Какие виды зарядов существуют: Какие два рода зарядов существуют в природе

Какие виды электрических зарядов существуют

Происходящие в природе физические процессы не всегда объясняются действием законов молекулярно-кинетической теории, механики либо термодинамики. Существуют еще электромагнитные силы, которые действуют на расстоянии и не зависят от массы тела.

Их проявления впервые описаны в трудах древних ученых Греции, когда они янтарем, потертым о шерсть, притягивали легкие, маленькие частицы отдельных веществ.

Исторический вклад ученых в развитие электродинамики

Опыты с янтарем подробно изучались английским исследователем Уильямом Гильбертом . В последних годах XVI века он сделал отчет о своей работе, а предметы, способные притягивать другие тела на расстоянии, обозначил термином «наэлектризованные».

Французским физиком Шарлем Дюфе было определено существование зарядов с противоположными знаками: одни образовывались при трении стеклянных предметов о шелковую ткань, а другие — смол по шерсти. Он так и назвал их: стеклянные и смоляные.

После завершения исследований Бенджамина Франклина было введено понятие отрицательных и положительных зарядов.

Шарль Кулон реализовал возможность измерения силы зарядов конструкцией крутильных весов собственного изобретения.

Роберт Милликен на основе серии проведенных опытов установил дискретный характер электрических зарядов любого вещества, доказав, что они состоят из определенного количества элементарных частиц. (Не путать с другим понятием этого термина — дробности, прерывистости.)

Труды перечисленных ученых послужили фундаментом современных знаний о процессах и явлениях, происходящих в электрических и магнитных полях, создаваемых электрическими зарядами и их движением, изучаемых электродинамикой.

Определение зарядов и принципы их взаимодействия

Электрическим зарядом характеризуют свойства веществ, обеспечивающих им возможность создавать электрические поля и взаимодействовать в электромагнитных процессах. Еще его называют количеством электричества и определяют как физическую скалярную величину.

Для обозначения заряда приняты символы «q» или «Q», а при измерениях используют единицу «Кулон», названную в честь французского ученого, разработавшего уникальную методику.

Им был создан прибор, в корпусе которого использовались подвешенные на тонкой нити из кварца шарики. Они ориентировались в пространстве определенным образом, а их положение регистрировалось относительно проградуированной шкалы с равными делениями.

Через специальное отверстие в крышке к этим шарикам подводился другой шар, обладающий дополнительным зарядом. Возникающие силы взаимодействия заставляли отклоняться шарики, поворачивали их коромысло. Величина разницы отсчетов на шкале до ввода заряда и после него позволяла оценивать количество электричества в испытуемых образцах.

Заряд в 1 кулон характеризуется в системе СИ силой тока в 1 ампер, проходящей через поперечное сечение проводника за время, равное 1 секунде.

Все электрические заряды современная электродинамика разделяет на:

положительные;

отрицательные.

При взаимодействии их между собой у них возникают силы, направление которых зависит от существующей полярности.

Одинакового типа заряды, положительные либо отрицательные, всегда отталкиваются в противоположные стороны, стремясь, как можно дальше удалиться друг от друга. А у зарядов противоположных знаков действуют силы, стремящиеся сблизить их и соединить в одно целое.

Принцип суперпозиции

Когда в определенном объеме находится несколько зарядов, то для них действует принцип суперпозиции.

Его смысл в том, что каждый заряд определенным образом по рассмотренному выше способу взаимодействует со всеми остальными, притягиваясь к разноименным и отталкиваясь от однотипных. К примеру, на положительный заряд q1 действует сила притяжения F31 к отрицательному заряду q3 и отталкивания F21 — от q2.

Результирующая сила F1, действующая на q1, определяется геометрическим сложением векторов F31 и F21. (F1= F31+ F21).

Таким же методом определяются действующие результирующие силы F2 и F3 на заряды q2 и q3 соответственно.

Посредством принципа суперпозиции сделан вывод о том, что при определенном количестве зарядов в замкнутой системе между всеми ее телами действуют установившиеся электростатические силы, а потенциал в любой определенной точке этого пространства равен сумме потенциалов от всех отдельно приложенных зарядов.

Действие этих законов подтверждают созданные приборы электроскоп и электрометр , имеющие общий принцип работы.

Электроскоп состоит из двух одинаковых лепестков тонкой фольги, подвешенных в изолированном пространстве на токопроводящей нити, присоединенной к металлическому шарику. В обычном состоянии на этот шарик заряды не действуют, поэтому лепестки свободно висят в пространстве внутри колбы прибора.

Как можно передавать заряд между телами

Если к шарику электроскопа поднести заряженное тело, например, палочку, то заряд пройдет через шарик по токопроводящей нити к лепесткам. Они получат одноименный заряд и станут отодвигаться друг от друга на угол, пропорциональный приложенному количеству электричества.

У электрометра такое же принципиальное устройство, но он имеет небольшие отличия: один лепесток закреплен стационарно, а второй отходит от него и снабжен стрелкой, которая позволяет снимать отсчет с проградуированной шкалы.

Для переноса заряда от удаленного стационарно закрепленного и заряженного тела на электрометр можно воспользоваться промежуточными носителями.

Измерения, сделанные электрометром, не обладают высоким классом точности и на их основе сложно анализировать силы, действующие между зарядами. Для их исследования больше приспособлены крутильные весы Кулона. У них использованы шарики с диаметрами, значительно меньшими, чем их удаление друг от друга. Они обладают свойствами точечных зарядов — заряженных тел, размеры которых не влияют на точность прибора.

Измерения, выполненные Кулоном, подтвердили его догадку о том, что точечный заряд передается от заряженного тела к такому же по свойствам и массе, но незаряженному таким образом, чтобы равномерно распределиться между ними, уменьшаясь на источнике в 2 раза. Таким способом удалось уменьшать величину заряда в два, три и иное количество раз.

Силы, существующие между неподвижными электрическими зарядами, называют кулоновским либо статическим взаимодействием. Их изучает электростатика, являющаяся одним из разделов электродинамики.

Виды носителей электрических зарядов

Современная наука считает самой маленькой отрицательно заряженной частицей электрон , а положительной — позитрон . Они имеют одинаковую массу 9,1·10-31 кг. Элементарная частица протон обладает всего одним положительным зарядом и массой 1,7·10-27 кг. В природе количество положительных и отрицательных зарядов уравновешено.

В металлах движение электронов создает , а в полупроводниках носителями его зарядов являются электроны и дырки.

В газах ток образуется передвижением ионов — заряженных неэлементарных частиц (атомов или молекул) с положительными зарядами, называемыми катионами либо отрицательными — анионами.

Ионы образуются из нейтральных частиц.

Положительный заряд создается у частицы, потерявшей электрон под действием мощного электрического разряда, светового или радиоактивного облучения, потока ветра, движения масс воды или ряда других причин.

Отрицательные ионы образуются из нейтральных частиц, дополнительно получивших электрон.

Использование ионизации в медицинских целях и быту

Исследователи давно заметили способность отрицательных ионов воздействовать на организм человека, улучшать потребление кислорода воздуха, быстрее доставлять его к тканям и клеткам, ускорять процесс окисления серотонина. Это все в комплексе значительно повышает иммунитет, улучшает настроение, снимает боли.

Первый ионизатор, используемый для лечения людей, получил название люстры Чижевского , в честь советского ученого, который создал прибор, благотворно влияющий на здоровье человека.

В современных электроприборах для работы в бытовых условиях можно встретить встроенные ионизаторы в пылесосы, увлажнители воздуха, фены, сушилки…

Специальные ионизаторы воздуха очищают его состав, уменьшают количество пыли и вредных примесей.

Ионизаторы воды способны снижать количество химических реагентов в ее составе. Их используют для очистки бассейнов и водоемов, насыщая воду ионами меди или серебра, которые уменьшают рост водорослей, уничтожают вирусы и бактерии.

Реферат по физике

по §1-6

Витенбек Марии

Электрический заряд

Электрический заряд — это связанное с телом свойство, позволяющее ему быть источником электрического поля и участвовать в электромагнитных взаимодействиях. Заряд является количественной характеристикой. Единица измерения заряда в СИ — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1А за время 1с. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году. Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда (q1 = q2 = 1Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9×10 9 H.

История

Франклин проводит свой знаменитый опыт с летающим змеем, в котором доказывает, что молния — это электричество

Ещё в глубокой древности было известно, что янтарь, потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы. А уже в конце XVI века английский врач Уильям Гильберт назвал тела, способные после натирания притягивать лёгкие предметы, наэлектризованными.

В 1729 году Шарль Дюфе установил, что существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным». Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл Бенджамин Франклин.

В начале XX века американский физик Роберт Милликен опытным путём показал, что электрический заряд

дискретен , то есть заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда

Электростатика

Электростатикой называют раздел учения об электричестве, в котором изучаются взаимодействия и свойства систем электрических зарядов, неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчета.

Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) — численная характеристика носителей заряда и заряженных тел, которая может принимать положительные и отрицательные значения. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов, взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля, зависят от знака зарядов.

Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, равных 1,6×10 −19 Кл (Или, более точно 1,602176487(40)×10 −19) Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы. Наименьшей по массе покоя устойчивой частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд, является электрон (его масса покоя равна 9,11×10 −31 кг). Наименьшая по массе покоя устойчивая античастица с положительным элементарным зарядом — позитрон, имеющая такую же массу, как и электрон ] . Также существует устойчивая частица с одним положительным элементарным зарядом — протон (масса покоя равна 1,67×10 −27 кг) и другие, менее распространённые, частицы.

Электрический заряд любой элементарной частицы — величина релятивистски инвариантная. Он не зависит от системы отсчёта, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится, он присущ этой частице в течение всего времени ее жизни, поэтому элементарные заряженные частицы зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решеток твёрдых тел скомпенсированы.

Взаимодействие зарядов

Взаимодействие зарядов: одноименно заряженные тела отталкиваются, разноименно — притягиваются друг к другу

Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — это электризация тел при соприкосновении . Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимном отталкиванию объясняется предположением о существовании двух различных видов зарядов. Один вид электрического заряда называют положительным, а другой — отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются друг от друга.

При соприкосновении двух электрически нейтральных тел в результате трения заряды переходят от одного тела к другому. В каждом из них нарушается равенство суммы положительных и отрицательных зарядов, и тела заряжаются разноимённо.

При электризации тела через влияние в нём нарушается равномерное распределение зарядов. Они перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток положительных зарядов, а в другой — отрицательных. Если две эти части разъединить, то они будут заряжены разноимённо.

Закон сохранения электрического заряда

Электрический заряд замкнутой системы сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.

В рассматриваемой системе могут образовываться новые электрически заряженные частицы, например, электроны — вследствие явления ионизации атомов или молекул, ионы — за счёт явления электролитической диссоциации и др. Однако, если система электрически изолирована, то алгебраическая сумма зарядов всех частиц, в том числе и вновь появившихся в такой системе, всегда равна нулю.

Закон сохранения заряда — один из основополагающих законов физики. Закон сохранения заряда был экспериментально подтверждён в 1843 году великим английским ученым Майклом Фарадеем и считается на настоящее время одним из фундаментальных законов сохранения в физике (подобно законам сохранения импульса и энергии).

Свободные заряды

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводники — это тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объему. Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (металлы), в которых перенос зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями; 2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот), в которых перенос зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведёт к химическим изменениям.

Диэлектрики (например стекло, пластмасса) — тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды.

Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Измерение

Простейший электроскоп

Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электроскоп, который состоит из металлического стержня — электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным предметом заряды стекают через электрод на листочки фольги, листочки оказываются одноимённо заряженными и поэтому отклоняются друг от друга.

Также может применяться электрометр, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. При соприкосновении заряженного тела со стрежнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке, и силы отталкивания, действующие между одноимёнными зарядами на стержне и стрелке, вызывают её поворот

Темы кодификатора ЕГЭ : электризация тел, взаимодействие зарядов, два вида заряда, закон сохранения электрического заряда.

Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.

Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение — гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.

1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные тела (имеющие электрический заряд ).

2. Гравитационное взаимодействие — это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.

3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.

Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда . Электрический заряд — это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы . Единицей измерения заряда является кулон (Кл).

Два вида заряда

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия — притяжение и отталкивание — удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные .

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды разных знаков друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1 ; подвешенным на нитях шарикам сообщены заряды того или иного знака.

Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации ) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен Кл. Величина

называется элементарным зарядом . Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:

Если , то тело имеет избыточное количество электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же alt=»»> , то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на больше.

Электризация тел

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация — это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.

Один из способов электризовать тело — сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк — отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть — положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением . С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову;-)

Другой тип электризации называется электростатической индукцией , или электризацией через влияние . В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других — отрицательные.

Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис. 2 . На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд . Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая — положительно.

Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3 (изображение с сайта en.wikipedia.org).

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.

Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней — положительный.

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд — хорошо известная вам молния.

Закон сохранения заряда

Вернёмся к примеру электризации трением — натирании палочки тканью. В этом случае палочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после взаимодействия.

Мы видим здесь закон сохранения заряда , который гласит: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими телами :

Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.

При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряженных частиц ушло с палочки — столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элементарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно сохраняется!

Электричество и магнетизм

Все тела в природе образованы из атомов или молекул, которые, в свою очередь, состоят из ядер и электронов, обладающих электрическим зарядом.

Электрический заряд является феноменологической характеристикой свойств элементарных частиц и их взаимодействий.

Между заряженными элементарными частицами существуют особые силы взаимодействия, называемые электрическими силами. Экспериментально установлено, что эти силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания, поэтому для описания электрического взаимодействия  вводятся два типа электрических зарядов, условно называемых отрицательными и положительными:  одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются (рис. 1.2).  

 Рис. 1.2. Два отрицательных заряда отталкиваются, отрицательный и положительный заряды притягиваются, два положительных заряда отталкиваются

Видео 1.2. Два вида зарядов. Электризация трением: шерсть и эбонит.

Видео 1.3. Два вида зарядов. Электризация трением: эбонитовая и стеклянная палочки.

 Заряд электронов считается отрицательным, заряд протонов —  положительным. Входящие в состав ядер нейтроны электрического заряда не имеют. Силы электрического взаимодействия связывают ядро и электроны в единую устойчивую систему — атом. 

Наименьший по величине электрический заряд, экспериментально обнаруженный в природе, — заряд электрона. Заряд протона точно равен ему по величине и противоположен по знаку:

 

Электрический заряд протона , называют элементарным зарядом.

Отметим, что приведенное выше значение элементарного заряда обычно используется для приближенных расчетов и при решении учебных школьных и ВУЗовских задач. На самом деле физики-экспериментаторы определили его с гораздо большей точностью. В настоящее время в таблицах (Journal of Physics G. Nuclear and Particle Physics. Vol. 37, № 7А, July 2010, Article 075021) приводится следующее значение элементарного заряда

Ввиду точного равенства величин зарядов протона и электрона в каждом атоме суммарный положительный и отрицательный заряды одинаковы по величине, и поэтому обычно тела оказываются электронейтральными. Однако, прилагая некоторые усилия, можно оторвать электроны от одних тел, которые становятся при этом положительно заряженными, и передать их другим телам, которые заряжаются отрицательно. Такие тела являются макроскопически заряженными. Электрический заряд любого тела кратен элементарному заряду e, то есть изменяется дискретно: 

(1. 1)

 где N — целое число. О дискретности возможных значений электрического заряда принято говорить как  о  квантовании  электрического заряда. 

Многочисленные эксперименты доказали, что имеет место закон сохранения электрического заряда: 

В любой электроизолированной системе заряженных тел суммарный электрический заряд сохраняется:

 

Электроизолированной принято называть такую физическую систему, граничную поверхность которой заряженные частицы пересекать не могут. Поэтому во многих случаях, в частности, при выводе уравнений, являющихся интегральной или дифференциальной формой записи закона сохранения заряда весьма полезна такая его формулировка:  

Единственным способом изменения заряда любой физической системы является внесение в систему заряженных частиц через её граничную поверхность.

 

Очевидно, что «вносить» в систему или «выносить» из системы заряженные частицы — в алгебраическом смысле одно и то же. Отметим также, что подобный подход оказывается продуктивным и при записи других законов сохранения: энергии, импульса, момента импульса и т. п.

На микроскопическом уровне закон сохранения заряда следует из анализа реакций между элементарными частицами и, конечно, ядерных реакций. Возьмем, например, альфа-распад изотопа урана (рис. 1.3):

  

Рис. 1.3. Альфа-распад изотопа урана-238 

Атомный номер Z ядра урана равен 92, что означает, что в ядре находится 92 протона, то есть его заряд равен q_U = 92e. У тория Z = 90, то есть заряд его ядра q_Th=90e, а для гелия Z = 2 и q_He = 2e. Выполнение равенства

и означает сохранение электрического заряда в данной реакции. Никогда не наблюдались реакции с участием ядер или элементарных частиц, в которых бы нарушался закон сохранения электрического заряда. Это не означает, что частицы с электрическим зарядом не могут исчезать или рождаться, но при этом также должны исчезнуть или родиться частицы с таким же, но противоположным по знаку зарядом. Главное, чтобы суммарный заряд до и после реакции оставался неизменным. Приведем в качестве примера так называемую реакцию аннигиляции: электрон e^– с зарядом –e сталкивается со своей античастицей — позитроном e⁺, заряд которого положителен и равен +e. В результате рождаются два фотона g  (рис. 1.4). 

Рис. 1.4. Реакция аннигиляции электрона и позитрона

 Легко убедиться, что реакция

удовлетворяет закону сохранения электрического заряда: полный заряд до и после реакции равен нулю. В то же время никогда не наблюдалась такая, например, реакция

в которой заряд не сохраняется.   

Электрон — самая легкая из заряженных частиц, и благодаря закону сохранения заряда (и закону сохранения энергии) ему просто не на что распадаться. Поэтому электрон стабилен, и это есть необходимая предпосылка стабильности атомов, молекул, вещества и нас с вами. 

 

Дополнительная информация 

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Nuclear/radact.html — альфа-распад;

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/0141.html  — аннигиляция;

http://www.abitura.com/happy_physics/kaganov4.html   — электрон.

Электрический заряд — определение, история, типы и свойства

Самой основной единицей материи был атом, и было доказано, что атом нельзя разбить на более мелкие части. Позже было доказано, что атом может быть далее разбит на электроны, протоны и нейтроны. Электрон и протон – это соответственно отрицательный и положительный заряды. Наличие этих зарядов можно увидеть и заметить и в быту. Например, если весы/воздушный шар тереть о сухие волосы или держать рядом с ними, они начинают притягивать эти пряди волос. Это связано с тем, что воздушный шар и сухие волосы заряжены противоположно.

История электрического заряда

Слово «электричество» произошло от слова «электрон», которое произошло от греческого слова «электрон», что в переводе с греческого означает «янтарь». В 1600 году философ Уильям Гилберт упомянул «Эффект янтаря» в своей книге, в которой объяснялось, как минерал янтарь, который используется для изготовления украшений, продолжает прикрепляться к нему маленькими волокнами ткани, что затрудняет его ношение в качестве украшения.

Позже, в 18 веке, Бенджамин Франклин провел эксперименты и пришел к выводу, что заряды существуют, и назвал заряды положительными и отрицательными. Концепция заряда полностью вошла в картину после того, как были введены батареи.

Электрический заряд

Электрический заряд — это свойство материи, которое заставляет материю испытывать определенную силу при помещении в электрическое поле. Статические заряды создают электрическое поле, и когда эти заряды начинают двигаться и становятся динамическими, они также создают магнитное поле, движущийся заряд также отвечает за производство электричества, если быть точным, это движение электронов, которое производит электричество.

Единица оплаты

Единицей электрического заряда в системе СИ является кулон, который обозначается буквой «C». Величина одного заряда (положительного или отрицательного) равна 1,6× 10 ^-19 C.

Формула

используется для того же:

q = I × T

Где I = ток, протекающий внутри цепи

T = время, в течение которого протекает ток.

Определение 1 кулона заряда

1 кулон заряда можно определить как количество заряда, переносимого за одну секунду.

Типы электрического заряда

Существует только два типа электрических зарядов: положительный заряд и отрицательный заряд. Они оба имеют одинаковое количество заряда, присутствующего на них, но с противоположными знаками.

Положительный заряд 

Положительные заряды также известны как протоны, и линии электрического поля исходят из положительного заряда. Заряд, присутствующий на протоне, равен +1,6 × 10 ^-19 C. Если объект заряжен положительно, можно сделать вывод, что в объекте больше протонов, чем электронов.

Линии электрического поля, исходящие из положительного заряда

Отрицательный заряд

Отрицательные заряды также известны как электроны. Линии электрического поля исходят из бесконечности внутри отрицательного заряда. Количество заряда, присутствующего на электроне, составляет -1,6 × 10 ^-19 Кл . Если известно, что объект заряжен отрицательно, это означает, что в нем больше электронов, чем протонов.

Линии электрического поля, показанные на отрицательном заряде

Примечание:

Одно из важных свойств электрического заряда гласит, что одинаковые заряды (положительный и положительный заряд или отрицательный и отрицательный заряд) отталкивают друг друга, в то время как разные заряды (положительный и отрицательный заряд) притягиваются друг к другу.

Свойства электрического заряда

• Аддитивность электрических зарядов

В изолированной системе общий заряд, присутствующий внутри системы, представляет собой алгебраическую сумму всех присутствующих зарядов (имейте в виду, что знак заряда учитывать при добавлении).

Q = Q ₁ + Q ₂ + Q ₃ +… .. Q _N

• Сохранение зарядки

ОБРАЗОВАНИЕ. . Это означает, что заряды нельзя ни создать, ни уничтожить. Заряды могут передаваться от одного тела к другому и течь по замкнутому контуру.

• Квантование заряда

Электрические заряды не могут быть определены в десятичных дробях. Они всегда присутствуют как их целое кратное. Таким образом, в любой системе сборы определяются как

q = ne

Где n = целые числа

e = значение заряда (1,6× 10 ^-19 C)

два заряда.

Между двумя зарядами может быть либо сила притяжения, либо сила отталкивания.

Допустим, есть два заряда, расположенных на расстоянии «r». Заряды называются q1 и q2, и они представляют собой стационарные заряды, помещенные в вакуум/свободное пространство,

Force will be defined as,

Where,is a Constant

Here, ε _o = 8.854× 10 ^-12 C ² /N-m ²

Сила между двумя зарядами q ₁ и q ₂ , когда они помещены в любую другую среду, кроме свободного пространства,

Где, ε = абсолютная диэлектрическая проницаемость

силы в среде, связь между абсолютной и относительной диэлектрическими проницаемостями (ε _r ) is found out,

  ε/ε _o = ε _r

 ε _r = Relative permittivity or Dielectric constant

 

Sample Problem

Question 1: How сколько электронов содержится в 1 кулоне заряда?

Решение:

В одном электроне заряд равен 1. 6 × 10 ^-19 C

1,6 × 10 —

0021 C = 1 electron

1C = 1/(1.6 × 10 ^-19 ) electrons

1C = 0.625 × 10 ¹⁹ electrons

1C = 6.25 × 10 ¹⁸ electrons

Question 2 : Является ли электрический заряд скалярной величиной или векторной величиной?

Ответ:

Электрический заряд является скалярной величиной, а это означает, что электрический заряд имеет величину, но не направление. Свойство аддитивности электрического заряда — хороший способ доказать, что заряды имеют скалярную природу. Алгебраическая сумма не учитывает направления любого заряда, размещенного в системе.

Вопрос 3: Сколько протонов содержится в 10 Кл заряда?

Решение:

В соответствии с квантованием заряда,

Q = ne

Q = 10C, n = число протонов, e = 1,6 × 10·3

0 -19

1,6×10 ^-19

n = 625×10 ¹⁷ протонов.

Вопрос 4: В системе присутствуют заряды +5C, -7C, +1C, +9C, -15C. Каков общий заряд системы?

Solution:

According to the Additivity property of Electric charges,

Q = q ₁ + q ₂ + q ₃ + q ₄ + q ₅

Q = +5C + (-7C) + 1C+ 9C+ (-15C)

Q = -7C

Вопрос 5: Два заряда +5C и +3C размещены на расстоянии 1 метра друг от друга в свободном пространстве. Найдите действующую на них Силу, а также укажите вид силы.

Решение:

Сила, действующая на +5С и +3С в свободном пространстве, определяется как между ними находится Отталкивающая Сила.

16.2 Два вида оплаты | Электростатика

Предыдущий 16.1 Введение и основные понятия

Следующий 16. 3 Сохранение заряда

16.2 Два вида заряда (ESAER)

Все окружающие нас предметы (включая людей!) содержат большое количество электрического заряда. Есть два типа электрический заряд: положительных зарядов и отрицательных зарядов . Если одинаковые количества отрицательный и положительный заряд находятся в объекте, есть нет чистой стоимости и объект электрически нейтраль . Если на объекте больше одного типа заряда, чем другого, то объект считается электрически заряженным . На картинке ниже показано, какое распределение заряды могут выглядеть как для нейтрального, положительно заряженного и отрицательно заряженного объекта.

Положительный заряд переносится протонами в материале, а отрицательный — электронами. Общий заряд объекта, как правило, из-за изменения числа электронов. Чтобы сделать объект:

Итак, на практике происходит то, что количество положительных зарядов (протонов) остается неизменным, а количество изменения электронов:

Трибоэлектрическая зарядка (ЭСАЭС)

Предметы могут заряжаться разными способами, в том числе при контакте с другими предметами или при трении о них. Это означает что они могут получить или потерять отрицательный заряд. Например, зарядка происходит, когда вы третесь ногами об пол. ковер. Когда вы затем прикасаетесь к чему-то металлическому или другому человеку, вы чувствуете шок, поскольку избыточный заряд, который вы собрали выписан .

Заряд, как и энергия, не может быть создан или уничтожен. Мы говорим, что заряд сохраняется .

Когда вы третесь ногами о ковер, от ковра к вам передается отрицательный заряд. Ковер затем станет положительно заряженным на на ту же сумму .

Другой пример: взять два нейтральных предмета, таких как пластиковая линейка и хлопчатобумажная ткань. (носовой платок). Для начала два объекта нейтральны (т. е. имеют одинаковое количество положительных и отрицательных заряжать).

Примечание: Мы обозначаем положительный заряд знаком +, а отрицательный заряд знаком -. Это просто до иллюстрируют баланс и происходящие изменения, а не фактическое расположение положительного и отрицательные заряды. Заряды распределяются по всему материалу, и реальное изменение происходит за счет увеличения или уменьшения заряда. уменьшение количества электронов на поверхности материалов.

Теперь, если протирать линейку хлопчатобумажной тканью, передается отрицательный заряд из ткань до линейка. Теперь линейка заряжена на отрицательно на (т.е. имеет избыток электронов) и ткань заряжена на 90 346 положительно на 90 347 (т. е. имеет дефицит электронов). Если подсчитать все положительные и отрицательные начисления в начале и в конце, остается та же сумма, т. е. законсервировано !

Рабочий пример 1: Трибоэлектрическая зарядка

Если у вас есть хлопчатобумажная ткань и шелковая ткань, и вы потрите их вместе, что станет отрицательно заряженным?

Проанализируйте предоставленную информацию

Предоставлено два материала, и они будут перетерты друг о друга. Это означает, что мы имеем дело с взаимодействие между материалами. Вопрос связан с платой за материалы, которые мы можем предположим, что они были нейтральными с самого начала. Это означает, что мы имеем дело с электростатикой и взаимодействием материалы, приводящие к тому, что материалы становятся заряженными, — это трибоэлектрическая зарядка.

Извлечение свойств материала

Найдите материалы в трибоэлектрическом ряду. Главное — знать, что более позитивно и более негатив в сериале. Шелк находится выше хлопка в нашей таблице, что делает его более позитивным в этой серии.

Применять принципы

Мы знаем, что при трении двух материалов более отрицательный в ряду получает электроны и тем больше положительный теряет электроны. Это означает, что шелк будет терять электроны, а хлопок приобретет электроны.

Материал становится отрицательно заряженным, когда он имеет избыток электронов, например, хлопок, который приобретает электронов, становится отрицательно заряженной.

temp text

Обратите внимание, что в этом примере числа составлены так, чтобы их было легко вычислить. В реальном мире только крошечный часть зарядов будет перемещаться от одного объекта к другому, но общий заряд все равно сохранится.

Моделирование: ВПгсз

Процесс заряжания материалов при контакте с другими материалами известен как трибоэлектрическая зарядка. Материалы можно расположить в трибоэлектрический ряд по вероятности они приобретают или теряют электроны.

Если материал имеет одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, мы описываем его как нейтральный (не благоприятствующий положительный или отрицательный общий заряд).

Если нейтральный материал теряет электроны, он становится дефицитным по электронам и имеет общий положительный заряд. Если нейтральный материал получает электроны, он имеет избыточные электроны и имеет общий отрицательный заряд. По этой причине мы описывают упорядочение материалов в трибоэлектрическом ряду как более положительное или более отрицательное в зависимости от с большей вероятностью они потеряют или приобретут электроны.

Янтарный

Фотография walraven на Flickr

Алюминий

Фотография на Викимедиа

Этот трибоэлектрический ряд может позволить нам определить, может ли один материал стать заряженным от другой материал.

Материалы с более положительного конца ряда с большей вероятностью теряют электроны, чем материалы с более отрицательный конец. Итак, когда выбираются два материала и натираются друг о друга, тот, который является более положительным в ряду потеряет электроны, а тот, который более отрицателен в ряду, приобретет электроны. Например, янтарь более отрицательно, чем шерсть, и поэтому, если кусок шерсти потереть о кусок янтаря, янтарь станет отрицательно заряженный.

Кремний

Материал	Трибоэлектрическая серия
Стекло	Очень положительно
Человеческий волос
Нейлон
Шерсть
Мех
Свинец
Шелк
Алюминий
Бумага
Хлопок
Сталь
Древесина
Янтарный
Твердая резина
Никель, Медь
Золото, Платина
Полиэстер
Полиуретан
Полипропилен
Кремний
Тефлон	Очень отрицательно

Таблица 16. 1: Трибоэлектрическая серия

Сила между зарядками (ESAET)

Сила, с которой неподвижные (статические) заряды действуют друг на друга, называется электростатической силой. сила. Электростатическая сила между:

Другими словами, одноименные заряды отталкиваются, а противоположные притягиваются.

Чем ближе вместе заряды, тем сильнее электростатическая сила между ними.

Слово «электрон» происходит от греческого слова «янтарь». Древние греки заметили, что если вы тер кусок янтаря, можно было использовать его, чтобы собрать кусочки соломы.

Рабочий пример 2: Приложение электростатических сил

Две заряженные металлические сферы висят на веревках и могут свободно двигаться, как показано на рисунке ниже. Право ручная сфера заряжена положительно. Заряд левой сферы неизвестен.

Левая сфера теперь приближается к правой сфере.

1. Если левая сфера поворачивается к правой сфере, что вы можете сказать о заряде на левая сфера и почему?

2. Если левая сфера отклоняется от правой сферы, что вы можете сказать о заряде на левая сфера и почему?

Анализ задачи

В первом случае у нас есть сфера с положительным зарядом, которая притягивает левозаряженных сфера. Нам нужно найти заряд на левой сфере.

Определите принципы

Мы имеем дело с электростатическими силами между заряженными объектами. Следовательно, мы знаем, что как заряды отталкивают друг друга , а заряды напротив зарядов притягивают друг друга .

Применение принципов

1. В первом случае положительно заряженная сфера притягивает левую сферу.