Comme le concept du poids corporel gravitationnelle de la mécanique de Newton, le concept de charge en électrodynamique est le concept de base.

Charge électrique - Il s'agit d'une quantité physique caractérisant la propriété de particules ou de TEL pour rejoindre les interactions électromagnétiques de puissance.

La charge électrique est généralement indiquée par des lettres q. ou alors Q..

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

Il existe deux types de charges électriques, évoquées de manière conditionnelle positive et négative.

Les frais peuvent être transmis (par exemple, avec contact direct) d'un corps à un autre. Contrairement au poids corporel, une charge électrique n'est pas une caractéristique essentielle de ce corps. Le même corps dans conditions différentes Peut avoir une charge différente.

Les charges du même nom sont repoussées, les variépètes sont attirées. Cela montre également une différence fondamentale. forces électromagnétiques De gravitationnel. Forces gravitationnelles Toujours sont des forces d'attraction.

L'une des lois fondamentales de la nature est établie expérimentalement droit de conservation des charges électriques .

Dans un système isolé, la quantité algébrique de charges de tous les organes reste permanente:

La loi de conservation d'une charge électrique soutient que dans un système de corps fermé, les processus de naissance ou la disparition des charges d'un seul signe ne peuvent pas être observés.

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

Dans un atome neutre, le numéro de protons dans le noyau est égal au nombre d'électrons dans la coque. Ce numéro est appelé numéro atomique . L'atome de cette substance peut perdre un ou plusieurs électrons ou acheter un électron en excès. Dans ces cas, l'atome neutre se transforme en un ion positif ou chargé négativement.

La charge peut être transmise d'un corps à une autre seule des portions contenant un nombre entier de charges élémentaires. Ainsi, la charge électrique du corps est une valeur discrète:

Quantités physiques qui ne peuvent que prendre un nombre discret de valeurs sont appelées quantifié . Chargement élémentaire e. C'est une quantique (la plus petite portion) d'une charge électrique. Il convient de noter que, dans la physique moderne des particules élémentaires, l'existence de soi-disant quarks - particules avec une charge fractionnée est assumée et dans l'état libre des quarks a toujours échoué.

Ordinaire expériences de laboratoire Détecter et mesurer les charges électriques utilisées electromètre ( ou électroscope) - un dispositif constitué d'une tige de métal et d'une flèche pouvant pivoter autour de l'axe horizontal (Fig. 1.1.1). La tige avec la flèche est isolée du boîtier métallique. Lors de la mise en contact du corps chargé avec la tige d'électromètre, les charges électriques d'un signe sont réparties sur la tige et la flèche. Les forces de repulsion électrique provoquent une flèche à un peu d'angle, ce qui peut être jugé par charge transmis par la tige d'électromètre.

L'électromètre est un dispositif plutôt rugueux; Il ne permet pas d'explorer la force de l'interaction des charges. Pour la première fois, la loi d'interaction des charges fixes a été ouverte par le pendentif français physicien-charlock en 1785. Dans ses expériences, le pendentif a mesuré les forces d'attraction et répulsion des balles chargées à l'aide du dispositif conçu pour eux - des échelles torsadées (Fig. . 1.1.2), qui différait une sensibilité extrêmement élevée. Ainsi, par exemple, le bascule de balance a tourné 1 ° sous l'action de l'ordre d'environ 10 -9 N.

L'idée de mesures était basée sur un cool brillant devinez que si une balle chargée apporte en contact avec exactement la même non valord, alors la charge du premier divisera entre elles également. Ainsi, une méthode a été indiquée pour changer la balle de la balle en deux, trois, etc. Dans les expériences du coulon, l'interaction entre les balles a été mesurée, dont les dimensions sont beaucoup moins que la distance entre elles. Ces corps chargés sont appelés habituels charges de points.

Accusation de points appelé le corps chargé, dont les tailles dans les conditions de cette tâche peuvent être négligées.

Sur la base de nombreuses expériences, le pendentif a établi la loi suivante:

Les forces de l'interaction des charges fixes sont directement proportionnelles au produit de modules de charge et proportionnellement proportionnellement au carré de la distance entre eux:

Les forces d'interaction sont soumises à la troisième loi Newton:

Ce sont des forces répulsives avec les mêmes signes de charges et forces d'attraction avec des signes différents (Fig. 1.1.3). L'interaction des charges électriques fixes est appelée Électrostatique ou alors coulombien interaction. La section de l'électrodynamique étudie l'interaction de Coulomb est appelée Électrostatique .

La loi du coulon est juste pour les corps chargés de points. Pratiquement la loi du coulon est bien faite si la taille des corps chargés est beaucoup moins que la distance entre eux.

Coefficient de proportionnalité k. Dans la loi du coulon, dépend du choix du système d'unités. Dans le système international de SI par unité de charge pendentif (Cl).

Pendentif - Il s'agit d'une charge qui passe 1 s à travers une section transversale du conducteur à un courant de 1 A. L'unité de courant (AMP) en C est ainsi que des unités de longueur, de temps et de masse l'unité principale de mesure.

Coefficient k. Le système SI est généralement écrit sous la forme:

Où - constant électrique .

Dans la charge élémentaire système SI e. égal à:

L'expérience montre que les forces de l'interaction de Coulomb sont soumises au principe de la superposition:

Si le corps chargé interagit simultanément avec plusieurs corps chargés, la force résultante agissant sur ce corps est égale à la somme vectorielle des forces agissant sur cet organe de tous les autres organes chargés.

Figure. 1.1.4 explique le principe de la superposition sur l'exemple de l'interaction électrostatique de trois corps chargés.

Le principe de superposition est la loi fondamentale de la nature. Cependant, son utilisation nécessite une certaine prudence, dans le cas où nous parlons Sur l'interaction des corps chargés de tailles finies (par exemple, deux balles chargées conductrices 1 et 2). Si le système de deux balles chargées de la troisième balle chargée, l'interaction entre 1 et 2 changera en raison de frais de redistribution.

Le principe de la superposition affirme que distribution de charge spécifiée (fixe) Tous les corps de pouvoir d'interaction électrostatique entre deux organes ne dépendent pas de la présence d'autres corps chargés.

- l'une des lois fondamentales de la nature. La loi de préservation de la charge a été ouverte en 1747 B. Franklin.

Électron - une particule qui fait partie de l'atome. Dans l'histoire de la physique, il y avait plusieurs modèles de la structure de l'atome. L'un d'entre eux permettant d'expliquer un certain nombre de faits expérimentaux, y compris phénomène d'électrification , a été proposé E. rootford. Sur la base des expériences, il a conclu que dans le centre de l'atome, il y a un noyau chargé positivement, autour desquels des électrons chargés négativement se déplacent autour des orbites. Atome neutre charge positive Le noyau est égal à la charge négative totale des électrons. Le noyau Atom consiste en des protons chargés positivement et des particules neutres de neutrons. La charge de proton sur le module est égale à la charge d'électrons. Si un ou plusieurs électrons sont retirés de l'atome neutre, il devient un ion chargé positivement; Si les électrons sont attachés à l'atome, il devient un ion chargé négativement.

La connaissance de la structure de l'atome vous permet d'expliquer le phénomène de l'électrification friction . Les électrons, faiblement associés au noyau, peuvent se séparer d'un atome et rejoindre l'autre. Cela explique pourquoi sur un corps peut former manque d'électronset de l'autre - leur excès . Dans ce cas, le premier corps est chargé positivement , et le deuxième - négatif .

Lorsque l'électrification se produit redistribution de la charge , les deux corps sont électrifiés, acquérir des charges égales de signes opposés. Dans le même temps, la quantité algébrique de charges électriques avant et après l'électrification reste permanente:

Q 1 + q 2 + ... + q n \u003d const.

La quantité algébrique de charges de plaques avant et après l'électrification est zéro. L'égalité enregistrée exprime la loi fondamentale de la nature - droit de conservation des charges électriques.

Comme toute loi physique, il présente certaines limites d'applicabilité: c'est juste pour un corps de corps fermé . Pour une combinaison de corps, isolé des autres objets.

Aussi dans La Grèce ancienne Il a été remarqué que la fourrure furieuse ambre commence à attirer de petites particules - poussières et miettes. Pendant longtemps (Jusqu'au milieu du XVIIIe siècle) ne pouvait pas donner une grave justification de ce phénomène. Seulement en 1785, le pendentif, observant l'interaction des particules chargées, a porté la loi fondamentale de leur interaction. En environ un demi-siècle, Faradays a étudié et systématisé l'effet des courants électriques et des champs magnétiques, et après trente ans, Maxwell ataqué la théorie champ électromagnétique.

Charge électrique

Pour la première fois, le terme "électrique" et "électrification", en tant que dérivés du mot latin "électri" - ambre, ont été introduits en 1600. Les scientifiques anglais W. Hilbert pour expliquer les phénomènes qui se posent lors de la frottement de la fourrure d'ambre ou du verre de cuir. Ainsi, les corps qui ont des propriétés électriques sont devenus chargés électriquement, c'est-à-dire qu'ils ont été transmis de charge électrique.

À partir de ce qui précède, il s'ensuit qu'une charge électrique est une caractéristique quantitative montrant le degré de participation corporelle possible à une interaction électromagnétique. La charge est désignée par q ou q et a un pendentif de décharge (CL)

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

• il existe des accusations de deux types qui sont conditionnellement nommés positifs et négatifs;
• les charges électriques peuvent être transmises d'un corps à un autre;
• les charges électriques du même nom sont repoussées les unes des autres et la pertinence - attirent mutuellement.

En outre, la loi des frais d'épargne a été établie: la quantité algébrique de charges électriques dans un système fermé (isolé) reste constante

En 1749, l'inventeur américain Benjamin Franklin propose la théorie des phénomènes électriques, selon lesquelles l'électricité est un fluide chargé, dont il est déterminé comme une électricité négative et une électricité excédentaire positive. Ainsi, le célèbre paradoxe de l'ingénierie électrique est apparu: selon la théorie de B. Franklin, l'électricité circule d'un pôle négatif positif.

Selon théorie moderne Les structures de substances, toutes les substances sont constituées de molécules et d'atomes, qui se composent à son tour d'un noyau d'atome et d'électrons tournant autour de celui-ci ". Le noyau est inhomogène et se compose à son 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'Atom dépasse considérablement les dimensions des particules elles-mêmes, les électrons peuvent être clivés de l'atome, déterminant ainsi le mouvement des charges électriques entre les corps.

Outre les propriétés ci-dessus, la charge électrique présente la propriété de la division, mais il y a la valeur de la charge minimale possible indivisible égale à valeur absolue Charge électronique (1,6 * 10 -19 CL), également appelée charge élémentaire. Actuellement, l'existence de particules avec une charge électrique est inférieure à l'élémentaire, appelée quarks, mais le temps de leur existence est légèrement et dans l'état libre, ils ne sont pas détectés.

La loi du coulon. Principe de superposition

L'interaction des charges électriques fixes est étudiée par la section de la physique nommée électrostatique, qui réalise en fait la loi du coulon, qui a été dérivée de nombreuses expériences. Cette loi, ainsi que l'unité de charge électrique, a été nommée d'après la physique française Challl.

Le pendentif effectuant ses expériences a révélé que la force de l'interaction entre deux petites charges électriques est soumise aux règles suivantes:

• la force est proportionnelle à la magnitude de chaque charge;
• la force est inversement proportionnelle au carré des distances entre eux;
• la direction de la force est essentielle le long de la charge de connexion directe;
• la force est une attraction si les corps sont facturés d'opposition et répulsion dans le cas des mêmes accusations.

Ainsi, la loi du coulon est exprimée par la formule suivante

où Q1, Q2 est la magnitude des charges électriques,

r est la distance entre deux charges,

k est un coefficient de proportionnalité égal à k \u003d 1 / (4πε 0) \u003d 9 * 10 9 kl 2 / (h * m 2), où ε 0 est la constante électrique, ε 0 \u003d 8,85 * 10 -12 cl 2 / ( N * m 2).

Je note que la constante électrique précédemment ε0 a été appelée la constante diélectrique ou la perméabilité diélectrique du vide.

La loi de Culon se manifeste, non seulement lorsque l'interaction de deux charges, mais également que le système est plus commun de plusieurs accusations. Dans ce cas, la loi de Kulon est complétée par un autre facteur important appelé «Le principe des superpositions» ou le principe de superposition.

Le principe de la superposition est basé sur deux règles:

• l'impact sur une particule chargée de plusieurs forces est la somme vectorielle des effets de ces forces;
• tout mouvement complexe consiste en plusieurs mouvements simples.

Le principe de superposition, à mon avis, est le plus facile à décrire graphiquement

La figure montre trois charges: -q 1, + q 2, + q 3. Afin de calculer la force du total F, qui agit sur la charge -q 1, il est nécessaire de calculer en fonction de la loi du refroidissement de la force d'interaction F1 et F2 entre -q 1, + q 2 et -q 1 , + Q 3. Ensuite, les forces résultantes sont pliées en fonction de la règle de la formation de vecteurs. Dans ce cas, F a été calculé comme une diagonale du parallélogramme selon l'expression suivante

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

Champ électrique. Tension de champ électrique

Toute interaction entre les charges, appelée l'interaction de Coulomb (par le nom de la loi sur la culon), se produit à l'aide d'un champ électrostatique, qui est immuable à temps par le champ électrique des charges fixes. 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, que ce soit, qu'ils se déplacent ou se trouvent au repos.

L'un des concepts fondamentaux champ électrique est sa tension, qui est définie comme le rapport de la force du courant pour la charge dans champ électrique à l'ampleur de cette charge. Pour divulguer ce concept, il est nécessaire d'introduire un tel concept en tant que "charge d'essai".

"Frais d'essai" est appelé une telle charge qui ne participe pas à la création d'un champ électrique, et a également une très petite quantité et que sa présence ne provoque donc pas la redistribution des charges dans l'espace, ne faisant pas déformer le champ électrique créé par Frais électriques.

Ainsi, si vous faites une "charge d'essai" q 0 à un point, qui est à une certaine distance de la charge q, une force F, alors une force F, en raison de la présence de la charge q, agira sur la "charge d'essai". Le rapport de la puissance de F 0 agissant sur une charge d'essai, conformément à la loi du coulon, à l'ampleur de la "charge de test" s'appelle la force du champ électrique. La force de champ électrique est indiquée par e et a le mordu de n / cl

Le potentiel du champ électrostatique. Différence potentielle

Comme vous le savez, si un pouvoir agit sur le corps, un tel organisme fait un certain travail. Par conséquent, la charge placée dans le champ électrique effectuera également des travaux. Dans le champ électrique, le travail effectué ne dépend pas de la trajectoire de mouvement, mais n'est déterminé que par la position qui occupe une particule au début et à la fin du mouvement. Dans la physique du champ comme un champ électrique (où le travail ne dépend pas de la trajectoire du mouvement du corps) sont appelés potentiel.

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

où f est la force n'agissant pas le corps,

S - la distance parcourue par le corps de puissance f,

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

Ensuite, le travail effectué par la "charge de test" dans le champ électrique créé par la charge q 0 sera déterminé à partir de la loi du Coulon

où q p - "frais d'essai",

q 0 - Une charge crée un champ électrique,

r 1 et R 2 - respectivement, la distance entre Q p et q 0 dans l'initiale et position finale "Frais d'essai."

Puisque la performance est associée au changement de l'énergie potentielle w p, alors

Et l'énergie potentielle de la "charge de test" dans chaque point hôtelier de la trajectoire du mouvement sera déterminée à partir de l'expression suivante

Comme on peut le voir de l'expression avec une modification de l'ampleur de la "charge de test" q n valeur de l'énergie potentielle WP sera modifiée proportionnellement à QP, un autre paramètre a donc été introduit à la caractéristique du champ électrique, qui est le potentiel du champ électrique φ, qui est la caractéristique énergétique et est déterminé par l'expression suivante

où k est le coefficient de proportionnalité égal à k \u003d 1 / (4πε 0) \u003d 9 * 10 9 kl 2 / (h * m 2), où ε 0 est la constante électrique, ε 0 \u003d 8,85 * 10 -12 kl 2 / (n * m 2).

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

À partir de ce qui précède, nous pouvons conclure que le travail effectué lors de la déplacement de la 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 le champ électrostatique avec le mouvement de la charge d'un point à un autre est égal à la charge de la charge sur la différence de potentiel des points initiaux et finaux de la trajectoire.

Lorsque vous calculez le plus pratique de connaître la différence de potentiel entre les points du champ électrique et non les valeurs spécifiques des potentiels de ces points, parlant donc sur le potentiel de tout point du champ, la différence potentielle entre cette Point et l'autre point du champ, dont le potentiel devait être considéré égal à zéro.

La différence de potentiel est déterminée à partir de l'expression suivante et a une dimension volt (B)

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La théorie est bonne mais sans application pratique Ce sont juste des mots.

Le fait que les charges électriques de la nature existent, l'humanité savait depuis l'époque des philosophes naturels grecs antiques, qui ont découvert que les morceaux d'ambre, s'ils manquaient de la laine féline, commencent à se repousser les uns des autres. Aujourd'hui, nous savons que la charge électrique, comme la masse, est l'une des propriétés fondamentales de la matière. Toutes les particules élémentaires, dont elles consistent en univers matériel, ont une ou une autre charge électrique - positive (semblable à des protons dans la composition du noyau atomique), neutre (comme des neutrons similaires du même noyau) ou négatif (semblables aux électrons formant la gaine extérieure du noyau atomique et fournissant sa neutralité électrique dans son ensemble).

L'une des techniques les plus utiles de la physique consiste à identifier les propriétés totales (totales) du système qui ne changent pas sous aucune modification de son état. Ces propriétés, exprimer une langue scientifique, sont conservateurparce qu'ils sont effectués pour eux lois sur la conservation. Toute loi sur la conservation est réduite à la déclaration du fait que, dans une clôture (au sens de l'absence totale de «fuite» ou de «recettes» de la quantité physique correspondante) système conservateur La valeur correspondante caractérisant le système dans son ensemble ne change pas au fil du temps.

La charge électrique est simplement de voir la catégorie des caractéristiques conservatrices des systèmes fermés. Quantité algébrique de charges électriques positives et négatives - charge du système total pure - Ne change en aucune circonstance, quels que soient les processus du système. En particulier, quand réactions chimiquesLes électrons de valence chargés négativement peuvent être redistribués entre les coquilles externes de formage des liaisons chimiques d'atomes d'atomes diverses substances - Ni la charge négative cumulative des électrons ni la charge positive cumulative de protons dans le noyau dans un système chimique fermé ne changeront pas. Et ce n'est que l'exemple le plus facile, car dans les réactions chimiques, aucune transmutation des protons et des électrons eux-mêmes, à la suite de laquelle le nombre de charges positives et négatives dans le système peut être simplement calculée.

Avec plus hautes énergiesCependant, des particules élémentaires chargées électriquement commencent à s'engager dans une interaction entre elles et à respecter la conformité à la loi de conservation de la charge électrique devient beaucoup plus difficile, mais elle est réalisée dans ce cas. Par exemple, avec la réaction de la décomposition spontanée d'un neutron isolé, un processus peut être décrit par la formule suivante:

lorsque P est un proton à chargé positivement, N est un neutron chargé de neutre, E est un électron chargé négativement, et V est une particule neutre appelée Neutrino. Il est facile de voir que dans le matériau source, et dans le produit de réaction, la charge électrique totale est zéro (0 \u003d (+1) + (-1) + 0), mais dans ce cas, il y a un changement le total Particules positives et chargées négativement dans le système. C'est l'une des réactions de la carie radioactive dans laquelle la loi sur la conservation quantité algébrique Les charges électriques sont effectuées, malgré la formation de nouvelles particules chargées. Ces procédés sont caractéristiques des interactions entre les particules élémentaires, dans lesquelles les particules avec d'autres charges électriques naissent des particules avec une charge électrique. La charge électrique totale d'un système fermé, dans tous les cas, reste inchangée.