뉴턴 역학의 물체의 중력질량 개념과 마찬가지로 전기역학의 전하 개념은 일차적이고 기본적인 개념이다.

전하 전자기력 상호 작용을 시작하는 입자 또는 물체의 특성을 나타내는 물리량입니다.

전하는 일반적으로 문자로 표시됩니다. 큐또는 큐.

알려진 모든 실험적 사실의 총합을 통해 우리는 다음과 같은 결론을 내릴 수 있습니다.

일반적으로 양전하와 음전하라고 불리는 두 가지 유형의 전하가 있습니다.

전하는 한 신체에서 다른 신체로 (예를 들어 직접 접촉을 통해) 이전될 수 있습니다. 체질량과 달리 전하는 주어진 신체의 필수 특성이 아닙니다. 같은 몸 다른 조건요금이 다를 수 있습니다.

전하가 반발하는 것과 달리 전하는 끌어당깁니다. 이는 또한 근본적인 차이점을 드러냅니다. 전자기력중력으로부터. 중력항상 끌어당기는 힘입니다.

자연의 기본 법칙 중 하나는 실험적으로 확립된 법칙입니다. 전하 보존의 법칙 .

고립계에서는 모든 물체의 전하량의 대수적 합이 일정하게 유지됩니다.

전하 보존 법칙에 따르면 닫힌 신체 시스템에서는 단 하나의 기호에 대한 전하 생성 또는 소멸 과정을 관찰할 수 없습니다.

현대의 관점에서 전하 캐리어는 기본 입자입니다. 모든 일반 몸체는 양전하를 띤 양성자, 음전하를 띤 전자 및 중성 입자(중성자)를 포함하는 원자로 구성됩니다. 양성자와 중성자는 원자핵의 일부이며, 전자는 원자의 전자 껍질을 형성합니다. 양성자와 전자의 전하는 크기가 정확히 같고 기본 전하와 같습니다. 이자형.

중성 원자에서는 핵의 양성자 수는 껍질의 전자 수와 같습니다. 이 번호는 원자 번호 . 특정 물질의 원자는 하나 이상의 전자를 잃거나 추가 전자를 얻을 수 있습니다. 이 경우 중성 원자는 양전하 또는 음전하를 띤 이온으로 변합니다.

전하는 기본 전하의 정수를 포함하는 부분에서만 한 몸체에서 다른 몸체로 이동할 수 있습니다. 따라서 신체의 전하는 이산량입니다.

이산적인 일련의 값만 취할 수 있는 물리량을 호출합니다. 양자화 . 기본 요금 이자형전하의 양자(가장 작은 부분)입니다. 소립자의 현대 물리학에서는 소위 쿼크의 존재가 가정됩니다. 즉, 부분 전하를 갖는 입자이지만 쿼크는 아직 자유 상태에서 관찰되지 않았습니다.

평소에는 실험실 실험전하를 감지하고 측정하는 데 사용됩니다. 전위계 ( 또는 검전기) - 금속 막대와 수평 축을 중심으로 회전할 수 있는 포인터로 구성된 장치입니다(그림 1.1.1). 화살촉은 금속 몸체로부터 분리되어 있습니다. 대전된 물체가 전위계 막대와 접촉하면 동일한 부호의 전하가 막대와 포인터 위에 분포됩니다. 전기적 반발력으로 인해 바늘이 특정 각도로 회전하게 되며, 이를 통해 전위계 막대로 ​​전달된 전하를 판단할 수 있습니다.

전위계는 다소 조잡한 도구입니다. 그것은 전하들 사이의 상호작용의 힘을 연구하는 것을 허용하지 않습니다. 고정 전하의 상호 작용 법칙은 1785년 프랑스 물리학자 Charles Coulomb에 의해 처음 발견되었습니다. 그의 실험에서 Coulomb은 자신이 설계한 장치인 비틀림 저울을 사용하여 대전된 공의 인력과 반발력을 측정했습니다(그림 1.1.2). , 이는 매우 높은 감도로 구별됩니다. 예를 들어 평균대는 10 -9 N 정도의 힘의 영향을 받아 1° 회전했습니다.

측정 아이디어는 충전된 공이 정확히 동일한 충전되지 않은 공과 접촉하면 첫 번째 공의 전하가 두 공 사이에 균등하게 분배된다는 쿨롱의 뛰어난 추측을 기반으로 했습니다. 따라서 공의 전하를 두 번, 세 번 등으로 변경하는 방법이 나타났습니다. 쿨롱의 실험에서는 크기가 공 사이의 거리보다 훨씬 작은 공 사이의 상호 작용이 측정되었습니다. 이러한 충전체는 일반적으로 포인트 요금.

포인트 충전 이 문제의 조건에서는 크기를 무시할 수 있는 대전체라고 합니다.

수많은 실험을 바탕으로 쿨롱은 다음과 같은 법칙을 확립했습니다.

고정 전하 사이의 상호 작용력은 전하 계수의 곱에 정비례하고 두 전하 사이의 거리의 제곱에 반비례합니다.

상호작용력은 뉴턴의 제3법칙을 따릅니다.

전하가 동일한 신호를 가질 때 반발력이 되고, 다음과 같은 인력을 가질 때 인력이 됩니다. 다른 표시(그림 1.1.3). 고정 전하의 상호 작용을 정전기의 또는 쿨롱 상호 작용. 쿨롱 상호작용을 연구하는 전기역학 분야는 다음과 같습니다. 정전기 .

쿨롱의 법칙은 점전하체에 유효합니다. 실제로 쿨롱의 법칙은 대전된 물체의 크기가 그 사이의 거리보다 훨씬 작은 경우 잘 충족됩니다.

비례 요인 케이쿨롱의 법칙에서는 단위계의 선택에 따라 달라집니다. 국제 SI 시스템에서는 충전 단위를 다음과 같이 사용합니다. 펜던트(Cl).

펜던트 을 통과하는 요금입니다. 교차 구역 1A 전류의 도체. SI의 전류 단위(암페어)는 길이, 시간 및 질량 단위와 함께 기본 측정 단위.

계수 케이 SI 시스템에서는 일반적으로 다음과 같이 작성됩니다.

어디 - 전기 상수 .

SI 시스템에서는 기본 전하를 이자형동일하다:

경험에 따르면 쿨롱 상호작용 힘은 중첩 원리를 따릅니다.

대전된 물체가 여러 개의 대전된 물체와 동시에 상호작용하는 경우, 주어진 물체에 작용하는 결과적인 힘은 다른 모든 대전된 물체에서 이 물체에 작용하는 힘의 벡터 합과 같습니다.

쌀. 1.1.4는 세 개의 대전체의 정전기 상호작용의 예를 사용하여 중첩 원리를 설명합니다.

중첩의 원리는 자연의 기본 법칙이다. 그러나 다음과 같은 경우에는 사용 시 약간의 주의가 필요합니다. 우리 얘기 중이야유한한 크기의 대전체(예: 대전된 공 1과 2를 전도하는 두 물체)의 상호 작용에 대해 설명합니다. 세 번째 충전된 공을 두 개의 충전된 공 시스템으로 가져온 경우 1과 2 사이의 상호 작용은 다음과 같이 변경됩니다. 전하 재분배.

중첩의 원리는 다음과 같습니다. 주어진(고정) 전하 분배모든 물체에서 두 물체 사이의 정전기 상호 작용의 힘은 다른 대전 물체의 존재에 의존하지 않습니다.

- 자연의 기본 법칙 중 하나입니다. 전하 보존 법칙은 1747년 B. 프랭클린(B. Franklin)에 의해 발견되었습니다.

전자- 원자의 일부인 입자. 물리학의 역사에는 원자 구조에 대한 여러 모델이 있었습니다. 그 중 하나는 다음을 포함하여 여러 가지 실험적 사실을 설명하는 것을 가능하게 합니다. 대전 현상 , 제안되었습니다 E. 러더퍼드. 그의 실험을 바탕으로 그는 원자의 중심에는 양전하를 띤 핵이 있고 그 주위에서 음전하를 띤 전자가 궤도를 따라 움직인다는 결론을 내렸습니다. 중성 원자에서 양전하핵은 전자의 총 음전하와 같습니다. 원자의 핵은 양전하를 띤 양성자와 중성 입자인 중성자로 구성됩니다. 양성자의 전하는 절대값이 전자의 전하와 같습니다. 중성 원자에서 하나 이상의 전자가 제거되면 양전하를 띤 이온이 됩니다. 원자에 전자가 추가되면 음전하를 띤 이온이 됩니다.

원자 구조에 대한 지식을 통해 대전 현상을 설명할 수 있습니다. 마찰 . 핵에 느슨하게 결합된 전자는 한 원자에서 떨어져 나와 다른 원자에 붙을 수 있습니다. 이것이 한 몸에 형성될 수 있는 이유를 설명합니다. 전자 부족, 그리고 다른 한편으로는 - 그들의 것 과잉. 이 경우 첫 번째 본체가 충전됩니다. 전적으로 , 그리고 두 번째 - 부정적인 .

전기가 흐르면 발생합니다. 전하 재분배 , 두 몸체 모두 전기가 통하여 동일한 크기와 반대 부호의 전하를 얻습니다. 이 경우, 전기화 전후의 전하량의 대수적 합은 일정하게 유지됩니다.

q 1 + q 2 + … + qn = const.

대전 전후의 판 전하의 대수적 합은 0과 같습니다. 서면 평등은 자연의 기본 법칙을 표현합니다. 전하 보존의 법칙.

누구처럼 물리법칙, 적용 가능성에 특정 제한이 있습니다. 공정합니다. 을 위한 폐쇄형 시스템전화 , 즉. 다른 물체와 분리된 몸체의 집합입니다.

또한 고대 그리스모피로 문지른 호박은 먼지와 부스러기와 같은 작은 입자를 끌어 들이기 시작하는 것으로 나타났습니다. 오랫동안(18세기 중반까지) 이 현상에 대한 심각한 정당화를 제공할 수 없었습니다. 1785년에야 쿨롱은 하전 입자의 상호 작용을 관찰하여 상호 작용의 기본 법칙을 추론했습니다. 약 반세기 후에 패러데이는 전류와 자기장의 작용을 연구하고 체계화했으며, 30년 후에는 맥스웰이 그 이론을 입증했습니다. 전자기장.

전하

처음으로 라틴어 "electri"(호박)의 파생어인 "전기" 및 "전기화"라는 용어는 1600년에 영국 과학자 W. Gilbert에 의해 도입되어 호박을 모피로 문지르면 발생하는 현상을 설명했습니다. 또는 피부가 있는 유리. 따라서 전기적 특성을 가진 물체를 전하로 부르기 시작했습니다. 즉, 전하가 전달되었습니다.

위에서부터 전하량은 다음과 같다. 정량적 특성, 전자기 상호 작용에 신체가 참여할 수 있는 정도를 보여줍니다. 전하는 q 또는 Q로 지정되며 용량은 쿨롱(C)입니다.

수많은 실험의 결과로 전하의 기본 특성이 도출되었습니다.

• 일반적으로 양수와 음수라고 불리는 두 가지 유형의 전하가 있습니다.
• 전하는 한 신체에서 다른 신체로 이동할 수 있습니다.
• 같은 이름의 전하는 서로 밀어내고, 같은 이름의 전하는 서로 끌어당깁니다.

또한 전하 보존의 법칙이 확립되었습니다. 폐쇄된(격리된) 시스템의 전하 대수합은 일정하게 유지됩니다.

1749년 미국의 발명가 벤저민 프랭클린(Benjamin Franklin)은 전기 현상에 대한 이론을 내놓았는데, 이에 따르면 전기는 하전된 액체이며, 그 부족은 음전기로 정의되고 초과는 양전기로 정의됩니다. 이것이 전기 공학의 유명한 역설이 발생한 방법입니다. B. 프랭클린의 이론에 따르면 전기는 양극에서 음극으로 흐릅니다.

에 따르면 현대 이론물질의 구조에서 모든 물질은 분자와 원자로 구성되며, 원자핵과 그 주위를 회전하는 전자 "e"로 구성됩니다. 핵은 불균일하며 양성자 "p"와 중성자 "n"으로 구성됩니다. 또한 전자는 음전하를 띠는 입자이고 양성자는 양전하를 띠고 있습니다. 전자와 원자핵 사이의 거리가 입자 자체의 크기를 훨씬 초과하기 때문에 전자가 원자에서 분리되어 물체 사이의 전하 이동을 일으킬 수 있습니다.

위에서 설명한 특성 외에도 전하는 분할 특성을 가지지만 가능한 최소 불가분 전하 값은 다음과 같습니다. 절대값전자 전하(1.6 * 10 -19C), 기본 전하라고도 합니다. 현재 쿼크라고 불리는 기본 입자보다 작은 전하를 갖는 입자의 존재가 입증되었지만, 그 수명이 미미하고 자유 상태에서는 검출되지 않았습니다.

쿨롱의 법칙. 중첩 원리

고정 전하의 상호 작용은 실제로 수많은 실험을 바탕으로 도출된 쿨롱의 법칙에 기초한 정전기학이라는 물리학 분야에서 연구됩니다. 이 법칙과 전하량의 단위는 프랑스 물리학자 샤를 쿨롱의 이름을 따서 명명되었습니다.

쿨롱은 실험을 통해 두 개의 작은 전하 사이의 상호 작용력이 다음 규칙을 따른다는 것을 발견했습니다.

• 힘은 각 전하의 크기에 비례합니다.
• 힘은 그들 사이의 거리의 제곱에 반비례합니다.
• 힘의 방향은 전하를 연결하는 직선을 따라 향합니다.
• 그 힘은 물체가 반대 방향으로 전하를 띠면 인력이고, 같은 전하를 띠면 반발력입니다.

따라서 쿨롱의 법칙은 다음 공식으로 표현됩니다.

여기서 q1, q2 – 전하량,

r은 두 전하 사이의 거리이고,

k는 k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2)와 동일한 비례 계수입니다. 여기서 ε 0은 전기 상수, ε 0 = 8.85 * 10 -12 C 2 /( N*m 2).

이전에는 전기 상수 ε0를 유전 상수 또는 진공의 유전 상수라고 불렀습니다.

쿨롱의 법칙은 두 전하가 상호 작용할 때뿐만 아니라 여러 전하의 시스템이 더 일반적이라는 사실에서도 나타납니다. 이 경우 쿨롱의 법칙은 "중첩의 원리" 또는 중첩의 원리라고 불리는 또 다른 중요한 요소로 보완됩니다.

중첩 원리는 두 가지 규칙을 기반으로 합니다.

• 하전 입자에 대한 여러 힘의 영향은 이러한 힘의 영향의 벡터 합입니다.
• 모든 복잡한 움직임은 여러 가지 간단한 움직임으로 구성됩니다.

제 생각에는 중첩의 원리를 그래픽으로 표현하는 것이 가장 쉬운 것 같습니다.

그림은 -q 1, +q 2, +q 3의 세 가지 요금을 보여줍니다. 전하 -q 1에 작용하는 힘 F 총계를 계산하려면 쿨롱의 법칙에 따라 -q 1, +q 2 및 -q 1, +q 사이의 상호 작용 힘 F1 및 F2를 계산해야 합니다. 삼. 그런 다음 벡터 추가 규칙에 따라 결과 힘을 추가합니다. 안에 이 경우 F는 일반적으로 다음 식을 사용하여 평행사변형의 대각선으로 계산됩니다.

여기서 α는 벡터 F1과 F2 사이의 각도입니다.

전기장. 전기장 강도

쿨롱 상호작용(쿨롱의 법칙을 따서 명명됨)이라고도 하는 전하 간의 모든 상호작용은 고정 전하의 시불변 전기장인 정전기장의 도움으로 발생합니다. 전기장은 전자기장의 일부이며 전하 또는 하전체에 의해 생성됩니다. 전기장은 이동 중이든 정지 상태이든 상관없이 전하와 대전체에 영향을 미칩니다.

기본 개념 중 하나 전기장장력은 전하에 작용하는 힘의 비율로 정의됩니다. 전기장이 요금의 규모에 따라. 이 개념을 밝히기 위해서는 '시험충전'이라는 개념을 도입할 필요가 있다.

"테스트 전하"는 전기장 생성에 참여하지 않고 매우 작은 값을 가지므로 존재로 인해 공간에서 전하의 재분배를 일으키지 않아 전기장이 왜곡되지 않는 전하입니다. 전기 요금에 의해 생성됩니다.

따라서, 전하 q로부터 특정 거리에 위치한 지점에 "시험 전하" q 0을 도입하면 전하 q의 존재로 인해 특정 힘 F가 "시험 전하" q P에 작용합니다. 쿨롱의 법칙에 따라 테스트 전하에 작용하는 힘 F 0 대 "테스트 전하"의 비율을 전계 강도라고 합니다. 전계 강도는 E로 지정되며 용량은 N/C입니다.

정전기장 전위. 전위차

아시다시피, 신체에 힘이 가해지면 그러한 신체는 일정량의 작업을 수행합니다. 결과적으로 전기장에 놓인 전하도 작업을 수행합니다. 전기장에서 전하에 의해 수행되는 일은 운동의 궤적에 의존하지 않고 운동의 시작과 끝에서 입자가 차지하는 위치에 의해서만 결정됩니다. 물리학에서는 전기장과 유사한 장(작업이 신체의 궤적에 의존하지 않는 곳)을 전위라고 합니다.

신체가 수행하는 일은 다음 식으로 결정됩니다.

여기서 F는 물체에 작용하지 않는 힘이고,

S는 힘 F의 작용 하에서 신체가 이동한 거리입니다.

α는 물체의 이동 방향과 힘 F의 작용 방향 사이의 각도입니다.

그런 다음 전하 q 0에 의해 생성된 전기장에서 "시험 전하"가 수행한 일은 쿨롱의 법칙에 따라 결정됩니다.

여기서 q P는 "테스트 요금"입니다.

q 0 – 전기장을 생성하는 전하,

r 1 및 r 2 - 각각 초기 및 q П와 q 0 사이의 거리 최종 위치"테스트 요금".

작업 수행은 위치 에너지 W P의 ​​변화와 연관되어 있으므로

그리고 운동 궤적의 각 특정 지점에서 "테스트 전하"의 위치 에너지는 다음 식으로 결정됩니다.

식에서 알 수 있듯이, "테스트 전하" q p 값이 변경되면 위치 에너지 W P 값이 q p에 비례하여 변경되므로 전기장을 특성화하기 위해 또 다른 매개변수가 도입되었습니다. 전기장 전위 ψ는 에너지 특성이며 다음 식으로 결정됩니다.

여기서 k는 k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2)와 같은 비례 계수입니다. 여기서 ε 0은 전기 상수, ε 0 = 8.85 * 10 -12 C 2 / (N*m 2).

따라서 정전기장 전위는 전하가 갖는 위치 에너지를 특징으로 하는 에너지 특성입니다. 이 점정전기장.

위에서부터 우리는 전하를 한 지점에서 다른 지점으로 이동할 때 수행되는 작업이 다음 식으로 결정될 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다.

즉, 전하를 한 지점에서 다른 지점으로 이동할 때 정전기장의 힘에 의해 수행된 일은 궤적의 초기 지점과 최종 지점의 전위차와 전하의 곱과 같습니다.

계산을 할 때 전기장 지점 간의 전위차를 아는 것이 가장 편리하며 이러한 지점의 특정 전위 값은 아닙니다. 따라서 모든 필드 지점의 전위에 대해 말하면 다음과 같은 전위차를 의미합니다. 주어진 필드 포인트와 다른 필드 포인트의 전위는 0과 동일한 것으로 간주되는 것으로 합의됩니다.

전위차는 다음 식으로 결정되며 볼트(V) 차원을 갖습니다.

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이론은 좋은데 없으면 실용적인 응용 프로그램이것은 단지 단어일 뿐입니다.

인류는 호박 조각이 고양이 털로 문지르면 서로 밀어내기 시작한다는 것을 발견한 고대 그리스 자연 철학자들의 시대부터 자연에 전하가 존재한다는 것을 알고 있었습니다. 오늘날 우리는 질량과 마찬가지로 전하도 물질의 기본 특성 중 하나라는 것을 알고 있습니다. 예외없이 구성하는 모든 기본 입자는 물질적 우주, 하나 또는 다른 전하를 가짐 - 양수(원자핵의 양성자와 같은), 중성(동일한 핵의 중성자와 같은) 또는 음수(원자핵의 외부 껍질을 형성하고 전체적으로 전기적 중성을 보장하는 전자와 같은) .

물리학에서 가장 유용한 기술 중 하나는 상태 변화에 따라 변하지 않는 시스템의 집합적(전체) 속성을 식별하는 것입니다. 이러한 특성은 과학적 용어로 다음과 같습니다. 보수적인, 그들이 만족하니까 보존 법칙. 모든 보존법은 폐쇄된 상태에서("누설" 또는 "수령"이 전혀 없다는 의미에서) 해당하는 사실을 명시하는 것으로 귀결됩니다. 물리량) 보수적인 체제시스템 전체를 특징짓는 해당 수량은 시간이 지나도 변하지 않습니다.

전하는 정확히 폐쇄계의 보수적 특성 범주에 속합니다. 양전하와 음전하의 대수적 합 - 순 총 시스템 요금- 시스템에서 어떤 프로세스가 발생하더라도 어떤 상황에서도 변경되지 않습니다. 특히, 화학 반응, 음으로 하전된 원자가 전자는 화학 결합을 형성하는 원자의 외부 껍질 사이에 어떤 방식으로든 재분배될 수 있습니다. 다양한 물질- 폐쇄된 화학 시스템에서 핵에 있는 전자의 총 음전하나 양성자의 총 양전하는 변하지 않습니다. 그리고 이것은 화학 반응 중에 양성자와 전자 자체의 변환이 없기 때문에 가장 간단한 예일 뿐이며 그 결과 시스템의 양전하 및 음전하 수를 간단하게 계산할 수 있습니다.

더 많은 고에너지그러나 전하를 띤 소립자들은 서로 상호작용하기 시작하고 전하보존법칙의 준수를 감시하는 것이 훨씬 더 어려워지지만 이 경우에도 충족된다. 예를 들어, 고립된 중성자의 자연 붕괴 반응 중에 다음 공식으로 설명할 수 있는 과정이 발생합니다.

여기서 p는 양전하를 띤 양성자, n은 중성 전하를 띤 중성자, e는 음전하를 띤 전자, v는 중성미자라고 불리는 중성 입자입니다. 출발 물질과 반응 생성물 모두 총 전하가 0(0 = (+1) + (-1) + 0)임을 쉽게 알 수 있지만 이 경우에는 변화가 있습니다. 총 수시스템의 양전하 및 음전하 입자. 이것은 새로운 전하입자가 생성됨에도 불구하고 전하의 대수합 보존 법칙이 만족되는 방사성 붕괴 반응 중 하나입니다. 이러한 과정은 동일한 전하를 갖는 입자로부터 다른 전하를 갖는 입자가 생성되는 소립자 간의 상호작용의 특징이다. 어떤 경우에도 닫힌 시스템의 총 전하는 변하지 않습니다.