repousa sobre uma superfície metálica carregada negativamente. Sob a ação da luz, a placa é descarregada e uma carga positiva permanece apenas nas áreas correspondentes às áreas escuras da imagem. Depois disso, a placa é coberta com uma fina camada de bolas. Devido à atração de cargas opostas, o pó de resina é atraído para as áreas carregadas positivamente da placa. Em seguida, as bolas são sacudidas e, pressionando uma folha de papel firmemente contra o prato, uma impressão é obtida. A impressão é fixada por aquecimento.

Muitos fenômenos físicos observados na natureza e na vida ao nosso redor não podem ser explicados apenas com base nas leis da mecânica, teoria cinética molecular e termodinâmica. Esses fenômenos manifestam forças atuando entre corpos à distância, e essas forças não dependem das massas dos corpos em interação e, portanto, não são gravitacionais. Essas forças são chamadas forças eletromagnéticas.

A lei da conservação da carga elétrica

Sob condições normais, os corpos microscópicos são eletricamente neutros porque as partículas carregadas positiva e negativamente que formam os átomos estão conectadas umas às outras por forças elétricas e formam sistemas neutros. Se a neutralidade elétrica do corpo for violada, esse corpo é chamado corpo eletrificado. Para eletrificar um corpo, é necessário que se crie nele um excesso ou deficiência de elétrons ou íons de mesmo signo.

Métodos de eletrificação de corpos, que representam a interação de corpos carregados, pode ser como segue:

1. Eletrificação de corpos por contato . Nesse caso, com contato próximo, uma pequena parte dos elétrons passa de uma substância, na qual a ligação com o elétron é relativamente fraca, para outra substância.
2. Eletrização dos corpos durante o atrito . Isso aumenta a área de contato dos corpos, o que leva ao aumento da eletrização.
3. Influência. A influência é baseada fenômeno da indução eletrostática, ou seja, a indução de uma carga elétrica em uma substância colocada em um campo elétrico constante.
4. Eletrificação de corpos sob a influência da luz . Isso é baseado em efeito fotoelétrico, ou efeito fotoelétrico quando, sob a ação da luz, os elétrons podem voar para fora do condutor para o espaço circundante, como resultado do qual o condutor é carregado.

Numerosos experimentos mostram que quando eletrificação do corpo, então as cargas elétricas aparecem nos corpos, iguais em magnitude e opostos em sinal.

carga negativa corpo é devido a um excesso de elétrons no corpo em comparação com prótons, e carga positiva por falta de elétrons.

Quando ocorre a eletrificação do corpo, ou seja, quando a carga negativa é parcialmente separada da carga positiva associada a ele, lei da conservação da carga elétrica. A lei da conservação da carga é válida para um sistema fechado, que não entra do lado de fora e do qual não saem partículas carregadas.

A lei de conservação da carga elétrica é formulada da seguinte forma:

Em um sistema fechado, a soma algébrica das cargas de todas as partículas permanece inalterada:

q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = const

Onde
q 1 , q 2 etc. são as cargas das partículas.

Definições

Partículas elementares pode ter e-mail carga, então eles são chamados de cobrados;

Partículas elementares - interagem entre si com forças que dependem da distância entre as partículas, mas muitas vezes excedem as forças de gravitação mútua (essa interação é chamada de eletromagnética).

Carga elétrica- quantidade física, determina a intensidade das interações eletromagnéticas.

Existem 2 sinais de cargas elétricas:

• positivo
• negativo

Partículas com as mesmas cargas repelir, com nomes opostos - são atraídos. O próton tem positivo carga, elétron negativo, nêutron - eletricamente neutro.

carga elementar- o encargo mínimo que não pode ser dividido.

Como explicar a presença de forças eletromagnéticas na natureza? Todos os corpos contêm partículas carregadas.

No estado normal, os corpos são eletricamente neutros (porque o átomo é neutro) e as forças eletromagnéticas não aparecem.

Corpo carregado, se tiver excesso de cargas de qualquer sinal:

• carregado negativamente - se houver excesso de elétrons;
• carregado positivamente - se a falta de elétrons.

Eletrificação de corpos- esta é uma das formas de obter corpos carregados, por exemplo, por contato).

Nesse caso, ambos os corpos são carregados e as cargas são de sinais opostos, mas iguais em magnitude.

Interação de corpos, tendo cargas de sinais iguais ou diferentes, pode ser demonstrado nas seguintes experiências. Nós eletrificamos o bastão de ebonite esfregando-o contra a pele e tocando-o em uma manga de metal suspensa em um fio de seda.

Cargas de mesmo sinal (cargas negativas) são distribuídas na manga e no bastão de ebonita. Aproximando um bastão de ebonite carregado negativamente de um cartucho carregado, pode-se ver que o cartucho será repelido do bastão (Fig. 1.1).

Se agora trouxermos um bastão de vidro esfregado na seda (carregado positivamente) para a manga carregada, então a manga será atraída por ela (Fig. 1.2).

Vamos pegar dois eletrômetros idênticos e carregar um deles (Fig. 2.1). Sua carga corresponde a 6 divisões da escala.

Se você conectar esses eletrômetros com uma haste de vidro, nenhuma mudança ocorrerá. Isso confirma o fato de que o vidro é um dielétrico. Se, no entanto, para conectar os eletrômetros, usar uma haste metálica A (Fig. 2.2), segurando-a por uma alça não condutora B, você poderá ver que a carga inicial é dividida em duas partes iguais: metade da carga será transferência da primeira bola para a segunda. Agora a carga de cada eletrômetro corresponde a 3 divisões da escala. Assim, a carga original não mudou, apenas se dividiu em duas partes.

Se a carga é transferida de um corpo carregado para um corpo não carregado do mesmo tamanho, então a carga é dividida pela metade entre esses dois corpos. Mas se o segundo corpo sem carga for maior que o primeiro, mais da metade da carga será transferida para o segundo. Quanto maior o corpo para o qual a carga é transferida, maior parte da carga será transferida para ele.

Mas o valor total da carga não será alterado. Assim, pode-se argumentar que a carga é conservada. Aqueles. a lei de conservação da carga elétrica é satisfeita.

As cargas elétricas não existem por si mesmas, mas são propriedades internas de partículas elementares - elétrons, prótons, etc.

Empiricamente em 1914, o físico americano R. Milliken mostrou que a carga elétrica é discreta . A carga de qualquer corpo é um múltiplo inteiro de carga elétrica elementar e = 1,6 × 10-19C.

Na reação de formação de um par elétron-pósitron, lei da conservação da carga.

q elétron +q pósitron = 0.

Pósitron- uma partícula elementar com massa aproximadamente igual à massa de um elétron; A carga do pósitron é positiva e igual à carga do elétron.

Sediada lei da conservação da carga elétrica explica a eletrificação de corpos macroscópicos.

Como você sabe, todos os corpos são compostos de átomos, que incluem elétrons e prótons. O número de elétrons e prótons em um corpo não carregado é o mesmo. Portanto, tal corpo não exibe ação elétrica em outros corpos. Se dois corpos estão em contato próximo (durante a fricção, compressão, impacto, etc.), então os elétrons associados aos átomos são muito mais fracos que os prótons, eles passam de um corpo para outro.

O corpo para o qual os elétrons passaram terá um excesso deles. De acordo com a lei de conservação, a carga elétrica desse corpo será igual à soma algébrica das cargas positivas de todos os prótons e das cargas de todos os elétrons. Essa carga será negativa e igual em valor à soma das cargas dos elétrons em excesso.

Um corpo com excesso de elétrons tem uma carga negativa.

Um corpo que perdeu elétrons terá uma carga positiva, cujo módulo será igual à soma das cargas eletrônicas perdidas pelo corpo.

Um corpo carregado positivamente tem menos elétrons do que prótons.

A carga elétrica não muda quando o corpo se move para outro referencial.

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A eletrostática estuda as propriedades e interações de cargas estacionárias no referencial em que são consideradas.

Na natureza, existem apenas dois tipos de cargas elétricas - negativas e positivas. Uma carga positiva pode ocorrer em um bastão de vidro esfregado com a pele, e uma carga negativa pode ocorrer em âmbar esfregado com um pano de lã.

Sabemos que todos os corpos são feitos de átomos. Por sua vez, um átomo consiste em um núcleo carregado positivamente e elétrons que giram em torno dele. Como os elétrons têm carga negativa e o núcleo é positivo, o átomo como um todo é eletricamente neutro. Quando exposto a ele do lado de fora, ele pode perder um ou mais elétrons e se transformar em um íon carregado positivamente. No caso de um átomo (ou molécula) anexar um elétron adicional a si mesmo, ele se transformará em um íon negativo.

Assim, a carga elétrica pode existir na forma de íons e elétrons negativos ou positivos. Existe um tipo de "eletricidade livre" - elétrons negativos. Portanto, se um corpo tem carga positiva, não tem elétrons suficientes e, se tem carga negativa, tem excesso.

As propriedades elétricas de qualquer substância são determinadas por sua estrutura atômica. Os átomos podem perder até mesmo alguns elétrons, caso em que são chamados de ionizados multiplicados. O núcleo de um átomo é formado por prótons e nêutrons. Cada próton carrega uma carga que é igual à do elétron, mas de sinal oposto. Os nêutrons são partículas eletricamente neutras (não têm carga elétrica).

Além de prótons e elétrons, outras partículas elementares também possuem carga elétrica. A carga elétrica é parte integrante das partículas elementares.

A menor carga é considerada a carga igual à carga do elétron. Também é chamada de carga elementar, que é igual a 1,6 10 -19 C. Qualquer carga é um múltiplo de um número inteiro de cargas de elétrons. Portanto, a eletrificação do corpo não pode ocorrer continuamente, mas apenas em etapas (discretamente), pelo valor da carga do elétron.

Se um corpo carregado positivamente começar a ser recarregado (carregado com eletricidade negativa), sua carga não mudará instantaneamente, mas primeiro diminuirá para zero e só então adquirirá um potencial negativo. A partir disso, podemos concluir que eles se compensam. Este fato levou os cientistas à conclusão de que em corpos "descarregados" sempre há cargas de sinais positivos e negativos, que estão contidas em tais quantidades que sua ação se compensa completamente.

Quando eletrizado por atrito, os "elementos" negativos e positivos contidos no "corpo não carregado" são separados. Como resultado do movimento dos elementos negativos do corpo (elétrons), ambos os corpos são eletrificados, e um deles é negativo e o segundo é positivo. A quantidade de "fluxo" de um elemento para outro permanece constante durante todo o processo.

A partir disso pode-se concluir que encargos não são são criados e não desaparecem, mas apenas “fluem” de um corpo para outro ou se movem dentro dele. Esta é a essência da lei de conservação das cargas elétricas. Durante o atrito, muitos materiais estão sujeitos à eletrificação - ebonita, vidro e muitos outros. Em muitas indústrias (têxtil, papel e outras), a presença de eletricidade estática é um sério problema de engenharia, pois a eletrificação de elementos causada pelo atrito de papel, tecido ou outros produtos de produção em peças de máquinas pode causar incêndios e explosões.

Tópicos do codificador USE: eletrização de corpos, interação de cargas, dois tipos de carga, lei de conservação da carga elétrica.

Interações eletromagnéticas estão entre as interações mais fundamentais da natureza. Forças de elasticidade e atrito, pressão de gás e muito mais podem ser reduzidas a forças eletromagnéticas entre partículas de matéria. As próprias interações eletromagnéticas não são mais reduzidas a outros tipos de interações mais profundas.

Um tipo de interação igualmente fundamental é a gravidade - a atração gravitacional de quaisquer dois corpos. No entanto, existem várias diferenças importantes entre as interações eletromagnéticas e gravitacionais.

1. Nem todos podem participar de interações eletromagnéticas, mas apenas carregada corpos (tendo carga elétrica).

2. A interação gravitacional é sempre a atração de um corpo para outro. As interações eletromagnéticas podem ser tanto de atração quanto de repulsão.

3. A interação eletromagnética é muito mais intensa que a gravitacional. Por exemplo, a força de repulsão elétrica de dois elétrons é várias vezes maior que a força de atração gravitacional entre eles.

Todo corpo carregado tem alguma quantidade de carga elétrica. A carga elétrica é uma quantidade física que determina a força da interação eletromagnética entre objetos da natureza. A unidade de carga é pingente(CL).

Dois tipos de cobrança

Como a interação gravitacional é sempre uma atração, as massas de todos os corpos são não negativas. Mas este não é o caso de cobranças. Dois tipos de interação eletromagnética - atração e repulsão - são convenientemente descritos pela introdução de dois tipos de cargas elétricas: positivo e negativo.

Cargas de sinais diferentes se atraem e cargas de sinais diferentes se repelem. Isso está ilustrado na figura. 1 ; bolas suspensas em fios recebem cargas de um ou outro signo.

Arroz. 1. Interação de dois tipos de cobranças

A manifestação onipresente de forças eletromagnéticas é explicada pelo fato de que partículas carregadas estão presentes nos átomos de qualquer substância: prótons carregados positivamente fazem parte do núcleo atômico e elétrons carregados negativamente se movem em órbitas ao redor do núcleo.

As cargas do próton e do elétron são iguais em valor absoluto, e o número de prótons no núcleo é igual ao número de elétrons nas órbitas e, portanto, verifica-se que o átomo como um todo é eletricamente neutro. É por isso que, em condições normais, não notamos o efeito eletromagnético dos corpos circundantes: a carga total de cada um deles é zero e as partículas carregadas são distribuídas uniformemente por todo o volume do corpo. Mas se a neutralidade elétrica for violada (por exemplo, como resultado de eletrificação) o corpo imediatamente começa a agir sobre as partículas carregadas circundantes.

Por que existem exatamente dois tipos de cargas elétricas, e não algum outro número delas, não é conhecido atualmente. Podemos apenas afirmar que a aceitação desse fato como primário fornece uma descrição adequada das interações eletromagnéticas.

A carga de um próton é Cl. A carga de um elétron é oposta a ele em sinal e é igual a C. Valor

chamado carga elementar. Esta é a carga mínima possível: partículas livres com carga menor não foram encontradas nos experimentos. A física ainda não pode explicar por que a natureza tem a menor carga e por que sua magnitude é exatamente essa.

A carga de qualquer corpo é sempre a soma de o todo número de cargas elementares:

Se , então o corpo tem um número excessivo de elétrons (comparado ao número de prótons). Se, pelo contrário, o corpo carece de elétrons: há mais prótons.

Eletrificação de corpos

Para que um corpo macroscópico exerça uma influência elétrica sobre outros corpos, ele deve ser eletrificado. Eletrificação- isso é uma violação da neutralidade elétrica do corpo ou de suas partes. Como resultado da eletrificação, o corpo torna-se capaz de interações eletromagnéticas.

Uma das formas de eletrizar um corpo é conferir-lhe uma carga elétrica, ou seja, obter um excesso de cargas de mesmo sinal em um determinado corpo. Isso é fácil de fazer com fricção.

Assim, ao esfregar um bastão de vidro com seda, parte de suas cargas negativas vai para a seda. Como resultado, o bastão é carregado positivamente e a seda é carregada negativamente. Mas ao esfregar um bastão de ebonita com lã, parte das cargas negativas passa da lã para o bastão: o bastão é carregado negativamente e a lã é carregada positivamente.

Este método de eletrificação de corpos é chamado eletrificação por atrito. Você encontra eletrificação por fricção toda vez que tira um suéter pela cabeça ;-)

Outro tipo de eletrificação é chamado indução eletrostática, ou eletrificação por influência. Nesse caso, a carga total do corpo permanece igual a zero, mas é redistribuída de modo que cargas positivas se acumulam em algumas partes do corpo e cargas negativas em outras.

Arroz. 2. Indução eletrostática

Vejamos a fig. 2. A alguma distância do corpo metálico existe uma carga positiva. Atrai as cargas negativas do metal (elétrons livres), que se acumulam nas áreas da superfície do corpo mais próximas da carga. Cargas positivas não compensadas permanecem nas regiões distantes.

Apesar da carga total do corpo metálico permanecer igual a zero, ocorreu uma separação espacial das cargas no corpo. Se agora dividirmos o corpo ao longo da linha pontilhada, a metade direita será carregada negativamente e a metade esquerda positivamente.

Você pode observar a eletrificação do corpo usando um eletroscópio. Um eletroscópio simples é mostrado na Fig. 3 (imagem de en.wikipedia.org).

Arroz. 3. Eletroscópio

O que acontece nesse caso? Um bastão carregado positivamente (por exemplo, previamente atritado) é levado ao disco do eletroscópio e nele coleta uma carga negativa. Abaixo, nas folhas móveis do eletroscópio, permanecem cargas positivas não compensadas; afastando-se umas das outras, as folhas divergem em direções diferentes. Se você remover a varinha, as cargas retornarão ao seu lugar e as folhas cairão.

O fenômeno da indução eletrostática em escala grandiosa é observado durante uma tempestade. Na fig. 4 vemos uma nuvem de tempestade passando sobre a terra.

Arroz. 4. Eletrificação da terra por uma nuvem de trovoada

Dentro da nuvem há blocos de gelo de diferentes tamanhos, que se misturam por correntes de ar ascendentes, colidem entre si e ficam eletrificados. Nesse caso, verifica-se que uma carga negativa se acumula na parte inferior da nuvem e uma carga positiva se acumula na parte superior.

A parte inferior da nuvem, carregada negativamente, induz cargas positivas na superfície da Terra. Um capacitor gigante aparece com uma tensão colossal entre a nuvem e o solo. Se essa tensão for suficiente para romper o entreferro, ocorrerá uma descarga - um raio, bem conhecido por você.

Lei da conservação da carga

Voltemos ao exemplo da eletrificação por fricção - esfregando o bastão com um pano. Nesse caso, o bastão e o pedaço de pano adquirem cargas iguais em módulo e de sinais opostos. Sua carga total, como era igual a zero antes da interação, permanece igual a zero após a interação.

Nós vemos aqui lei da conservação da carga que lê: em um sistema fechado de corpos, a soma algébrica de cargas permanece inalterada para quaisquer processos que ocorram com esses corpos:

O fechamento de um sistema de corpos significa que esses corpos podem trocar cargas apenas entre si, mas não com quaisquer outros objetos externos ao sistema dado.

Quando o bastão é eletrificado, não há nada de surpreendente na conservação da carga: quantas partículas carregadas deixaram o bastão - a mesma quantidade chegou a um pedaço de pano (ou vice-versa). Surpreendentemente, em processos mais complexos, acompanhados de transformações mútuas partículas elementares e mudança de número partículas carregadas no sistema, a carga total ainda é conservada!

Por exemplo, na fig. 5 mostra o processo no qual uma parte da radiação eletromagnética (a chamada fóton) se transforma em duas partículas carregadas - um elétron e um pósitron. Tal processo é possível sob certas condições - por exemplo, no campo elétrico do núcleo atômico.

Arroz. 5. Criação de um par elétron-pósitron

A carga do pósitron é igual em valor absoluto à carga do elétron e é oposta a ele em sinal. A lei da conservação da carga é cumprida! De fato, no início do processo, tivemos um fóton cuja carga é zero e, no final, obtivemos duas partículas com carga total zero.

A lei da conservação da carga (juntamente com a existência da menor carga elementar) é hoje o principal fato científico. Os físicos ainda não conseguiram explicar por que a natureza se comporta dessa maneira e não de outra. Podemos apenas afirmar que esses fatos são confirmados por numerosos experimentos físicos.