Seperti konsep berat badan graviti dalam mekanik Newton, konsep caj dalam elektrodamik adalah utama, konsep asas.

Caj elektrik - Ini adalah kuantiti fizikal yang mencirikan harta zarah atau tel untuk menyertai interaksi kuasa elektromagnet.

Caj elektrik biasanya ditunjukkan oleh huruf t. atau T..

Set semua fakta eksperimen yang diketahui membolehkan anda membuat kesimpulan berikut:

Terdapat dua jenis caj elektrik, yang disebutkan secara positif dan negatif.

Caj boleh dihantar (contohnya, dengan hubungan langsung) dari satu badan ke badan yang lain. Tidak seperti berat badan, caj elektrik bukanlah ciri penting dalam tubuh ini. Badan yang sama dalam keadaan yang berbeza Mungkin mempunyai caj yang berbeza.

Tuduhan nama yang sama ditolak, variepetes tertarik. Ini juga menunjukkan perbezaan asas. pasukan elektromagnetik Dari graviti. Daya graviti Sentiasa menjadi daya tarikan.

Salah satu undang-undang asas alam adalah eksperimen ditubuhkan undang-undang Pemuliharaan Caj Elektrik .

Dalam sistem terpencil, jumlah algebra caj semua badan tetap kekal:

Undang-undang pemuliharaan caj elektrik berpendapat bahawa dalam sistem tertutup badan, proses kelahiran atau kehilangan tuduhan hanya satu tanda tidak dapat diperhatikan.

Dari sudut pandangan moden, zarah-zarah asas adalah pembawa caj. Semua badan biasa terdiri daripada atom, yang termasuk proton yang dikenakan secara positif, elektron yang dikenakan negatif dan zarah neutral - neutron. Proton dan neutron adalah sebahagian daripada nukleus atom, elektron membentuk sarung elektron atom. Pertempuran elektrik Proton dan modul elektron adalah sama dan sama dengan caj asas e..

Dalam atom neutral, nombor Proton di inti adalah sama dengan bilangan elektron di dalam cangkerang. Nombor ini dipanggil nombor atom . Atom bahan ini boleh kehilangan satu atau lebih elektron atau membeli elektron yang berlebihan. Dalam kes ini, atom neutral bertukar menjadi ion positif atau negatif.

Tuduhan boleh dihantar dari satu badan ke satu lagi bahagian yang mengandungi nombor integer caj asas. Oleh itu, caj elektrik badan adalah nilai diskret:

Kuantiti fizikal yang hanya boleh mengambil bilangan nilai diskret dipanggil kuantiti . Caj asas e. Ia adalah kuantum (bahagian terkecil) daripada caj elektrik. Perlu diingatkan bahawa dalam fizik moden zarah-zarah asas, kewujudan kuarks yang dipanggil - zarah dengan caj pecahan diandaikan dan bagaimanapun, dalam keadaan bebas quark masih gagal.

Dalam biasa eksperimen makmal Untuk mengesan dan mengukur caj elektrik yang digunakan elektrometer ( atau elektroskop) - Peranti yang terdiri daripada rod logam dan anak panah yang boleh berputar di sekitar paksi mendatar (Rajah 1.1.1). Rod dengan anak panah terpencil dari kes logam. Apabila menghubungi badan yang dikenakan dengan rod elektrometer, caj elektrik satu tanda diedarkan ke atas rod dan anak panah. Pasukan penolakan elektrik menyebabkan anak panah beralih ke beberapa sudut, yang boleh dihakimi dengan bayaran yang dihantar oleh rod elektrometer.

Elektrometer adalah peranti yang agak kasar; Ia tidak membenarkan untuk meneroka kekuatan interaksi caj. Buat pertama kalinya, undang-undang interaksi tuduhan tetap dibuka oleh Loket Pakar Perancis Charlock pada tahun 1785. Dalam eksperimennya, Loket mengukur daya tarikan dan penolakan bola yang dikenakan menggunakan peranti yang direka untuk mereka - skala twisted (Rajah . 1.1.2), yang berbeza kepekaan yang sangat tinggi. Jadi, sebagai contoh, rocker skala bertukar 1 ° di bawah tindakan perintah kira-kira 10 -9 N.

Idea pengukuran didasarkan pada meneka sejuk yang cemerlang bahawa jika bola yang dikenakan untuk bersentuhan dengan yang sama yang tidak dikenakan, maka pertuduhan yang pertama akan membahagikan antara mereka sama. Oleh itu, kaedah ditunjukkan untuk menukar bola bola dalam dua, tiga, dan lain-lain. Dalam eksperimen Coulon, interaksi antara bola diukur, dimensi yang jauh lebih rendah daripada jarak antara mereka. Badan-badan yang dikenakan itu adalah adat yang dipanggil caj titik.

Caj titik dipanggil badan yang dikenakan, saiz yang dalam keadaan tugas ini dapat diabaikan.

Berdasarkan banyak eksperimen, Loket menubuhkan undang-undang berikut:

Kekuatan interaksi caj tetap adalah berkadar terus dengan produk modul caj dan berkadar songsang dengan dataran jarak antara mereka:

Angkatan interaksi tertakluk kepada undang-undang Newton Ketiga:

Mereka adalah pasukan yang menjijikkan dengan tanda-tanda yang sama dengan tuduhan dan daya tarikan ketika tanda yang berbeza. (Rajah 1.1.3). Interaksi caj elektrik tetap dipanggil electrostatic. atau coulombian. interaksi. Bahagian elektrodinamik yang mengkaji interaksi Coulomb dipanggil electrostatics. .

Undang-undang Coulon adalah adil untuk badan yang dikenakan. Secara praktikal undang-undang Coulon dilakukan dengan baik jika saiz badan yang dikenakan adalah kurang dari jarak antara mereka.

Koefisien proporsional. k. Dalam undang-undang Coulon, bergantung kepada pilihan sistem unit. Dalam sistem antarabangsa SI per unit caj pendant (CL).

Pendant - Ini adalah pertuduhan yang berlalu untuk 1 s melalui keratan rentas konduktor pada arus 1 A. Unit semasa (AMP) di C adalah bersama dengan unit panjang, masa dan jisim unit utama ukuran.

Pekali k. Sistem SI biasanya ditulis dalam bentuk:

Di mana sahaja - pemalar elektrik .

Dalam sistem siaran asas SI e. Sama:

Pengalaman menunjukkan bahawa kuasa interaksi Coulomb adalah tertakluk kepada prinsip superposisi:

Sekiranya badan yang dikenakan berinteraksi pada masa yang sama dengan beberapa badan yang dikenakan, maka daya yang dihasilkan yang bertindak ke atas badan ini adalah sama dengan jumlah vektor kuasa yang bertindak ke atas badan ini dari semua badan yang dikenakan.

Rajah. 1.1.4 Menjelaskan prinsip superposisi atas contoh interaksi elektrostatik tiga badan yang dikenakan.

Prinsip superposisi adalah undang-undang asas alam semula jadi. Walau bagaimanapun, penggunaannya memerlukan perhatian tertentu, dalam kes itu kami bercakap Mengenai interaksi badan yang dikenakan dari saiz terbatas (contohnya, dua bola yang dikenakan konduktif 1 dan 2). Sekiranya sistem dua bola yang dikenakan dari bola yang dikenakan ketiga, maka interaksi antara 1 dan 2 akan berubah kerana caj pengagihan semula..

Prinsip tuntutan superposisi itu pengagihan caj yang ditentukan (tetap) Semua badan kuasa interaksi elektrostatik antara mana-mana dua badan tidak bergantung kepada kehadiran badan yang dikenakan yang lain.

- Salah satu undang-undang asas alam semula jadi. Undang-undang memelihara pertuduhan itu dibuka pada tahun 1747 B. Franklin.

Elektron - Satu zarah yang merupakan sebahagian daripada atom. Dalam sejarah fizik, terdapat beberapa model struktur atom. Salah seorang daripada mereka yang membenarkan menjelaskan beberapa fakta eksperimen, termasuk fenomena Elektrifikasi , telah dicadangkan E. Rostford.. Berdasarkan eksperimen, beliau membuat kesimpulan bahawa di tengah-tengah atom terdapat kernel yang dikenakan secara positif, di mana elektron yang dikenakan secara negatif bergerak di sekitar orbit. Atom Neutral caj positif Nukleus adalah sama dengan jumlah caj negatif elektron. Inti atom terdiri daripada proton yang positif dan zarah neutron neutral. Caj Proton pada modul adalah sama dengan caj elektron. Jika satu atau lebih elektron dikeluarkan dari atom neutral, ia menjadi ion yang dikenakan secara positif; Sekiranya elektron dilampirkan pada atom, ia menjadi ion yang dikenakan secara negatif.

Pengetahuan tentang struktur atom membolehkan anda menjelaskan fenomena elektrifikasi geseran . Elektron, yang lemah dikaitkan dengan nukleus, boleh memisahkan dari satu atom dan menyertai yang lain. Ini menjelaskan mengapa pada satu badan boleh membentuk kekurangan elektron, dan di pihak yang lain - mereka berlebihan . Dalam kes ini, badan pertama menjadi dikenakan positif , dan yang kedua - negatif .

Apabila elektrifikasi berlaku pengagihan semula caj , kedua-dua mayat itu berkuasa, memperoleh caj yang sama dengan tanda-tanda yang bertentangan. Pada masa yang sama, jumlah algebra caj elektrik sebelum dan selepas elektrifikasi kekal kekal:

Q 1 + Q 2 + ... + Q N \u003d Const.

Jumlah algebra caj plat sebelum dan selepas elektrifikasi adalah sifar. Kesaksamaan yang direkod menyatakan undang-undang asas alam - undang-undang Pemuliharaan Caj Elektrik.

Seperti mana-mana undang-undang fizikal, ia mempunyai had tertentu, ia adalah adil untuk badan badan tertutup . Untuk gabungan badan, terpencil dari objek lain.

Juga di dalam Yunani purba Ia diperhatikan bahawa bulu ambar marah mula menarik zarah kecil - habuk dan serbuk. Untuk masa yang lama (Sehingga pertengahan abad ke-18) tidak dapat memberikan substansional yang serius terhadap fenomena ini. Hanya pada tahun 1785, Loket, memerhatikan interaksi zarah yang dikenakan, membawa undang-undang asas interaksi mereka. Dalam kira-kira setengah abad, Faradays mengkaji dan sistematik kesan arus elektrik dan medan magnet, dan selepas tiga puluh tahun lagi, Maxwell membuktikan teori itu bidang elektromagnetik.

Caj elektrik

Buat pertama kalinya, istilah "elektrik" dan "elektrifikasi", sebagai derivatif dari perkataan Latin "Electri" - Amber, diperkenalkan pada tahun 1600. Para saintis Inggeris W. Hilbert untuk menjelaskan fenomena yang timbul ketika menggosok bulu ambar atau kaca kulit. Oleh itu, badan-badan yang mempunyai sifat elektrik telah dikenakan elektrik, iaitu, mereka telah ditransmisikan.

Daripada di atas ia mengikuti bahawa caj elektrik adalah ciri kuantitatif yang menunjukkan tahap kemungkinan penyertaan badan dalam interaksi elektromagnetik. Tuduhan itu dilambangkan oleh Q atau Q dan mempunyai Loket Pelepasan (CL)

Hasil daripada banyak eksperimen, sifat utama caj elektrik diperolehi:

• terdapat tuduhan dua jenis yang dinamakan secara positif dan negatif;
• caj elektrik boleh dihantar dari satu badan ke badan yang lain;
• caj elektrik dengan nama yang sama ditolak dari satu sama lain, dan yang berkaitan - menarik antara satu sama lain.

Di samping itu, undang-undang caj simpanan telah ditubuhkan: jumlah algebra caj elektrik dalam sistem tertutup (terpencil) tetap malar

Pada tahun 1749, pencipta Amerika Benjamin Franklin meletakkan teori fenomena elektrik, mengikut mana elektrik adalah cecair yang dikenakan, kekurangannya yang ditentukan sebagai elektrik negatif, dan lebihan - elektrik yang positif. Oleh itu, paradoks terkenal kejuruteraan elektrik muncul: Menurut teori B. Franklin, aliran elektrik dari positif ke tiang negatif.

Menurut teori moden. Struktur bahan, semua bahan terdiri daripada molekul dan atom, yang seterusnya terdiri daripada kernel atom dan elektron yang berputar di sekelilingnya ". Kernel adalah tidak masuk akal dan terdiri daripada proton "P" dan Neutron "N". Selain itu, elektron adalah zarah yang dikenakan secara negatif, dan proton itu dikenakan secara positif. Oleh kerana jarak antara elektron dan inti atom dengan ketara melebihi dimensi zarah itu sendiri, elektron boleh dibuang dari atom, dengan itu menentukan pergerakan caj elektrik antara mayat.

Sebagai tambahan kepada sifat-sifat di atas, caj elektrik mempunyai harta bahagian, tetapi terdapat nilai minimum yang mungkin tidak dapat dibahagikan kepada yang sama nilai mutlak Caj elektron (1.6 * 10 -19 Cl), juga dikenali sebagai caj asas. Pada masa ini, kewujudan zarah dengan caj elektrik kurang daripada asas, yang dipanggil quark, tetapi masa kewujudan mereka sedikit dan dalam keadaan bebas mereka tidak dikesan.

Undang-undang Coulon. Prinsip superposisi

Interaksi caj elektrik tetap dikaji oleh bahagian fizik bernama Electrostatic, yang sebenarnya sebenarnya terletak undang-undang Coulon, yang berasal dari banyak eksperimen. Undang-undang ini, serta unit caj elektrik, dinamakan sempena Fizik Penjara Perancis.

Loket yang menjalankan eksperimennya mendapati kekuatan interaksi antara dua caj elektrik kecil adalah tertakluk kepada peraturan berikut:

• pasukan berkadar dengan magnitud setiap pertuduhan;
• pasukan itu berkadar songsang dengan dataran jarak antara mereka;
• arah daya adalah penting sepanjang caj bersambung langsung;
• pasukan adalah tarikan jika mayat dikenakan bertentangan, dan penolakan dalam hal caj yang sama.

Oleh itu, undang-undang Coulon dinyatakan oleh formula berikut

di mana Q1, Q2 adalah magnitud caj elektrik,

r ialah jarak antara dua caj,

k adalah koefisien proporsionaliti sama dengan k \u003d 1 / (4πε 0) \u003d 9 * 10 9 kl 2 / (h * m 2), di mana ε 0 adalah pemalar elektrik, ε 0 \u003d 8.85 * 10 -12 CL 2 / ( N * m 2).

Saya perhatikan bahawa pemalar elektrik yang sebelum ini adalah dipanggil kebolehtelapan pemalar dielektrik atau dielektrik vakum.

Undang-undang Culon menunjukkan dirinya sendiri, bukan sahaja apabila interaksi dua tuduhan, tetapi juga bahawa sistem itu lebih biasa dari beberapa tuduhan. Dalam kes ini, undang-undang Kulon dilengkapi dengan faktor penting lain yang dipanggil "prinsip overlays" atau prinsip superposisi.

Prinsip superposisi adalah berdasarkan dua peraturan:

• kesan ke atas zarah yang dikenakan beberapa kuasa adalah jumlah vektor kesan kuasa-kuasa ini;
• mana-mana pergerakan yang kompleks terdiri daripada beberapa pergerakan mudah.

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

Angka itu menunjukkan tiga caj: -Q 1, + Q 2, + Q 3. Untuk mengira kekuatan F total, yang bertindak pada caj -Q 1, adalah perlu untuk mengira mengikut undang-undang penyejukan daya interaksi F1 dan F2 antara -Q 1, + Q 2 dan -Q 1 , + Q 3. Kemudian, pasukan yang dihasilkan dilipat mengikut peraturan pembentukan vektor. Dalam kes ini, F dikira sebagai pepenjuru paralelogram mengikut ungkapan berikut

di mana α adalah sudut antara vektor F1 dan F2.

Medan elektrik. Ketegangan medan elektrik.

Sebarang interaksi antara caj, yang dipanggil Interaksi Coulomb (dengan nama undang-undang Culon), berlaku dengan bantuan bidang elektrostatik, yang tidak berubah dari masa oleh medan elektrik caj tetap. Bidang elektrik adalah sebahagian daripada medan elektromagnet dan ia dicipta oleh caj elektrik atau badan yang dikenakan. Medan elektrik mempengaruhi caj dan badan yang dikenakan, tanpa mengira sama ada mereka bergerak atau sedang berehat.

Salah satu konsep asas bidang elektrik adalah ketegangannya, yang ditakrifkan sebagai nisbah kekuatan arus untuk pertuduhan dalam bidang elektrik kepada magnitud caj ini. Untuk mendedahkan konsep ini, adalah perlu untuk memperkenalkan konsep sedemikian sebagai "caj percubaan".

"Caj Percubaan" dipanggil apa-apa pertuduhan yang tidak mengambil bahagian dalam penciptaan medan elektrik, dan juga mempunyai jumlah yang sangat kecil dan oleh itu kehadirannya tidak menyebabkan pengagihan semula caj di ruang, dengan itu tidak memutarbelitkan medan elektrik yang dibuat oleh Caj elektrik.

Oleh itu, jika anda membuat "caj percubaan" Q 0 ke satu titik, yang berada pada jarak dari caj Q, maka beberapa daya F, kerana kehadiran Q, akan bertindak pada "caj percubaan". Nisbah kuasa F 0 yang bertindak atas tuduhan percubaan, selaras dengan undang-undang Coulon, kepada magnitud "caj ujian" dipanggil kekuatan medan elektrik. Kekuatan medan elektrik ditunjukkan oleh e dan mempunyai bitenness n / cl

Potensi bidang elektrostatik. Perbezaan potensi

Seperti yang anda ketahui, jika apa-apa kuasa bertindak pada badan, maka tubuh sedemikian membuat pekerjaan tertentu. Akibatnya, pertuduhan yang ditempatkan di medan elektrik juga akan melakukan kerja. Dalam bidang elektrik, kerja yang dilakukan tidak bergantung kepada trajektori gerakan, tetapi ditentukan hanya oleh kedudukan yang menduduki zarah pada permulaan dan akhir pergerakan. Dalam fizik bidang seperti medan elektrik (di mana kerja tidak bergantung kepada trajektori pergerakan badan) dipanggil potensi.

Kerja yang dilakukan oleh badan ditentukan oleh ungkapan berikut

di mana f adalah daya yang bertindak bukan badan,

S - jarak yang dilalui oleh badan kuasa f,

α adalah sudut antara arah pergerakan badan dan arah daya F.

Kemudian kerja yang dilakukan oleh "caj ujian" dalam bidang elektrik yang dibuat oleh caj Q 0 akan ditentukan dari undang-undang Coulon

di mana q p - "caj percubaan",

q 0 - Caj yang mencipta medan elektrik,

r 1 dan R 2 - masing-masing, jarak antara Q P dan Q 0 pada awal dan kedudukan akhir "Caj Percubaan."

Oleh kerana prestasi dikaitkan dengan perubahan dalam potensi tenaga W, maka

Dan tenaga yang berpotensi "caj ujian" di setiap titik hotel trajektori pergerakan akan ditentukan dari ungkapan berikut

Seperti yang dapat dilihat dari ungkapan dengan perubahan dalam magnitud "Caj Ujian" Q N Nilai Potensi Tenaga WP akan ditukar mengikut kadar QP, oleh itu, parameter lain diperkenalkan kepada ciri-ciri bidang elektrik, yang mana adalah potensi bidang elektrik φ, yang merupakan ciri tenaga dan ditentukan oleh ungkapan berikut

di mana k adalah koefisien proporsionality sama dengan k \u003d 1 / (4πε 0) \u003d 9 * 10 9 kl 2 / (h * m 2), di mana ε 0 adalah pemalar elektrik, ε 0 \u003d 8,85 * 10 -12 kl 2 / (n * m 2).

Oleh itu, potensi bidang elektrostatik adalah ciri tenaga yang mencirikan potensi tenaga yang ditempatkan oleh caj di perkara ini Medan elektrostatik.

Dari di atas, kita dapat menyimpulkan bahawa kerja yang dilakukan ketika menggerakkan pertuduhan dari satu titik ke yang lain boleh ditentukan dari ungkapan berikut

Iaitu, kerja yang dilakukan oleh bidang elektrostatik dengan pergerakan pertuduhan dari satu titik ke yang lain adalah sama dengan pertuduhan terhadap pertuduhan terhadap potensi perbezaan dalam awal dan titik akhir trajektori.

Apabila mengira yang paling mudah untuk mengetahui perbezaan yang berpotensi antara titik-titik medan elektrik, dan bukan nilai spesifik potensi dalam mata ini, oleh itu, bercakap tentang potensi mana-mana titik di lapangan, perbezaan yang berpotensi antara ini Titik dan titik lain bidang, potensi yang dianggap sama dengan sifar.

Perbezaan yang berpotensi ditentukan dari ungkapan berikut dan mempunyai Dimensi Volt (B)

Terus dibaca dalam artikel seterusnya

Teori adalah baik tetapi tanpa permohonan praktikal Ia hanya kata-kata.

Hakikat bahawa caj elektrik dalam alam semula jadi, kemanusiaan tahu sejak zaman ahli falsafah semulajadi Yunani kuno, yang mendapati bahawa kepingan-kepingan ambar, jika mereka hilang ke bulu kucing, mula mengusir antara satu sama lain. Hari ini kita tahu bahawa caj elektrik, seperti jisim, adalah salah satu sifat asas perkara. Semua zarah asas, yang terdiri daripada universe material., mempunyai satu atau satu lagi caj elektrik - positif (sama dengan proton dalam komposisi nukleus atom), neutral (seperti neutron nukleus yang sama) atau negatif (sama dengan elektron yang membentuk sarung luar nukleus atom dan menyediakan neutraliti elektriknya secara keseluruhan).

Salah satu teknik yang paling berguna dalam fizik adalah untuk mengenal pasti jumlah (total) sifat sistem yang tidak berubah di bawah apa-apa perubahan kepada keadaannya. Sifat sedemikian, menyatakan bahasa saintifik, adalah konservatifkerana mereka dilakukan untuk mereka undang-undang Pemuliharaan. Sebarang undang-undang pemuliharaan dikurangkan kepada penyataan fakta bahawa dalam tertutup (dalam arti ketiadaan lengkap "kebocoran" atau "resit" dari kuantiti fizikal yang sama) sistem konservatif Nilai yang sepadan yang mencirikan sistem secara keseluruhannya tidak berubah dari masa ke masa.

Caj elektrik hanya merujuk kepada kategori ciri konservatif sistem tertutup. Jumlah algebra yang positif dan negatif caj elektrik - caj Sistem Jumlah Tulen - Tidak berubah dalam apa jua keadaan, apa sahaja proses dalam sistem telah berlaku. Khususnya, apabila tindak balas kimia.Elektron valensi yang dikenakan negatif boleh diagihkan semula antara cengkerang luaran membentuk ikatan kimia atom pelbagai bahan - Baik caj negatif kumulatif elektron atau caj positif kumulatif proton dalam kernel dalam sistem kimia tertutup tidak akan berubah. Dan ini hanya contoh yang paling mudah, kerana dalam tindak balas kimia, tidak ada transmutasi proton dan elektron sendiri, sebagai hasil daripada jumlah caj positif dan negatif dalam sistem boleh dikira secara sederhana.

Dengan lebih banyak lagi tenaga yang tinggiWalau bagaimanapun, zarah-zarah asas yang dikenakan secara elektrik mula terlibat dalam interaksi antara satu sama lain, dan mengikuti pematuhan dengan undang-undang pemuliharaan caj elektrik menjadi lebih sukar, tetapi ia dilakukan dalam kes ini. Sebagai contoh, dengan tindak balas kerosakan spontan neutron yang terpencil, proses berlaku, yang boleh diterangkan oleh formula berikut:

di mana P adalah Proton yang dikenakan secara positif, N adalah neutron yang dikenakan secara neutral, E adalah elektron yang dikenakan secara negatif, dan V adalah zarah neutral yang dipanggil Neutrino. Adalah mudah untuk melihat bahawa dalam bahan sumber, dan dalam produk tindak balas, jumlah caj elektrik adalah sifar (0 \u003d (+1) + (-1) + 0), tetapi dalam kes ini terdapat perubahan jumlahnya Zarah positif dan negatif dalam sistem. Ini adalah salah satu reaksi kerosakan radioaktif, di mana undang-undang pemuliharaan jumlah algebra Caj elektrik dilakukan, walaupun terdapat pembentukan zarah yang baru. Proses sedemikian adalah ciri interaksi antara zarah-zarah asas, di mana zarah dengan caj elektrik lain dilahirkan dari zarah dengan satu caj elektrik. Jumlah caj elektrik sistem tertutup, dalam apa jua keadaan, tetap tidak berubah.