Seperti konsep jisim graviti jasad dalam mekanik Newtonian, konsep cas dalam elektrodinamik ialah konsep asas yang utama.

Caj elektrik ialah kuantiti fizik yang mencirikan sifat zarah atau jasad untuk memasuki interaksi daya elektromagnet.

Caj elektrik biasanya diwakili oleh huruf q atau Q.

Keseluruhan semua fakta eksperimen yang diketahui membolehkan kita membuat kesimpulan berikut:

Terdapat dua jenis cas elektrik, secara konvensional dipanggil positif dan negatif.

Caj boleh dipindahkan (contohnya, melalui sentuhan terus) dari satu badan ke badan yang lain. Tidak seperti jisim badan, cas elektrik bukanlah ciri penting bagi badan tertentu. Badan yang sama keadaan yang berbeza mungkin mempunyai caj yang berbeza.

Seperti cas menolak, tidak seperti cas menarik. Ini juga mendedahkan perbezaan asas daya elektromagnet daripada graviti. Daya graviti sentiasa menjadi daya tarikan.

Salah satu undang-undang asas alam semula jadi adalah yang telah ditubuhkan secara eksperimen undang-undang pemuliharaan cas elektrik .

Dalam sistem terpencil, jumlah algebra bagi cas semua jasad kekal malar:

Undang-undang pemuliharaan cas elektrik menyatakan bahawa dalam sistem tertutup badan proses penciptaan atau kehilangan caj hanya satu tanda tidak boleh diperhatikan.

Dari sudut pandangan moden, pembawa cas adalah zarah asas. Semua badan biasa terdiri daripada atom, yang termasuk proton bercas positif, elektron bercas negatif dan zarah neutral - neutron. Proton dan neutron adalah sebahagian daripada nukleus atom, elektron membentuk kulit elektron atom. Caj elektrik proton dan elektron adalah betul-betul sama dalam magnitud dan sama dengan cas asas. e.

Dalam atom neutral, bilangan proton dalam nukleus adalah sama dengan bilangan elektron dalam kulit. Nombor ini dipanggil nombor atom . Atom bahan tertentu mungkin kehilangan satu atau lebih elektron atau mendapat elektron tambahan. Dalam kes ini, atom neutral bertukar menjadi ion bercas positif atau negatif.

Caj boleh dipindahkan dari satu badan ke badan yang lain hanya dalam bahagian yang mengandungi nombor integer caj asas. Oleh itu, cas elektrik jasad ialah kuantiti diskret:

Kuantiti fizik yang hanya boleh mengambil siri nilai diskret dipanggil terkuantisasi . Caj asas e ialah kuantum (bahagian terkecil) cas elektrik. Perlu diingatkan bahawa dalam fizik moden zarah asas kewujudan yang dipanggil quark diandaikan - zarah dengan caj pecahan dan Walau bagaimanapun, quark belum lagi diperhatikan dalam keadaan bebas.

Secara biasa eksperimen makmal digunakan untuk mengesan dan mengukur cas elektrik elektrometer ( atau elektroskop) - peranti yang terdiri daripada rod logam dan penunjuk yang boleh berputar di sekeliling paksi mendatar (Rajah 1.1.1). Batang anak panah diasingkan daripada badan logam. Apabila badan bercas bersentuhan dengan rod elektrometer, cas elektrik dengan tanda yang sama diagihkan ke atas rod dan penunjuk. Daya tolakan elektrik menyebabkan jarum berputar melalui sudut tertentu, yang mana seseorang boleh menilai cas yang dipindahkan ke rod elektrometer.

Elektrometer adalah alat yang agak kasar; ia tidak membenarkan seseorang mengkaji daya interaksi antara cas. Hukum interaksi cas pegun pertama kali ditemui oleh ahli fizik Perancis Charles Coulomb pada tahun 1785. Dalam eksperimennya, Coulomb mengukur daya tarikan dan tolakan bola bercas menggunakan peranti yang direka - neraca kilasan (Rajah 1.1.2) , yang dibezakan oleh kepekaan yang sangat tinggi. Sebagai contoh, rasuk imbangan diputarkan 1° di bawah pengaruh daya tertib 10 -9 N.

Idea pengukuran adalah berdasarkan tekaan cemerlang Coulomb bahawa jika bola bercas disentuh dengan bola tidak bercas yang sama, maka caj pertama akan dibahagikan sama rata di antara mereka. Oleh itu, cara telah ditunjukkan untuk menukar caj bola sebanyak dua, tiga, dsb. Dalam eksperimen Coulomb, interaksi antara bola yang dimensinya jauh lebih kecil daripada jarak antara bola telah diukur. Badan bercas sedemikian biasanya dipanggil caj mata.

Caj mata dipanggil badan bercas, dimensi yang boleh diabaikan dalam keadaan masalah ini.

Berdasarkan banyak eksperimen, Coulomb menubuhkan undang-undang berikut:

Daya interaksi antara cas pegun adalah berkadar terus dengan produk moduli cas dan berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara mereka:

Daya interaksi mematuhi undang-undang ketiga Newton:

Ia adalah daya tolakan apabila cas mempunyai tanda yang sama dan daya tarikan apabila tanda yang berbeza(Gamb. 1.1.3). Interaksi cas elektrik pegun dipanggil elektrostatik atau Coulomb interaksi. Cabang elektrodinamik yang mengkaji interaksi Coulomb dipanggil elektrostatik .

Undang-undang Coulomb adalah sah untuk badan bercas titik. Dalam amalan, undang-undang Coulomb sangat berpuas hati jika saiz badan bercas jauh lebih kecil daripada jarak antara mereka.

Faktor perkadaran k dalam hukum Coulomb bergantung pada pilihan sistem unit. Dalam Sistem SI Antarabangsa, unit cas dianggap sebagai loket(Cl).

Loket ialah cas yang melalui dalam 1 s keratan rentas konduktor pada arus 1 A. Unit SI bagi arus (Ampere) ialah, bersama-sama dengan unit panjang, masa dan jisim unit asas ukuran.

Pekali k dalam sistem SI ia biasanya ditulis sebagai:

di mana - pemalar elektrik .

Dalam sistem SI, caj asas e sama dengan:

Pengalaman menunjukkan bahawa daya interaksi Coulomb mematuhi prinsip superposisi:

Jika jasad bercas berinteraksi serentak dengan beberapa jasad bercas, maka daya terhasil yang bertindak ke atas jasad tertentu adalah sama dengan jumlah vektor daya yang bertindak ke atas jasad ini daripada semua jasad bercas lain.

nasi. 1.1.4 menerangkan prinsip superposisi menggunakan contoh interaksi elektrostatik tiga jasad bercas.

Prinsip superposisi adalah undang-undang asas alam. Walau bagaimanapun, penggunaannya memerlukan sedikit berhati-hati apabila kita bercakap tentang tentang interaksi jasad bercas dengan saiz terhingga (contohnya, dua bola bercas 1 dan 2). Jika bola bercas ketiga dibawa ke sistem dua bola bercas, maka interaksi antara 1 dan 2 akan berubah kerana pengagihan semula caj.

Prinsip superposisi menyatakan bahawa apabila agihan caj yang diberikan (tetap). pada semua jasad, daya interaksi elektrostatik antara mana-mana dua jasad tidak bergantung pada kehadiran jasad bercas lain.

- salah satu undang-undang asas alam. Undang-undang pemuliharaan caj ditemui pada tahun 1747 oleh B. Franklin.

Elektron- zarah yang merupakan sebahagian daripada atom. Dalam sejarah fizik, terdapat beberapa model struktur atom. Salah satunya, yang memungkinkan untuk menjelaskan beberapa fakta eksperimen, termasuk fenomena elektrifikasi , telah dicadangkan E. Rutherford. Berdasarkan eksperimennya, dia membuat kesimpulan bahawa di pusat atom terdapat nukleus bercas positif, di sekelilingnya elektron bercas negatif bergerak dalam orbit. Pada atom neutral caj positif nukleus adalah sama dengan jumlah cas negatif elektron. Nukleus atom terdiri daripada proton bercas positif dan zarah neutral, neutron. Caj proton adalah sama dalam nilai mutlak dengan cas elektron. Jika satu atau lebih elektron dikeluarkan daripada atom neutral, ia menjadi ion bercas positif; Jika elektron ditambahkan pada atom, ia menjadi ion bercas negatif.

Pengetahuan tentang struktur atom membolehkan kita menerangkan fenomena elektrifikasi geseran . Elektron yang terikat secara longgar pada nukleus boleh terlepas dari satu atom dan melekat pada atom yang lain. Ini menjelaskan mengapa ia boleh terbentuk pada satu badan kekurangan elektron, dan yang lain - milik mereka berlebihan. Dalam kes ini, badan pertama akan dicas secara positif , dan yang kedua - negatif .

Apabila elektrik, ia berlaku pengagihan semula caj , kedua-dua badan dielektrik, memperoleh cas yang sama magnitud dan tanda bertentangan. Dalam kes ini, jumlah algebra bagi cas elektrik sebelum dan selepas pengelektrikan kekal malar:

q 1 + q 2 + … + q n = const.

Jumlah algebra bagi cas plat sebelum dan selepas pengelektrikan adalah sama dengan sifar. Persamaan bertulis menyatakan undang-undang asas alam - undang-undang pemuliharaan cas elektrik.

Seperti sesiapa sahaja undang-undang fizikal, ia mempunyai had kebolehgunaan tertentu: ia adalah adil Untuk sistem tertutup tel , iaitu untuk koleksi badan yang diasingkan daripada objek lain.

Juga dalam Yunani purba Telah diperhatikan bahawa ambar yang disapu dengan bulu mula menarik zarah kecil - habuk dan serbuk. Untuk masa yang lama(sehingga pertengahan abad ke-18) tidak dapat memberikan justifikasi yang serius untuk fenomena ini. Hanya pada tahun 1785, Coulomb, memerhatikan interaksi zarah bercas, menyimpulkan undang-undang asas interaksi mereka. Kira-kira setengah abad kemudian, Faraday mengkaji dan mensistematisasikan tindakan arus elektrik dan medan magnet, dan tiga puluh tahun kemudian Maxwell mengesahkan teori itu. medan elektromagnet.

Caj elektrik

Untuk pertama kalinya, istilah "elektrik" dan "elektrifikasi", sebagai derivatif perkataan Latin "electri" - ambar, diperkenalkan pada tahun 1600 oleh saintis Inggeris W. Gilbert untuk menerangkan fenomena yang timbul apabila ambar digosok dengan bulu. atau kaca dengan kulit. Oleh itu, badan yang mempunyai sifat elektrik mula dipanggil bercas elektrik, iaitu, cas elektrik dipindahkan kepada mereka.

Daripada perkara di atas ia mengikuti bahawa cas elektrik ialah ciri kuantitatif, menunjukkan tahap kemungkinan penyertaan badan dalam interaksi elektromagnet. Caj ditetapkan q atau Q dan mempunyai kapasiti Coulomb (C)

Hasil daripada banyak eksperimen, sifat asas cas elektrik diperolehi:

• Terdapat dua jenis caj, yang secara konvensional dipanggil positif dan negatif;
• cas elektrik boleh dipindahkan dari satu badan ke badan yang lain;
• cas elektrik dengan nama yang sama menolak antara satu sama lain, dan cas elektrik dengan nama yang sama menarik antara satu sama lain.

Di samping itu, undang-undang pemuliharaan cas telah ditetapkan: jumlah algebra bagi cas elektrik dalam sistem tertutup (terpencil) kekal malar

Pada tahun 1749, pencipta Amerika Benjamin Franklin mengemukakan teori fenomena elektrik, mengikut mana elektrik adalah cecair bercas, kekurangannya ditakrifkan sebagai elektrik negatif, dan lebihan daripadanya adalah elektrik positif. Ini adalah bagaimana paradoks terkenal kejuruteraan elektrik timbul: menurut teori B. Franklin, elektrik mengalir dari kutub positif ke negatif.

mengikut teori moden struktur bahan, semua bahan terdiri daripada molekul dan atom, yang seterusnya terdiri daripada nukleus atom dan elektron "e" berputar di sekelilingnya. Nukleus tidak homogen dan terdiri daripada proton "p" dan neutron "n". Selain itu, elektron adalah zarah bercas negatif, dan proton bercas positif. Oleh kerana jarak antara elektron dan nukleus atom jauh melebihi saiz zarah itu sendiri, elektron boleh dipisahkan daripada atom, dengan itu menyebabkan pergerakan cas elektrik antara jasad.

Sebagai tambahan kepada sifat yang diterangkan di atas, cas elektrik mempunyai sifat pembahagian, tetapi terdapat nilai cas tak boleh dibahagikan minimum yang mungkin sama dengan nilai mutlak cas elektron (1.6 * 10 -19 C), juga dipanggil cas asas. Pada masa ini, kewujudan zarah dengan cas elektrik kurang daripada yang asas, dipanggil quark, telah terbukti, tetapi hayatnya adalah tidak penting dan ia tidak dikesan dalam keadaan bebas.

undang-undang Coulomb. Prinsip superposisi

Interaksi cas elektrik pegun dikaji oleh cabang fizik yang dipanggil elektrostatik, yang sebenarnya berdasarkan undang-undang Coulomb, yang diperolehi berdasarkan banyak eksperimen. Undang-undang ini, serta unit cas elektrik, dinamakan sempena ahli fizik Perancis Charles Coulomb.

Coulomb, melalui eksperimennya, mendapati bahawa daya interaksi antara dua cas elektrik kecil mematuhi peraturan berikut:

• daya adalah berkadar dengan magnitud setiap caj;
• daya adalah berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara mereka;
• arah daya diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan caj;
• daya adalah tarikan jika jasad dicaj secara bertentangan, dan penolakan dalam kes caj yang serupa.

Oleh itu, hukum Coulomb dinyatakan dengan formula berikut

di mana q1, q2 – magnitud cas elektrik,

r ialah jarak antara dua cas,

k ialah pekali kekadaran bersamaan dengan k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2), di mana ε 0 ialah pemalar elektrik, ε 0 = 8.85 * 10 -12 C 2 /( N*m 2).

Biar saya ambil perhatian bahawa sebelum ini pemalar elektrik ε0 dipanggil pemalar dielektrik atau pemalar dielektrik vakum.

Undang-undang Coulomb menampakkan dirinya, bukan sahaja apabila dua cas berinteraksi, tetapi juga sistem beberapa cas adalah lebih biasa. Dalam kes ini, undang-undang Coulomb ditambah dengan faktor penting lain, yang dipanggil "prinsip superposisi" atau prinsip superposisi.

Prinsip superposisi adalah berdasarkan dua peraturan:

• pengaruh beberapa daya pada zarah bercas ialah jumlah vektor pengaruh daya ini;
• mana-mana pergerakan kompleks terdiri daripada beberapa pergerakan mudah.

Prinsip superposisi, pada pendapat saya, adalah paling mudah untuk digambarkan secara grafik

Rajah menunjukkan tiga cas: -q 1, +q 2, +q 3. Untuk mengira jumlah daya F, yang bertindak pada cas -q 1, adalah perlu untuk mengira, mengikut hukum Coulomb, daya interaksi F1 dan F2 antara -q 1, +q 2 dan -q 1, +q 3. Kemudian tambah daya yang terhasil mengikut peraturan penambahan vektor. DALAM dalam kes ini F secara amnya dikira sebagai pepenjuru segi empat selari menggunakan ungkapan berikut

di mana α ialah sudut antara vektor F1 dan F2.

Medan elektrik. Kekuatan medan elektrik

Sebarang interaksi antara cas, juga dipanggil interaksi Coulomb (dinamakan selepas undang-undang Coulomb), berlaku dengan bantuan medan elektrostatik, yang merupakan medan elektrik invarian masa bagi cas pegun. Medan elektrik adalah sebahagian daripada medan elektromagnet dan ia dicipta oleh cas elektrik atau badan bercas. Medan elektrik menjejaskan cas dan badan bercas, tidak kira sama ada ia bergerak atau dalam keadaan rehat.

Salah satu konsep asas medan elektrik ialah tegangannya, yang ditakrifkan sebagai nisbah daya yang bertindak ke atas cas dalam medan elektrik kepada magnitud caj ini. Untuk mendedahkan konsep ini, adalah perlu untuk memperkenalkan konsep seperti "cas ujian".

"Caj ujian" ialah caj yang tidak mengambil bahagian dalam penciptaan medan elektrik, dan juga mempunyai nilai yang sangat kecil dan oleh itu, dengan kehadirannya, tidak menyebabkan pengagihan semula caj di angkasa, dengan itu tidak memesongkan medan elektrik dicipta oleh cas elektrik.

Oleh itu, jika anda memperkenalkan "cas ujian" q 0 ke titik yang terletak pada jarak tertentu dari cas q, maka daya F tertentu akan bertindak pada "cas ujian" q P, disebabkan kehadiran cas q. Nisbah daya F 0 yang bertindak pada cas ujian, mengikut undang-undang Coulomb, kepada nilai "cas ujian" dipanggil kekuatan medan elektrik. Kekuatan medan elektrik ditetapkan E dan mempunyai kapasiti N/C

Potensi medan elektrostatik. Perbezaan potensi

Seperti yang anda ketahui, jika sebarang daya bertindak ke atas jasad, maka jasad tersebut melakukan sejumlah kerja tertentu. Akibatnya, cas yang diletakkan dalam medan elektrik juga akan berfungsi. Dalam medan elektrik, kerja yang dilakukan oleh cas tidak bergantung pada trajektori pergerakan, tetapi hanya ditentukan oleh kedudukan yang diduduki oleh zarah pada permulaan dan akhir pergerakan. Dalam fizik, medan yang serupa dengan medan elektrik (di mana kerja tidak bergantung pada trajektori badan) dipanggil potensi.

Kerja yang dilakukan oleh badan ditentukan oleh ungkapan berikut

di mana F ialah daya yang bertindak bukan pada badan,

S ialah jarak yang dilalui oleh jasad di bawah tindakan daya F,

α ialah sudut antara arah pergerakan badan dan arah tindakan daya F.

Kemudian kerja yang dilakukan oleh "cas ujian" dalam medan elektrik yang dicipta oleh cas q 0 akan ditentukan daripada hukum Coulomb

di mana q P ialah "caj ujian",

q 0 – cas mewujudkan medan elektrik,

r 1 dan r 2 – masing-masing, jarak antara q П dan q 0 dalam permulaan dan kedudukan akhir"caj ujian".

Oleh kerana prestasi kerja dikaitkan dengan perubahan tenaga keupayaan W P , maka

Dan tenaga potensi "cas ujian" pada setiap titik tertentu trajektori gerakan akan ditentukan daripada ungkapan berikut

Seperti yang dapat dilihat dari ungkapan, dengan perubahan dalam nilai "caj ujian" q p, nilai tenaga potensi W P akan berubah dalam perkadaran dengan q p, oleh itu, untuk mencirikan medan elektrik, parameter lain telah diperkenalkan dipanggil potensi medan elektrik φ, yang merupakan ciri tenaga dan ditentukan oleh ungkapan berikut

dengan k ialah pekali kekadaran bersamaan dengan k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2), dengan ε 0 ialah pemalar elektrik, ε 0 = 8.85 * 10 -12 C 2 / (N*m 2).

Oleh itu, potensi medan elektrostatik adalah ciri tenaga yang mencirikan tenaga keupayaan yang dimiliki oleh cas yang diletakkan di dalamnya titik ini medan elektrostatik.

Daripada perkara di atas kita boleh membuat kesimpulan bahawa kerja yang dilakukan apabila memindahkan cas dari satu titik ke titik lain boleh ditentukan daripada ungkapan berikut

Iaitu, kerja yang dilakukan oleh daya medan elektrostatik apabila memindahkan cas dari satu titik ke titik lain adalah sama dengan hasil darab cas dan beza keupayaan pada titik awal dan akhir trajektori.

Apabila membuat pengiraan, adalah paling mudah untuk mengetahui perbezaan potensi antara titik medan elektrik, dan bukan nilai potensi khusus pada titik ini, oleh itu, bercakap tentang potensi mana-mana titik medan, kami maksudkan perbezaan potensi antara a diberi titik medan dan satu lagi titik medan, yang potensinya dipersetujui untuk dianggap sama dengan sifar.

Beza keupayaan ditentukan daripada ungkapan berikut dan mempunyai dimensi Volt (V)

Teruskan membaca dalam artikel seterusnya

Teori adalah baik, tetapi tanpa permohonan praktikal ini hanyalah kata-kata.

Umat ​​manusia mengetahui bahawa cas elektrik wujud di alam semula jadi sejak zaman ahli falsafah semula jadi Yunani purba, yang mendapati bahawa kepingan ambar, jika digosok dengan bulu kucing, mula menolak antara satu sama lain. Hari ini kita tahu bahawa cas elektrik, seperti jisim, adalah salah satu sifat asas jirim. Tanpa pengecualian, semua zarah asas yang membentuk alam semesta material, mempunyai satu atau satu lagi cas elektrik - positif (seperti proton dalam nukleus atom), neutral (seperti neutron daripada nukleus yang sama) atau negatif (seperti elektron yang membentuk kulit luar nukleus atom dan memastikan neutraliti elektriknya secara keseluruhan) .

Salah satu teknik yang paling berguna dalam fizik ialah mengenal pasti sifat agregat (jumlah) sistem yang tidak berubah dengan sebarang perubahan dalam keadaannya. Sifat sedemikian, dari segi saintifik, adalah konservatif, kerana mereka berpuas hati undang-undang pemuliharaan. Mana-mana undang-undang pemuliharaan datang kepada menyatakan fakta bahawa dalam keadaan tertutup (dalam erti kata ketiadaan lengkap "kebocoran" atau "resit") yang sepadan kuantiti fizikal) sistem konservatif kuantiti sepadan yang mencirikan sistem secara keseluruhan tidak berubah dari semasa ke semasa.

Caj elektrik secara tepat tergolong dalam kategori ciri konservatif sistem tertutup. Jumlah algebra bagi cas elektrik positif dan negatif - bersih jumlah caj sistem- tidak berubah dalam apa jua keadaan, tidak kira apa proses yang berlaku dalam sistem. Khususnya, apabila tindak balas kimia, elektron valens bercas negatif boleh diagihkan semula dalam apa jua cara di antara kulit luar atom yang membentuk ikatan kimia pelbagai bahan- sama ada jumlah cas negatif elektron mahupun jumlah cas positif proton dalam nukleus dalam sistem kimia tertutup tidak akan berubah. Dan ini hanyalah contoh paling mudah, kerana semasa tindak balas kimia tidak ada transmutasi proton dan elektron itu sendiri, akibatnya bilangan caj positif dan negatif dalam sistem boleh dikira dengan mudah.

Dengan lebih tenaga yang tinggi, bagaimanapun, zarah asas bercas elektrik mula berinteraksi antara satu sama lain, dan menjadi lebih sukar untuk memantau pematuhan dengan undang-undang pemuliharaan cas elektrik, tetapi ia juga dipenuhi dalam kes ini. Contohnya, semasa tindak balas pereputan spontan neutron terpencil, satu proses berlaku yang boleh diterangkan dengan formula berikut:

di mana p ialah proton bercas positif, n ialah neutron bercas neutral, e ialah elektron bercas negatif, dan v ialah zarah neutral yang dipanggil neutrino. Adalah mudah untuk melihat bahawa dalam kedua-dua bahan permulaan dan produk tindak balas jumlah cas elektrik adalah sifar (0 = (+1) + (-1) + 0), tetapi dalam kes ini terdapat perubahan jumlah nombor zarah bercas positif dan negatif dalam sistem. Ini adalah salah satu tindak balas pereputan radioaktif di mana hukum pemuliharaan jumlah algebra cas elektrik dipenuhi walaupun terdapat pembentukan zarah bercas baru. Proses sedemikian adalah ciri interaksi antara zarah asas, di mana zarah dengan cas elektrik lain dilahirkan daripada zarah dengan cas elektrik yang sama. Jumlah cas elektrik sistem tertutup, dalam apa jua keadaan, kekal tidak berubah.