Električno punjenje- fizička veličina koja karakterizira intenzitet elektromagnetne interakcije tijela. Sam električni naboj ne postoji, njegov nosilac može biti samo čestica materije.
Osnovna svojstva
1. Dualnost: u prirodi postoje naelektrisanja dva znaka, kao što se naelektrisanja odbijaju, suprotna naelektrisanja se privlače. U tom smislu, uvjetni naboji se dijele na pozitivne i negativne.
Naboj koji posjeduje staklena šipka trljana o svilu ili papir naziva se pozitivnim.
Negativno - naboj koji posjeduje štapić od ćilibara ili ebonita koji se trlja o krzno ili vunu.
2. Kvantizacija: Ako fizička veličina uzima samo određene diskretne vrijednosti, kaže se da je kvantizirana (diskretna). Iskustvo pokazuje da je svaki električni naboj kvantizovan, tj. sastoji se od cijelog broja elementarnih naboja.
gdje je =1,2,...cijeli broj; e =1,6·1 -19 C - elementarno naelektrisanje.
Elektron ima najmanji (elementarni) negativni naboj, proton ima pozitivan naboj.
1 kulon je naelektrisanje koje prolazi kroz poprečni presek provodnika u jednoj sekundi kada prođe kroz provodnik D.C. jedan amper.
3. Očuvanje naboja.
Električni naboji mogu nestati i ponovo se pojaviti samo u parovima. U svakom takvom paru naelektrisanja su jednaka po veličini i suprotnog predznaka. Na primjer, elektron i pozitron se anihiliraju kada se sretnu, tj. pretvaraju se u neutralne g - fotone, a naboji –e i +e nestaju. Tokom procesa koji se naziva proizvodnja para, g foton ulazi u polje atomsko jezgro, pretvara se u par čestica, elektron i pozitron, i nastaju naboji +e i –e.
Zakon održanja naboja: u izolovanom sistemu, algebarski zbir naelektrisanja ostaje konstantan za sve promene unutar sistema.
Izolirano je sistem tijela koji ne razmjenjuje naboje sa vanjskim okruženjem.
4. Invarijantnost naboj na različite inercijalne referentne okvire.
Iskustvo pokazuje da veličina naboja ne zavisi od brzine kretanja naelektrisanog tela. Isti naboj izmjeren u različitim inercijskim okvirima za izvještavanje je isti.
5. Aditivnost: .
Klasifikacija optužbi.
U zavisnosti od veličine naelektrisanog tela, naelektrisanja se dele na tačkasta i proširena.
· Tačkasti naboj je naelektrisano telo čije se dimenzije mogu zanemariti u uslovima ovog problema.
· Prošireno je naelektrisanje tela čije se dimenzije ne mogu zanemariti u uslovima ovog problema. Produženi naboji se dijele na linearne, površinske i zapreminske.
Sposobnošću pomjeranja u odnosu na ravnotežni položaj pod utjecajem vanjskog elektriciteta. polja, naknade se konvencionalno dijele na slobodne, vezane i vanjske.
Besplatno nazivaju se naboji koji se mogu slobodno kretati u tijelu pod utjecajem vanjskog elektriciteta. polja.
Povezano nazivaju se naboji koji su dio dielektričnih molekula, koji pod utjecajem elektriciteta. polja se mogu samo pomaknuti iz svog ravnotežnog položaja, ali ne mogu napustiti molekul.
Treća strana nazivaju se naboji koji se nalaze na dielektriku, ali nisu dio njegovih molekula.
Zakon koji reguliše silu interakcije između tačkastih naelektrisanja ustanovljen je eksperimentalno 1785. Privezak.
Coulombov zakon: sila interakcije između dva stacionarna tačkasta naelektrisanja direktno je proporcionalna naelektrisanju, obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih, usmerena duž prave linije koja povezuje naelektrisanja, i zavisi od sredine u kojoj se nalaze.
gdje je q 1, q 2 - vrijednosti naelektrisanja; r je rastojanje između naelektrisanja;
8,85 1 -12 C 2 / (N m 2) - električna konstanta,
e je dielektrična konstanta medija.
Dielektrična konstanta supstance pokazuje koliko je puta sila interakcije između naelektrisanja u datom dielektriku manja nego u vakuumu, vakuum = 1, je bezdimenzionalna veličina.
Objasnimo razlog ovog slabljenja razmatranjem nabijene lopte okružene dielektrikom. Polje lopte orijentira molekule dielektrika, a negativni vezani naboji se pojavljuju na površini dielektrika u blizini lopte.
Polje u bilo kojoj tački dielektrika stvarat će dvije suprotno nabijene sfere: pozitivno nabijena površina kuglice i negativno nabijena dielektrična površina koja se nalazi uz nju, dok se polje vezanih naboja oduzima od polja slobodnih naboja, a ukupno polje će biti slabije od polja jedne lopte.
1. Napetost elektrostatičko polje. Princip superpozicije električnih polja. Vektorski tok.
Svaki naboj mijenja svojstva okolnog prostora - stvara električno polje u njemu.
Električno polje je jedan od oblika postojanja materije koja okružuje električne naboje. Ovo polje se manifestuje u činjenici da je električni naboj postavljen u bilo kojoj tački pod uticajem sile.
Koncept električnog polja uveden je u nauku 30-ih godina godine XIX veka engleski naučnici Majkl Faradej.
Prema Faradeyu, svaki električni naboj okružen je električnim poljem koje stvara, pa se takav naboj ponekad naziva i izvorni naboj. Naboj kojim se proučava polje izvornog naboja naziva se probni naboj.
Da bi sila koja djeluje na ispitni naboj karakterizirala polje u datoj tački; Ispitno punjenje mora biti tačkasto punjenje.
Point charge naziva se naelektrisano telo, čije se dimenzije mogu zanemariti u uslovima ovog problema, tj. čije su dimenzije male u odnosu na rastojanja do drugih tijela sa kojima je u interakciji. U tom slučaju vlastito električno polje ispitnog naboja mora biti toliko malo da ne mijenja polje izvornog naboja. Što je manja veličina naelektrisanog tijela i slabije njegovo vlastito polje u odnosu na polje izvornog naboja, to nabijeno tijelo tačnije zadovoljava uvjet probnog naboja.
Električno polje se širi u vakuumu brzinom c = 3·1 8 .
Polje stacionarnih električnih naboja je elektrostatičko.
Koristeći probni naboj, istražujemo polje koje stvara stacionarni naboj – izvor.
Sila koja djeluje na probno punjenje u datoj tački polja ovisi o veličini probnog naboja. Ako uzmemo različite probne naboje, tada će sila koja djeluje na njih u datoj tački polja biti različita.
Međutim, omjer sile i veličine ispitnog naboja ostaje konstantan i karakterizira samo polje. Ovaj omjer se naziva jakost električnog polja u datoj tački.
Jačina električnog polja je vektorska veličina brojčano jednaka sili kojom polje djeluje na jedinični pozitivni test naboj u datoj tački polja i kosmjerna s ovom silom.
Intenzitet je glavna karakteristika polja i potpuno karakteriše polje u svakoj njegovoj tački po veličini i pravcu.
Jačina polja tačkastog naboja.
Prema Coulombovom zakonu
= 
je jačina električnog polja točkastog naboja na udaljenosti r od ovog naboja.
Pogodno je grafički prikazati električno polje pomoću slike takozvanih linija sile, ili linija napetosti.
Zatezna linija je prava čija se tangenta u svakoj tački poklapa u pravcu sa vektorom napetosti u toj tački.
Linije jačine polja koje stvaraju stacionarna naelektrisanja uvijek počinju i završavaju na nabojima (ili u beskonačnosti) i nikada se ne zatvaraju. Jače polje je predstavljeno gušće raspoređenim zateznim linijama. Gustoća linija se bira tako da je broj linija koje probijaju jediničnu površinu mjesta okomito na linije jednak numerička vrijednost vektor Linije napetosti se nikada ne seku, jer... njihov presek bi značio dva različita pravca vektora jačine polja u istoj tački, što nema smisla.
Polje u kojem intenzitet u svim tačkama ima istu veličinu i isti smjer naziva se homogeno. U takvom polju linije sila su paralelne i njihova gustina je svuda ista, tj. nalaze se na istoj udaljenosti jedna od druge.
Princip superpozicije.
Ako električno polje u datoj tački stvara nekoliko naboja, tada je jačina rezultujućeg polja jednaka vektorskom zbroju jačina polja koje stvara svaki naboj posebno.
Princip superpozicije je eksperimentalna činjenica koja vrijedi do vrlo jakih polja. Po istom zakonu nastaju ne samo statična, već i brzo promjenjiva elektromagnetna polja
Odaberimo u vektorskom polju određeni volumen ograničen površinom S. Podijelimo ovu površinu na elementarne površine veličine .
Može se uzeti u obzir usmjereni površinski element. Usmjereni element površine je vektor čija je dužina jednaka površini elementa, a smjer se poklapa sa smjerom normale na ovaj element. Za zatvorenu površinu uzima se vanjska normala na površinu. Budući da je izbor smjera proizvoljan (uslovan), može se usmjeriti ili u jednom smjeru od mjesta ili u drugom, to nije pravi vektor, već pseudo-vektor.
Usmjereni površinski element,
Elementarna površina.
Protok vektora napetosti kroz elementarnu površinu dS pozvao tačkasti proizvod
gdje je a ugao između vektora i ,
E n - projekcija na normalni pravac.
Sabravši tokove kroz sva elementarna područja na koja je površina S podijeljena, dobijamo vektorski tok kroz površinu S.
Protok vektora kroz površinu S je integral
Za zatvorenu površinu.
Vektorski fluks je algebarska veličina:
Za uniformno polje
 |
Protok vektora napetosti može se dati jasno geometrijsko tumačenje: on je numerički jednak broju zateznih linija koje prelaze datu površinu.
2. Gaussov teorem za vektorski fluks i njegova primjena za izračunavanje polja proširenih naboja u vakuumu.
Poznavajući jačinu polja tačkastog naelektrisanja i koristeći princip superpozicije, moguće je izračunati jačinu polja koju stvara nekoliko tačkastih naelektrisanja. Međutim, za produžene naplate primjena principa superpozicije je teška. Metodu za izračunavanje polja stvorenih proširenim naelektrisanjem predložio je njemački naučnik Gauss početkom 19. stoljeća.
Gaussova teorema za elektrostatičko polje u vakuumu.
Razmotrimo polje tačkastog naboja u vakuumu i izračunajmo poluprečnik sfere kroz površinu
Jačina polja u bilo kojoj tački na površini sfere
DEFINICIJA
Napunite, tačnije električno napunjen je fizička veličina koja određuje elektromagnetnu interakciju.
Električni naboj je označen slovom q. Naplate se dijele na pozitivne i negativne. Naboji istog znaka doživljavaju odbojne sile. Naboji suprotnih znakova se privlače.
U eksperimentima R. Millikana pokazano je da električni naboj - diskretna količina. Naboj bilo kojeg tijela je cjelobrojna vrijednost koja je višekratnik elementarnog naboja (naboja elektrona);
gdje je n cijeli broj.
Jedinica za punjenje u sistemu međunarodnih jedinica (SI) je kulon. Ovo je izvedena jedinica. Jedan kulon je električni naboj koji prolazi kroz poprečni presjek vodiča pri struji od 1 amper u jednoj sekundi.
Naboj se nalazi u velikom broju formula koje se odnose na elektromagnetizam. Zabilježimo glavne.
Zakon održanja naboja
Zakon održanja naboja je osnovni zakon prirode. Njegova suština je da u bilo kojem zatvorenom sistemu algebarski zbir naboja ostaje nepromijenjen tokom implementacije bilo kojeg procesa u ovom sistemu:
Veličina električnog naboja tijela ne zavisi od izbora referentnog sistema i ne zavisi od vrste kretanja (odmora) tijela. Drugim riječima, električni naboj je relativistički invarijantna veličina.
Određivanje vrste tvari (provodnik, dielektrik) povezano je s koncentracijom slobodnih naboja u tvari.
Coulombov zakon
Jedan od osnovnih zakona u elektrostatici je poznati Coulomb zakon. Opisuje interakciju stacionarnih tačkastih naelektrisanja. Ovaj zakon je predložio C. Coulomb 1785. godine.
Tačkasto naelektrisanje je naelektrisano telo čije se dimenzije mogu zanemariti u poređenju sa udaljenostima do drugih tela sa naelektrisanjem. Tačkasti naboj je fizička apstrakcija.
U matematičkom obliku, Coulombov zakon je napisan na sljedeći način:
Sila kojom naboj djeluje na naboj je vektor radijusa koji povezuje i ; r je rastojanje između naelektrisanja koje se razmatra (vektorski modul). U ovom slučaju, sila djeluje na naboj sa strane naboja jednake po veličini sili , ali suprotnog smjera; - električna konstanta; - dielektrična konstanta supstance u kojoj se nalaze dotična naelektrisanja. Zakon u obliku (3) je napisan za međunarodni sistem jedinica (SI).
Jačina polja tačkastog naboja
Jačina polja je povezana sa Kulonovom silom () kao:
gdje je veličina ispitnog naboja na koji polje djeluje silom kada se postavi u tačku koja se razmatra.
Stacionarno tačkasto naelektrisano telo stvara oko sebe elektrostatičko polje čiji je intenzitet () povezan sa količinom naelektrisanja (q) ovog tela:
Radijus vektor povučen od naboja do tačke u kojoj se polje razmatra. Pozitivni naboji su izvori polja, a negativni su ponori.
Potencijal polja tačkastog naboja
Potencijal () električnog polja koje stvara tačkasti naboj (q) u određenoj tački koja se nalazi na udaljenosti r od naboja koji stvara polje jednak je:
Rad u elektrostatičkom polju
Rad koji vrše sile elektrostatičkog polja prilikom pomeranja naelektrisanja (q) iz tačke polja sa potencijalom u tačku sa potencijalom može se izračunati na sledeći način:
Snaga struje i naboj
Struja je uredno kretanje nabijenih čestica. U ovom slučaju, jačina struje se nalazi kao:
gdje je promjena zaduženja u određenom vremenskom periodu.
Primjeri rješavanja problema
PRIMJER 1
| Vježbajte | Električno polje stvaraju dva tačkasta naboja, njihove veličine su jednake title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="16" width="51" style="vertical-align: -4px;"> и . Расстояние между этими зарядами равно . Какой будет напряженность поля в точке, которая находится посередине между этими зарядами? !} |
| Rješenje | Hajde da napravimo crtež. Jačina polja koja stvara pozitivan naboj u tački A usmjerena je od ovog naboja udesno (vidi sliku 1). Jačina polja stvorena negativnim nabojem usmjerena je u istom smjeru, stoga će se rezultujuća jačina polja u tački A naći kao: Jačina polja tačkastog naboja jednaka je:
Za naše troškove imamo: Koristeći formule (1.1) i (1.3), dobijamo:
|
| Odgovori |
PRIMJER 2
| Vježbajte | Tanka polovina prstena nosi naboj ravnomjerno raspoređen duž svoje dužine. Radijus poluprstena je R, gustina naelektrisanja je . U centru zakrivljenosti poluprstena nalazi se naelektrisanje Q (slika 1). Kolika je sila interakcije između naboja i poluprstena? |
| Rješenje | Odaberimo naboj na poluprstenu, koji se može smatrati tačkastim nabojem () (slika 2). Prema Coulombovom zakonu, sila interakcije između naboja Q i jednaka je:
|
Počnimo proučavati elektrodinamiku s najjednostavnijim slučajem - s elektrostatikom, koji razmatra interakciju električnih naboja koji su nepomični jedni u odnosu na druge i elektrostatičkog polja koje stvaraju konstantno tokom vremena.
§ 1. Električni naboj. Coulombov zakon
Električni naboj i električno polje su primarni pojmovi, poput koncepata mase i gravitacionog polja u mehanici. To znači da se ne mogu definisati kroz druge, jednostavnije koncepte. Sve što možemo da uradimo je da opišemo njihova svojstva.
Električno punjenje. Električni naboj karakteriše sposobnost tijela da djeluje na određeni način, opisan jezikom sila. Za razliku od gravitacijske interakcije, koja se uvijek manifestira kao privlačnost između tijela, električna interakcija može biti ili privlačenje ili odbijanje. Osnovno svojstvo električnog naboja poznato iz iskustva je da postoji u dva oblika, konvencionalno nazvanim pozitivnim i negativnim nabojima. Naboji istog znaka odbijaju. Interakcija naboja suprotnih predznaka leži u njihovoj međusobnoj privlačnosti.
Makroskopskom tijelu može se dati naboj bilo kojeg znaka. Kada su ova naelektrisanja prisutna u jednakim količinama, telo se kaže da je električno neutralno ili nenaelektrisano. Drugim riječima, u makroskopskom tijelu, pozitivni i negativni naboji mogu jedno drugo poništiti. Nenabijeno tijelo, s ravnomjernom raspodjelom pozitivnih i negativnih naboja koji ulaze u njega, ne stupa u električnu interakciju s drugim nabijenim tijelima.
Električni naboj makroskopskog tijela određen je ukupnim nabojem njegovih sastojaka elementarne čestice. Svijet oko nas je dobro kompenzirana mješavina pozitivnih i negativnih naboja. Takva kompenzacija nije iznenađujuća, jer se slični naboji međusobno odbijaju.
Razlog zašto električni naboj postoji u tačno dva oblika nije u potpunosti shvaćen u modernoj fizici. Moguće je da se u tome ogleda određena simetrija.
Pozitivni i negativni naboji mogu se smatrati suprotnim manifestacijama istog kvaliteta, kao što su pojmovi „desno“ i „lijevo“ suprotne manifestacije svojstva prostorne simetrije. Ispostavilo se da je pitanje "desne" i "lijeve" simetrije usko povezano sa ovim dualitetom električnog naboja i sa drugom fundamentalnom simetrijom, naime simetrijom vremenskog preokreta. Fizika čestica baca malo svjetla na ova pitanja.
Elektrifikacija tijela. Najjednostavniji eksperimenti u kojima nivo kvaliteta opisani obrasci interakcije električnih naelektrisanja poznati su još od vremena B. Franklina (druga polovina 18. veka).
Rice. 1. Elektrostatička mašina
Rice. 2. Najjednostavniji elektroskop
Postoje različite načine naelektrisanje tela, odnosno transformacija električno neutralnih tela u naelektrisana. Konkretno, to je moguće trljanjem tijela jedno o drugo (elektrifikacija trenjem).
Razdvajanje električnih naboja suprotnih predznaka moguće je i naelektrizacijom putem uticaja, bez direktnog kontakta između tela (električna indukcija). Najčešći uređaj za odvajanje naelektrisanja je elektrostatička mašina (slika 1). Prisutnost električnog naboja u tijelu može se otkriti pomoću elektroskopa (slika 2) ili modernijeg uređaja - elektrometra (slika 3), koji za razliku od elektroskopa ima zaštitno metalno tijelo, zahvaljujući kojem se na očitavanja ne utiču strana okolna tela.
Provodnici i dielektrici. Prema ponašanju naelektrisanja u naelektrisanom telu, sve supstance se dele na provodnike i izolatore (dielektrike). Kod dielektrika naelektrisanje koje im je preneto ostaje na mestu gde je postavljeno tokom elektrifikacije. U provodnicima, preneseno naelektrisanje može se slobodno kretati po tijelu. Zahvaljujući ovoj osobini, provodna tijela mogu biti naelektrizirana utjecajem. U ravnoteži, zbog međusobnog odbijanja, slobodni naboji se nalaze na vanjskoj površini provodnika.
Rice. 3. Elektrometar i njegov mehanizam
Među velikim brojem različitih elektrostatičkih eksperimenata ima mnogo onih koji za svoje objašnjenje, čak i na kvalitativnom nivou, zahtijevaju korištenje vrlo složenih i suptilnih koncepata. Primjer je dobro poznati eksperiment privlačenja nenabijenih komada papira naelektriziranim češljem.
Coulombov zakon. Prve eksperimentalne kvantitativne rezultate u vezi sa interakcijom stacionarnih električnih naelektrisanja dobio je C. Coulomb krajem 18. veka. Za mjerenje sila koje djeluju između naboja, Coulomb je koristio uređaj koji je napravio pod nazivom torzijska vaga (slika 4a). Lagana klackalica K je okačena na izolator na tanku elastičnu nit, na čijem je jednom kraju pričvršćena provodljiva kugla A, a na drugom protuteg P. Pored kuglice A može se postaviti još jedna identična nepokretna kugla B. Stakleni cilindar štiti osjetljive dijelove uređaja od kretanja zraka.
Da bi se ustanovila zavisnost sile interakcije od udaljenosti između naboja, kuglice A i B dobijaju proizvoljni naboj dodirom
Rice. 4. Kulonove torzione skale
sa trećom nabijenom kuglom C, postavljenom na dielektričnu ručku. Koristeći ugao uvijanja elastične niti (slika 46), možete izmjeriti silu odbijanja slično nabijenih kuglica, a pomoću instrumentalne skale možete izmjeriti razmak između njih. Kao rezultat ovih eksperimenata, Coulomb je ustanovio da je sila interakcije usmjerena duž linije koja povezuje oba naboja i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih:
Ovisnost sile interakcije od naboja može se ustanoviti na sljedeći način. Kada se naelektrisana provodljiva kuglica dovede u kontakt sa istom nenabijenom kuglom, prirodno je pretpostaviti da će zbog simetrije naelektrisanje između njih biti jednako raspoređeno. Ispada da se sila interakcije između kuglica, na jednoj od kojih se naboj prepolovi opisanom metodom, također smanjuje za polovicu na istoj udaljenosti između kuglica. Ponavljajući ovaj postupak nekoliko puta, možete se uvjeriti da kada se naboj bilo koje od kuglica smanji za dva, četiri, itd. puta, ispostavi se da je interakcijska sila proporcionalna naboju svake kuglice.
Sumirajući rezultate takvih eksperimenata, možemo formulirati zakon koji opisuje silu interakcije između stacionarnih električnih naboja - Coulombov zakon. Sila interakcije između dva točkasta naboja u vakuumu proporcionalna je proizvodu naboja i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih:
Kako bi formula dala ne samo veličinu sile, već i njen smjer, zgodno je napisati Coulombov zakon u vektorskom obliku:
Evo sile koja djeluje na naboj sa strane naboja - razlika u vektorima radijusa tačkastih naelektrisanja, odnosno vektora povučen od naboja do naboja (slika 5). Lako je vidjeti da formula (2) daje ispravan smjer sile za bilo koje predznake naboja, odnosno za odbijanje (slika 5a) i za privlačenje (slika 5b) ovih naboja.
Izraz za silu koja djeluje na naboj sa strane dobiva se iz (2) preuređivanjem indeksa 1 i 2 i u potpunosti je u skladu s trećim Newtonovim zakonom:
koji se zadovoljava interakcijom električnih naboja koji su međusobno nepomični.
Preciznost koja se može postići u eksperimentima sa torzijskim vagama je relativno niska. Naše uverenje da Coulombov zakon tačno opisuje elektrostatičku interakciju zasniva se na velikoj količini drugih eksperimentalnih podataka koji to potvrđuju. Ispostavilo se da Coulombov zakon vrijedi i za vrlo velike i za vrlo male udaljenosti. Konkretno, proučavanja atomskih fenomena nam omogućavaju da zaključimo da vrijedi barem do udaljenosti reda veličine atomskog jezgra.
Rice. 5. Interakcija tačkastih naboja (Coulombov zakon)
Imajte na umu da se elektrostatička interakcija tijela sa sferno simetričnom raspodjelom naboja opisuje istim izrazima (1) i (2) kao interakcija tačkastih naelektrisanja smještenih u centrima ovih tijela.
Jedinice punjenja. Koeficijent k koji se pojavljuje u formulama (1) i (2) zavisi od izbora jedinica. U fizici su se raširila dva sistema jedinica u kojima se uvođenje jedinica elektromagnetnih veličina zasniva na različitim fizički zakoni. U takozvanom AGSE sistemu (apsolutni elektrostatički sistem), izgrađenom na tri osnovne jedinice – dužini, vremenu i masi – jedinica električnog naboja je derivat. Odabire se na osnovu Coulombovog zakona tako da koeficijent k u njemu bude jednako jedan. Ova jedinica naelektrisanja naziva se apsolutna elektrostatička jedinica. Ovo je naelektrisanje koje djeluje u vakuumu na jednako naelektrisanje koje se nalazi na udaljenosti od jednog centimetra, sa silom jednakom jednoj dina. Dimenzija naplate u SGSE sistemu se utvrđuje iz formule (1) at
Formula koja izražava Coulombov zakon u GSE sistemu ima oblik
U Međunarodnom sistemu jedinica, među sedam osnovnih jedinica je i jedinica električne struje - amper Ova jedinica se uspostavlja na osnovu magnetne interakcije struja, o čemu će se detaljnije govoriti tokom studije magnetno polje struja Jedinica naboja - kulon (C) - je derivat i izražava se kroz dvije osnovne jedinice - struju i vrijeme. Po definiciji, jedan kulon je naboj koji u jednoj sekundi prolazi kroz poprečni presjek vodiča u kojem se održava konstantna električna struja od jednog ampera:
U elektrodinamici je pokazano da postoji sljedeća veza između kulona i apsolutne elektrostatičke jedinice naboja:
Budući da je SI jedinica naboja uspostavljena nezavisno od Coulombovog zakona, koeficijent k u (1) više nije jednak jedinici. Obično se piše u obliku gdje je određena dimenzionalna konstanta, koja se naziva električna konstanta. Izraz za Coulombov zakon u SI je
Vrijednost električne konstante može se naći pomoću relacije (6) između kulona i jedinice punjenja SGSE. Neka postoje dva tačkasta naboja Cl, odvojena rastojanjem. Tada je, prema formuli (4), sila interakcije jednaka
S druge strane, prema (7), ova ista sila je jednaka
Elementarni električni naboj. U prirodi električni naboji postoje samo u obliku nabijenih čestica, koje se konvencionalno smatraju najjednostavnijim ili elementarnim. Prisustvo električnog naboja je svojstvo nekih elementarnih čestica. Nosioci negativnih naboja su
elektroni, pozitivni naboji - protoni. Naboj svih protona je isti i jednak je minimalnom naboju koji se nalazi u prirodi - takozvani elementarni električni naboj
Naboj svih elektrona je također isti i po apsolutnoj vrijednosti jednak je elementarnom električnom naboju. Atom bilo kojeg elementa sadrži onoliko elektrona u svojoj elektronskoj ljusci koliko ima protona u njegovom jezgru, pa je stoga atom električno neutralan.
Neutralni će biti molekuli i makroskopska tijela izgrađena od atoma. Svaki proces elektrifikacije tijela povezan je sa razdvajanjem električnih naboja, kada se na jednom od tijela (ili dijelu tijela) pojavi višak pozitivnih naboja, a na drugom (ili drugom dijelu tijela) višak negativnih naboja. tijelo). Ukupan broj pozitivnih i negativnih naboja je očuvan; U pravilu, elektrifikacija je povezana s prijenosom elektrona čija je masa izuzetno mala (kg). Stoga je moguće prenijeti ili ukloniti ogroman broj elektrona iz makroskopskog tijela bez primjetne promjene njegove mase, dajući tijelu značajan električni naboj.
Zakon održanja električnog naboja. Očuvanje električnog naboja je njegovo najvažnije svojstvo poznato iz iskustva: u izolovanom sistemu, algebarski zbir naelektrisanja svih tela ostaje nepromenjen. Valjanost ovog zakona potvrđena je ne samo u procesima elektrifikacije, već iu opažanjima ogromnog broja rađanja, razaranja i međusobnih transformacija elementarnih čestica.
Zakon održanja električnog naboja jedan je od najvažnijih fundamentalni zakoni priroda. Nije poznat ni jedan slučaj njegovog kršenja. Čak i u slučajevima kada dođe do rađanja nove nabijene čestice, u isto vrijeme se nužno rađa još jedna čestica s jednakim i suprotnim nabojem. Nemoguće je "napuniti" elementarnu česticu, odnosno promijeniti njen naboj - jednostavno ćemo dobiti drugu česticu.
Električni naboj elementarne čestice ne zavisi ni od izbora referentnog okvira, ni od stanja kretanja čestice, niti od njene interakcije sa drugim česticama. Dakle, naboj makroskopskog tijela ne ovisi ni o kretanju njegovih sastavnih čestica ni o kretanju tijela u cjelini.
Zadaci
1. Elektron u atomu vodonika. U planetarnom modelu atoma, pretpostavlja se da se elektron kreće oko jezgra pod uticajem Kulonove sile privlačenja prema jezgru. Uzimajući u obzir da je kretanje elektrona u skladu sa zakonima
klasična mehanika, određuje brzinu elektrona u kružnoj orbiti polumjera u atomu vodika.
Rješenje. Kada se električni naboji kreću sporo, tj. njihova brzina je mnogo manja od brzine svjetlosti, interakcija između njih, u prvoj aproksimaciji, bit će ista kao između stacionarnih naboja.
2. Nabijene lopte. Dvije identične metalne kugle koje se nalaze na udaljenosti većoj od njihove veličine privlače se jedna drugoj, a poznato je da jedna od njih ima tri puta veći naboj. Kako će se promijeniti sila njihove interakcije ako se lopte dovedu u kontakt, a zatim razdvoje na istoj udaljenosti?
Rješenje. Pošto su se loptice isprva privlačile, imale su naboje suprotnih znakova. Kada identične kuglice dođu u kontakt, zbog simetrije, ukupni naboj će se ravnomjerno raspodijeliti između njih. Apsolutna vrijednost naboja jedne od kuglica je tri puta veća od druge. Dakle, nakon djelomične neutralizacije naboja kada kuglice dođu u kontakt, svaka od njih će imati naboj istog predznaka, a modul ovog naboja jednak je manjem od modula početnih naelektrisanja. Iz ovoga je jasno da će se lopte odbijati sa silom tri puta manjom od početne sile privlačenja.
Zašto izjava problema kaže da su veličine loptica male u odnosu na udaljenost između njih? U našem rješenju tiho smo se oslanjali na Coulombov zakon, koji vrijedi za interakciju tačkastih naboja. Stoga linearne dimenzije kuglica moraju biti male kako se ne bi moralo razmišljati o tome da su naboji neravnomjerno raspoređeni po kuglicama, ili o tome kako se ta raspodjela mijenja kada se ponovo pune.
Koji eksperimenti pokazuju da postoje dvije vrste električnog naboja?
Zašto su makroskopska tijela u svijetu oko nas, po pravilu, električno neutralna?
Objasniti princip rada elektroskopa (slika 2).
Kako napuniti elektrometar ili elektroskop koristeći naelektrisanje trenjem i naelektrisanje uticajem? Objasnite procese koji se odvijaju.
Opišite kako se u Coulombovim eksperimentima uspostavlja ovisnost sile interakcije o vrijednosti naboja, s obzirom da ne postoji neovisni način mjerenja naboja.
Objasnite kako prijeći od formule (I) koja izražava Coulombov zakon na vektorski izraz (2) za interakciju sile naboja.
Izvedite dimenziju punjenja SGSE sistema.
Dobiti izraz za dimenziju električne konstante.
Koji je zakon održanja električnog naboja? Mogu li se naboj pojedinačnih čestica i ukupni električni naboj promijeniti tijekom nuklearnih reakcija i međusobnih transformacija elementarnih čestica?
Zašto je moguće zanemariti silu gravitacionog privlačenja elektrona prema jezgru pri rješavanju Zadatka 1? Koliko je puta manja od sile elektrostatičke privlačnosti?
Jedan od osnovnih fizičke veličine, koji se direktno odnosi na električnu energiju, a posebno na elektrotehniku - to je električni naboj. Navikli smo da se u elektrotehnici naboj mjeri u privesci, ali malo ljudi zna da postoje i druge jedinice mjerenja električnog naboja. Prilikom proračuna električnih kola i korištenja električnih mjernih instrumenata koristi se međunarodni sistem SI jedinica. Ali jeste li znali da postoje i drugi sistemi mjerenja?
Ova mjerna jedinica naboja mnogima je poznata još od škole. Odnosi se, kao što ste već shvatili, na SI sistem jedinica. Ovo je izvedena veličina koja nije osnovna u SI sistemu. Izvodi se iz drugih veličina i određuje se drugim veličinama.
Jedinica mjere je nazvana po naučniku - Charlesu de Augustinu Coulomb-u, koji je otkrio zakon interakcije naboja, a shodno tome i električnog naboja. Iznos naknade je skraćen slovima Cl, a kada je u pitanju visina naknade, pišu je sa velikim slovima - privezak .
Definicija električnog naboja u SI sistemu je sljedeća:
Električni naboj od jednog kulona je naelektrisanje koje prolazi kroz poprečni presjek provodnika pri struji od jednog ampera za vrijeme jednako jednoj sekundi.
Postoji odnos između punjenja i jedinice po amper satu. Jedan kulon električne energije jednak je 1/3600 amper sata.
Još jedna jedinica i mjera naboja, koja je dobila ime po američkom izumitelju i fizičaru - Benjaminu Franklinu. Njegov portret se može vidjeti na američkoj novčanici od sto dolara. Ova jedinica pripada SGSE sistemu jedinica, u kojem su osnovne jedinice centimetar, gram i sekunda. Inače, ovaj sistem jedinica naziva se apsolutni sistem fizičke jedinice i bio je u širokoj upotrebi do usvajanja SI sistema (usvojenog 1960. godine).
Jedinica mjere je skraćena kao o(ruski) ili o(engleski).
Definicija električnog naboja u SGSE sistemu je sljedeća:
Količina električnog naboja u jednom Franklinu je tolika količina naboja da će dva suprotna naboja jednog Franklina, smještena u vakuumu na udaljenosti od jednog centimetra, privući jedno drugo silom od jedne dine.
Kao što se vidi iz definicije, razlikuje se od one date za SI sistem. Razlika je prvenstveno u tome što se u SI sistemu naelektrisanje izražava kao jačina struje i određuje se na osnovu toga, ali u SGSE sistemu naelektrisanje se izražava u .
SGSE sistem je pogodan za proračune i istraživanja u fizici, a SI sistem je pogodniji za praktične potrebe elektrotehnike.
Coulombov zakon, koji je direktno vezan za naplate, napisan je drugačije u SI i SGS (SGSE) sistemima. Jedinica punjenja u 1 Kl može se prevesti na 1 Fr i obrnuto.
Postoji i Plankov sistem prirodnih mjernih jedinica i sadrži i električni naboj. Ovaj sistem je prvi predložio njemački fizičar Max Planck 1899. na osnovu brzine svjetlosti i gravitacijske konstante i još dvije konstante koje je uveo.
Sažetak o elektrotehnici
Završio: Agafonov Roman
Agro-industrijska škola Luga
Nemoguće je dati kratku definiciju naplate koja je zadovoljavajuća u svakom pogledu. Navikli smo da nalazimo razumljiva objašnjenja za veoma složene formacije i procese kao što su atom, tečni kristali, raspodela molekula po brzini itd. Ali najosnovniji, temeljni pojmovi, nedjeljivi na jednostavnije, lišeni, prema današnjoj nauci, bilo kakvog unutrašnjeg mehanizma, više se ne mogu ukratko objasniti na zadovoljavajući način. Pogotovo ako objekte ne opažamo direktno našim osjetilima. Na ove osnovne koncepte se odnosi električni naboj.
Pokušajmo prvo otkriti ne što je električni naboj, već šta se krije iza tvrdnje: ovo tijelo ili čestica ima električni naboj.
Znate da su sva tijela građena od sićušnih čestica, nedjeljivih na jednostavnije (koliko sada zna nauka) čestice, koje se stoga nazivaju elementarnim. Sve elementarne čestice imaju masu i zbog toga se privlače jedna drugoj. Po zakonu univerzalna gravitacija sila privlačenja opada relativno sporo kako se rastojanje između njih povećava: obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti. Osim toga, većina elementarnih čestica, iako ne sve, imaju sposobnost interakcije jedna s drugom silom koja se također smanjuje inverzno proporcionalno kvadratu udaljenosti, ali ta sila je ogroman broj puta veća od sile gravitacije. . Dakle, u atomu vodika, shematski prikazanom na slici 1, elektron je privučen jezgru (proton) sa silom 1039 puta većom od sile gravitacionog privlačenja.
Ako čestice međusobno djeluju silama koje se polako smanjuju s povećanjem udaljenosti i koje su mnogo puta veće od sila gravitacije, tada se kaže da te čestice imaju električni naboj. Same čestice se nazivaju naelektrisane. Postoje čestice bez električnog naboja, ali nema električnog naboja bez čestice.
Interakcije između nabijenih čestica nazivaju se elektromagnetnim. Kada kažemo da su elektroni i protoni električno nabijeni, to znači da su sposobni za interakcije određene vrste (elektromagnetske), i ništa više. Nedostatak naboja na česticama znači da ne detektuje takve interakcije. Električni naboj određuje intenzitet elektromagnetnih interakcija, kao što masa određuje intenzitet gravitacijskih interakcija. Električni naboj je druga (posle mase) najvažnija karakteristika elementarnih čestica, koja određuje njihovo ponašanje u okolnom svijetu.
Dakle
Električni naboj je fizička skalarna veličina koja karakterizira svojstvo čestica ili tijela da ulaze u interakcije elektromagnetne sile.
Električni naboj je simboliziran slovima q ili Q.
Kao iu mehanici, koncept se često koristi materijalna tačka, što omogućava značajno pojednostavljenje rješavanja mnogih problema, kada se proučava interakcija naboja, ideja o tačkastom naboju pokazuje se učinkovitom. Tačkasti naboj je nabijeno tijelo čije su dimenzije znatno manje od udaljenosti od ovog tijela do tačke posmatranja i drugih nabijenih tijela. Konkretno, ako govore o interakciji dva tačkasta naelektrisanja, oni pri tome pretpostavljaju da je udaljenost između dva razmatrana naelektrisana tela znatno veća od njihovih linearnih dimenzija.
Električni naboj elementarne čestice nije poseban „mehanizam“ u čestici koji bi se mogao ukloniti iz nje, razložiti na sastavne dijelove i ponovo sastaviti. Prisutnost električnog naboja na elektronu i drugim česticama samo znači postojanje određenih interakcija između njih.
U prirodi postoje čestice sa nabojima suprotnih predznaka. Naboj protona naziva se pozitivnim, a naboj elektrona negativnim. Pozitivan predznak naboja na čestici ne znači, naravno, da ona ima neke posebne prednosti. Uvođenje naboja dva znaka jednostavno izražava činjenicu da nabijene čestice mogu i privlačiti i odbijati. Ako su predznaci naboja isti, čestice se odbijaju, a ako su različiti, privlače se.
Trenutno nema objašnjenja za razloge postojanja dvije vrste električnih naboja. U svakom slučaju, ne postoje fundamentalne razlike između pozitivnih i negativnih naboja. Kada bi se znakovi električnih naboja čestica promijenili u suprotne, onda se priroda elektromagnetnih interakcija u prirodi ne bi promijenila.
Pozitivni i negativni naboji su veoma dobro izbalansirani u Univerzumu. A ako je Univerzum konačan, onda je njegov ukupni električni naboj, po svoj prilici, jednak nuli.
Najčudnije je da je električni naboj svih elementarnih čestica striktno isti po veličini. Postoji minimalni naboj, nazvan elementarni, koji posjeduju sve nabijene elementarne čestice. Naboj može biti pozitivan, poput protona, ili negativan, poput elektrona, ali modul naboja je isti u svim slučajevima.
Nemoguće je odvojiti dio naboja, na primjer, od elektrona. Ovo je možda nešto što najviše iznenađuje. Nema moderna teorija ne može objasniti zašto su naboji svih čestica isti, i ne može izračunati vrijednost minimalnog električnog naboja. Određuje se eksperimentalno korištenjem različitih eksperimenata.
Šezdesetih godina prošlog stoljeća, nakon što je broj novootkrivenih elementarnih čestica počeo alarmantno rasti, postavljena je hipoteza da su sve čestice koje su u snažnoj interakciji kompozitne. Fundamentalnije čestice su nazvane kvarkovi. Ono što je bilo neverovatno je da kvarkovi treba da imaju delimičan električni naboj: 1/3 i 2/3 elementarnog naboja. Za izgradnju protona i neutrona dovoljna su dva tipa kvarkova. A njihov maksimalni broj, očigledno, ne prelazi šest.
Nemoguće je stvoriti makroskopski standard jedinice električnog naboja, sličan standardu dužine - metar, zbog neizbježnog curenja naboja. Bilo bi prirodno uzeti naboj elektrona kao jedan (ovo se sada radi u atomskoj fizici). Ali u vrijeme Kulona, postojanje elektrona u prirodi još nije bilo poznato. Osim toga, naelektrisanje elektrona je premalo i stoga ga je teško koristiti kao standard.
U Međunarodnom sistemu jedinica (SI), jedinica naelektrisanja, kulon, utvrđuje se pomoću jedinice struje:
1 kulon (C) je naelektrisanje koje prolazi poprečnim presekom provodnika za 1 s pri struji od 1 A.
Naelektrisanje od 1 C je veoma veliko. Dva takva naboja na udaljenosti od 1 km odbijala bi se jedno drugo sa silom nešto manjom od sile kojom globus privlači teret težine 1 tone, stoga je nemoguće prenijeti naboj od 1 C na malo tijelo (veličine oko nekoliko metara). Odbijajući se jedna od druge, nabijene čestice ne bi mogle ostati na takvom tijelu. U prirodi ne postoje druge sile koje bi bile sposobne da kompenzuju Kulonovsko odbijanje pod ovim uslovima. Ali u vodiču koji je općenito neutralan, nije teško pokrenuti naboj od 1 C. Zaista, u običnoj sijalici snage 100 W na naponu od 127 V uspostavlja se struja koja je nešto manja od 1 A. Istovremeno, za 1 s naboj gotovo jednak 1 C prolazi kroz križ -presek provodnika.
Elektrometar se koristi za detekciju i mjerenje električnih naboja. Elektrometar se sastoji od metalne šipke i pokazivača koji se može rotirati oko horizontalne ose (slika 2). Štap sa strelicom učvršćen je u navlaku od pleksiglasa i smešten u cilindrično metalno kućište, zatvoreno staklenim poklopcima.
Princip rada elektrometra. Dodirnimo pozitivno nabijenu šipku sa štapom elektrometra. Videćemo da igla elektrometra odstupa za određeni ugao (vidi sliku 2). Rotacija strelice se objašnjava činjenicom da kada naelektrisano telo dođe u kontakt sa štapom elektrometra, električni naboji se raspoređuju duž strelice i štapa. Odbojne sile koje djeluju između poput električnih naboja na štapu i pokazivača uzrokuju rotaciju pokazivača. Ponovo naelektrizirajmo ebonitnu šipku i ponovo njome dodirnimo štap elektrometra. Iskustvo pokazuje da se povećanjem električnog naboja na štapu povećava kut odstupanja strelice od okomitog položaja. Posljedično, po kutu otklona igle elektrometra može se suditi o vrijednosti električnog naboja koji se prenosi na elektrometarsku šipku.
Ukupnost svih poznatih eksperimentalnih činjenica omogućava nam da istaknemo sljedeća svojstva naboja:
Postoje dvije vrste električnih naboja, koje se konvencionalno nazivaju pozitivnim i negativnim. Pozitivno nabijena tijela su ona koja djeluju na druga nabijena tijela na isti način kao staklo naelektrizirano trenjem o svilu. Tijela koja djeluju na isti način kao ebonit naelektriziran trenjem o vunu nazivaju se negativno nabijenim. Izbor naziva “pozitivan” za naboje koji nastaju na staklu i “negativan” za naboje na ebonitu je potpuno nasumičan.
Naboji se mogu prenositi (na primjer, direktnim kontaktom) s jednog tijela na drugo. Za razliku od tjelesne mase, električni naboj nije integralna karakteristika datog tijela. Isto tijelo pod različitim uvjetima može imati različit naboj.