Sarcinile electrice, interacțiunea lor.
Circuitul electric DC, legile sale de bază.
Teoria electronică a structurii materiei.
Toate substanțele din natură sunt formate din molecule, molecule de atomi.
Moleculă este cea mai mică particulă care are proprietățile chimice ale unei substanțe date.
Atom este cea mai mică particulă care are proprietățile chimice și fizice ale unui element dat.
Se compune din:
un nucleu încărcat pozitiv
electroni negativi care se rotesc pe orbite permise.
Nucleul este format din protoni pozitivi și neutroni neutri.
Sarcina unui electron este egală cu sarcina unui proton, dar semnele sunt opuse. Aceste particule elementare nu sunt egale ca dimensiune și masă, protonul este mai mare decât electronul.
Un atom este o particulă neutră din punct de vedere electric (neîncărcată), adică cu cât mulți protoni sunt în nucleu, atât de mulți electroni se rotesc în jurul nucleului, deoarece un proton poate conține un electron.
Astfel, diversitatea lumii din jurul nostru este formată din diverse combinații de doar trei particule: un neutron, un proton și un electron, care la rândul lor au și o structură internă.
electroni de valență sunt electronii care se află pe orbita extremă. Ele determină proprietățile chimice ale unei substanțe și conductivitatea electrică a acesteia.
Conductivitate electrică este capacitatea unei substanțe de a conduce curentul electric.
Sarcinile electrice, interacțiunea lor.
Chiar și în cele mai vechi timpuri, se știa că chihlimbarul, purtat pe lână, dobândește capacitatea de a atrage obiecte ușoare. Ulterior s-a constatat că multe alte substanțe au o proprietate similară. Corpurile capabile, precum chihlimbarul, după frecare să atragă obiecte ușoare, se numesc electrificate. Pe corpurile aflate în această stare există sarcini electrice, iar corpurile în sine sunt numite încărcate.
În natură, există doar două tipuri de sarcini - pozitive și negative. Sarcinile de același semn (cum ar fi sarcinile) se resping, sarcinile de semne opuse (sarcinile opuse) se atrag.
Particulele elementare au cea mai mică sarcină (elementară). De exemplu, un proton și un pozitron sunt încărcate pozitiv, în timp ce un electron și un antiproton sunt încărcate negativ.
Sarcina negativă elementară este egală ca mărime cu sarcina pozitivă elementară. În sistemul SI, sarcina este măsurată în pandantive(CL). Valoarea sarcinii elementare e \u003d 1,6-10-19 C.În natură, nicăieri și niciodată nu apare și nu dispare o sarcină electrică de același semn. Apariția unei sarcini electrice pozitive + q este întotdeauna însoțită de apariția unei sarcini electrice negative egale - q. Nici sarcinile pozitive, nici cele negative nu pot dispărea separat una de alta, ele se pot neutraliza reciproc doar dacă sunt egale.
Pentru a obține o sarcină de la un atom neutru, trebuie să acționați cu un fel de forță și să rupeți electronii sau să atașați electroni străini unui atom neutru. Ca rezultat, la separare (de exemplu, în timpul frecării), se obține un atom încărcat pozitiv, care se numește ion pozitiv, iar când este atașat - ion negativ.
Ionizare este procesul de formare a sarcinilor dintr-un atom neutru.
8.1. Două tipuri de sarcini electrice
Dacă unele particule (sau corpuri) au capacitatea de a lua parte la interacțiuni electrice, atunci este logic să le atribuim o caracteristică care va indica această proprietate a lor. Această caracteristică se numește incarcare electrica. Corpurile care iau parte la interacțiunile electrice se numesc încărcate. Astfel, termenul „încărcat electric” este sinonim cu expresia „participă la interacțiuni electrice”. De ce unele particule elementare au o sarcină electrică, în timp ce altele nu - nimeni nu știe!
Raționamentul suplimentar, bazat pe date experimentale, are scopul de a concretiza această caracteristică, dacă este posibil, pentru a o face cantitativă.
Istoria studiului fenomenelor electrice este lungă și plină de dramă, ...
În continuare, descriem o serie de experimente simple care pot fi efectuate acasă „în bucătărie” sau în laboratorul școlii. Când le explicăm, vom folosi cunoștințele care au fost obținute de mulți oameni de știință de-a lungul a câteva sute de ani, ca urmare a numeroase și variate experimente.
Acum, vom reproduce într-o formă foarte simplificată câteva etape ale cercetării experimentale, ale căror concluzii au servit drept bază pentru teoria modernă a interacțiunilor electrice.
Pentru a efectua experimente, în primul rând, ar trebui să înveți cum să obții corpuri încărcate. Cel mai simplu mod de a atinge acest obiectiv este electrificare prin frecare. De exemplu, sticla este bine electrificată (adică capătă o sarcină electrică) dacă este frecată cu mătase. Apariția unei sarcini electrice se manifestă prin faptul că un astfel de băț începe să atragă bucăți de hârtie, fire de păr, particule de praf etc.
De asemenea, se poate stabili că multe alte substanțe sunt și electrizate prin frecare. Cunoscand dinainte rezultatul, ca a doua „sursa” de energie electrica, alegem un bat de ebonita purtat cu lana. Să numim sarcina electrică care apare pe sticlă - „sticlă”, iar încărcarea de pe ebonită „rășină”.
În continuare, avem nevoie de un „dispozitiv” care ar putea răspunde la prezența unei sarcini electrice. Pentru a face acest lucru, atârnăm pe un fir o cană ușoară răsucită dintr-o bucată de folie. Este ușor de verificat că această cană nu este încărcată - pentru a nu aduce la ea un creion, mână, manual de fizică etc., nu apare niciun efect asupra cupei.
Să aducem un stick electric din sticlă încărcată pe un pahar neîncărcat (Fig. 141). Sticla este atrasă de el, ca și alte corpuri mici. Din unghiul de abatere al firului (cu o masă cunoscută a cupei și lungimea firului), se poate calcula chiar și forța de atracție. Dacă sticla nu vine în contact cu un stick încărcat, acesta rămâne neîncărcat, ceea ce poate fi ușor verificat experimental. Dacă sticla atinge stick-ul încărcat, atunci acesta se va împinge brusc departe de el. Dacă scoatem acum bagheta, cupa va fi încărcată, ceea ce poate fi verificat prin apropierea de un alt corp neîncărcat. De exemplu, va fi atras de mâna ridicată.
Rezultate similare se obtin daca inlocuim o tija de sticla frecata pe matase cu o tija de ebonita frecata pe lana.
Astfel, în aceste experimente, diferența dintre electricitatea „de sticlă” și „rășină” nu apare.
Nu vom discuta încă de ce o ceașcă neîncărcată este atrasă de un stick încărcat, iar o ceașcă încărcată este atrasă de o mână neîncărcată. Singura concluzie pe care o putem trage din experiment este că, în urma contactului, sticla a dobândit o sarcină electrică. Prin urmare, sarcina electrică pot fi transmise de la un corp la altul.
Luați două pahare de folie identice, agățați-le una lângă alta pe fire de aceeași lungime. Dacă cupele sunt încărcate în același mod (fie cu ajutorul unui pahar, fie cu ajutorul unei tije de ebonită), atunci cupele sunt respinse (Fig. 142). Dacă paharele sunt încărcate cu sarcini diferite, atunci se atrag.
Astfel, demonstrăm că există cel puțin două tipuri de sarcini electrice.
Pentru experimente ulterioare, vom înlocui „cupele de măsurare” cu un dispozitiv mai avansat numit electrometru (Fig. 143). Dispozitivul este format dintr-o tijă de metal și un indicator de metal ușor care se poate roti în jurul unei axe orizontale. Acest dispozitiv este plasat într-o carcasă metalică, închisă cu capace de sticlă. Unghiul de deviere al indicatorului poate fi măsurat cu ajutorul unei scale. Tija săgeată este fixată în corp cu un manșon din plexiglas. Tija cu săgeata joacă același rol ca și cupele de folie din experimentele anterioare - atunci când un corp încărcat atinge tija, sarcina va curge spre tijă și spre săgeată, ceea ce va duce la devierea acesteia. Mai mult, direcția de deviere a săgeții nu depinde de tipul de încărcare raportată.
Pentru experimente ulterioare, vom folosi două electroscoape identice. Să încărcăm unul dintre ele folosind, de exemplu, o baghetă de sticlă. În continuare, vom începe să conectăm tijele electrometrelor folosind diverse materiale. La conectarea tijelor cu bețișoare din lemn, sticlă neîncărcată, ebonită, plastic; fire textile, nu apar modificări - un electrometru rămâne încărcat, al doilea neîncărcat. Dacă conectați tijele cu un fir metalic, atunci ambele electrometre sunt încărcate. Mai mult, abaterea săgeții electrometrului încărcat inițial va scădea (Fig. 144).
Din rezultatele acestui experiment se pot trage două concluzii importante: în primul rând, unele materiale (metale) pot transmite o sarcină electrică, altele (sticlă, plastic, lemn) nu; în al doilea rând, taxa se poate schimba, să fie mai mult sau mai mică. Aceleași experimente pot fi repetate folosind al doilea tip de electricitate („rășină”). Rezultatele vor fi aceleași - materialele care conduc electricitatea „de sticlă” conduc electricitatea „rășină”. Dacă sarcina „de sticlă” este redistribuită între electrometre, atunci se comportă și sarcina „rășină”.
Deci, putem împărți materialele în două grupe - cele care transmit o sarcină electrică (aceste materiale se numesc conductoare), și cele care nu transmit o sarcină electrică (au fost numite izolatoare). Apropo, tija electrometrului este separată de corp cu ajutorul unui manșon izolator, astfel încât sarcina electrică să nu se „împrăștie” peste corp, ci să rămână pe tijă și săgeată.
Diverse abateri ale acului electrometrului indică în mod clar că forța de interacțiune între corpurile încărcate poate fi diferită și, prin urmare, mărimea sarcinilor poate fi diferită. Prin urmare, taxa poate fi caracterizată printr-o anumită valoare numerică (și nu, așa cum am spus mai devreme - „este sau nu este”).
Un alt rezultat interesant - dacă atingeți tija unui electrometru încărcat cu mâna, atunci electrometrul este descărcat - sarcina dispare. Chiar și pe baza acestor observații calitative, este posibil să explicăm unde dispare încărcătura atunci când mâna este atinsă. Corpul uman este un conductor, astfel încât sarcina poate curge în corpul uman.
Pentru a confirma această idee despre natura cantitativă a încărcăturii, se poate efectua următorul experiment. Încărcăm un electrometru - notăm unghiul de abatere al săgeții. Îl conectăm la al doilea electrometru - unghiul de abatere al săgeții va scădea vizibil. Îndepărtăm contactul dintre dispozitive și mână, descarcăm al doilea electrometru, după care conectăm din nou electrometrele - abaterea săgeții va scădea din nou. Astfel, sarcina electrică poate fi împărțită în părți. De asemenea, puteți efectua experimentul invers - adăugând treptat încărcare la electrometru.
„Amestecă” acum cele două tipuri de energie electrică disponibile. Pentru a face acest lucru, încărcăm un electrometru cu electricitate „de sticlă”, iar al doilea cu „rășină”, încercând să ne asigurăm că abaterile inițiale ale săgeților ambelor electrometre sunt aproximativ aceleași. După aceea, conectăm tijele electrometrelor cu un fir metalic (pe un mâner izolator pentru ca încărcăturile să nu fugă). Rezultatul acestui experiment poate fi surprinzător – ambele electroscoape au fost descărcate, sau electricitatea „de sticlă” și „rășină” au fost neutralizate, compensate reciproc (Fig. 145). În consecință, se dovedește a fi posibil să se atribuie diferite semne algebrice diferitelor tipuri de sarcină - pentru a numi o sarcină pozitivă, a doua negativă. Este rezonabil să presupunem că forța de interacțiune depinde de sarcina totală. Dacă inițial electrometrele au fost încărcate cu diferite tipuri de electricitate, dar într-o măsură diferită (abaterile săgeților sunt diferite) și apoi sunt conectate, atunci va avea loc doar compensarea parțială a sarcinilor - săgețile vor fi deviate, dar pentru într-o măsură mult mai mică.
Din punct de vedere istoric, sarcina „de sticlă” a fost numită pozitivă, iar sarcina „rășină” a devenit negativă.
Dispozitivul descris de noi, electrometrul, permite doar o evaluare calitativă a mărimii sarcinilor; este imposibil să se efectueze măsurători cantitative cu acesta. Încercați, de exemplu, să vă duceți mâna la un electrometru încărcat (fără să atingeți tija) - abaterea săgeții va crește! Aduceți un baston încărcat la o tijă neîncărcată fără a atinge tija - săgeata se va abate, deși electrometrul nu este încărcat. Vom reveni la explicarea acestor fapte mai târziu.
Atârnând bile ușoare de folie pe două fire și atingând fiecare dintre ele cu o baghetă de sticlă frecata pe mătase, poți vedea că bilele se vor respinge între ele. Dacă apoi atingeți o minge cu o tijă de sticlă frecata pe mătase, iar cealaltă cu o tijă de ebonită frecata pe blană, atunci bilele vor fi atrase unele de altele. Aceasta înseamnă că tijele de sticlă și ebonită dobândesc taxe de diferite semne , adică exista in natura două tipuri de sarcini electrice având semne opuse: pozitive şi negative. Am convenit să considerăm că o baghetă de sticlă, frecata pe mătase, dobândește sarcină pozitivă , iar un baston de ebonită, frecat de blană, capătă sarcina negativa .
De asemenea, din experimentul descris rezultă că corpurile încărcate interacționează între ele. Această interacțiune a sarcinilor se numește electrică. în care taxe similare, acestea. taxe de același semn , se resping reciproc, iar sarcinile opuse se atrag reciproc.
Dispozitivul se bazează pe fenomenul de repulsie a corpurilor cu încărcare similară electroscop- un instrument pentru a determina dacă un anumit corp este încărcat și electrometru, un dispozitiv care vă permite să estimați valoarea unei sarcini electrice.
Dacă un corp încărcat atinge tija unui electroscop, atunci frunzele electroscopului se vor dispersa, deoarece vor dobândi o sarcină de același semn. La fel se va întâmpla cu acul electrometrului dacă corpul încărcat atinge tija acestuia. În acest caz, cu cât sarcina este mai mare, cu atât unghiul săgeții se va abate de la tijă este mai mare.
Din experimente simple rezultă că forța de interacțiune între corpurile încărcate poate fi mai mare sau mai mică, în funcție de mărimea sarcinii dobândite. Astfel, putem spune că sarcina electrică, pe de o parte, caracterizează capacitatea corpului de a interacționa electric, iar pe de altă parte, este o mărime care determină intensitatea acestei interacțiuni.
Taxa este indicată prin literă q , luată ca unitate de încărcare pandantiv: [q ] = 1 cl.
Dacă atingeți un electrometru cu un baston încărcat și apoi conectați acest electrometru cu o tijă de metal la un alt electrometru, atunci sarcina primului electrometru va fi împărțită între cele două electrometre. Puteți conecta apoi electrometrul la mai multe electrometre, iar încărcarea va fi împărțită între ei. Astfel, sarcina electrică are proprietatea de divizibilitate . Limita de divizibilitate a sarcinii, adică cea mai mică sarcină care există în natură este sarcina electron. Sarcina unui electron este negativă și egală cu 1,6 * 10 -19 C. Orice altă sarcină este un multiplu al sarcinii electronilor.
§ 1 Două tipuri de sarcini electrice. Interacțiunea sarcinilor electrice
Structura universului este formată prin atracție gravitațională, dar numai această forță ar duce la compresie nelimitată. Pentru ca dimensiunile corpurilor să rămână stabile, este nevoie de o forță de respingere. Aceste forțe includ forțele interacțiunii electromagnetice. Ele provoacă atracția și respingerea particulelor. Electrodinamica este o ramură a fizicii care studiază interacțiunea electromagnetică a particulelor încărcate. Electrostatica este o secțiune a electrodinamicii care studiază interacțiunea sarcinilor electrice nemișcate (statice).
Ce este o sarcină electrică? Pentru a crea o reprezentare, sunt necesare informații inițiale, cunoștințe, experiențe, experimente și ipoteze.
Interacțiunea electrică (spre deosebire de gravitațională) nu este doar atracție reciprocă, ci și repulsie.
Să facem un experiment: aducem un băț de ebonită, electrizat prin frecare, mai întâi unui „sultan”, apoi celui de-al doilea. Vom vedea că frunzele se vor respinge atunci când îi aducem pe „sultani” unul la altul (Fig. 1).
Pe cel de-al doilea „sultan” îl electrificăm cu un băț din sticlă, purtat pe mătase. Să-l aducem la primul „sultan”, și vom vedea atracția frunzelor lor (Fig. 2, 3).
Sarcinile electrice existente în natură (pozitive și negative) pot fi confirmate prin aceste experimente.
Corpurile cu sarcină electrică interacționează între ele după cum urmează:
atrag dacă au sarcini de semn opus (Fig. 4);
respinge dacă au sarcini de același semn (Fig. 5).
În procesul de electrificare a diferitelor corpuri, forța de interacțiune dintre corpuri va fi mai mare (dacă corpul are o sarcină mare) sau mai mică (dacă corpul are o sarcină mică). Astfel, sarcina este o mărime fizică, iar 1 pandantiv (1C) este considerat a fi unitatea de sarcină.
Sarcina electrică este o măsură fizică care caracterizează proprietățile corpurilor încărcate de a interacționa între ele.
Cea mai mică parte a sarcinii este sarcina elementară, este egală cu 1,6 10-19 C. Sarcina oricărui organism nu poate fi mai mică decât această valoare.
Dacă electrizați un băț de ebonită cu o mănușă de lână și un băț de sticlă cu o eșarfă de mătase, apoi agățați bețele pe fire, puteți vedea că:
Ebonita și lâna se atrag reciproc;
Sticla și mătasea se atrag reciproc;
Sticla și lâna se resping reciproc;
Ebonita și mătasea se resping reciproc.
Electrificăm două corpuri prin frecare, în timp ce ele sunt încărcate cu sarcini egale ca mărime și opuse în semne. Din cauza contactului, primul corp pierde electroni, celălalt îi dobândește. Acest lucru poate explica de ce pe un corp va exista un exces de electroni (sarcină negativă), iar pe celălalt - o deficiență (sarcină pozitivă).
Concluzie: dacă corpul este încărcat negativ, atunci are un exces de electroni, dar dacă acesta
încărcat pozitiv, îi lipsesc electronii.
Două corpuri electrificate atrag sau resping, depinde de modul în care sunt electrificate. Corpurile care sunt electrizate prin frecare întotdeauna atrag doar.
În conductori, unii electroni se pot deplasa de la un atom la altul, acest proces are loc datorită faptului că electronii sunt legați slab de nucleul atomic. Se numesc liberi. Acești atomi sunt cei care asigură transferul de sarcină (conductivitate).
Practic nu există conductivitate în dielectrici, deoarece aproape că nu au electroni liberi și „nimeni” care să poarte sarcina.
În funcție de proprietățile electrice, toate substanțele pot fi împărțite în două tipuri:
1. Dielectrice – substanțe care nu au încărcături libere și nu permit încărcării unui corp să „curgă” către alte corpuri.
2. Conductorii sunt corpuri și substanțe în care există particule libere încărcate; se pot mișca, transferând încărcătura în alte părți ale corpului sau în alte corpuri.
În funcție de capacitatea de a conduce sarcini, substanțele pot fi împărțite în conductori: metale, sol, soluții de săruri și acizi etc. și neconductori (dielectrici): porțelan, ebonită, sticlă, gaze, materiale plastice etc. Semiconductorii includ o serie de substanțe, a căror conductivitate depinde de condițiile externe (temperatură, iluminare, prezența impurităților).
Un electrometru este un dispozitiv pentru detectarea sarcinilor electrice și determinarea valorii lor aproximative (Fig. 6).
Pentru a determina dacă corpul este încărcat sau nu, puteți folosi un electrometru. Pentru a face acest lucru, trebuie să aduceți corpul la mingea A, dacă corpul este încărcat, atunci săgeata B se va abate. De ce refuză? Să presupunem că corpul are o sarcină negativă, adică era un exces de electroni pe corp. Când intră în contact cu mingea, unii dintre electroni se vor muta la electrometru. Mingea va deveni încărcată negativ. Bila este conectată la tijă, iar tija este conectată la săgeată și toți sunt conductori, electronii se vor muta la tijă și apoi la săgeată. Un dop de plastic va ajuta la izolarea mingii, tijei, sistemului de săgeți. În consecință, tija și săgeata vor primi aceeași sarcină negativă și se vor respinge, prin urmare săgeata se va abate. Mai mult, cu cât sarcina este mai mare, cu atât unghiul de deviere al săgeții este mai mare. Electrometrul vă permite doar să estimați mărimea sarcinii, adică. spune că un corp are mai multă sarcină decât celălalt. Folosind un electrometru, este imposibil să se determine prezența unei sarcini mici, deoarece. cu o sarcină mică, forța de respingere a sarcinilor similare nu va fi suficientă pentru a devia săgeata, adică folosind un electrometru este imposibil să se determine prezența unei sarcini mici. De ce săgeata revine la poziția inițială în absența unei încărcări? Săgeata va tinde să adopte o poziție verticală, deoarece punctul de suspendare al săgeții este deasupra centrului de greutate.
Subiecte ale codificatorului USE: electrizarea corpurilor, interacțiunea sarcinilor, două tipuri de sarcină, legea conservării sarcinii electrice.
Interacțiuni electromagnetice sunt printre cele mai fundamentale interacțiuni din natură. Forțele de elasticitate și frecare, presiunea gazului și multe altele pot fi reduse la forțe electromagnetice între particulele de materie. Interacțiunile electromagnetice în sine nu se mai reduc la alte tipuri de interacțiuni mai profunde.
Un tip la fel de fundamental de interacțiune este gravitația - atracția gravitațională a oricăror două corpuri. Cu toate acestea, există câteva diferențe importante între interacțiunile electromagnetice și gravitaționale.
1. Nu toată lumea poate participa la interacțiuni electromagnetice, ci numai taxat corpuri (având incarcare electrica).
2. Interacțiunea gravitațională este întotdeauna atracția unui corp către altul. Interacțiunile electromagnetice pot fi atât de atracție, cât și de repulsie.
3. Interacțiunea electromagnetică este mult mai intensă decât cea gravitațională. De exemplu, forța de repulsie electrică a doi electroni este de câteva ori mai mare decât forța de atracție gravitațională a acestora unul față de celălalt.
Fiecare corp încărcat are o anumită cantitate de sarcină electrică. Sarcina electrică este o mărime fizică care determină puterea interacțiunii electromagnetice dintre obiectele naturii. Unitatea de încărcare este pandantiv(CL).
Două tipuri de taxe
Deoarece interacțiunea gravitațională este întotdeauna o atracție, masele tuturor corpurilor sunt nenegative. Dar nu este cazul taxelor. Două tipuri de interacțiuni electromagnetice - atracție și repulsie - sunt descrise convenabil prin introducerea a două tipuri de sarcini electrice: pozitivși negativ.
Sarcinile de semne diferite se atrag reciproc, iar încărcăturile de semne diferite se resping reciproc. Acest lucru este ilustrat în fig. unu ; mingilor suspendate pe fire li se dau taxe de un semn sau altul.
Orez. 1. Interacțiunea a două tipuri de sarcini
Manifestarea omniprezentă a forțelor electromagnetice se explică prin faptul că particulele încărcate sunt prezente în atomii oricărei substanțe: protonii încărcați pozitiv fac parte din nucleul atomic, iar electronii încărcați negativ se mișcă pe orbite în jurul nucleului.
Sarcinile protonului și electronului sunt egale în valoare absolută, iar numărul de protoni din nucleu este egal cu numărul de electroni de pe orbite și, prin urmare, se dovedește că atomul în ansamblu este neutru din punct de vedere electric. De aceea, în condiții normale, nu observăm efectul electromagnetic al corpurilor înconjurătoare: sarcina totală a fiecăruia dintre ele este zero, iar particulele încărcate sunt distribuite uniform în volumul corpului. Dar dacă neutralitatea electrică este încălcată (de exemplu, ca urmare a electrificare) corpul începe imediat să acționeze asupra particulelor încărcate din jur.
De ce există exact două tipuri de sarcini electrice, și nu un alt număr dintre ele, nu se știe în prezent. Putem doar afirma că acceptarea acestui fapt ca primar oferă o descriere adecvată a interacțiunilor electromagnetice.
Sarcina unui proton este Cl. Sarcina unui electron este opusă lui în semn și este egală cu C. Valoare
numit sarcina elementara. Aceasta este taxa minimă posibilă: particulele libere cu o încărcătură mai mică nu au fost găsite în experimente. Fizica nu poate explica încă de ce natura are cea mai mică sarcină și de ce magnitudinea ei este tocmai aceea.
Sarcina oricărui corp este întotdeauna suma întregul numărul de sarcini elementare:
Dacă , atunci corpul are un număr în exces de electroni (comparativ cu numărul de protoni). Dacă, dimpotrivă, organismului îi lipsesc electroni: sunt mai mulți protoni.
Electrificarea corpurilor
Pentru ca un corp macroscopic să exercite o influență electrică asupra altor corpuri, acesta trebuie electrificat. Electrificare- aceasta este o încălcare a neutralității electrice a corpului sau a părților sale. Ca rezultat al electrificării, corpul devine capabil de interacțiuni electromagnetice.
Una dintre modalitățile de a electriza un corp este de a-i conferi o sarcină electrică, adică de a obține un exces de sarcini de același semn într-un corp dat. Acest lucru este ușor de făcut cu frecare.
Deci, atunci când frecați o tijă de sticlă cu mătase, o parte din sarcinile sale negative se îndreaptă către mătase. Ca rezultat, bastonul este încărcat pozitiv, iar mătasea este încărcată negativ. Dar când freci un bețișor de ebonită cu lână, o parte din sarcinile negative trece de la lână la băț: bastonul este încărcat negativ, iar lâna este încărcată pozitiv.
Această metodă de electrificare a corpurilor se numește electrificare prin frecare. Te confrunți cu electrificarea prin frecare de fiecare dată când îți scoți un pulover peste cap ;-)
Un alt tip de electrificare se numește inducție electrostatică, sau electrificare prin influență. În acest caz, sarcina totală a corpului rămâne egală cu zero, dar este redistribuită astfel încât sarcinile pozitive să se acumuleze în unele părți ale corpului, iar sarcinile negative în altele.
Orez. 2. Inducția electrostatică
Să ne uităm la fig. 2. La o anumită distanță de corpul metalic există o sarcină pozitivă. Atrage sarcinile negative ale metalului (electroni liberi), care se acumulează pe zonele suprafeței corpului cele mai apropiate de sarcină. Sarcinile pozitive necompensate rămân în regiunile îndepărtate.
În ciuda faptului că sarcina totală a corpului metalic a rămas egală cu zero, în corp a avut loc o separare spațială a sarcinilor. Dacă acum împărțim corpul de-a lungul liniei punctate, atunci jumătatea dreaptă va fi încărcată negativ, iar jumătatea stângă pozitiv.
Puteți observa electrificarea corpului folosind un electroscop. Un electroscop simplu este prezentat în Fig. 3 (imagine de pe en.wikipedia.org).
Orez. 3. Electroscop
Ce se întâmplă în acest caz? O tijă încărcată pozitiv (de exemplu, frecat anterior) este adusă pe discul electroscopului și colectează o sarcină negativă pe acesta. Mai jos, pe frunzele în mișcare ale electroscopului, rămân sarcini pozitive necompensate; împingându-se una de cealaltă, frunzele diverg în direcții diferite. Dacă scoți bagheta, atunci încărcăturile se vor întoarce la locul lor și frunzele vor cădea înapoi.
Fenomenul de inducție electrostatică la scară grandioasă se observă în timpul unei furtuni. Pe fig. 4 vedem un nor de tunete trecând peste pământ.
Orez. 4. Electrificarea pământului de către un nor de tunete
În interiorul norului există slocuri de gheață de diferite dimensiuni, care sunt amestecate de curenții de aer ascendenți, se ciocnesc între ele și se electrifică. În acest caz, se dovedește că o sarcină negativă se acumulează în partea inferioară a norului, iar o sarcină pozitivă se acumulează în partea superioară.
Partea inferioară a norului încărcată negativ induce sarcini pozitive pe suprafața pământului. Apare un condensator gigant cu o tensiune colosală între nor și pământ. Dacă această tensiune este suficientă pentru a sparge întrefierul, atunci va avea loc o descărcare - fulger, binecunoscut de dvs.
Legea conservării sarcinii
Să revenim la exemplul electrificării prin frecare - frecarea bățului cu o cârpă. În acest caz, băţul şi bucata de pânză capătă sarcini egale ca mărime şi semn opus. Sarcina lor totală, deoarece era egală cu zero înainte de interacțiune, rămâne egală cu zero după interacțiune.
Vedem aici legea conservării sarcinii care scrie: într-un sistem închis de corpuri, suma algebrică a sarcinilor rămâne neschimbată pentru orice proces care are loc cu aceste corpuri:
Închiderea unui sistem de corpuri înseamnă că aceste corpuri pot schimba sarcini numai între ele, dar nu cu alte obiecte externe sistemului dat.
Când stick-ul este electrificat, nu este nimic surprinzător în conservarea sarcinii: câte particule încărcate au părăsit stick-ul - aceeași cantitate a ajuns la o bucată de pânză (sau invers). În mod surprinzător, în procese mai complexe, însoțite de transformări reciproce particulele elementare și schimbarea numărului particule încărcate din sistem, încărcarea totală este încă conservată!
De exemplu, în fig. 5 arată procesul în care o porțiune de radiație electromagnetică (așa-numita foton) se transformă în două particule încărcate - un electron și un pozitron. Un astfel de proces este posibil în anumite condiții - de exemplu, în câmpul electric al nucleului atomic.
Orez. 5. Crearea unei perechi electron-pozitron
Sarcina pozitronului este egală în valoare absolută cu sarcina electronului și este opusă acesteia în semn. Legea conservării sarcinii este îndeplinită! Într-adevăr, la începutul procesului am avut un foton a cărui sarcină este zero, iar la sfârșit am obținut două particule cu sarcină totală zero.
Legea conservării sarcinii (împreună cu existența celei mai mici sarcini elementare) este astăzi faptul științific primar. Fizicienii nu au reușit încă să explice de ce natura se comportă în acest fel și nu altfel. Putem afirma doar că aceste fapte sunt confirmate de numeroase experimente fizice.
