Tako kot pojem gravitacijske mase telesa v Newtonovi mehaniki je pojem naboja v elektrodinamiki primarni, osnovni pojem.

Električni naboj je fizikalna količina, ki označuje lastnost delcev ali teles, da vstopijo v interakcije elektromagnetnih sil.

Električni naboj je običajno predstavljen s črkami q oz Q.

Skupek vseh znanih eksperimentalnih dejstev nam omogoča naslednje zaključke:

Obstajata dve vrsti električnih nabojev, ki jih običajno imenujemo pozitivni in negativni.

Naboji se lahko prenašajo (na primer z neposrednim stikom) z enega telesa na drugo. Za razliko od telesne mase električni naboj ni sestavni del telesa. Isto telo različni pogoji lahko ima drugačno polnjenje.

Enakovrstni naboji odbijajo, za razliko od nabojev privlačijo. To razkriva tudi temeljno razliko elektromagnetne sile od gravitacijskih. Gravitacijske sile so vedno sile privlačnosti.

Eden od temeljnih zakonov narave je eksperimentalno ugotovljen zakon o ohranitvi električnega naboja .

V izoliranem sistemu ostane algebraična vsota nabojev vseh teles konstantna:

Zakon o ohranitvi električnega naboja pravi, da v zaprtem sistemu teles ni mogoče opaziti procesov nastanka ali izginotja nabojev samo enega predznaka.

S sodobnega vidika so nosilci naboja osnovni delci. Vsa navadna telesa so sestavljena iz atomov, ki vključujejo pozitivno nabite protone, negativno nabite elektrone in nevtralne delce - nevtrone. Protoni in nevtroni so del atomskih jeder, elektroni tvorijo elektronsko ovojnico atomov. Električna naboja protona in elektrona sta popolnoma enaka po velikosti in enaka elementarnemu naboju e.

V nevtralnem atomu je število protonov v jedru enako številu elektronov v lupini. Ta številka se imenuje atomsko število . Atom dane snovi lahko izgubi enega ali več elektronov ali pridobi dodaten elektron. V teh primerih se nevtralni atom spremeni v pozitivno ali negativno nabit ion.

Naboj se lahko prenaša z enega telesa na drugo samo v delih, ki vsebujejo celo število elementarnih nabojev. Tako je električni naboj telesa diskretna količina:

Fizikalne količine, ki lahko sprejmejo samo diskretno vrsto vrednosti, se imenujejo kvantizirano . Elementarni naboj e je kvant (najmanjši del) električnega naboja. Treba je opozoriti, da se v sodobni fiziki osnovnih delcev domneva obstoj tako imenovanih kvarkov - delcev z delnim nabojem in Vendar pa kvarkov v prostem stanju še niso opazili.

V navadnem laboratorijski poskusi uporablja se za odkrivanje in merjenje električnih nabojev elektrometer ( ali elektroskop) - naprava, sestavljena iz kovinske palice in kazalca, ki se lahko vrti okoli vodoravne osi (slika 1.1.1). Palica puščice je izolirana od kovinskega telesa. Ko naelektreno telo pride v stik s palico elektrometra, se električni naboji enakega predznaka porazdelijo po palici in kazalcu. Električne odbojne sile povzročijo, da se igla zavrti za določen kot, po katerem lahko ocenimo naboj, ki se prenese na palico elektrometra.

Elektrometer je precej surov instrument; ne omogoča preučevanja sil interakcije med naboji. Zakon medsebojnega delovanja stacionarnih nabojev je prvi odkril francoski fizik Charles Coulomb leta 1785. Coulomb je v svojih poskusih izmeril sile privlačnosti in odboja nabitih kroglic z uporabo naprave, ki jo je zasnoval - torzijske tehtnice (slika 1.1.2) , ki ga je odlikovala izjemno visoka občutljivost. Na primer, tehtnica je bila zasukana za 1° pod vplivom sile reda velikosti 10 -9 N.

Zamisel o meritvah je temeljila na Coulombovi briljantni domnevi, da če naelektreno kroglico pripeljemo v stik s popolnoma enako nenaelektreno, se bo naboj prve enakomerno porazdelil med njima. Tako je bil nakazan način, kako dvakrat, trikrat itd. spremeniti naboj krogle. V Coulombovih poskusih so merili interakcijo med kroglicami, katerih dimenzije so bile veliko manjše od razdalje med njimi. Takšna naelektrena telesa običajno imenujemo točkovne dajatve.

Točkovni naboj imenujemo naelektreno telo, katerega dimenzije lahko zanemarimo v pogojih tega problema.

Na podlagi številnih poskusov je Coulomb postavil naslednji zakon:

Interakcijske sile med stacionarnimi naboji so neposredno sorazmerne s produktom nabojnih modulov in obratno sorazmerne s kvadratom razdalje med njimi:

Interakcijske sile upoštevajo tretji Newtonov zakon:

Odbojne sile so, kadar imajo naboji enake predznake, privlačne pa, kadar različna znamenja(slika 1.1.3). Interakcija stacionarnih električnih nabojev se imenuje elektrostatična oz Coulomb interakcija. Veja elektrodinamike, ki preučuje Coulombovo interakcijo, se imenuje elektrostatika .

Coulombov zakon velja za točkasto naelektrena telesa. V praksi je Coulombov zakon dobro izpolnjen, če so velikosti naelektrenih teles veliko manjše od razdalje med njimi.

Faktor sorazmernosti k v Coulombovem zakonu je odvisna od izbire sistema enot. V mednarodnem sistemu SI je enota naboja obesek(Cl).

Obesek je naboj, ki gre skozi prečni prerez prevodnik pri toku 1 A. Enota SI za tok (amper) je skupaj z enotami za dolžino, čas in maso osnovna merska enota.

Koeficient k v sistemu SI se običajno zapiše kot:

Kje - električna konstanta .

V sistemu SI elementarni naboj e enako:

Izkušnje kažejo, da se sile Coulombove interakcije držijo principa superpozicije:

Če naelektreno telo deluje istočasno z več nabitimi telesi, potem je nastala sila, ki deluje na dano telo, enaka vektorski vsoti sil, ki delujejo na to telo iz vseh drugih nabitih teles.

riž. 1.1.4 pojasnjuje princip superpozicije na primeru elektrostatične interakcije treh nabitih teles.

Načelo superpozicije je temeljni zakon narave. Vendar pa je pri njegovi uporabi potrebna previdnost govorimo o o interakciji nabitih teles končnih velikosti (na primer dve prevodni nabiti krogli 1 in 2). Če tretjo nabito kroglico pripeljemo do sistema dveh nabitih kroglic, se bo interakcija med 1 in 2 spremenila zaradi prerazporeditev naboja.

Načelo superpozicije pravi, da ko dana (fiksna) porazdelitev naboja na vseh telesih sile elektrostatične interakcije med dvema telesoma niso odvisne od prisotnosti drugih nabitih teles.

- eden od temeljnih naravnih zakonov. Zakon o ohranitvi naboja je leta 1747 odkril B. Franklin.

Elektron- delec, ki je del atoma. V zgodovini fizike je bilo več modelov zgradbe atoma. Eden od njih, ki omogoča razlago številnih eksperimentalnih dejstev, vključno z pojav elektrifikacije , je bil predlagan E. Rutherford. Na podlagi svojih poskusov je ugotovil, da je v središču atoma pozitivno nabito jedro, okoli katerega se po orbitah gibljejo negativno nabiti elektroni. Pri nevtralnem atomu pozitivni naboj jedra je enak celotnemu negativnemu naboju elektronov. Jedro atoma je sestavljeno iz pozitivno nabitih protonov in nevtralnih delcev, nevtronov. Naboj protona je v absolutni vrednosti enak naboju elektrona. Če nevtralnemu atomu odstranimo enega ali več elektronov, ta postane pozitivno nabit ion; Če atomu dodamo elektrone, ta postane negativno nabit ion.

Poznavanje zgradbe atoma nam omogoča razlago pojava elektrifikacije trenje . Elektroni, ki so šibko vezani na jedro, se lahko odcepijo od enega atoma in pritrdijo na drugega. To pojasnjuje, zakaj se lahko oblikuje na enem telesu pomanjkanje elektronov, na drugi pa - njihovi presežek. V tem primeru se prvo telo naelektri pozitivno , in drugi - negativno .

Pri elektrificiranju se pojavi prerazporeditev naboja , sta obe telesi naelektreni, pridobita naboje enake velikosti in nasprotnih predznakov. V tem primeru ostane algebraična vsota električnih nabojev pred in po elektrifikaciji konstantna:

q 1 + q 2 + … + q n = konst.

Algebraična vsota nabojev plošč pred in po elektrifikaciji je enaka nič. Zapisana enakost izraža temeljni zakon narave – zakon o ohranitvi električnega naboja.

Kot kdorkoli fizikalni zakon, ima določene meje uporabnosti: pošteno je Za zaprt sistem tel , tj. za zbirko teles, izoliranih od drugih predmetov.

Tudi v Antična grčija Opazili so, da jantar, podrgnjen s krznom, začne privlačiti majhne delce - prah in drobtine. Za dolgo časa(do srede 18. stoletja) tega pojava ni mogla dati resne utemeljitve. Šele leta 1785 je Coulomb, ko je opazoval interakcijo nabitih delcev, izpeljal osnovni zakon njihove interakcije. Približno pol stoletja pozneje je Faraday proučeval in sistematiziral delovanje električnih tokov in magnetnih polj, trideset let kasneje pa je teorijo utemeljil Maxwell elektromagnetno polje.

Električni naboj

Izraza "električni" in "elektrifikacija", kot izpeljanki latinske besede "electri" - jantar, je leta 1600 prvič uvedel angleški znanstvenik W. Gilbert, da bi razložil pojave, ki nastanejo, ko jantar podrgnemo s krznom. ali steklo s kožo. Tako so se telesa, ki imajo električne lastnosti, začela imenovati električno nabita, to je, da se je nanje prenesel električni naboj.

Iz zgoraj navedenega sledi, da je električni naboj kvantitativna značilnost, ki prikazuje stopnjo možne udeležbe telesa v elektromagnetni interakciji. Naboj je označen s q ali Q in ima kapaciteto Coulomb (C)

Kot rezultat številnih poskusov so bile izpeljane osnovne lastnosti električnih nabojev:

• Obstajata dve vrsti nabojev, ki ju običajno imenujemo pozitivna in negativna;
• električni naboji se lahko prenašajo z enega telesa na drugo;
• istoimenski električni naboji se odbijajo, istoimenski električni naboji pa se privlačijo.

Poleg tega je bil ugotovljen zakon o ohranitvi naboja: algebraična vsota električnih nabojev v zaprtem (izoliranem) sistemu ostane konstantna

Ameriški izumitelj Benjamin Franklin je leta 1749 postavil teorijo električnih pojavov, po kateri je elektrika naelektrena tekočina, katere primanjkljaj je opredelil kot negativno elektriko, presežek pa kot pozitivno elektriko. Tako je nastal znameniti paradoks elektrotehnike: po teoriji B. Franklina električna energija teče od pozitivnega proti negativnemu polu.

Po navedbah moderna teorija zgradba snovi, vse snovi so sestavljene iz molekul in atomov, ti pa iz jedra atoma in elektronov “e”, ki se vrtijo okoli njega. Jedro je nehomogeno in je sestavljeno iz protonov "p" in nevtronov "n". Poleg tega so elektroni negativno nabiti delci, protoni pa pozitivno nabiti. Ker razdalja med elektroni in jedrom atoma znatno presega velikost samih delcev, se lahko elektroni odcepijo od atoma in s tem povzročijo gibanje električnih nabojev med telesi.

Poleg zgoraj opisanih lastnosti ima električni naboj lastnost delitve, vendar obstaja vrednost najmanjšega možnega nedeljivega naboja, ki je enak absolutna vrednost naboj elektrona (1,6 * 10 -19 C), imenovan tudi elementarni naboj. Trenutno je dokazan obstoj delcev z električnim nabojem, manjšim od osnovnega, imenovanih kvarki, vendar je njihova življenjska doba nepomembna in niso bili zaznani v prostem stanju.

Coulombov zakon. Načelo superpozicije

Medsebojno delovanje stacionarnih električnih nabojev preučuje veja fizike, imenovana elektrostatika, ki pravzaprav temelji na Coulombovem zakonu, ki je bil izpeljan na podlagi številnih poskusov. Ta zakon in enota električnega naboja so poimenovali po francoskem fiziku Charlesu Coulombu.

Coulomb je s svojimi poskusi ugotovil, da sila interakcije med dvema majhnima električnima nabojema upošteva naslednja pravila:

• sila je sorazmerna z velikostjo vsakega naboja;
• sila je obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njima;
• smer sile je usmerjena vzdolž ravne črte, ki povezuje naboje;
• sila je privlačnost, če so telesa nasprotno naelektrena, in odbojnost v primeru enakonabitih.

Tako je Coulombov zakon izražen z naslednjo formulo

kjer q1, q2 – velikost električnih nabojev,

r je razdalja med dvema nabojema,

k je sorazmernostni koeficient, ki je enak k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2), kjer je ε 0 električna konstanta, ε 0 = 8,85 * 10 -12 C 2 /( N*m 2).

Naj omenim, da so prej električno konstanto ε0 imenovali dielektrična konstanta ali dielektrična konstanta vakuuma.

Coulombov zakon se ne kaže le pri medsebojnem delovanju dveh nabojev, ampak tudi v tem, da so sistemi več nabojev pogostejši. V tem primeru Coulombov zakon dopolnjuje še en pomemben dejavnik, ki se imenuje "princip superpozicije" ali princip superpozicije.

Načelo superpozicije temelji na dveh pravilih:

• vpliv več sil na nabit delec je vektorska vsota vplivov teh sil;
• vsako kompleksno gibanje je sestavljeno iz več preprostih gibov.

Načelo superpozicije je po mojem mnenju najlažje prikazati grafično

Slika prikazuje tri naboje: -q 1, +q 2, +q 3. Za izračun sile F total, ki deluje na naboj -q 1, je treba po Coulombovem zakonu izračunati interakcijski sili F1 in F2 med -q 1, +q 2 in -q 1, +q 3. Nato nastale sile seštejte po pravilu vektorskega seštevanja. IN v tem primeru F se na splošno izračuna kot diagonala paralelograma z uporabo naslednjega izraza

kjer je α kot med vektorjema F1 in F2.

Električno polje. Jakost električnega polja

Vsaka interakcija med naboji, imenovana tudi Coulombova interakcija (poimenovana po Coulombovem zakonu), poteka s pomočjo elektrostatičnega polja, ki je časovno nespremenljivo električno polje stacionarnih nabojev. Električno polje je del elektromagnetnega polja in ga ustvarjajo električni naboji oziroma naelektrena telesa. Električno polje vpliva na naboje in naelektrena telesa, ne glede na to, ali se gibljejo ali mirujejo.

Eden temeljnih konceptov električno polje je njegova napetost, ki je definirana kot razmerje med silami, ki delujejo na naboj v električno polje na velikost tega naboja. Da bi razkrili ta koncept, je treba uvesti tak koncept, kot je "testni naboj".

»Poskusni naboj« je naboj, ki ne sodeluje pri ustvarjanju električnega polja in ima tudi zelo majhno vrednost ter zato s svojo prisotnostjo ne povzroča prerazporeditve nabojev v prostoru in s tem ne popači električnega polja. ki jih ustvarjajo električni naboji.

Torej, če vnesete "testni naboj" q 0 v točko, ki se nahaja na določeni razdalji od naboja q, bo določena sila F delovala na "testni naboj" q P zaradi prisotnosti naboja q. Razmerje med silo F 0, ki deluje na preskusni naboj v skladu s Coulombovim zakonom, in vrednostjo "testnega naboja" se imenuje električna poljska jakost. Električna poljska jakost je označena z E in ima kapaciteto N/C

Potencial elektrostatičnega polja. Potencialna razlika

Kot veste, če na telo deluje katera koli sila, potem takšno telo opravi določeno količino dela. Posledično bo delo opravljal tudi naboj, postavljen v električno polje. V električnem polju delo, ki ga opravi naboj, ni odvisno od tirnice gibanja, ampak je določeno le s položajem, ki ga zaseda delec na začetku in koncu gibanja. V fiziki se polja, podobna električnemu polju (kjer delo ni odvisno od poti telesa), imenujejo potencialna.

Delo, ki ga telo opravi, je določeno z naslednjim izrazom

kjer je F sila, ki ne deluje na telo,

S je pot, ki jo telo prepotuje pod delovanjem sile F,

α je kot med smerjo gibanja telesa in smerjo delovanja sile F.

Potem bo delo, ki ga opravi "testni naboj" v električnem polju, ki ga ustvari naboj q 0, določeno s Coulombovim zakonom

kjer je q П - "testni naboj",

q 0 – naboj, ki ustvarja električno polje,

r 1 in r 2 – razdalja med q П in q 0 v začetni in končni položaj"testno polnjenje".

Ker je opravljanje dela povezano s spremembo potencialne energije W P , potem

In potencialna energija "testnega naboja" na vsaki specifični točki poti gibanja bo določena z naslednjim izrazom

Kot je razvidno iz izraza, se bo s spremembo vrednosti "testnega naboja" q p vrednost potencialne energije W P spremenila sorazmerno z q p, zato je bil za karakterizacijo električnega polja uveden še en parameter, imenovan potencial električnega polja φ, ki je energijska karakteristika in je določena z naslednjim izrazom

kjer je k sorazmernostni koeficient, ki je enak k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2), kjer je ε 0 električna konstanta, ε 0 = 8,85 * 10 -12 C 2 / (N*m 2).

Tako je potencial elektrostatičnega polja energetska značilnost, ki označuje potencialno energijo, ki jo ima naboj to točko elektrostatično polje.

Iz zgoraj navedenega lahko sklepamo, da lahko delo, opravljeno pri premikanju naboja iz ene točke v drugo, določimo iz naslednjega izraza

To pomeni, da je delo, ki ga opravijo sile elektrostatičnega polja pri premikanju naboja iz ene točke v drugo, enako zmnožku naboja in potencialne razlike na začetni in končni točki poti.

Pri izračunih je najbolj priročno poznati potencialno razliko med točkami električnega polja in ne specifičnih potencialnih vrednosti na teh točkah, zato, ko govorimo o potencialu katere koli poljske točke, mislimo na potencialno razliko med dano točko polja in drugo točko polja, katere potencial se po dogovoru šteje za enak nič.

Potencialna razlika je določena z naslednjim izrazom in ima dimenzijo Volt (V)

Nadaljujte z branjem v naslednjem članku

Teorija je dobra, vendar brez praktična uporaba to so samo besede.

Da električni naboji v naravi obstajajo, človeštvo ve že od časov starogrških naravoslovcev, ki so ugotovili, da se koščki jantarja, če jih podrgnemo z mačjo dlako, začnejo odbijati. Danes vemo, da je električni naboj tako kot masa ena temeljnih lastnosti snovi. Brez izjeme vsi osnovni delci, ki sestavljajo materialno vesolje, imajo tak ali drugačen električni naboj - pozitiven (kot protoni v atomskem jedru), nevtralen (kot nevtroni istega jedra) ali negativen (kot elektroni, ki tvorijo zunanjo lupino atomskega jedra in zagotavljajo njegovo električno nevtralnost kot celote) .

Ena najbolj uporabnih tehnik v fiziki je prepoznavanje agregatnih (celotnih) lastnosti sistema, ki se ne spremenijo s spremembami njegovega stanja. Takšne lastnosti, v znanstvenem smislu, so konzervativen, saj so zadovoljni ohranitveni zakoni. Vsak ohranitveni zakon se zmanjša na ugotovitev dejstva, da je v zaprtem stanju (v smislu popolne odsotnosti "puščanja" ali "prejemanja") ustrezen fizikalna količina) konzervativni sistem ustrezna količina, ki označuje sistem kot celoto, se s časom ne spremeni.

Električni naboj spada ravno v kategorijo konzervativnih lastnosti zaprtih sistemov. Algebraična vsota pozitivnih in negativnih električnih nabojev - neto skupni strošek sistema- se ne spreminja pod nobenim pogojem, ne glede na to, kateri procesi se dogajajo v sistemu. Še posebej, ko kemične reakcije, se lahko negativno nabiti valenčni elektroni na kakršen koli način prerazporedijo med zunanje lupine atomov, ki tvorijo kemične vezi različne snovi- niti skupni negativni naboj elektronov niti skupni pozitivni naboj protonov v jedru v zaprtem kemičnem sistemu se ne bosta spremenila. In to je samo najpreprostejši primer, saj med kemijskimi reakcijami ne pride do transmutacije samih protonov in elektronov, zaradi česar je mogoče preprosto izračunati število pozitivnih in negativnih nabojev v sistemu.

Z več visoke energije, vendar začnejo električno nabiti osnovni delci med seboj interagirati in postane veliko težje spremljati skladnost z zakonom o ohranitvi električnega naboja, ki pa je tudi v tem primeru izpolnjen. Na primer, med reakcijo spontanega razpada izoliranega nevtrona pride do procesa, ki ga lahko opišemo z naslednjo formulo:

kjer je p pozitivno nabit proton, n nevtralno nabit nevtron, e negativno nabit elektron in v nevtralni delec, imenovan nevtrino. Zlahka je videti, da je tako v izhodnem materialu kot v reakcijskem produktu skupni električni naboj enak nič (0 = (+1) + (-1) + 0), vendar v tem primeru pride do spremembe skupno število pozitivno in negativno nabite delce v sistemu. To je ena od reakcij radioaktivnega razpada, pri kateri je kljub nastanku novih nabitih delcev izpolnjen zakon o ohranitvi algebraične vsote električnih nabojev. Takšni procesi so značilni za interakcije med osnovnimi delci, pri katerih se iz delcev z enakimi električnimi naboji rodijo delci z drugačnimi električnimi naboji. Skupni električni naboj zaprtega sistema v vsakem primeru ostane nespremenjen.