Comme le concept de masse gravitationnelle d’un corps dans la mécanique newtonienne, le concept de charge en électrodynamique est le concept de base principal.

Charge électrique est une grandeur physique qui caractérise la propriété des particules ou des corps d'entrer dans des interactions de forces électromagnétiques.

La charge électrique est généralement représentée par les lettres q ou Q.

L'ensemble de tous les faits expérimentaux connus permet de tirer les conclusions suivantes :

Il existe deux types de charges électriques, classiquement appelées positives et négatives.

Les charges peuvent être transférées (par exemple par contact direct) d’un organisme à un autre. Contrairement à la masse corporelle, la charge électrique ne fait pas partie intégrante d’un corps donné. Le même corps conditions différentes peut avoir une charge différente.

Les charges semblables se repoussent, contrairement aux charges qui s'attirent. Cela révèle également une différence fondamentale forces électromagnétiques des gravitationnels. Forces gravitationnelles sont toujours des forces d’attraction.

L'une des lois fondamentales de la nature est la loi établie expérimentalement loi de conservation de la charge électrique .

Dans un système isolé, la somme algébrique des charges de tous les corps reste constante :

La loi de conservation des charges électriques stipule que dans un système fermé d'organismes, on ne peut pas observer les processus de création ou de disparition des charges d'un seul signe.

D'un point de vue moderne, les porteurs de charge sont des particules élémentaires. Tous les corps ordinaires sont constitués d'atomes, qui comprennent des protons chargés positivement, des électrons chargés négativement et des particules neutres - les neutrons. Les protons et les neutrons font partie des noyaux atomiques, les électrons forment la couche électronique des atomes. Les charges électriques d'un proton et d'un électron sont exactement de même ampleur et égales à la charge élémentaire e.

Dans un atome neutre, le nombre de protons dans le noyau est égal au nombre d’électrons dans la coquille. Ce numéro s'appelle numéro atomique . Un atome d’une substance donnée peut perdre un ou plusieurs électrons ou gagner un électron supplémentaire. Dans ces cas, l’atome neutre se transforme en un ion chargé positivement ou négativement.

Les charges ne peuvent être transférées d'un corps à un autre que par portions contenant un nombre entier de charges élémentaires. Ainsi, la charge électrique d’un corps est une quantité discrète :

Les grandeurs physiques qui ne peuvent prendre qu'une série discrète de valeurs sont appelées quantifié . Charge élémentaire e est un quantique (la plus petite partie) de charge électrique. Il convient de noter que dans la physique moderne des particules élémentaires, on suppose l'existence de ce qu'on appelle les quarks - des particules avec une charge fractionnaire et Cependant, les quarks n'ont pas encore été observés à l'état libre.

En ordinaire expériences en laboratoire utilisé pour détecter et mesurer les charges électriques électromètre ( ou électroscope) - un dispositif constitué d'une tige métallique et d'un pointeur pouvant tourner autour d'un axe horizontal (Fig. 1.1.1). La tige de la flèche est isolée du corps métallique. Lorsqu'un corps chargé entre en contact avec la tige de l'électromètre, des charges électriques de même signe se répartissent sur la tige et l'aiguille. Les forces de répulsion électrique font tourner l’aiguille d’un certain angle, grâce auquel on peut juger de la charge transférée à la tige de l’électromètre.

L'électromètre est un instrument assez rudimentaire ; il ne permet pas d'étudier les forces d'interaction entre charges. La loi de l'interaction des charges stationnaires a été découverte pour la première fois par le physicien français Charles Coulomb en 1785. Dans ses expériences, Coulomb a mesuré les forces d'attraction et de répulsion des balles chargées à l'aide d'un appareil qu'il a conçu - une balance de torsion (Fig. 1.1.2) , qui se distinguait par une sensibilité extrêmement élevée. Par exemple, le fléau a pivoté de 1° sous l’influence d’une force de l’ordre de 10 -9 N.

L'idée des mesures était basée sur la brillante hypothèse de Coulomb selon laquelle si une balle chargée est mise en contact avec exactement la même balle non chargée, alors la charge de la première sera divisée également entre elles. Ainsi, un moyen a été indiqué pour modifier la charge de la balle de deux, trois, etc. Dans les expériences de Coulomb, on a mesuré l'interaction entre des boules dont les dimensions étaient bien inférieures à la distance qui les séparait. De tels corps chargés sont généralement appelés frais ponctuels.

Frais ponctuels appelé corps chargé, dont les dimensions peuvent être négligées dans les conditions de ce problème.

A partir de nombreuses expériences, Coulomb établit la loi suivante :

Les forces d'interaction entre charges stationnaires sont directement proportionnelles au produit des modules de charge et inversement proportionnelles au carré de la distance qui les sépare :

Les forces d'interaction obéissent à la troisième loi de Newton :

Ce sont des forces répulsives lorsque les charges ont les mêmes signes et des forces attractives lorsque différents signes(Fig. 1.1.3). L'interaction des charges électriques stationnaires est appelée électrostatique ou Coulomb interaction. La branche de l'électrodynamique qui étudie l'interaction coulombienne s'appelle électrostatique .

La loi de Coulomb est valable pour les corps chargés ponctuellement. En pratique, la loi de Coulomb est bien satisfaite si la taille des corps chargés est bien inférieure à la distance qui les sépare.

Facteur de proportionnalité k dans la loi de Coulomb dépend du choix du système d'unités. Dans le système international SI, l'unité de charge est considérée comme étant pendentif(Cl).

Pendentif est la charge qui traverse le coupe transversale conducteur à un courant de 1 A. L'unité SI de courant (Ampère) est, avec les unités de longueur, de temps et de masse unité de mesure de base.

Coefficient k dans le système SI, il s'écrit généralement comme suit :

Où - constante électrique .

Dans le système SI, la charge élémentaire eégal à:

L'expérience montre que les forces d'interaction coulombiennes obéissent au principe de superposition :

Si un corps chargé interagit simultanément avec plusieurs corps chargés, alors la force résultante agissant sur un corps donné est égale à la somme vectorielle des forces agissant sur ce corps par tous les autres corps chargés.

Riz. 1.1.4 explique le principe de superposition à l'aide de l'exemple de l'interaction électrostatique de trois corps chargés.

Le principe de superposition est une loi fondamentale de la nature. Cependant, son utilisation nécessite une certaine prudence lorsque nous parlons de sur l'interaction de corps chargés de tailles finies (par exemple, deux boules conductrices chargées 1 et 2). Si une troisième balle chargée est amenée à un système de deux balles chargées, alors l'interaction entre 1 et 2 changera en raison de redistribution des charges.

Le principe de superposition stipule que lorsque répartition des charges donnée (fixe) sur tous les corps, les forces d'interaction électrostatique entre deux corps quelconques ne dépendent pas de la présence d'autres corps chargés.

- une des lois fondamentales de la nature. La loi de conservation de charge a été découverte en 1747 par B. Franklin.

Électron- une particule qui fait partie d'un atome. Dans l’histoire de la physique, il existe plusieurs modèles de la structure de l’atome. L'un d'eux, qui permet d'expliquer un certain nombre de faits expérimentaux, dont phénomène d'électrification , a été proposé E. Rutherford. Sur la base de ses expériences, il a conclu qu'au centre de l'atome se trouve un noyau chargé positivement, autour duquel des électrons chargés négativement se déplacent sur des orbites. À un atome neutre charge positive Le noyau est égal à la charge négative totale des électrons. Le noyau d'un atome est constitué de protons chargés positivement et de particules neutres, les neutrons. La charge d'un proton est égale en valeur absolue à la charge d'un électron. Si un ou plusieurs électrons sont retirés d’un atome neutre, celui-ci devient un ion chargé positivement ; Si des électrons sont ajoutés à un atome, celui-ci devient un ion chargé négativement.

La connaissance de la structure de l'atome permet d'expliquer le phénomène d'électrification friction . Les électrons faiblement liés au noyau peuvent se détacher d’un atome et s’attacher à un autre. Ceci explique pourquoi il peut se former sur un seul corps manque d'électrons, et de l'autre - le leur excès. Dans ce cas, le premier corps est chargé positivement , et le deuxième - négatif .

Lorsqu'il est électrifié, cela se produit redistribution des charges , les deux corps sont électrisés, acquérant des charges d'égale ampleur et de signes opposés. Dans ce cas, la somme algébrique des charges électriques avant et après électrification reste constante :

q 1 + q 2 + … + q n = const.

La somme algébrique des charges des plaques avant et après électrification est égale à zéro. L'égalité écrite exprime la loi fondamentale de la nature - loi de conservation de la charge électrique.

Comme n'importe qui loi physique, il a certaines limites d'applicabilité : c'est juste Pour systeme ferme tél. , c'est à dire. pour une collection de corps isolés des autres objets.

Aussi dans La Grèce ancienne Il a été remarqué que l'ambre frotté avec la fourrure commence à attirer de petites particules - poussière et miettes. Pendant longtemps(jusqu'au milieu du XVIIIe siècle) ne pouvait fournir une justification sérieuse à ce phénomène. Ce n'est qu'en 1785 que Coulomb, observant l'interaction de particules chargées, en déduisit la loi fondamentale de leur interaction. Environ un demi-siècle plus tard, Faraday étudia et systématisa l'action des courants électriques et des champs magnétiques, et trente ans plus tard Maxwell étaya la théorie Champ électromagnétique.

Charge électrique

Pour la première fois, les termes « électrique » et « électrification », dérivés du mot latin « electri » - ambre, ont été introduits en 1600 par le scientifique anglais W. Gilbert pour expliquer les phénomènes qui surviennent lorsque l'ambre est frotté avec de la fourrure. ou verre avec peau. Ainsi, les corps qui ont des propriétés électriques ont commencé à être appelés chargés électriquement, c'est-à-dire qu'une charge électrique leur a été transférée.

De ce qui précède, il s'ensuit que la charge électrique est caractéristique quantitative, montrant le degré de participation possible du corps à l'interaction électromagnétique. La charge est désignée q ou Q et a la capacité Coulomb (C)

À la suite de nombreuses expériences, les propriétés fondamentales des charges électriques ont été dérivées :

• Il existe deux types de charges, classiquement appelées positives et négatives ;
• les charges électriques peuvent être transférées d’un corps à un autre ;
• les charges électriques du même nom se repoussent et les charges électriques du même nom s'attirent.

De plus, la loi de conservation des charges a été établie : la somme algébrique des charges électriques dans un système fermé (isolé) reste constante

En 1749, l'inventeur américain Benjamin Franklin avance une théorie des phénomènes électriques, selon laquelle l'électricité est un liquide chargé, dont il définit le déficit comme de l'électricité négative, et dont l'excès est de l'électricité positive. C’est ainsi qu’est né le fameux paradoxe de l’électrotechnique : selon la théorie de B. Franklin, l’électricité circule du pôle positif au pôle négatif.

Selon théorie moderne structure des substances, toutes les substances sont constituées de molécules et d’atomes, qui à leur tour sont constitués du noyau d’un atome et des électrons « e » tournant autour de lui. Le noyau est inhomogène et est constitué tour à tour de protons « p » et de neutrons « n ». De plus, les électrons sont des particules chargées négativement et les protons sont chargés positivement. Étant donné que la distance entre les électrons et le noyau d’un atome dépasse largement la taille des particules elles-mêmes, les électrons peuvent être séparés de l’atome, provoquant ainsi le mouvement de charges électriques entre les corps.

En plus des propriétés décrites ci-dessus, une charge électrique a la propriété de se diviser, mais il existe une valeur de charge indivisible minimale possible égale à valeur absolue charge électronique (1,6 * 10 -19 C), également appelée charge élémentaire. Actuellement, l'existence de particules avec une charge électrique inférieure à la charge élémentaire, appelées quarks, a été prouvée, mais leur durée de vie est insignifiante et elles n'ont pas été détectées à l'état libre.

La loi de coulomb. Principe de superposition

L'interaction des charges électriques stationnaires est étudiée par une branche de la physique appelée électrostatique, qui est en fait basée sur la loi de Coulomb, dérivée de nombreuses expériences. Cette loi, ainsi que l'unité de charge électrique, portent le nom du physicien français Charles Coulomb.

Coulomb, à travers ses expériences, a constaté que la force d'interaction entre deux petites charges électriques obéit aux règles suivantes :

• la force est proportionnelle à la grandeur de chaque charge ;
• la force est inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare ;
• la direction de la force est dirigée le long de la ligne droite reliant les charges ;
• la force est l'attraction si les corps sont chargés de manière opposée, et la répulsion dans le cas de charges semblables.

Ainsi, la loi de Coulomb s'exprime par la formule suivante

où q1, q2 – l'ampleur des charges électriques,

r est la distance entre deux charges,

k est le coefficient de proportionnalité égal à k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2), où ε 0 est la constante électrique, ε 0 = 8,85 * 10 -12 C 2 /( N*m2).

Permettez-moi de noter qu'auparavant la constante électrique ε0 était appelée constante diélectrique ou constante diélectrique du vide.

La loi de Coulomb se manifeste non seulement lorsque deux charges interagissent, mais aussi que les systèmes à plusieurs charges sont plus courants. Dans ce cas, la loi de Coulomb est complétée par un autre facteur important, appelé « principe de superposition » ou principe de superposition.

Le principe de superposition repose sur deux règles :

• l'influence de plusieurs forces sur une particule chargée est la somme vectorielle des influences de ces forces ;
• tout mouvement complexe se compose de plusieurs mouvements simples.

Le principe de superposition, à mon avis, est le plus simple à représenter graphiquement

La figure montre trois charges : -q 1, +q 2, +q 3. Afin de calculer la force F totale, qui agit sur la charge -q 1, il faut calculer, selon la loi de Coulomb, les forces d'interaction F1 et F2 entre -q 1, +q 2 et -q 1, +q 3. Ajoutez ensuite les forces résultantes selon la règle de l'addition vectorielle. DANS dans ce cas F est généralement calculé comme la diagonale du parallélogramme en utilisant l'expression suivante

où α est l'angle entre les vecteurs F1 et F2.

Champ électrique. Intensité du champ électrique

Toute interaction entre charges, également appelée interaction coulombienne (du nom de la loi de Coulomb), se produit à l’aide d’un champ électrostatique, qui est un champ électrique de charges stationnaires invariant dans le temps. Le champ électrique fait partie du champ électromagnétique et est créé par des charges électriques ou des corps chargés. Le champ électrique affecte les charges et les corps chargés, qu'ils soient en mouvement ou au repos.

Un des concepts fondamentaux champ électrique est sa tension, qui est définie comme le rapport de la force agissant sur la charge en champ électriqueà l'ampleur de cette charge. Pour révéler ce concept, il est nécessaire d'introduire un concept tel que « charge d'essai ».

Une « charge d'essai » est une charge qui ne participe pas à la création d'un champ électrique, et a également une très petite valeur et donc, par sa présence, ne provoque pas de redistribution des charges dans l'espace, ne déformant ainsi pas le champ électrique créé par des charges électriques.

Ainsi, si vous introduisez une « charge d'essai » q 0 en un point situé à une certaine distance de la charge q, alors une certaine force F agira sur la « charge d'essai » q P, du fait de la présence de la charge q. Le rapport entre la force F 0 agissant sur la charge d'essai, conformément à la loi de Coulomb, et la valeur de la « charge d'essai » est appelé intensité du champ électrique. L'intensité du champ électrique est désignée E et a la capacité N/C

Potentiel de champ électrostatique. Différence potentielle

Comme vous le savez, si une force agit sur un corps, alors ce corps effectue une certaine quantité de travail. Par conséquent, une charge placée dans un champ électrique fera également l’affaire. Dans un champ électrique, le travail effectué par une charge ne dépend pas de la trajectoire du mouvement, mais est déterminé uniquement par la position occupée par la particule au début et à la fin du mouvement. En physique, les champs similaires au champ électrique (où le travail ne dépend pas de la trajectoire du corps) sont appelés potentiels.

Le travail effectué par le corps est déterminé par l'expression suivante

où F est la force qui n'agit pas sur le corps,

S est la distance parcourue par le corps sous l'action de la force F,

α est l'angle entre la direction du mouvement du corps et la direction d'action de la force F.

Ensuite, le travail effectué par la « charge test » dans le champ électrique créé par la charge q 0 sera déterminé à partir de la loi de Coulomb.

où q P est une « charge d'essai »,

q 0 – charge créant un champ électrique,

r 1 et r 2 – respectivement, la distance entre q П et q 0 dans le initial et position finale"charge d'essai".

Puisque l'exécution du travail est associée à un changement d'énergie potentielle W P , alors

Et l'énergie potentielle de la « charge d'essai » à chaque point spécifique de la trajectoire du mouvement sera déterminée à partir de l'expression suivante

Comme le montre l'expression, avec un changement dans la valeur de la « charge d'essai » q p, la valeur de l'énergie potentielle W P changera proportionnellement à q p, donc, pour caractériser le champ électrique, un autre paramètre a été introduit appelé le potentiel de champ électrique φ, qui est une caractéristique énergétique et est déterminé par l'expression suivante

où k est le coefficient de proportionnalité égal à k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2), où ε 0 est la constante électrique, ε 0 = 8,85 * 10 -12 C 2 / (N*m2).

Ainsi, le potentiel du champ électrostatique est une caractéristique énergétique qui caractérise l'énergie potentielle que possède une charge placée dans ce point champ électrostatique.

De ce qui précède, nous pouvons conclure que le travail effectué lors du déplacement d'une charge d'un point à un autre peut être déterminé à partir de l'expression suivante

C'est-à-dire que le travail effectué par les forces du champ électrostatique lors du déplacement d'une charge d'un point à un autre est égal au produit de la charge et de la différence de potentiel aux points initial et final de la trajectoire.

Lors des calculs, il est plus pratique de connaître la différence de potentiel entre les points du champ électrique, et non les valeurs de potentiel spécifiques à ces points. Par conséquent, en parlant du potentiel de n'importe quel point de champ, nous entendons la différence de potentiel entre un point de champ donné et un autre point de champ dont le potentiel est convenu pour être considéré comme égal à zéro.

La différence de potentiel est déterminée à partir de l'expression suivante et a la dimension Volt (V)

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La théorie c'est bien, mais sans application pratique ce ne sont que des mots.

L'humanité sait que les charges électriques existent dans la nature depuis l'époque des philosophes naturels grecs, qui ont découvert que les morceaux d'ambre, s'ils sont frottés avec des poils de chat, commencent à se repousser. Nous savons aujourd’hui que la charge électrique, comme la masse, est l’une des propriétés fondamentales de la matière. Sans exception, toutes les particules élémentaires qui composent univers matériel, avoir l'une ou l'autre charge électrique - positive (comme les protons dans le noyau atomique), neutre (comme les neutrons du même noyau) ou négative (comme les électrons qui forment l'enveloppe externe du noyau atomique et assurent sa neutralité électrique dans son ensemble) .

L’une des techniques les plus utiles en physique consiste à identifier les propriétés globales (totales) d’un système qui ne changent pas en cas de changement de son état. De telles propriétés, en termes scientifiques, sont conservateur, puisqu'ils sont satisfaits lois sur la conservation. Toute loi de conservation revient à affirmer que dans un environnement fermé (au sens d'absence totale de « fuite » ou de « réception »), le quantité physique) système conservateur la grandeur correspondante caractérisant le système dans son ensemble ne change pas dans le temps.

La charge électrique appartient précisément à la catégorie des caractéristiques conservatrices des systèmes fermés. Somme algébrique des charges électriques positives et négatives - charge totale nette du système- ne change en aucun cas, quels que soient les processus qui se produisent dans le système. En particulier, lorsque réactions chimiques, les électrons de valence chargés négativement peuvent être redistribués de n'importe quelle manière entre les enveloppes externes des atomes formant des liaisons chimiques diverses substances- ni la charge négative totale des électrons ni la charge positive totale des protons dans le noyau d'un système chimique fermé ne changeront. Et ce n'est que l'exemple le plus simple, car lors des réactions chimiques, il n'y a pas de transmutation des protons et des électrons eux-mêmes, ce qui permet de calculer simplement le nombre de charges positives et négatives dans le système.

Avec plus hautes énergies, cependant, les particules élémentaires chargées électriquement commencent à interagir les unes avec les autres, et il devient beaucoup plus difficile de contrôler le respect de la loi de conservation de la charge électrique, mais elle est également remplie dans ce cas. Par exemple, lors de la réaction de désintégration spontanée d'un neutron isolé, un processus se produit qui peut être décrit par la formule suivante :

où p est un proton chargé positivement, n est un neutron chargé neutre, e est un électron chargé négativement et v est une particule neutre appelée neutrino. Il est facile de voir que dans la matière première et dans le produit de réaction, la charge électrique totale est nulle (0 = (+1) + (-1) + 0), mais dans ce cas il y a un changement nombre total particules chargées positivement et négativement dans le système. C'est l'une des réactions de désintégration radioactive dans laquelle la loi de conservation de la somme algébrique des charges électriques est satisfaite malgré la formation de nouvelles particules chargées. De tels processus sont caractéristiques des interactions entre particules élémentaires, dans lesquelles des particules ayant d'autres charges électriques naissent de particules ayant les mêmes charges électriques. Dans tous les cas, la charge électrique totale d’un système fermé reste inchangée.