Подобно на понятието гравитационна маса на тялото в Нютоновата механика, понятието заряд в електродинамиката е основното, основно понятие.

Електрически заряд е физическа величина, която характеризира свойството на частиците или телата да влизат в електромагнитни силови взаимодействия.

Електрическият заряд обикновено се представя с букви рили Q.

Съвкупността от всички известни експериментални факти ни позволява да направим следните изводи:

Има два вида електрически заряди, условно наречени положителни и отрицателни.

Зарядите могат да се прехвърлят (например чрез директен контакт) от едно тяло на друго. За разлика от телесната маса, електрическият заряд не е интегрална характеристика на дадено тяло. Същото тяло различни условияможе да има различен заряд.

Еднаквите заряди отблъскват, за разлика от зарядите привличат. Това също разкрива фундаментална разлика електромагнитни силиот гравитационните. Гравитационни силивинаги са сили на привличане.

Един от основните закони на природата е експериментално установеният закон за запазване на електрическия заряд .

В изолирана система алгебричната сума на зарядите на всички тела остава постоянна:

Законът за запазване на електрическия заряд гласи, че в затворена система от тела не могат да се наблюдават процеси на създаване или изчезване на заряди само с един знак.

От съвременна гледна точка носителите на заряд са елементарни частици. Всички обикновени тела се състоят от атоми, които включват положително заредени протони, отрицателно заредени електрони и неутрални частици - неутрони. Протоните и неутроните са част от атомните ядра, електроните образуват електронната обвивка на атомите. Електрическите заряди на протона и електрона са абсолютно еднакви по големина и равни на елементарния заряд д.

В неутрален атом броят на протоните в ядрото е равен на броя на електроните в обвивката. Този номер се нарича атомно число . Атом на дадено вещество може да загуби един или повече електрони или да получи допълнителен електрон. В тези случаи неутралния атом се превръща в положително или отрицателно зареден йон.

Зарядът може да се прехвърля от едно тяло на друго само на части, съдържащи цяло число елементарни заряди. По този начин електрическият заряд на тялото е дискретна величина:

Наричат ​​се физически количества, които могат да приемат само дискретна поредица от стойности квантувано . Елементарно зареждане де квант (най-малката част) от електрическия заряд. Трябва да се отбележи, че в съвременната физика на елементарните частици се приема съществуването на така наречените кварки - частици с частичен заряд и Въпреки това кварките все още не са наблюдавани в свободно състояние.

В обикновени лабораторни опитиизползвани за откриване и измерване на електрически заряди електромер ( или електроскоп) - устройство, състоящо се от метален прът и показалец, който може да се върти около хоризонтална ос (фиг. 1.1.1). Прътът на стрелата е изолиран от металното тяло. Когато заредено тяло влезе в контакт с пръта на електрометъра, електрическите заряди от същия знак се разпределят върху пръта и показалеца. Електрическите сили на отблъскване карат иглата да се завърти под определен ъгъл, по който може да се прецени зарядът, прехвърлен към пръта на електрометъра.

Електрометърът е доста груб инструмент; не позволява да се изследват силите на взаимодействие между зарядите. Законът за взаимодействие на стационарни заряди е открит за първи път от френския физик Чарлз Кулон през 1785 г. В своите експерименти Кулон измерва силите на привличане и отблъскване на заредени топки с помощта на проектирано от него устройство - торсионна везна (фиг. 1.1.2) , който се отличаваше с изключително висока чувствителност. Например везната се завърта на 1° под въздействието на сила от порядъка на 10 -9 N.

Идеята за измерванията се основава на брилянтното предположение на Кулон, че ако заредена топка бъде поставена в контакт с точно същата незаредена, тогава зарядът на първата ще бъде разделен поравно между тях. Така беше посочен начин за промяна на заряда на топката два, три и т.н. пъти. В експериментите на Кулон е измерено взаимодействието между топки, чиито размери са много по-малки от разстоянието между тях. Такива заредени тела обикновено се наричат точкови такси.

Точков заряд наречено заредено тяло, чиито размери могат да бъдат пренебрегнати в условията на тази задача.

Въз основа на множество експерименти Кулон установява следния закон:

Силите на взаимодействие между неподвижните заряди са право пропорционални на произведението на зарядните модули и обратно пропорционални на квадрата на разстоянието между тях:

Силите на взаимодействие се подчиняват на третия закон на Нютон:

Те са сили на отблъскване, когато зарядите имат еднакви знаци и сили на привличане, когато различни знаци(фиг. 1.1.3). Взаимодействието на неподвижни електрически заряди се нарича електростатичен или Кулон взаимодействие. Клонът на електродинамиката, който изучава взаимодействието на Кулон, се нарича електростатика .

Законът на Кулон е валиден за точково заредени тела. На практика законът на Кулон е добре изпълнен, ако размерите на заредените тела са много по-малки от разстоянието между тях.

Фактор на пропорционалност кв закона на Кулон зависи от избора на система от единици. В Международната система SI единицата за такса се приема за висулка(Cl).

Висулка е зарядът, преминаващ през напречно сечениепроводник при ток от 1 A. Единицата SI за ток (ампер) е, заедно с единиците за дължина, време и маса основна мерна единица.

Коефициент кв системата SI обикновено се записва като:

Където - електрическа константа .

В системата SI, елементарният заряд дравна на:

Опитът показва, че силите на взаимодействие на Кулон се подчиняват на принципа на суперпозицията:

Ако заредено тяло взаимодейства едновременно с няколко заредени тела, тогава резултантната сила, действаща върху дадено тяло, е равна на векторната сума на силите, действащи върху това тяло от всички други заредени тела.

Ориз. 1.1.4 обяснява принципа на суперпозицията, като използва примера за електростатичното взаимодействие на три заредени тела.

Принципът на суперпозицията е основен закон на природата. Използването му обаче изисква известна предпазливост, когато ние говорим заза взаимодействието на заредени тела с крайни размери (например две проводящи заредени топки 1 и 2). Ако трета заредена топка се доведе до система от две заредени топки, тогава взаимодействието между 1 и 2 ще се промени поради преразпределение на заряда.

Принципът на суперпозицията гласи, че когато дадено (фиксирано) разпределение на зарядана всички тела силите на електростатично взаимодействие между които и да е две тела не зависят от наличието на други заредени тела.

- един от основните закони на природата. Законът за запазване на заряда е открит през 1747 г. от Б. Франклин.

Електрон- частица, която е част от атом. В историята на физиката има няколко модела на структурата на атома. Една от тях, която дава възможност да се обяснят редица експериментални факти, в т.ч феномен на наелектризиране , беше предложено Е. Ръдърфорд. Въз основа на своите експерименти той заключава, че в центъра на атома има положително заредено ядро, около което отрицателно заредени електрони се движат по орбити. При неутрален атом положителен зарядядро е равен на общия отрицателен заряд на електроните. Ядрото на атома се състои от положително заредени протони и неутрални частици, неутрони. Зарядът на протона е равен по абсолютна стойност на заряда на електрона. Ако един или повече електрони бъдат отстранени от неутрален атом, той става положително зареден йон; Ако към даден атом се добавят електрони, той се превръща в отрицателно зареден йон.

Знанията за структурата на атома ни позволяват да обясним явлението наелектризиране триене . Електроните, слабо свързани с ядрото, могат да се отделят от един атом и да се прикрепят към друг. Това обяснява защо може да се образува върху едно тяло липса на електрони, а от другата - техните излишък. В този случай първото тяло се зарежда положително , а второто - отрицателен .

При наелектризиране възниква преразпределение на заряда , двете тела се наелектризират, придобивайки заряди с еднаква големина и противоположни знаци. В този случай алгебричната сума на електрическите заряди преди и след наелектризирането остава постоянна:

q 1 + q 2 + … + q n = const.

Алгебричната сума на зарядите на плочите преди и след наелектризирането е равна на нула. Написаното равенство изразява основния закон на природата - закон за запазване на електрическия заряд.

Като всеки физически закон, тя има определени граници на приложимост: тя е справедлива За затворена системател , т.е. за колекция от тела, изолирани от други обекти.

Също така в Древна ГърцияБеше забелязано, че кехлибарът, натрит с козина, започва да привлича малки частици - прах и трохи. За дълго време(до средата на 18 век) не може да даде сериозно оправдание за това явление. Едва през 1785 г. Кулон, наблюдавайки взаимодействието на заредени частици, извежда основния закон на тяхното взаимодействие. Около половин век по-късно Фарадей изучава и систематизира действието на електрическите токове и магнитните полета, а тридесет години по-късно Максуел обосновава теорията електромагнитно поле.

Електрически заряд

За първи път термините „електричен” и „електрификация”, като производни на латинската дума „electri” - кехлибар, са въведени през 1600 г. от английския учен У. Гилбърт, за да обясни явленията, които възникват, когато кехлибарът се търка с козина или стъкло с кожа. По този начин телата, които имат електрически свойства, започнаха да се наричат ​​​​електрически заредени, тоест към тях беше прехвърлен електрически заряд.

От горното следва, че електрическият заряд е количествена характеристика, показващи степента на възможно участие на тялото в електромагнитно взаимодействие. Зарядът се обозначава с q или Q и има кулонов капацитет (C)

В резултат на многобройни експерименти бяха получени основните свойства на електрическите заряди:

• Има два вида заряди, които условно се наричат ​​положителни и отрицателни;
• електрическите заряди могат да се прехвърлят от едно тяло на друго;
• едноименните електрически заряди се отблъскват взаимно, а едноименните електрически заряди се привличат.

Освен това е установен законът за запазване на заряда: алгебричната сума на електрическите заряди в затворена (изолирана) система остава постоянна

През 1749 г. американският изобретател Бенджамин Франклин излага теория за електрическите явления, според която електричеството е заредена течност, чийто дефицит той определя като отрицателно електричество, а излишъкът е положително електричество. Ето как възниква известният парадокс на електротехниката: според теорията на Б. Франклин електричеството тече от положителния към отрицателния полюс.

Според съвременна теорияструктурата на веществата, всички вещества се състоят от молекули и атоми, които от своя страна се състоят от ядрото на атома и електроните „e“, въртящи се около него. Ядрото е нехомогенно и се състои от протони “p” и неутрони “n”. Освен това електроните са отрицателно заредени частици, а протоните са положително заредени. Тъй като разстоянието между електроните и ядрото на атома значително надвишава размера на самите частици, електроните могат да бъдат отделени от атома, като по този начин предизвикват движение на електрически заряди между телата.

В допълнение към свойствата, описани по-горе, електрическият заряд има свойството на разделяне, но има стойност на минималния възможен неделим заряд, равен на абсолютна стойностелектронен заряд (1,6 * 10 -19 C), наричан още елементарен заряд. Понастоящем е доказано съществуването на частици с електрически заряд, по-малък от елементарния, наречени кварки, но техният живот е незначителен и не са открити в свободно състояние.

Закон на Кулон. Принцип на суперпозиция

Взаимодействието на стационарни електрически заряди се изучава от клон на физиката, наречен електростатика, който всъщност се основава на закона на Кулон, който е получен въз основа на многобройни експерименти. Този закон, както и единицата за електрически заряд, са кръстени на френския физик Шарл Кулон.

Чрез своите експерименти Кулон установи, че силата на взаимодействие между два малки електрически заряда се подчинява на следните правила:

• силата е пропорционална на големината на всеки заряд;
• силата е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях;
• посоката на силата е насочена по правата линия, свързваща зарядите;
• силата е привличане, ако телата са заредени противоположно, и отблъскване в случай на подобни такси.

Така законът на Кулон се изразява със следната формула

където q1, q2 – големината на електрическите заряди,

r е разстоянието между два заряда,

k е коефициентът на пропорционалност, равен на k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2), където ε 0 е електрическата константа, ε 0 = 8,85 * 10 -12 C 2 /( N*m 2).

Нека отбележа, че по-рано електрическата константа ε0 се наричаше диелектрична константа или диелектрична константа на вакуума.

Законът на Кулон се проявява не само когато два заряда взаимодействат, но и че системите от няколко заряда са по-често срещани. В този случай законът на Кулон се допълва от друг важен фактор, който се нарича „принцип на суперпозиция“ или принцип на суперпозиция.

Принципът на суперпозиция се основава на две правила:

• влиянието на няколко сили върху заредена частица е векторната сума на влиянията на тези сили;
• всяко сложно движение се състои от няколко прости движения.

Принципът на суперпозицията според мен е най-лесен за изобразяване графично

Фигурата показва три заряда: -q 1, +q 2, +q 3. За да се изчисли силата F total, която действа върху заряда -q 1, е необходимо да се изчислят, съгласно закона на Кулон, силите на взаимодействие F1 и F2 между -q 1, +q 2 и -q 1, +q 3. След това добавете получените сили според правилото за добавяне на вектори. IN в такъв случай F обикновено се изчислява като диагонал на успоредник, като се използва следният израз

където α е ъгълът между векторите F1 и F2.

Електрическо поле. Сила на електрическото поле

Всяко взаимодействие между зарядите, наричано още кулоново взаимодействие (наречено на закона на Кулон), се осъществява с помощта на електростатично поле, което е непроменливо във времето електрическо поле на неподвижни заряди. Електрическото поле е част от електромагнитното поле и се създава от електрически заряди или заредени тела. Електрическото поле влияе върху зарядите и заредените тела, независимо дали се движат или са в покой.

Едно от основните понятия електрическо полее неговото напрежение, което се определя като съотношението на силата, действаща върху заряда в електрическо поледо размера на този заряд. За да се разкрие тази концепция, е необходимо да се въведе такова понятие като „тестово зареждане“.

„Тестовият заряд“ е заряд, който не участва в създаването на електрическо поле, а също така има много малка стойност и следователно поради своето присъствие не предизвиква преразпределение на зарядите в пространството, като по този начин не изкривява електрическото поле създадени от електрически заряди.

По този начин, ако въведете „пробен заряд“ q 0 в точка, разположена на определено разстояние от заряда q, тогава определена сила F ще действа върху „тестовия заряд“ q P, поради наличието на заряд q. Съотношението на силата F 0, действаща върху пробния заряд, в съответствие със закона на Кулон, към стойността на „тестовия заряд“ се нарича сила на електрическото поле. Напрегнатостта на електрическото поле е обозначена с E и има капацитет N/C

Потенциал на електростатичното поле. Потенциална разлика

Както знаете, ако някаква сила действа върху тяло, тогава такова тяло извършва определена работа. Следователно, заряд, поставен в електрическо поле, също ще върши работа. В електрическо поле работата, извършена от заряд, не зависи от траекторията на движение, а се определя само от позицията, заета от частицата в началото и в края на движението. Във физиката полета, подобни на електрическото (където работата не зависи от траекторията на тялото), се наричат ​​потенциални.

Работата, извършена от тялото, се определя от следния израз

където F е силата, която не действа върху тялото,

S е разстоянието, изминато от тялото под действието на сила F,

α е ъгълът между посоката на движение на тялото и посоката на действие на силата F.

Тогава работата, извършена от „пробния заряд“ в електрическото поле, създадено от заряда q 0, ще бъде определена от закона на Кулон

където q P е "пробен заряд",

q 0 – заряд, създаващ електрическо поле,

r 1 и r 2 – съответно разстоянието между q П и q 0 в началния и крайна позиция"пробно зареждане".

Тъй като извършената работа е свързана с промяна на потенциалната енергия W P , тогава

И потенциалната енергия на „тестовия заряд“ във всяка конкретна точка от траекторията на движение ще бъде определена от следния израз

Както може да се види от израза, с промяна в стойността на „тестовия заряд“ q p, стойността на потенциалната енергия W P ще се промени пропорционално на q p, следователно, за да се характеризира електрическото поле, беше въведен друг параметър, наречен потенциал на електрическото поле φ, който е енергийна характеристика и се определя от следния израз

където k е коефициентът на пропорционалност, равен на k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2), където ε 0 е електрическата константа, ε 0 = 8,85 * 10 -12 C 2 / (N*m 2).

По този начин потенциалът на електростатичното поле е енергийна характеристика, която характеризира потенциалната енергия, притежавана от поставен заряд тази точкаелектростатично поле.

От горното можем да заключим, че работата, извършена при преместване на заряд от една точка в друга, може да се определи от следния израз

Тоест работата, извършена от силите на електростатичното поле при преместване на заряд от една точка в друга, е равна на произведението на заряда и потенциалната разлика в началната и крайната точка на траекторията.

Когато правите изчисления, най-удобно е да знаете потенциалната разлика между точките на електрическото поле, а не специфичните стойности на потенциалите в тези точки, следователно, говорейки за потенциала на всяка точка в полето, имаме предвид потенциална разлика между тази точка на полето и друга точка на полето, чийто потенциал е прието да бъде равен на нула.

Потенциалната разлика се определя от следния израз и има измерението Volt (V)

Продължете да четете в следващата статия

Теорията е добра, но без практическо приложениетова са само думи.

Човечеството знае, че в природата съществуват електрически заряди още от времето на древногръцките натурфилософи, които открили, че парчета кехлибар, ако се натъркат с котешки косми, започват да се отблъскват. Днес знаем, че електрическият заряд, подобно на масата, е едно от основните свойства на материята. Без изключение всички елементарни частици, които изграждат материална вселена, имат един или друг електрически заряд - положителен (като протоните в атомното ядро), неутрален (като неутроните на същото ядро) или отрицателен (като електроните, които образуват външната обвивка на атомното ядро ​​и осигуряват неговата електрическа неутралност като цяло) .

Една от най-полезните техники във физиката е да се идентифицират съвкупните (общи) свойства на система, които не се променят с никакви промени в нейното състояние. Такива свойства, от научна гледна точка, са консервативен, тъй като са доволни закони за опазване. Всеки закон за запазване се свежда до констатиране на факта, че в затворен (в смисъл на пълно отсъствие на „изтичане“ или „получаване“) съответният физическо количество) консервативна системасъответната величина, характеризираща системата като цяло, не се променя във времето.

Електрическият заряд принадлежи именно към категорията на консервативните характеристики на затворените системи. Алгебрична сума на положителните и отрицателните електрически заряди - нетна обща системна такса- не се променя при никакви обстоятелства, независимо какви процеси протичат в системата. По-специално, когато химична реакция, отрицателно заредените валентни електрони могат да бъдат преразпределени по всякакъв начин между външните обвивки на атомите, образуващи химични връзки различни вещества- няма да се промени нито общият отрицателен заряд на електроните, нито общият положителен заряд на протоните в ядрото в затворена химическа система. И това е само най-простият пример, тъй като по време на химичните реакции няма трансмутация на самите протони и електрони, в резултат на което броят на положителните и отрицателните заряди в системата може просто да се изчисли.

С повече високи енергииВъпреки това, електрически заредените елементарни частици започват да взаимодействат помежду си и става много по-трудно да се следи спазването на закона за запазване на електрическия заряд, но той е изпълнен и в този случай. Например, по време на реакцията на спонтанен разпад на изолиран неутрон възниква процес, който може да се опише със следната формула:

където p е положително зареден протон, n е неутрално зареден неутрон, e е отрицателно зареден електрон и v е неутрална частица, наречена неутрино. Лесно е да се види, че както в изходния материал, така и в реакционния продукт общият електрически заряд е нула (0 = (+1) + (-1) + 0), но в този случай има промяна общ бройположително и отрицателно заредени частици в системата. Това е една от реакциите на радиоактивен разпад, при която законът за запазване на алгебричната сума на електрическите заряди е изпълнен въпреки образуването на нови заредени частици. Такива процеси са характерни за взаимодействията между елементарни частици, при които частици с други електрически заряди се раждат от частици със същия електрически заряд. Общият електрически заряд на затворена система във всеки случай остава непроменен.