Elektrické náboje, ich vzájomné pôsobenie.
Jednosmerný elektrický obvod, jeho základné zákony.
Elektronická teória štruktúry hmoty.
Všetky látky v prírode sa skladajú z molekúl, molekúl atómov.
Molekula je najmenšia častica, ktorá má chemické vlastnosti danej látky.
Atóm je najmenšia častica, ktorá má chemické a fyzikálne vlastnosti daného prvku.
Skladá sa to z:
kladne nabité jadro
záporné elektróny rotujúce po povolených dráhach.
Jadro pozostáva z pozitívnych protónov a neutrálnych neutrónov.
Náboj elektrónu sa rovná náboju protónu, ale znamienka sú opačné. Tieto elementárne častice nie sú rovnaké vo veľkosti a hmotnosti, protón je väčší ako elektrón.
Atóm je elektricky neutrálna častica (nie je nabitá), to znamená, že koľko protónov je v jadre, toľko elektrónov sa točí okolo jadra, pretože jeden protón pojme jeden elektrón.
Rozmanitosť sveta okolo nás sa teda formuje z rôznych kombinácií iba troch častíc: neutrónu, protónu a elektrónu, ktoré majú zasa aj vnútornú štruktúru.
valenčné elektróny sú elektróny, ktoré sú na extrémnej obežnej dráhe. Určujú chemické vlastnosti látky a jej elektrickú vodivosť.
Elektrická vodivosť je schopnosť látky viesť elektrický prúd.
Elektrické náboje, ich vzájomné pôsobenie.
Už v dávnych dobách bolo známe, že jantár, nosený na vlne, získava schopnosť priťahovať ľahké predmety. Neskôr sa zistilo, že podobnú vlastnosť má aj mnoho iných látok. Telesá schopné, ako napríklad jantár, po trení priťahovať ľahké predmety, sa nazývajú elektrifikované. Na telesách v tomto stave sú elektrické náboje a samotné telá sa nazývajú nabité.
V prírode existujú iba dva typy nábojov - pozitívne a negatívne. Náboje rovnakého znamienka (ako náboje) sa odpudzujú, náboje opačných znamienok (opačné náboje) sa priťahujú.
Najmenší (elementárny) náboj majú elementárne častice. Napríklad protón a pozitrón sú nabité kladne, elektrón a antiprotón sú nabité záporne.
Elementárny záporný náboj má rovnakú veľkosť ako elementárny kladný náboj. V sústave SI sa náboj meria v prívesky(CL). Hodnota elementárneho náboja e \u003d 1,6-10-19 °C. V prírode nikde a nikdy nevzniká a nezaniká elektrický náboj rovnakého znamenia. Výskyt kladného elektrického náboja + q je vždy sprevádzaný objavením sa rovnakého záporného elektrického náboja - q. Ani kladné, ani záporné náboje nemôžu zmiznúť oddelene od seba, môžu sa navzájom neutralizovať iba vtedy, ak sú rovnaké.
Ak chcete získať náboj z neutrálneho atómu, musíte pôsobiť nejakou silou a odtrhnúť elektróny alebo pripojiť cudzie elektróny k neutrálnemu atómu. Výsledkom je, že pri oddelení (napríklad počas trenia) sa získa kladne nabitý atóm, ktorý sa nazýva kladný ión a po pripojení - záporný ión.
Ionizácia je proces tvorby nábojov z neutrálneho atómu.
8.1. Dva typy elektrických nábojov
Ak majú niektoré častice (alebo telesá) schopnosť podieľať sa na elektrických interakciách, potom má zmysel prisúdiť im nejakú charakteristiku, ktorá bude naznačovať túto ich vlastnosť. Táto vlastnosť je tzv nabíjačka. Telesá, ktoré sa zúčastňujú elektrických interakcií, sa nazývajú nabité. Výraz „elektricky nabitý“ je teda synonymom výrazu „zúčastňuje sa elektrických interakcií“. Prečo niektoré elementárne častice majú elektrický náboj, zatiaľ čo iné nie - nikto nevie!
Ďalšie úvahy založené na experimentálnych údajoch majú túto charakteristiku konkretizovať, ak je to možné, urobiť ju kvantitatívnou.
História štúdia elektrických javov je dlhá a plná drámy, ...
Ďalej popíšeme sériu jednoduchých experimentov, ktoré je možné vykonávať doma „v kuchyni“ alebo v školskom laboratóriu. Pri ich vysvetľovaní využijeme poznatky, ktoré získali mnohí vedci za niekoľko stoviek rokov ako výsledok početných a rôznorodých experimentov.
Teraz budeme vo veľmi zjednodušenej forme reprodukovať niektoré etapy experimentálneho výskumu, ktorých závery slúžili ako základ pre modernú teóriu elektrických interakcií.
Na vykonávanie experimentov by sme sa mali najprv naučiť, ako získať nabité telá. Najjednoduchší spôsob, ako dosiahnuť tento cieľ, je elektrifikácia trením. Napríklad sklo je dobre elektrifikované (to znamená, že získava elektrický náboj), ak sa potrie hodvábom. Vzhľad elektrického náboja sa prejavuje v tom, že takáto palica začne priťahovať kúsky papiera, chĺpky, prachové častice atď.
Možno tiež konštatovať, že mnohé iné látky sú tiež elektrizované trením. S vedomím vopred výsledku, ako druhý „zdroj“ elektriny volíme ebonitovú palicu nosenú s vlnou. Elektrický náboj, ktorý sa objaví na skle, nazvime „sklo“ a náboj na ebonitu „živica“.
Ďalej potrebujeme „zariadenie“, ktoré by dokázalo reagovať na prítomnosť elektrického náboja. Na to zavesíme na niť svetlú šálku stočenú z kúska fólie. Skontrolovať, či nie je tento pohárik nabitý, je jednoduché – aby sme si k nemu nepriniesli ceruzku, ruku, učebnicu fyziky a pod., žiadny vplyv na pohár sa neprejaví.
Nabitú sklenenú elektrickú palicu priložíme k nenabitému poháru (obr. 141). Sklo to priťahuje, ako iné malé telá. Z uhla odchýlky vlákna (so známou hmotnosťou misky a dĺžkou vlákna) možno dokonca vypočítať silu príťažlivosti. Ak sa sklo nedostane do kontaktu s nabitou tyčinkou, zostane nenabité, čo sa dá jednoducho experimentálne overiť. Ak sa sklo dotkne nabitej tyčinky, prudko sa od nej odpudí. Ak teraz prútik vyberieme, sklo sa nabije, čo sa dá overiť priložením ďalšieho nenabitého tela. Upúta napríklad zdvihnutá ruka.
Podobné výsledky dosiahneme, ak sklenenú tyčinku natretú na hodváb nahradíme ebonitovou tyčinkou natretou na vlne.
V týchto experimentoch sa teda neobjavuje rozdiel medzi „sklenenou“ a „živicovou“ elektrinou.
Zatiaľ nebudeme rozoberať, prečo nenabitý pohár priťahuje nabitá tyčinka a nabitý pohár priťahuje nenabitá ruka. Jediný záver, ktorý môžeme z experimentu vyvodiť, je, že v dôsledku kontaktu sklo získalo elektrický náboj. Preto elektrický náboj môžu byť prenášané z jedného tela do druhého.
Vezmite dva rovnaké fóliové poháre, zaveste ich vedľa seba na vlákna rovnakej dĺžky. Ak sa poháre nabijú rovnakým spôsobom (buď pomocou pohára alebo pomocou ebonitovej tyčinky), potom sa poháre odpudzujú (obr. 142). Ak sú poháre nabité rôznymi nábojmi, potom priťahujú.
Dokazujeme teda, že existuje aspoň dva typy elektrických nábojov.
Pre ďalšie experimenty nahradíme „odmerky“ pokročilejším prístrojom nazývaným elektrometer (obr. 143). Zariadenie pozostáva z kovovej tyče a ľahkého kovového ukazovateľa, ktorý sa môže otáčať okolo horizontálnej osi. Toto zariadenie je umiestnené v kovovom obale pokrytom sklenenými krytmi. Uhol vychýlenia ukazovateľa je možné merať pomocou stupnice. Hrot šípu je v tele upevnený plexisklom. Tyč so šípom hrá rovnakú úlohu ako alobalové misky v predchádzajúcich pokusoch - pri dotyku nabitého telesa s tyčou náboj pretečie k tyči a k šípu, čo povedie k jej vychýleniu. Smer odchýlky šípky navyše nezávisí od typu hláseného náboja.
Na ďalšie experimenty použijeme dva rovnaké elektroskopy. Nabite jeden z nich napríklad pomocou sklenenej tyčinky. Ďalej začneme spájať tyče elektromerov pomocou rôznych materiálov. Pri spájaní tyčí drevenými, nenabitými sklenenými, ebonitovými, plastovými tyčinkami; textilných nití nedochádza k žiadnym zmenám - jeden elektrometer zostáva nabitý, druhý nenabitý. Ak spojíte tyče kovovým drôtom, potom sú oba elektromery nabité. Okrem toho sa zníži odchýlka šípky pôvodne nabitého elektromera (obr. 144).
Z výsledkov tohto experimentu možno vyvodiť dva dôležité závery: po prvé, niektoré materiály (kovy) môžu prenášať elektrický náboj, iné (sklo, plast, drevo) nie; po druhé, náboj sa môže meniť, byť viac alebo menej. Rovnaké experimenty možno opakovať s použitím elektriny druhého typu („živice“). Výsledky budú rovnaké – materiály, ktoré vedú „sklenený“ elektrický prúd, vedú „živicový“ elektrický prúd. Ak sa "sklenený" náboj prerozdelí medzi elektromery, potom sa chová aj "živicový" náboj.
Materiály teda môžeme rozdeliť do dvoch skupín – tie, ktoré prenášajú elektrický náboj (tieto materiály sú tzv vodičov), a tie, ktoré neprenášajú elektrický náboj (tzv izolantov). Mimochodom, tyč elektromera je oddelená od tela pomocou izolačného puzdra, takže elektrický náboj sa „nešíri“ po tele, ale zostáva na tyči a šípke.
Rôzne odchýlky strelky elektromera jasne naznačujú, že sila interakcie medzi nabitými telesami môže byť rôzna, a teda aj veľkosť nábojov môže byť rôzna. Preto môže byť poplatok charakterizovaný nejakou číselnou hodnotou (a nie, ako sme už povedali - „je alebo nie je“).
Ďalší zaujímavý výsledok - ak sa dotknete tyče nabitého elektromera rukou, elektromer sa vybije - náboj zmizne. Aj na základe týchto kvalitatívnych pozorovaní je možné vysvetliť, kde pri dotyku ruky zmizne náboj. Ľudské telo je vodič, takže náboj môže prúdiť do ľudského tela.
Na potvrdenie tejto myšlienky o kvantitatívnom charaktere náboja je možné vykonať nasledujúci experiment. Nabíjame jeden elektrometer - zaznamenávame uhol odchýlky šípky. Pripojíme ho k druhému elektromeru - uhol odchýlky šípky sa výrazne zníži. Odstránime kontakt medzi prístrojmi a rukou, vybijeme druhý elektromer, potom opäť pripojíme elektromery - odchýlka šípky sa opäť zníži. Elektrický náboj teda možno rozdeliť na časti. Môžete tiež vykonať opačný experiment - postupné pridávanie náboja do elektromera.
Teraz „zmiešajte“ dva dostupné typy elektriny. Za týmto účelom nabíjame jeden elektrometer „sklenenou“ elektrinou a druhý „živicou“, pričom sa snažíme zabezpečiť, aby počiatočné odchýlky šípok oboch elektromerov boli približne rovnaké. Potom tyče elektromerov spojíme kovovým drôtom (na izolačnej rukoväti, aby nám neutekali náboje). Výsledok tohto experimentu môže byť prekvapivý – oba elektroskopy boli vybité, prípadne sa „sklo“ a „živica“ elektrina neutralizovali, navzájom kompenzovali (obr. 145). V dôsledku toho sa ukazuje, že je možné priradiť rôzne algebraické znamienka rôznym typom náboja - jeden náboj nazývať kladný, druhý záporný. Je rozumné predpokladať, že sila interakcie závisí od celkového náboja. Ak boli elektromery spočiatku nabité rôznymi typmi elektriny, ale v inom rozsahu (odchýlky šípok sú rôzne) a potom boli spojené, dôjde len k čiastočnej kompenzácii nábojov - šípky budú vychýlené, ale k v oveľa menšej miere.
Historicky sa náboj „skla“ nazýval pozitívny a náboj „živice“ sa stal záporným.
Nami popísaný prístroj, elektrometer, umožňuje len kvalitatívne posúdiť veľkosť nábojov, nie je možné s ním robiť kvantitatívne merania. Skúste napríklad priložiť ruku k nabitému elektromeru (bez dotyku tyče) - odchýlka šípky sa zvýši! Prineste nabitú tyčinku k nenabitej tyči bez toho, aby ste sa jej dotkli - šípka sa odchýli, hoci elektromer nie je nabitý. K vysvetleniu týchto skutočností sa vrátime neskôr.
Zavesením ľahkých guľôčok fólie na dve nite a dotykom každej z nich sklenenou tyčinkou natretou na hodvábe môžete vidieť, že guľôčky sa budú navzájom odpudzovať. Ak sa potom jednej guličky dotknete sklenenou tyčinkou natretou na hodvábe a druhej ebonitovou tyčinkou natretou na kožušine, guličky sa budú k sebe priťahovať. To znamená, že sklenené a ebonitové tyče získavajú náboje rôznych znamení , t.j. existujú v prírode dva druhy elektrických nábojov majú opačné znamienka: pozitívne a negatívne. Zhodli sme sa na tom, že sklenená tyčinka, natretá na hodváb, nadobúda kladný náboj , a ebonitová palica, otretá o srsť, získava záporný náboj .
Z opísaného experimentu tiež vyplýva, že nabité telesá interagovať navzájom. Táto interakcia nábojov sa nazýva elektrická. V čom podobné poplatky, tie. poplatky rovnakého znamenia , sa navzájom odpudzujú a opačné náboje sa priťahujú.
Zariadenie je založené na fenoméne odpudzovania rovnako nabitých telies elektroskop- nástroj na určenie, či je daný orgán nabitý, a elektromer, prístroj, ktorý umožňuje odhadnúť hodnotu elektrického náboja.
Ak sa nabité teleso dotkne tyče elektroskopu, listy elektroskopu sa rozptýlia, pretože získajú náboj rovnakého znamienka. To isté sa stane s ihlou elektromera, ak sa nabité teleso dotkne jeho tyče. V tomto prípade platí, že čím väčší náboj, tým väčší uhol sa šípka odchýli od tyče.
Z jednoduchých experimentov vyplýva, že sila interakcie medzi nabitými telesami môže byť väčšia alebo menšia v závislosti od veľkosti získaného náboja. Môžeme teda povedať, že elektrický náboj na jednej strane charakterizuje schopnosť tela na elektrickú interakciu a na druhej strane je to veličina, ktorá určuje intenzitu tejto interakcie.
Náboj je označený písmenom q , braný ako jednotka nákladov prívesok: [q ] = 1 cl.
Ak sa dotknete jedného elektromera nabitou tyčinkou a potom tento elektromer pripojíte kovovou tyčou k inému elektromeru, náboj na prvom elektromere sa rozdelí medzi dva elektromery. Potom môžete elektromer pripojiť k niekoľkým ďalším elektromerom a medzi nimi sa bude náboj zdieľať. Elektrický náboj má teda vlastnosť deliteľnosti . Hranica deliteľnosti náboja, t.j. najmenší náboj, ktorý existuje v prírode, je náboj elektrón. Náboj elektrónu je záporný a rovný 1,6 x 10 -19 °C. Akýkoľvek iný náboj je násobkom náboja elektrónu.
§ 1 Dva druhy elektrických nábojov. Interakcia elektrických nábojov
Štruktúra vesmíru je tvorená gravitačnou príťažlivosťou, ale iba táto sila by viedla k neobmedzenému stláčaniu. Aby rozmery telies zostali stabilné, je potrebná odpudivá sila. Tieto sily zahŕňajú sily elektromagnetickej interakcie. Spôsobujú príťažlivosť a odpudzovanie častíc. Elektrodynamika je oblasť fyziky, ktorá študuje elektromagnetickú interakciu nabitých častíc. Elektrostatika je časť elektrodynamiky, ktorá študuje interakciu nehybných (statických) elektrických nábojov.
Čo je elektrický náboj? Na vytvorenie reprezentácie sú potrebné počiatočné informácie, poznatky, skúsenosti, experimenty a hypotézy.
Elektrická interakcia (na rozdiel od gravitačnej) nie je len vzájomná príťažlivosť, ale aj odpudzovanie.
Urobme experiment: ebonitovú palicu, elektrizovanú trením, prinesieme najskôr jednému „sultánovi“, potom druhému. Uvidíme, že listy sa budú odpudzovať, keď „sultánov“ k sebe priblížime (obr. 1).
Druhého „sultána“ elektrizujeme palicou zo skla, nosenou na hodvábe. Prinesme to prvému „sultánovi“ a uvidíme príťažlivosť ich listov (obr. 2, 3).
Tieto experimenty môžu potvrdiť elektrické náboje existujúce v prírode (pozitívne a negatívne).
Telesá s elektrickým nábojom interagujú navzájom takto:
priťahujú, ak majú náboje opačného znamienka (obr. 4);
odpudzujú, ak majú náboje rovnakého znamienka (obr. 5).
V procese elektrizácie rôznych telies bude sila interakcie medzi telesami väčšia (ak má telo veľký náboj) alebo menšia (ak má telo malý náboj). Náboj je teda fyzikálna veličina a za jednotku náboja sa považuje 1 prívesok (1C).
Elektrický náboj je fyzikálna miera, ktorá charakterizuje vlastnosti nabitých telies pri vzájomnej interakcii.
Najmenšia časť náboja je elementárny náboj, rovná sa 1,6 10-19 C. Nabitie žiadneho telesa nemôže byť menšie ako táto hodnota.
Ak ebonitovú palicu zelektrizujete vlnenou rukavicou a sklenenú palicu hodvábnym šálom a potom palice zavesíte na vlákna, môžete vidieť, že:
Ebonit a vlna sa navzájom priťahujú;
Sklo a hodváb sa navzájom priťahujú;
Sklo a vlna sa navzájom odpudzujú;
Ebonit a hodváb sa navzájom odpudzujú.
Dve telesá elektrizujeme trením, pričom sú nabité rovnakou veľkosťou a opačným znamienkovým nábojom. Vplyvom kontaktu prvé teleso elektróny stráca, druhé ich získava. To môže vysvetliť, prečo na jednom tele bude prebytok elektrónov (záporný náboj) a na druhej strane nedostatok (kladný náboj).
Záver: ak je telo negatívne nabité, potom má prebytok elektrónov, ale ak áno
kladne nabitý, chýbajú mu elektróny.
Dve elektrifikované telesá sa priťahujú alebo odpudzujú, záleží na tom, ako sú zelektrizované. Telesá, ktoré sú elektrizované trením, vždy len priťahujú.
Vo vodičoch sa niektoré elektróny môžu pohybovať z jedného atómu na druhý, k tomuto procesu dochádza v dôsledku skutočnosti, že elektróny sú slabo viazané na atómové jadro. Nazývajú sa slobodné. Práve tieto atómy zabezpečujú prenos náboja (vodivosť).
V dielektrikách prakticky neexistuje žiadna vodivosť, pretože nemajú takmer žiadne voľné elektróny a „niktoho“, ktorý by niesol náboj.
Podľa elektrických vlastností možno všetky látky rozdeliť do dvoch typov:
1. Dielektriká – látky, ktoré nemajú voľné náboje a neumožňujú, aby náboj jedného telesa „pretiekol“ k iným telesám.
2. Vodiče sú telesá a látky, v ktorých sú voľné nabité častice; môžu sa pohybovať, pričom prenášajú náboj do iných častí tela alebo do iných telies.
Podľa schopnosti viesť náboj možno látky rozdeliť na vodiče: kovy, pôda, roztoky solí a kyselín a pod., a nevodivé (dielektrika): porcelán, ebonit, sklo, plyny, plasty a pod.. Medzi polovodiče patria množstvo látok, ktorých vodivosť závisí od vonkajších podmienok (teplota, osvetlenie, prítomnosť nečistôt).
Elektrometer je zariadenie na zisťovanie elektrických nábojov a určovanie ich približnej hodnoty (obr. 6).
Ak chcete zistiť, či je telo nabité alebo nie, môžete použiť elektromer. Aby ste to dosiahli, musíte priviesť telo k lopte A, ak je telo nabité, potom sa šípka B odchýli. Prečo klesá? Predpokladajme, že telo malo negatívny náboj, t.j. na tele bol nadbytok elektrónov. Pri kontakte s loptou sa časť elektrónov presunie do elektrometra. Lopta bude negatívne nabitá. Guľa je pripojená k tyči a tyč je pripojená k šípke a všetky sú vodičmi, elektróny sa presunú k tyči a potom k šípke. Plastová zátka pomôže pri izolácii systému lopty, tyče, šípu. V dôsledku toho tyč a šíp dostanú rovnaký záporný náboj a budú sa odpudzovať, čím sa šíp odchýli. Navyše, čím väčší je náboj, tým väčší je uhol vychýlenia šípu. Elektrometer umožňuje len odhadnúť veľkosť náboja, t.j. povedzme, že jedno telo má väčší náboj ako druhé. Pomocou elektromera nie je možné určiť prítomnosť malého náboja, pretože. pri malom náboji nebude odpudivá sila podobných nábojov stačiť na vychýlenie šípu, t.j. pomocou elektromera nie je možné určiť prítomnosť malého náboja. Prečo sa šípka vracia do svojej pôvodnej polohy bez náboja? Šípka bude mať tendenciu zaujať vertikálnu polohu, pretože bod zavesenia šípu je nad ťažiskom.
Témy kodifikátora USE: elektrizácia telies, interakcia nábojov, dva druhy náboja, zákon zachovania elektrického náboja.
Elektromagnetické interakcie patria medzi najzákladnejšie interakcie v prírode. Sily pružnosti a trenia, tlak plynu a mnohé ďalšie možno redukovať na elektromagnetické sily medzi časticami hmoty. Samotné elektromagnetické interakcie už nie sú redukované na iné, hlbšie typy interakcií.
Rovnako zásadným typom interakcie je gravitácia – gravitačná príťažlivosť akýchkoľvek dvoch telies. Medzi elektromagnetickými a gravitačnými interakciami však existuje niekoľko dôležitých rozdielov.
1. Nie každý sa môže zúčastniť elektromagnetických interakcií, ale iba spoplatnené telá (majú nabíjačka).
2. Gravitačná interakcia je vždy príťažlivosť jedného tela k druhému. Elektromagnetické interakcie môžu byť príťažlivosťou aj odpudzovaním.
3. Elektromagnetická interakcia je oveľa intenzívnejšia ako gravitačná. Napríklad elektrická odpudivá sila dvoch elektrónov je niekoľkonásobne väčšia ako sila ich gravitačnej príťažlivosti k sebe navzájom.
Každé nabité teleso má určité množstvo elektrického náboja. Elektrický náboj je fyzikálna veličina, ktorá určuje silu elektromagnetickej interakcie medzi objektmi prírody. Jednotkou poplatku je prívesok(CL).
Dva druhy nabíjania
Keďže gravitačná interakcia je vždy príťažlivá, hmotnosti všetkých telies sú nezáporné. To však neplatí pre poplatky. Dva typy elektromagnetickej interakcie - príťažlivosť a odpudzovanie - sú pohodlne opísané zavedením dvoch typov elektrických nábojov: pozitívne a negatívne.
Náboje rôznych znamení sa navzájom priťahujú a náboje rôznych znamení sa odpudzujú. Toto je znázornené na obr. jeden ; guľôčky zavesené na vláknach dostávajú náboje jedného alebo druhého znamenia.
Ryža. 1. Interakcia dvoch typov nábojov
Všadeprítomný prejav elektromagnetických síl sa vysvetľuje tým, že nabité častice sú prítomné v atómoch akejkoľvek látky: kladne nabité protóny sú súčasťou atómového jadra a záporne nabité elektróny sa pohybujú po dráhach okolo jadra.
Náboje protónu a elektrónu sú v absolútnej hodnote rovnaké a počet protónov v jadre sa rovná počtu elektrónov na obežných dráhach, a preto sa ukazuje, že atóm ako celok je elektricky neutrálny. Preto za normálnych podmienok elektromagnetický efekt okolitých telies nezaznamenávame: celkový náboj každého z nich je nulový a nabité častice sú rovnomerne rozložené po celom objeme telesa. Ak je však narušená elektrická neutralita (napríklad v dôsledku elektrifikácia) teleso okamžite začne pôsobiť na okolité nabité častice.
Prečo existujú práve dva typy elektrických nábojov a nie nejaký iný počet, v súčasnosti nie je známe. Môžeme len tvrdiť, že akceptovanie tohto faktu ako primárneho poskytuje adekvátny popis elektromagnetických interakcií.
Náboj protónu je Cl. Náboj elektrónu je opačný v znamienku a rovná sa C. Hodnota
volal elementárny náboj. Toto je minimálny možný náboj: voľné častice s menším nábojom sa v experimentoch nenašli. Fyzika zatiaľ nevie vysvetliť, prečo má príroda najmenší náboj a prečo je jej veľkosť práve taká.
Náboj akéhokoľvek telesa je vždy súčtom celá počet základných poplatkov:
Ak , potom má telo prebytok elektrónov (v porovnaní s počtom protónov). Ak naopak telu chýbajú elektróny: protónov je viac.
Elektrifikácia tiel
Aby makroskopické teleso mohlo pôsobiť elektrickým vplyvom na iné telesá, musí byť elektrifikované. Elektrifikácia- ide o porušenie elektrickej neutrality tela alebo jeho častí. V dôsledku elektrifikácie sa telo stáva schopným elektromagnetických interakcií.
Jedným zo spôsobov, ako zelektrizovať teleso, je odovzdať mu elektrický náboj, teda dosiahnuť prebytok nábojov rovnakého znamienka v danom telese. To sa dá ľahko urobiť trením.
Takže pri trení sklenenej tyčinky hodvábom časť jej záporných nábojov prechádza do hodvábu. Výsledkom je, že tyčinka je nabitá kladne a hodváb záporne. Ale pri trení ebonitovej tyčinky vlnou sa časť záporných nábojov prenáša z vlny na tyčinku: tyčinka je nabitá záporne a vlna je nabitá kladne.
Tento spôsob elektrifikácie telies je tzv elektrifikácia trením. S elektrifikáciou trením sa stretávate vždy, keď si vyzlečiete sveter cez hlavu ;-)
Iný typ elektrifikácie je tzv elektrostatická indukcia, alebo elektrifikácia prostredníctvom vplyvu. V tomto prípade zostáva celkový náboj tela rovný nule, ale je prerozdelený tak, že v niektorých častiach tela sa hromadia kladné náboje a v iných záporné náboje.
Ryža. 2. Elektrostatická indukcia
Pozrime sa na obr. 2. V určitej vzdialenosti od kovového tela je kladný náboj. Priťahuje negatívne náboje kovu (voľné elektróny), ktoré sa hromadia v oblastiach povrchu tela, ktoré sú najbližšie k náboju. Vo vzdialených oblastiach zostávajú nekompenzované kladné náboje.
Napriek tomu, že celkový náboj kovového tela zostal rovný nule, došlo v tele k priestorovému oddeleniu nábojov. Ak teraz rozdelíme telo pozdĺž bodkovanej čiary, potom bude pravá polovica nabitá záporne a ľavá kladne.
Elektrifikáciu tela môžete pozorovať pomocou elektroskopu. Jednoduchý elektroskop je znázornený na obr. 3 (obrázok z en.wikipedia.org).
Ryža. 3. Elektroskop
Čo sa stane v tomto prípade? Kladne nabitá tyč (napríklad predtým otretá) sa privedie na disk elektroskopu a zbiera na ňom záporný náboj. Nižšie, na pohyblivých listoch elektroskopu, zostávajú nekompenzované kladné náboje; odtláčaním od seba sa listy rozchádzajú v rôznych smeroch. Ak prútik odstránite, náboje sa vrátia na svoje miesto a listy padnú späť.
Fenomén elektrostatickej indukcie v grandióznom meradle je pozorovaný počas búrky. Na obr. 4 vidíme, ako nad zemou prechádza búrkový mrak.
Ryža. 4. Elektrifikácia zeme búrkovým mrakom
Vo vnútri oblaku sa nachádzajú ľadové kryhy rôznych veľkostí, ktoré sa miešajú stúpajúcimi prúdmi vzduchu, narážajú do seba a elektrizujú. V tomto prípade sa ukazuje, že záporný náboj sa hromadí v spodnej časti oblaku a kladný náboj sa hromadí v hornej časti.
Záporne nabitá spodná časť oblaku indukuje kladné náboje na povrchu zeme. Objaví sa obrovský kondenzátor s kolosálnym napätím medzi mrakom a zemou. Ak je toto napätie dostatočné na prerazenie vzduchovej medzery, dôjde k výboju - vám dobre známemu blesku.
Zákon zachovania náboja
Vráťme sa k príkladu elektrifikácie trením – trením palice handričkou. V tomto prípade palica a kus látky získajú náboje rovnakej veľkosti a opačného znamienka. Ich celkový náboj, keďže bol pred interakciou rovný nule, zostáva po interakcii rovný nule.
Vidíme tu zákon zachovania náboja ktorý znie: v uzavretom systéme telies zostáva algebraický súčet nábojov nezmenený pre všetky procesy, ktoré sa vyskytujú s týmito telesami:
Uzatvorenosť sústavy telies znamená, že tieto telesá si môžu vymieňať náboje iba medzi sebou, ale nie s inými objektmi mimo daného systému.
Keď je palica elektrifikovaná, nie je nič prekvapujúce pri zachovaní náboja: koľko nabitých častíc opustilo palicu - rovnaké množstvo prišlo na kus látky (alebo naopak). Prekvapivo pri zložitejších procesoch, sprevádzaných vzájomné premeny elementárne častice a zmena čísla nabité častice v systéme, celkový náboj je stále zachovaný!
Napríklad na obr. 5 je znázornený proces, pri ktorom časť elektromagnetického žiarenia (tzv fotón) sa mení na dve nabité častice - elektrón a pozitrón. Takýto proces je možný za určitých podmienok – napríklad v elektrickom poli atómového jadra.
Ryža. 5. Vytvorenie páru elektrón-pozitrón
Nabitie pozitrónu sa v absolútnej hodnote rovná náboju elektrónu a je opačné v znamienku. Zákon zachovania náboja je splnený! Skutočne, na začiatku procesu sme mali fotón, ktorého náboj je nulový, a na konci sme dostali dve častice s nulovým celkovým nábojom.
Zákon zachovania náboja (spolu s existenciou najmenšieho elementárneho náboja) je dnes primárnym vedeckým faktom. Fyzikom sa zatiaľ nepodarilo vysvetliť, prečo sa príroda správa tak a nie inak. Môžeme len konštatovať, že tieto skutočnosti potvrdzujú početné fyzikálne experimenty.
