Elektrisk ladning- en fysisk størrelse som karakteriserer intensiteten av elektromagnetisk interaksjon mellom legemer. Elektrisk ladning i seg selv eksisterer ikke; dens bærer kan bare være en partikkel av materie.
Grunnleggende egenskaper
1. Dualitet: i naturen er det ladninger av to tegn, som ladninger frastøter, motsatte ladninger tiltrekker seg. I denne forbindelse er de betingede ladningene delt inn i positive og negative.
Ladningen som en glassstang gnidd mot silke eller papir kalles positiv.
Negativ - ladningen som besittes av en rav- eller ebonittpinne som gnis mot pels eller ull.
2. Kvantisering: Hvis en fysisk størrelse bare tar visse diskrete verdier, sies den å være kvantisert (diskret). Erfaring viser at enhver elektrisk ladning kvantiseres, dvs. består av et heltall av elementære ladninger.
hvor =1,2,...heltall; e =1,6·1 -19 C - elementær ladning.
Elektronet har den minste (elementære) negative ladningen, protonet har den positive ladningen.
1 coulomb er ladningen som passerer gjennom tverrsnittet til en leder på ett sekund når den passerer gjennom lederen D.C.én ampere.
3. Avgiftsbevaring.
Elektriske ladninger kan bare forsvinne og dukke opp igjen i par. I hvert slikt par er ladningene like store og motsatte i fortegn. For eksempel tilintetgjør et elektron og et positron når de møtes, dvs. blir til nøytrale g - fotoner, og ladningene –e og +e forsvinner. Under en prosess kalt parproduksjon kommer et g-foton inn i feltet atomkjernen, blir til et par partikler, et elektron og et positron, og ladninger +e og –e oppstår.
Lov om bevaring av ladning: i et isolert system forblir den algebraiske summen av ladninger konstant for alle endringer i systemet.
Isolert er et system av organer som ikke utveksler avgifter med det ytre miljø.
4. Invarians ladning til ulike treghetsreferanserammer.
Erfaring viser at størrelsen på ladningen ikke avhenger av bevegelseshastigheten til den ladede kroppen. Den samme ladningen målt i forskjellige treghetsrapporteringsrammer er den samme.
5. Additivitet: .
Klassifisering av avgifter.
Avhengig av størrelsen på den ladede kroppen, deles ladninger inn i punkt og utvides.
· En punktladning er et ladet legeme hvis dimensjoner kan neglisjeres i forhold til dette problemet.
· Utvidet er ladningen til en kropp hvis dimensjoner ikke kan neglisjeres i forhold til dette problemet. Utvidede ladninger er delt inn i lineær, overflate og volum.
Ved evnen til å skifte i forhold til likevektsposisjonen under påvirkning av ekstern elektrisitet. felt er avgifter konvensjonelt delt inn i gratis, bundet og fremmed.
Gratis kalles ladninger som kan bevege seg fritt i en kropp under påvirkning av ekstern elektrisitet. felt.
Beslektet kalles ladningene som er en del av de dielektriske molekylene, som under påvirkning av elektrisitet. felt kan bare skifte fra sin likevektsposisjon, men kan ikke forlate molekylet.
Tredjepart kalles ladninger plassert på dielektrikumet, men ikke en del av dets molekyler.
Loven som styrer kraften til interaksjon mellom punktladninger ble etablert eksperimentelt i 1785. Anheng.
Coulombs lov: kraften i samspillet mellom to stasjonære punktladninger er direkte proporsjonal med ladningene, omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem, rettet langs den rette linjen som forbinder ladningene, og avhenger av miljøet de befinner seg i.
hvor q 1, q 2 - ladningsverdier; r er avstanden mellom ladninger;
8,85 1 -12 C 2 / (N m 2) - elektrisk konstant,
e er den dielektriske konstanten til mediet.
Den dielektriske konstanten til et stoff viser hvor mange ganger vekselvirkningskraften mellom ladninger i et gitt dielektrikum er mindre enn i et vakuum, vakuum = 1, er en dimensjonsløs størrelse.
La oss forklare årsaken til denne svekkelsen ved å vurdere en ladet kule omgitt av et dielektrikum. Kulefeltet orienterer molekylene til dielektrikumet, og negative bundne ladninger vises på overflaten av dielektrikumet ved siden av ballen.
Feltet på et hvilket som helst punkt av dielektrikumet vil bli skapt av to motsatt ladede kuler: overflaten av ballen, positivt ladet, og den negativt ladede overflaten til dielektrikumet ved siden av den, mens feltet med bundne ladninger trekkes fra feltet til gratis kostnader, og det totale feltet vil være svakere enn feltet til en ball.
1. Spenning elektrostatisk felt. Prinsippet for superposisjon av elektriske felt. Vektor flyt.
Enhver ladning endrer egenskapene til det omkringliggende rommet - det skaper et elektrisk felt i det.
Et elektrisk felt er en av formene for eksistens av materie rundt elektriske ladninger. Dette feltet manifesterer seg i det faktum at en elektrisk ladning plassert når som helst er under påvirkning av kraft.
Konseptet med det elektriske feltet ble introdusert i vitenskapen på 30-tallet år XIXårhundre av engelske forskere Michael Faraday.
Ifølge Faraday er hver elektrisk ladning omgitt av det elektriske feltet den skaper, så en slik ladning kalles noen ganger en kildeladning. Ladningen som kildeladningsfeltet studeres med kalles en testladning.
For at kraften som virker på testladningen skal karakterisere feltet ved et gitt punkt; Testladingen må være en punktlading.
Poenglading kalt et ladet legeme, hvis dimensjoner kan neglisjeres under betingelsene for dette problemet, dvs. hvis dimensjoner er små sammenlignet med avstandene til andre kropper som den samhandler med. I dette tilfellet må testladningens eget elektriske felt være så lite at det ikke endrer kildeladningens felt. Jo mindre størrelsen på det ladede legemet er og jo svakere dets eget felt sammenlignet med feltet til kildeladningen, desto mer nøyaktig tilfredsstiller dette ladede legemet testladingsbetingelsen.
Det elektriske feltet forplanter seg i vakuum med en hastighet c = 3·1 8 .
Feltet for stasjonære elektriske ladninger er elektrostatisk.
Ved hjelp av en testladning undersøker vi feltet som skapes av en stasjonær ladning – kilden.
Kraften som virker på testladningen ved et gitt punkt i feltet avhenger av størrelsen på testladningen. Hvis vi tar forskjellige testladninger, vil kraften som virker på dem på et gitt punkt i feltet være forskjellig.
Imidlertid forblir forholdet mellom kraften og størrelsen på testladningen konstant og karakteriserer selve feltet. Dette forholdet kalles den elektriske feltstyrken ved et gitt punkt.
Elektrisk feltstyrke er en vektormengde numerisk lik kraften som feltet virker med på en enhets positiv testladning ved et gitt punkt i feltet og codirectional med denne kraften.
Intensitet er hovedkarakteristikken til feltet og karakteriserer feltet fullstendig på hvert av dets punkter i størrelse og retning.
Feltstyrken til en punktladning.
I henhold til Coulombs lov
= 
er den elektriske feltstyrken til en punktladning i en avstand r fra denne ladningen.
Det er praktisk å grafisk avbilde det elektriske feltet ved å bruke et bilde av de såkalte kraftlinjene, eller spenningslinjer.
Spenningslinje er en linje hvis tangent i hvert punkt faller sammen i retning med spenningsvektoren i det punktet.
Feltstyrkelinjene skapt av stasjonære ladninger begynner og slutter alltid ved ladningene (eller i det uendelige) og lukkes aldri. Et sterkere felt er representert av tettere strekningslinjer. Tettheten til linjene er valgt slik at antall linjer som gjennomborer en enhetsoverflate på stedet vinkelrett på linjene er lik numerisk verdi vektor Spenningslinjer krysser aldri hverandre, fordi... skjæringspunktet deres vil bety to forskjellige retninger av feltstyrkevektoren på samme punkt, noe som ikke gir mening.
Et felt der intensiteten i alle punkter har samme størrelse og samme retning kalles homogen. I et slikt felt er kraftlinjene parallelle og deres tetthet er lik overalt, dvs. de er plassert i samme avstand fra hverandre.
Superposisjonsprinsipp.
Hvis det elektriske feltet ved et gitt punkt skapes av flere ladninger, er styrken til det resulterende feltet lik vektorsummen av feltstyrkene som skapes av hver ladning separat.
Prinsippet om superposisjon er et eksperimentelt faktum som er gyldig opp til veldig sterke felt. I henhold til samme lov dannes ikke bare statiske, men også raskt skiftende elektromagnetiske felt
La oss velge i vektorfeltet et visst volum begrenset av overflaten S. La oss dele denne overflaten inn i elementære størrelsesområder .
Et rettet overflateelement kan introduseres i betraktning. Et rettet element av en overflate er en vektor hvis lengde er lik arealet av elementet, og retningen faller sammen med retningen til normalen til dette elementet. For en lukket overflate tas den ytre normalen til overflaten. Siden valget av retning er vilkårlig (betinget), kan det rettes enten i en retning fra stedet eller i den andre, det er ikke en sann vektor, men en pseudo-vektor.
Retningsbestemt overflateelement,
Elementær overflate.
Strømmen av spenningsvektoren gjennom en elementær overflate dS ringte prikkprodukt
hvor a er vinkelen mellom vektorer og ,
E n - projeksjon i normal retning.
Etter å ha summert strømmene gjennom alle de elementære områdene som overflaten S ble delt inn i, får vi vektorstrømmen gjennom overflaten S.
Strømmen av en vektor gjennom overflaten S er integralet
For en lukket overflate.
Vektorfluks er en algebraisk størrelse:
For et enhetlig felt
 |
Strømmen av spenningsvektoren kan gis en klar geometrisk tolkning: den er numerisk lik antall spenningslinjer som krysser en gitt overflate.
2. Gauss' teorem for vektorfluks og dens anvendelse for å beregne feltene til utvidede ladninger i vakuum.
Å kjenne feltstyrken til en punktladning, og ved å bruke superposisjonsprinsippet, er det mulig å beregne feltstyrken som skapes av flere punktladninger. For utvidede avgifter er anvendelsen av superposisjonsprinsippet imidlertid vanskelig. En metode for å beregne felt skapt av utvidede ladninger ble foreslått av den tyske vitenskapsmannen Gauss på begynnelsen av 1800-tallet.
Gauss sin teorem for det elektrostatiske feltet i vakuum.
La oss vurdere feltet til en punktladning i vakuum og beregne radiusen til kulen gjennom overflaten
Feltstyrke når som helst på overflaten av sfæren
DEFINISJON
Lade, mer presist elektrisk ladet er en fysisk størrelse som bestemmer elektromagnetisk interaksjon.
Elektrisk ladning er merket med bokstaven q. Avgifter er delt inn i positive og negative. Ladninger av samme tegn opplever frastøtende krefter. Ladninger av motsatte tegn tiltrekker seg.
I eksperimentene til R. Millikan ble det vist at den elektriske ladningen - diskret mengde. Ladningen til ethvert legeme er en heltallsverdi som er et multiplum av den elementære ladningen (elektronladning);
hvor n er et heltall.
Ladeenheten i International Units (SI)-systemet er coulomb. Dette er en avledet enhet. En coulomb er den elektriske ladningen som passerer gjennom tverrsnittet til en leder med en strøm på 1 ampere i løpet av ett sekund.
Ladning finnes i et stort antall formler som er relatert til elektromagnetisme. La oss merke oss de viktigste.
Loven om bevaring av ladning
Loven om bevaring av ladning er en grunnleggende naturlov. Dens essens er at i ethvert lukket system forblir den algebraiske summen av ladninger uendret under implementeringen av alle prosesser i dette systemet:
Størrelsen på den elektriske ladningen til en kropp avhenger ikke av valget av referansesystem og avhenger ikke av typen bevegelse (hvile) av kroppen. Med andre ord er elektrisk ladning en relativistisk uforanderlig størrelse.
Bestemmelse av type stoff (leder, dielektrisk) er assosiert med konsentrasjonen av frie ladninger i stoffet.
Coulombs lov
En av de grunnleggende lovene innen elektrostatikk er den berømte Coulomb-loven. Den beskriver samspillet mellom stasjonære punktladninger. Denne loven ble foreslått av C. Coulomb i 1785.
En punktladning er et ladet legeme, hvis dimensjoner kan neglisjeres i forhold til avstandene til andre kropper med ladninger. En punktladning er en fysisk abstraksjon.
I matematisk form er Coulombs lov skrevet som følger:
Kraften som ladningen virker på ladningen med er radiusvektoren som forbinder og ; r er avstanden mellom ladningene som vurderes (vektormodul). I dette tilfellet virker en kraft på ladningen fra siden av ladningen som er lik kraft , men motsatt i retning; - elektrisk konstant; - dielektrisk konstant for stoffet som de aktuelle ladningene befinner seg i. Loven i form (3) er skrevet for det internasjonale enhetssystem (SI).
Punktladningsfeltstyrke
Feltstyrken er relatert til Coulomb-kraften () som:
hvor er størrelsen på testladningen som feltet virker med kraft på når det plasseres på det aktuelle punktet.
Et stasjonært punktladet legeme skaper et elektrostatisk felt rundt seg selv, hvis intensitet () er relatert til mengden ladning (q) til denne kroppen:
Radiusvektoren trukket fra ladningen til punktet der feltet vurderes. Positive ladninger er kilder til feltet, og negative ladninger er synker.
Punktladningsfeltpotensial
Potensialet () til det elektriske feltet som skaper en punktladning (q) ved et bestemt punkt som ligger i en avstand r fra ladningen som skaper feltet, er lik:
Arbeid i et elektrostatisk felt
Arbeidet utført av de elektrostatiske feltkreftene når en ladning (q) flyttes fra et feltpunkt med potensial til et punkt med potensial, kan beregnes som:
Strømstyrke og ladning
Strøm er den ordnede bevegelsen av ladede partikler. I dette tilfellet er strømstyrken funnet som:
hvor er endringen i ansvaret over en periode.
Eksempler på problemløsning
EKSEMPEL 1
| Øvelse | Det elektriske feltet er skapt av to punktladninger, deres størrelse er lik 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? !} |
| Løsning | La oss lage en tegning. Feltstyrken som skaper en positiv ladning i punkt A er rettet fra denne ladningen til høyre (se fig. 1). Feltstyrken skapt av den negative ladningen er rettet i samme retning, derfor vil den resulterende feltstyrken ved punkt A bli funnet som: Feltstyrken til en punktladning er lik:
For våre kostnader har vi: Ved å bruke formlene (1.1) og (1.3), får vi:
|
| Svare |
EKSEMPEL 2
| Øvelse | Den tynne halvdelen av ringen har en ladning jevnt fordelt langs lengden. Radiusen til semiringen er R, ladningstettheten er . I midten av krumningen av semiringen er det en ladning Q (fig. 1). Hva er kraften i samspillet mellom ladningen og halvringen? |
| Løsning | La oss velge en ladning på semiringen, som kan betraktes som en punktladning () (fig. 2). I henhold til Coulombs lov er kraften til samhandling mellom ladninger Q og lik:
|
La oss begynne å studere elektrodynamikk med det enkleste tilfellet - med elektrostatikk, som vurderer samspillet mellom elektriske ladninger som er ubevegelige i forhold til hverandre og det elektrostatiske feltet de skaper som er konstant over tid.
§ 1. Elektrisk ladning. Coulombs lov
Elektrisk ladning og elektrisk felt er primære begreper, som begrepene masse og gravitasjonsfelt i mekanikk. Det betyr at de ikke kan defineres gjennom andre, enklere begreper. Alt vi kan gjøre er å beskrive egenskapene deres.
Elektrisk ladning. Elektrisk ladning kjennetegner kroppens evne til å samhandle på en bestemt måte, beskrevet på kreftenes språk. I motsetning til gravitasjonsinteraksjon, som alltid manifesterer seg som tiltrekning mellom kropper, kan elektrisk interaksjon enten være tiltrekning eller frastøting. En grunnleggende egenskap ved elektrisk ladning kjent fra erfaring er at den eksisterer i to former, konvensjonelt kalt positive og negative ladninger. Ladninger av samme tegn frastøter. Samspillet mellom ladninger av motsatte tegn ligger i deres gjensidige tiltrekning.
En makroskopisk kropp kan gis en ladning for et hvilket som helst tegn. Når disse ladningene er tilstede i like store mengder, sies kroppen å være elektrisk nøytral eller uladet. Med andre ord, i en makroskopisk kropp kan positive og negative ladninger kansellere hverandre. Et uladet legeme, med en jevn fordeling av de positive og negative ladningene som kommer inn i det, samhandler ikke elektrisk med andre ladede legemer.
Den elektriske ladningen til et makroskopisk legeme bestemmes av den totale ladningen av dets bestanddeler elementære partikler. Verden rundt oss er en godt kompensert blanding av positive og negative ladninger. Slik kompensasjon er ikke overraskende, siden like anklager frastøter hverandre.
Grunnen til at elektrisk ladning eksisterer i nøyaktig to former er ikke fullt ut forstått i moderne fysikk. Det er mulig at en viss symmetri gjenspeiles i dette.
Positive og negative ladninger kan betraktes som motsatte manifestasjoner av samme kvalitet, akkurat som begrepene "høyre" og "venstre" er motsatte manifestasjoner av egenskapen til romsymmetri. Det viser seg at spørsmålet om "høyre" og "venstre" symmetri er nært knyttet til denne dualiteten av elektrisk ladning og til en annen grunnleggende symmetri, nemlig tidsreverseringssymmetri. Partikkelfysikk kaster litt lys over disse spørsmålene.
Elektrifisering av karosserier. De enkleste eksperimentene der kvalitetsnivå de beskrevne mønstrene for interaksjon av elektriske ladninger kan oppdages de har vært kjent siden B. Franklins tid (andre halvdel av 1700-tallet).
Ris. 1. Elektrostatisk maskin
Ris. 2. Det enkleste elektroskopet
Det finnes forskjellige måter elektrifisering av legemer, dvs. transformasjon av elektrisk nøytrale legemer til ladede. Spesielt er dette mulig ved å gni kropper mot hverandre (elektrifisering ved friksjon).
Separasjonen av elektriske ladninger med motsatte fortegn er også mulig ved elektrifisering gjennom påvirkning, uten direkte kontakt mellom legemer (elektrisk induksjon). Den vanligste enheten for å separere ladninger er en elektrostatisk maskin (fig. 1). Tilstedeværelsen av en elektrisk ladning i en kropp kan oppdages ved hjelp av et elektroskop (fig. 2) eller en mer moderne enhet - et elektrometer (fig. 3), som, i motsetning til et elektroskop, har en skjermende metallkropp, takket være hvilken dens avlesningene er ikke påvirket av fremmedlegemer rundt.
Ledere og dielektrikk. I henhold til oppførselen til ladninger i et elektrifisert legeme, er alle stoffer delt inn i ledere og isolatorer (dielektriske). Med dielektrikum forblir ladningen som tildeles dem på stedet der den ble plassert under elektrifisering. I ledere kan den påførte ladningen bevege seg fritt gjennom hele kroppen. Det er takket være denne egenskapen at ledende kropper kan lades med elektrifisering gjennom påvirkning. I likevekt, på grunn av gjensidig frastøtning, er gratis ladninger plassert på den ytre overflaten av lederen.
Ris. 3. Elektrometer og dets mekanisme
Blant det store antallet forskjellige elektrostatiske eksperimenter, er det mange som, for deres forklaring, selv på et kvalitativt nivå, krever bruk av svært komplekse og subtile konsepter. Et eksempel er det velkjente eksperimentet med å tiltrekke seg uladede papirstykker med en elektrifisert kam.
Coulombs lov. De første eksperimentelle kvantitative resultatene knyttet til interaksjonen mellom stasjonære elektriske ladninger ble oppnådd av C. Coulomb på slutten av 1700-tallet. For å måle kreftene som virker mellom ladninger, brukte Coulomb en enhet han laget kalt en torsjonsbalanse (fig. 4a). En lett vippearm K er opphengt i en isolator på en tynn elastisk tråd, i den ene enden av denne er festet en ledende kule A, og i den andre en motvekt P. Ved siden av kulen A kan en annen identisk stasjonær kule B plasseres. En glassylinder beskytter de sensitive delene av enheten mot luftbevegelse.
For å fastslå avhengigheten av interaksjonskraften av avstanden mellom ladninger, gis kulene A og B vilkårlige ladninger ved å berøre
Ris. 4. Coulomb torsjonsvekt
med en tredje ladet kule C, montert på et dielektrisk håndtak. Ved å bruke vrivinkelen til den elastiske tråden (fig. 46) kan du måle frastøtningskraften til lignende ladede kuler, og ved hjelp av instrumentskalaen kan du måle avstanden mellom dem. Som et resultat av disse eksperimentene fastslo Coulomb at interaksjonskraften er rettet langs linjen som forbinder begge ladningene og er omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem:
Interaksjonskraftens avhengighet av ladningen kan fastslås som følger. Når en ladet ledende kule bringes i kontakt med den samme uladede kulen, er det naturlig å anta at på grunn av symmetri vil ladningen mellom dem fordeles likt. Det viser seg at kraften i samspillet mellom kulene, på den ene hvor ladningen er halvert ved den beskrevne metoden, også avtar med halvparten i samme avstand mellom kulene. Ved å gjenta denne prosedyren flere ganger, kan du forsikre deg om at når ladningen til noen av kulene reduseres med to, fire, osv. ganger, viser interaksjonskraften seg å være proporsjonal med ladningen til hver ball.
Ved å oppsummere resultatene av slike eksperimenter kan vi formulere en lov som beskriver samspillskraften mellom stasjonære elektriske ladninger – Coulombs lov. Samspillskraften mellom to punktladninger i et vakuum er proporsjonal med produktet av ladningene og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem:
For at formelen skal gi ikke bare størrelsen på kraften, men også dens retning, er det praktisk å skrive Coulombs lov i vektorform:
Her er kraften som virker på ladningen fra siden av ladningen - forskjellen i radiusvektorene til punktladninger, dvs. vektoren trukket fra ladning til ladning (fig. 5). Det er lett å se at formel (2) gir riktig retning av kraften for eventuelle tegn på ladningene, dvs. for både frastøting (fig. 5a) og tiltrekning (fig. 5b) av disse ladningene.
Uttrykket for kraften som virker på ladningen fra siden er hentet fra (2) ved å omorganisere indeksene 1 og 2 og er i full overensstemmelse med Newtons tredje lov:
som tilfredsstilles av samspillet mellom elektriske ladninger som er ubevegelige i forhold til hverandre.
Nøyaktigheten som kan oppnås i forsøk med torsjonsbalanser er relativt lav. Vår tillit til at Coulombs lov nøyaktig beskriver elektrostatisk interaksjon er basert på en stor mengde andre eksperimentelle data som bekrefter det. Det viser seg at Coulombs lov gjelder for både veldig store og veldig små avstander. Spesielt studier av atomfenomener lar oss konkludere med at det er gyldig i det minste opp til avstander av størrelsesordenen til atomkjernen
Ris. 5. Samspill mellom punktladninger (Coulombs lov)
Legg merke til at den elektrostatiske interaksjonen av legemer med en sfærisk symmetrisk ladningsfordeling er beskrevet med de samme uttrykkene (1) og (2) som interaksjonen av punktladninger plassert i sentrum av disse legene.
Lade enheter. Koeffisienten k som vises i formlene (1) og (2) avhenger av valget av enheter. I fysikk har to systemer med enheter blitt utbredt, der introduksjonen av enheter av elektromagnetiske størrelser er basert på forskjellige fysiske lover. I det såkalte AGSE-systemet (absolutt elektrostatisk system), bygget på tre grunnleggende enheter - lengde, tid og masse - er enheten for elektrisk ladning en avledet. Den er valgt basert på Coulombs lov slik at koeffisienten k i den er lik en. Denne ladningsenheten kalles den absolutte elektrostatiske enheten. Dette er en ladning som virker i vakuum på en lik ladning som ligger i en avstand på én centimeter, med en kraft lik én dyn. Ladningsdimensjonen i SGSE-systemet er etablert fra formel (1) kl
Formelen som uttrykker Coulombs lov i GSE-systemet har formen
I International System of Units er blant de syv grunnleggende enhetene enheten for elektrisk strøm - ampere Denne enheten er etablert på grunnlag av den magnetiske interaksjonen av strømmer, som vil bli diskutert i detalj under studien magnetisk felt nåværende Ladningsenheten - coulomb (C) - er en derivert og uttrykkes gjennom to grunnleggende enheter - strøm og tid. Per definisjon er en coulomb ladningen som passerer på ett sekund gjennom tverrsnittet til en leder der en konstant elektrisk strøm på en ampere opprettholdes:
I elektrodynamikk er det vist at det er følgende forhold mellom coulomb og den absolutte elektrostatiske ladningsenheten:
Siden SI-ladningsenheten er etablert uavhengig av Coulombs lov, er koeffisienten k i (1) ikke lenger lik enhet. Det er vanligvis skrevet i formen hvor er en viss dimensjonskonstant, kalt den elektriske konstanten. Uttrykket for Coulombs lov i SI er
Verdien av den elektriske konstanten kan bli funnet ved å bruke relasjon (6) mellom coulomb og ladningsenheten SGSE. La det være to punktladninger Cl, atskilt med en avstand Da er vekselvirkningskraften i henhold til formel (4) lik
På den annen side, ifølge (7), er denne samme kraften lik
Elementær elektrisk ladning. I naturen eksisterer elektriske ladninger bare i form av ladede partikler, som konvensjonelt anses som de enkleste eller elementære. Tilstedeværelsen av en elektrisk ladning er en iboende egenskap til noen elementærpartikler. Bærerne av negative ladninger er
elektroner, positive ladninger - protoner. Ladningen til alle protoner er den samme og er lik minimumsladningen som finnes i naturen - den såkalte elementære elektriske ladningen
Ladningen til alle elektroner er også den samme og er i absolutt verdi lik den elementære elektriske ladningen. Et atom av et element inneholder like mange elektroner i elektronskallet som det er protoner i kjernen, og derfor er atomet elektrisk nøytralt.
Nøytrale vil være molekyler og makroskopiske legemer bygget av atomer. Enhver prosess med elektrifisering av kropper er assosiert med separasjon av elektriske ladninger, når et overskudd av positive ladninger vises på en av kroppene (eller en del av kroppen), og et overskudd av negative ladninger vises på den andre (eller en annen del av kroppen). kroppen). Det totale antallet positive og negative ladninger er bevart; ladningene blir kun omfordelt mellom kroppene. Som regel er elektrifisering assosiert med overføring av elektroner, hvis masse er ekstremt liten (kg). Derfor er det mulig å overføre eller fjerne et stort antall elektroner fra en makroskopisk kropp uten merkbar endring i massen, noe som gir en betydelig elektrisk ladning til kroppen.
Loven om bevaring av elektrisk ladning. Bevaring av elektrisk ladning er dens viktigste egenskap kjent fra erfaring: i et isolert system forblir den algebraiske summen av ladningene til alle legemer uendret. Gyldigheten av denne loven bekreftes ikke bare i elektrifiseringsprosesser, men også i observasjoner av et stort antall fødsler, ødeleggelser og gjensidige transformasjoner av elementære partikler.
Loven om bevaring av elektrisk ladning er en av de mest grunnleggende lover natur. Det er ikke et eneste tilfelle av brudd kjent. Selv i tilfeller der fødselen av en ny ladet partikkel inntreffer, er en annen partikkel med lik og motsatt ladning nødvendigvis født på samme tid. Det er umulig å "lade" en elementær partikkel, dvs. endre ladningen - vi vil ganske enkelt få en annen partikkel.
Den elektriske ladningen til en elementær partikkel avhenger verken av valg av referanseramme, eller av partikkelens bevegelsestilstand, eller av dens interaksjon med andre partikler. Derfor avhenger ikke ladningen til et makroskopisk legeme verken av bevegelsen til dets bestanddeler eller av bevegelsen til kroppen som helhet.
Oppgaver
1. Elektron i et hydrogenatom. I planetmodellen av atomet antas det at elektronet beveger seg rundt kjernen under påvirkning av Coulomb-tiltrekningskraften mot kjernen. Tatt i betraktning at bevegelsen til et elektron adlyder lovene
klassisk mekanikk, bestemme hastigheten til et elektron i en sirkulær bane med radius i et hydrogenatom.
Løsning. Når elektriske ladninger beveger seg sakte, dvs. hastigheten deres er mye mindre enn lysets hastighet, vil interaksjonen mellom dem, til en første tilnærming, være den samme som mellom stasjonære ladninger.
2. Ladede baller. To identiske metallkuler som befinner seg i en avstand større enn størrelsen, tiltrekkes av hverandre, og det er kjent at en av dem har tre ganger ladningen. Hvordan vil kraften i deres interaksjon endres hvis ballene bringes i kontakt og deretter separeres til samme avstand?
Løsning. Siden ballene først ble tiltrukket, hadde de ladninger av motsatte fortegn. Når identiske kuler kommer i kontakt, på grunn av symmetri, vil den totale ladningen fordeles likt mellom dem. Den absolutte verdien av ladningen til en av kulene er tre ganger større enn den andre. Derfor, etter delvis nøytralisering av ladningen når kulene kommer i kontakt, vil hver av dem ha en ladning med samme fortegn, og modulen til denne ladningen er lik den minste av modulene til de første ladningene. Fra dette er det klart at ballene vil frastøte med en kraft som er tre ganger mindre enn den opprinnelige tiltrekningskraften.
Hvorfor sier problemformuleringen at størrelsene på ballene er små sammenlignet med avstanden mellom dem? I løsningen vår stolte vi i det stille på Coulombs lov, som er gyldig for samspillet mellom punktavgifter. Derfor må de lineære dimensjonene til kulene være små slik at man slipper å tenke på at ladningene er ujevnt fordelt på kulene, eller på hvordan denne fordelingen endres når de lades opp igjen.
Hvilke eksperimenter indikerer at det finnes to typer elektrisk ladning?
Hvorfor er makroskopiske kropper i verden rundt oss som regel elektrisk nøytrale?
Forklar prinsippet for drift av et elektroskop (fig. 2).
Hvordan lade et elektrometer eller elektroskop ved hjelp av elektrifisering ved friksjon og elektrifisering ved påvirkning? Forklar prosessene som finner sted.
Beskriv hvordan interaksjonskraftens avhengighet av ladningsverdien etableres i Coulombs eksperimenter, gitt at det ikke finnes en uavhengig måte å måle ladningen på.
Forklar hvordan du går fra formel (I) som uttrykker Coulombs lov til vektoruttrykk (2) for kraften til ladningsvekselvirkningen.
Utled ladningsdimensjonen til SGSE-systemet.
Få et uttrykk for dimensjonen til den elektriske konstanten.
Hva er loven om bevaring av elektrisk ladning? Kan ladningen til individuelle partikler og den totale elektriske ladningen endres under kjernereaksjoner og gjensidige transformasjoner av elementærpartikler?
Hvorfor er det mulig å ignorere gravitasjonskraften til elektronet til kjernen når man løser oppgave 1? Hvor mange ganger er det mindre enn kraften til elektrostatisk tiltrekning?
En av de grunnleggende fysiske mengder, som er direkte relatert til elektrisitet og spesielt til elektroteknikk - dette er elektrisk ladning. Vi er vant til at i elektroteknikk måles ladning i anheng, men få mennesker vet at det finnes andre måleenheter for elektrisk ladning. Ved beregning av elektriske kretser og bruk av elektriske måleinstrumenter brukes det internasjonale systemet med SI-enheter. Men visste du at det finnes andre målesystemer?
Denne måleenheten for ladning har vært kjent for mange siden skolen. Den refererer, som du allerede har forstått, til SI-systemet av enheter. Dette er en avledet størrelse som ikke er grunnleggende i SI-systemet. Den er avledet fra andre mengder og bestemt av andre mengder.
Måleenheten er oppkalt etter forskeren - Charles de Augustin Coulomb, som oppdaget loven om interaksjon av ladninger, og følgelig den elektriske ladningen. Beløpet er forkortet som bokstaver Cl, og når det kommer til kostnadsbeløpet, skriver de det med med store bokstaver - anheng .
Definisjonen av elektrisk ladning i SI-systemet er som følger:
En elektrisk ladning av én coulomb er en ladning som passerer gjennom et tverrsnitt av en leder med en strøm på én ampere i løpet av en tid lik ett sekund.
Det er en sammenheng mellom ladning og enheten per amperetime. En coulomb elektrisitet er lik 1/3600 ampere time.
En annen enhet og måling av ladning, som er oppkalt etter den amerikanske oppfinneren og fysikeren - Benjamin Franklin. Portrettet hans kan sees på den amerikanske hundredollarseddelen. Denne enheten tilhører SGSE-systemet med enheter, der de grunnleggende enhetene er centimeter, gram og sekund. Ellers kalles dette enhetssystemet det absolutte systemet fysiske enheter og det ble mye brukt frem til vedtakelsen av SI-systemet (vedtatt i 1960).
Måleenheten er forkortet som Fr(russisk) eller Fr(engelsk).
Definisjonen av elektrisk ladning i SGSE-systemet er som følger:
Mengden elektrisk ladning i en Franklin er en slik mengde ladning at to motsatte ladninger av en Franklin, plassert i et vakuum i en avstand på en centimeter, vil tiltrekke hverandre med en kraft på en dyn.
Som det fremgår av definisjonen, skiller den seg fra den som er gitt for SI-systemet. Forskjellen er først og fremst at i SI-systemet uttrykkes ladningen i form av strømstyrke og bestemmes ut fra dette, men i SGSE-systemet uttrykkes ladningen i form av .
SGSE-systemet er praktisk for beregninger og forskning i fysikk, og SI-systemet er mer praktisk for de praktiske behovene til elektroteknikk.
Coulombs lov, som er direkte relatert til avgifter, er skrevet annerledes i SI- og SGS (SGSE)-systemene. Ladeenhet i 1 Cl kan oversettes til 1 Fr og omvendt.
Det er også Planck-systemet med naturlige måleenheter, og det inneholder også elektrisk ladning. Dette systemet ble først foreslått av en tysk fysiker Max Planck 1899 basert på lysets hastighet og gravitasjonskonstanten og ytterligere to konstanter han introduserte.
Abstrakt om elektroteknikk
Fullført av: Agafonov Roman
Luga Agro-Industrial College
Det er umulig å gi en kort definisjon av belastning som er tilfredsstillende i alle henseender. Vi er vant til å finne forståelige forklaringer på svært komplekse formasjoner og prosesser som atom, flytende krystaller, fordeling av molekyler etter hastighet osv. Men de mest grunnleggende, grunnleggende konseptene, udelelige i enklere, uten, ifølge vitenskapen i dag, for enhver indre mekanisme, kan ikke lenger kort forklares på en tilfredsstillende måte. Spesielt hvis objekter ikke direkte oppfattes av sansene våre. Det er disse grunnleggende konseptene som elektrisk ladning refererer til.
La oss først prøve å finne ut ikke hva en elektrisk ladning er, men hva som skjuler seg bak utsagnet: denne kroppen eller partikkelen har en elektrisk ladning.
Du vet at alle legemer er bygget av bittesmå partikler, udelelige til enklere (så vidt vitenskapen nå vet) partikler, som derfor kalles elementære. Alle elementærpartikler har masse og på grunn av dette tiltrekkes de av hverandre. I følge loven universell gravitasjon tiltrekningskraften avtar relativt sakte ettersom avstanden mellom dem øker: omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden. I tillegg har de fleste elementærpartikler, selv om ikke alle, evnen til å samhandle med hverandre med en kraft som også avtar i omvendt proporsjon med kvadratet på avstanden, men denne kraften er et stort antall ganger større enn tyngdekraften . Således, i hydrogenatomet, skjematisk vist i figur 1, tiltrekkes elektronet til kjernen (protonet) med en kraft 1039 ganger større enn gravitasjonskraften.
Hvis partiklene samhandler med hverandre med krefter som sakte avtar med økende avstand og er mange ganger større enn tyngdekreftene, så sies disse partiklene å ha en elektrisk ladning. Selve partiklene kalles ladede. Det er partikler uten en elektrisk ladning, men det er ingen elektrisk ladning uten en partikkel.
Interaksjoner mellom ladede partikler kalles elektromagnetiske. Når vi sier at elektroner og protoner er elektrisk ladet, betyr dette at de er i stand til interaksjoner av en bestemt type (elektromagnetisk), og ingenting mer. Mangelen på ladning på partiklene gjør at den ikke oppdager slike interaksjoner. Elektrisk ladning bestemmer intensiteten av elektromagnetiske interaksjoner, akkurat som masse bestemmer intensiteten av gravitasjonsinteraksjoner. Elektrisk ladning er den nest (etter massen) viktigste egenskapen til elementærpartikler, som bestemmer deres oppførsel i omverdenen.
Slik
Elektrisk ladning er en fysisk skalar størrelse som karakteriserer egenskapen til partikler eller kropper til å gå inn i elektromagnetiske kraftinteraksjoner.
Elektrisk ladning er symbolisert med bokstavene q eller Q.
Akkurat som i mekanikk brukes konseptet ofte materiell poeng, som gjør det mulig å betydelig forenkle løsningen av mange problemer, når man studerer samspillet mellom ladninger, viser ideen om en punktladning seg å være effektiv. En punktladning er et ladet legeme hvis dimensjoner er betydelig mindre enn avstanden fra denne kroppen til observasjonspunktet og andre ladede kropper. Spesielt, hvis de snakker om samspillet mellom to punktladninger, antar de dermed at avstanden mellom de to ladede legene under vurdering er betydelig større enn deres lineære dimensjoner.
Den elektriske ladningen til en elementær partikkel er ikke en spesiell "mekanisme" i partikkelen som kan fjernes fra den, dekomponeres til dens komponentdeler og settes sammen igjen. Tilstedeværelsen av en elektrisk ladning på et elektron og andre partikler betyr bare eksistensen av visse interaksjoner mellom dem.
I naturen er det partikler med ladninger av motsatte fortegn. Ladningen til et proton kalles positiv, og ladningen til et elektron kalles negativ. Det positive tegnet på en ladning på en partikkel betyr selvsagt ikke at den har noen spesielle fordeler. Innføringen av ladninger av to tegn uttrykker ganske enkelt det faktum at ladede partikler både kan tiltrekke seg og frastøte. Hvis ladningstegnene er like, frastøter partiklene, og hvis ladningstegnene er forskjellige, tiltrekker de seg.
Det er foreløpig ingen forklaring på årsakene til eksistensen av to typer elektriske ladninger. I alle fall finnes det ingen fundamentale forskjeller mellom positive og negative ladninger. Hvis tegnene på de elektriske ladningene til partikler endret seg til det motsatte, ville ikke naturen til elektromagnetiske interaksjoner i naturen endret seg.
Positive og negative ladninger er veldig godt balansert i universet. Og hvis universet er begrenset, er dets totale elektriske ladning, etter all sannsynlighet, lik null.
Det mest bemerkelsesverdige er at den elektriske ladningen til alle elementærpartikler er strengt tatt den samme i størrelsesorden. Det er en minimumsladning, kalt elementær, som alle ladede elementærpartikler har. Ladningen kan være positiv, som et proton, eller negativ, som et elektron, men ladningsmodulen er den samme i alle tilfeller.
Det er umulig å skille en del av ladningen, for eksempel fra et elektron. Dette er kanskje det mest overraskende. Ingen moderne teori kan ikke forklare hvorfor ladningene til alle partikler er like, og er ikke i stand til å beregne verdien av minimum elektrisk ladning. Det bestemmes eksperimentelt ved hjelp av forskjellige eksperimenter.
På 1960-tallet, etter at antallet nyoppdagede elementærpartikler begynte å vokse alarmerende, ble det antatt at alle sterkt interagerende partikler er sammensatte. Mer fundamentale partikler ble kalt kvarker. Det som var påfallende var at kvarker skulle ha en elektrisk ladning: 1/3 og 2/3 av den elementære ladningen. For å bygge protoner og nøytroner er to typer kvarker nok. Og deres maksimale antall overstiger tilsynelatende ikke seks.
Det er umulig å lage en makroskopisk standard for en enhet av elektrisk ladning, lik standarden for lengde - en meter, på grunn av den uunngåelige lekkasje av ladning. Det vil være naturlig å ta ladningen til et elektron som ett (dette gjøres nå i atomfysikk). Men på Coulombs tid var eksistensen av elektroner i naturen ennå ikke kjent. I tillegg er elektronets ladning for liten og derfor vanskelig å bruke som standard.
I International System of Units (SI) er ladeenheten, coulomb, etablert ved å bruke enheten for strøm:
1 coulomb (C) er ladningen som passerer gjennom tverrsnittet til en leder på 1 s ved en strøm på 1 A.
En ladning på 1 C er veldig stor. To slike ladninger i en avstand på 1 km ville frastøte hverandre med en kraft som er litt mindre enn kraften som kloden tiltrekker seg en last som veier 1 tonn. Derfor er det umulig å gi en ladning på 1 C til en liten kropp (omtrent flere meter i størrelse). Frastøtende fra hverandre ville ladede partikler ikke være i stand til å holde seg på en slik kropp. Ingen andre krefter eksisterer i naturen som ville være i stand til å kompensere for Coulomb-frastøting under disse forholdene. Men i en leder som generelt er nøytral, er det ikke vanskelig å sette en ladning på 1 C i bevegelse. Faktisk, i en vanlig lyspære med en effekt på 100 W ved en spenning på 127 V, etableres en strøm som er litt mindre enn 1 A. Samtidig går det på 1 s en ladning nesten lik 1 C gjennom krysset -seksjon av konduktøren.
Et elektrometer brukes til å oppdage og måle elektriske ladninger. Et elektrometer består av en metallstang og en peker som kan rotere rundt en horisontal akse (fig. 2). Stangen med pilen er festet i en plexiglasshylse og plassert i en sylindrisk metallkasse, lukket med glassdeksler.
Prinsippet for drift av elektrometeret. La oss berøre den positivt ladede stangen til elektrometerstangen. Vi vil se at elektrometernålen avviker med en viss vinkel (se fig. 2). Pilens rotasjon forklares ved at når et ladet legeme kommer i kontakt med elektrometerstangen, fordeles elektriske ladninger langs pilen og stangen. Frastøtende krefter som virker mellom like elektriske ladninger på stangen og pekeren får pekeren til å rotere. La oss elektrifisere ebonittstaven igjen og berøre elektrometerstangen med den igjen. Erfaring viser at med økende elektrisk ladning på stangen, øker pilens avviksvinkel fra vertikal posisjon. Ved elektrometernålens avbøyningsvinkel kan man følgelig bedømme verdien av den elektriske ladningen som overføres til elektrometerstangen.
Totalen av alle kjente eksperimentelle fakta tillater oss å fremheve følgende egenskaper ved ladningen:
Det er to typer elektriske ladninger, konvensjonelt kalt positive og negative. Positivt ladede legemer er de som virker på andre ladede legemer på samme måte som glass elektrifisert ved friksjon med silke. Kropp som virker på samme måte som ebonitt elektrifisert ved friksjon med ull kalles negativt ladet. Valget av navnet "positiv" for ladninger som oppstår på glass, og "negative" for ladninger på ebonitt, er helt tilfeldig.
Ladninger kan overføres (for eksempel ved direkte kontakt) fra en kropp til en annen. I motsetning til kroppsmasse, er elektrisk ladning ikke en integrert egenskap ved en gitt kropp. Den samme kroppen under forskjellige forhold kan ha en annen ladning.