Podobno kot koncept gravitacijske mase telesa v newtonski mehaniki je koncept naboja v elektrodinamiki primarni, osnovni koncept.

Električni naboj je fizikalna veličina, ki označuje lastnost delcev ali teles, da vstopajo v interakcije elektromagnetne sile.

Električni naboj je običajno označen s črkami q ali Vprašanje.

Skupnost vseh znanih eksperimentalnih dejstev vodi do naslednjih zaključkov:

Obstajata dve vrsti električnih nabojev, ki se običajno imenujejo pozitivni in negativni.

Stroški se lahko prenesejo (na primer z neposrednim stikom) z enega telesa na drugo. Za razliko od telesne teže električni naboj ni sestavna značilnost določenega telesa. Isto telo v različne pogoje ima lahko drugačen naboj.

Tako kot se obtožbe odbijajo, za razliko od obtožb privlačijo. To kaže tudi na temeljno razliko elektromagnetne sile od gravitacijskega. Gravitacijske sile so vedno gravitacijske sile.

Eden temeljnih naravnih zakonov je eksperimentalno uveljavljen zakon o ohranjanju električnega naboja .

V izoliranem sistemu ostaja algebrska vsota nabojev vseh teles konstantna:

Zakon o ohranjanju električnega naboja določa, da v zaprtem sistemu teles ni mogoče opazovati procesov ustvarjanja ali izginotja nabojev samo enega znaka.

S sodobnega vidika so osnovni delci nosilci naboja. 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 lupino atomov. Električna naboja protona in elektrona v absolutni vrednosti sta popolnoma enaka in enaka osnovnemu 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 prenese iz enega telesa v drugo le v delih, ki vsebujejo celo število osnovnih nabojev. Tako je električni naboj telesa diskretna količina:

Imenujemo fizikalne veličine, ki lahko zavzamejo samo ločen niz vrednosti kvantizirano ... Osnovni naboj e je kvant (najmanjši del) električnega naboja. Treba je opozoriti, da se v sodobni fiziki osnovnih delcev predvideva obstoj tako imenovanih kvarkov - delcev z delnim nabojem, kvarkov pa 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 puščice, ki se lahko vrti okoli vodoravne osi (slika 1.1.1). Puščica je izolirana od kovinskega ohišja. Ko napolnjeno telo pride v stik s palico elektrometra, se električni naboji istega znaka porazdelijo vzdolž palice in puščice. Sile električnega odbijanja povzročijo, da se puščica obrne za določen kot, s katerim lahko presodimo naboj, prenesen na palico elektrometra.

Elektrometer je precej surov instrument; ne dovoljuje preiskovanja sil medsebojnega delovanja nabojev. Francoski fizik Charles Coulomb je prvič zakon o medsebojnem delovanju stacionarnih nabojev odkril leta 1785. V svojih poskusih je Coulomb izmeril sile privlačenja in odbijanja napolnjenih kroglic s pomočjo naprave, ki jo je sam zasnoval - torzijska tehtnica (Slika 1.1.2), ki jih je odlikovala izjemno visoka občutljivost. Tako je bil na primer ravnotežni žarek obrnjen za 1 ° pod vplivom sile reda 10 -9 N.

Zamisel o meritvah je temeljila na Coulomb-ovem briljantnem domnevanju, da če napolnjeno kroglico pripeljemo v stik s popolnoma enako nenabito kroglico, bo naboj prvega enakomerno razdeljen mednje. Tako je bila navedena metoda za spreminjanje naboja žoge dvakrat, trikrat itd. Coulombovi poskusi so merili interakcijo med kroglicami, katerih dimenzije so veliko manjše od razdalje med njimi. Tako nabita telesa običajno imenujemo točkovni stroški.

Točkovni naboj se imenuje nabito telo, katerega dimenzije lahko v pogojih tega problema zanemarimo.

Na podlagi številnih poskusov je Coulomb vzpostavil naslednji zakon:

Sile medsebojnega delovanja stacionarnih nabojev so sorazmerne z umnožkom polnilnih modulov in obratno sorazmerne s kvadratom razdalje med njimi:

Sile interakcije upoštevajo Newtonov tretji zakon:

So odbojne sile z enakimi znaki nabojev in privlačne sile z različni znaki (slika 1.1.3). Imenuje se interakcija stacionarnih električnih nabojev elektrostatična ali coulomb interakcija. Imenuje se veja elektrodinamike, ki preučuje Coulomb interakcijo elektrostatika .

Coulombov zakon velja za telesa s točkovnim nabojem. V praksi je Coulombov zakon dobro zadovoljen, če so mere nabitih teles veliko manjše od razdalje med njimi.

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

Obesek - to je naboj, ki gre v 1 s skozi prerez vodnika s tokom 1 A. Enota trenutne jakosti (Ampere) v SI je skupaj z enotami dolžine, časa in mase osnovna merska enota.

Koeficient k v sistemu SI je običajno zapisano kot:

Kje - električna konstanta .

V sistemu SI osnovni naboj e je enako:

Izkušnje kažejo, da sile Coulomove interakcije upoštevajo načelo superpozicije:

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

Sl. 1.1.4 razlaga princip superpozicije na primeru elektrostatične interakcije treh nabitih teles.

Načelo superpozicije je temeljni naravni zakon. Vendar pa je pri njegovi uporabi potrebna previdnost, če: prihaja o interakciji nabitih teles končnih dimenzij (na primer dve prevodni nabiti kroglici 1 in 2). Če tretjo napolnjeno kroglico pripeljemo v sistem dveh napolnjenih kroglic, se bo interakcija med 1 in 2 spremenila zaradi prerazporeditev obtožb.

Načelo superpozicije navaja, da za dana (fiksna) porazdelitev stroškov na vseh telesih sile elektrostatične interakcije med katerima koli dvema telesoma niso odvisne od prisotnosti drugih nabitih teles.

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

Electron - delček, 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 opravljenih poskusov je zaključil, da je v središču atoma pozitivno nabito jedro, okoli katerega se po orbitah gibljejo negativno nabiti elektroni. Pri nevtralnem atomu pozitiven naboj jedro je enako celotnemu negativnemu naboju elektronov. Jedro atoma sestavljajo pozitivno nabiti protoni in nevtralni delci nevtronov. Modul protonskega naboja je enak naboju elektronov. Če iz nevtralnega atoma odstranimo enega ali več elektronov, potem ta postane pozitivno nabit ion; če so elektroni pritrjeni na atom, potem postane negativno nabit ion.

Znanje o zgradbi atoma lahko razloži pojav elektrifikacije trenje ... Elektroni, ki so šibko vezani na jedro, se lahko odlepijo od enega atoma in pritrdijo na drugega. To pojasnjuje, zakaj lahko eno telo nastane pomanjkanje elektronov, na drugi pa - njihove presežek ... V tem primeru se napolni prvo telo pozitivno in drugo je negativno .

Ko pride do elektrifikacije prerazporeditev naboja , obe telesi se elektrificirata in dobijo enake velikosti nabojev nasprotnih znakov. V tem primeru ostaja algebraična vsota električnih nabojev pred in po elektrifikaciji konstantna:

q 1 + q 2 +… + q n \u003d const.

Algebraična vsota nabojev plošč pred in po elektrifikaciji je enaka nič. Pisna enakost izraža temeljni naravni zakon - zakon o ohranjanju električnega naboja.

Kot vsak fizični zakon ima tudi on določene meje uporabe: veljaven je za zaprt sistem teles , 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 sredine 18. stoletja) tega pojava niso mogli resno utemeljiti. Coulomb je šele leta 1785, ko je opazoval medsebojno delovanje nabitih delcev, ugotovil osnovni zakon njihove interakcije. Po približno pol stoletja je Faraday raziskoval in sistematiziral delovanje električnih tokov in magnetnih polj, po nadaljnjih tridesetih letih pa je Maxwell utemeljil teorijo elektromagnetno polje.

Električni naboj

Angleški znanstvenik W. Hilbert je leta 1600 prvič izraz "elektrika" in "elektrifikacija" kot izpeljanke latinske besede "electri" - jantar uvedel, da bi razložil pojave, ki nastanejo, ko se jantar podrgne s krznom ali steklom. s kožo. Tako so se telesa, ki imajo električne lastnosti, začela imenovati električno nabita, to pomeni, da je bil nanje prenesen električni naboj.

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

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

• obstajata dve vrsti nabojev, ki jih običajno imenujemo pozitivni in negativni;
• električni naboji se lahko prenašajo z enega telesa na drugo;
• istoimenski električni naboji se med seboj odbijajo in se za razliko od električnih nabojev medsebojno privlačijo.

Poleg tega je bil vzpostavljen zakon o ohranjanju naboja: algebraična vsota električnih nabojev v zaprtem (izoliranem) sistemu ostaja nespremenjena

Leta 1749 je ameriški izumitelj Benjamin Franklin predstavil teorijo električnih pojavov, po kateri je elektrika nabita tekočina, katere pomanjkanje je opredelil kot negativno elektriko, presežek pa je pozitivna elektrika. Tako je nastal znameniti paradoks elektrotehnike: po teoriji B. Franklina elektrika teče s pozitivnega na negativni pol.

Po navedbah moderna teorija Struktura snovi, vse snovi so sestavljene iz molekul in atomov, ti pa jedro atoma in elektroni "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 bistveno 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 tudi lastnost delitve, vendar je vrednost najmanjšega možnega nedeljivega naboja enaka absolutna vrednost elektronski naboj (1,6 * 10 -19 C), imenovan tudi osnovni naboj. Trenutno je dokazan obstoj delcev z električnim nabojem manj kot osnovnim, ki jih imenujemo kvarki, vendar je njihov čas obstoja nepomemben in jih v prostem stanju niso našli.

Coulombov zakon. Načelo superpozicije

Interakcija stacionarnih električnih nabojev preučuje vejo fizike, imenovano elektrostatika, ki dejansko temelji na Coulombovem zakonu, ki je izhajal iz številnih poskusov. Ta zakon, pa tudi enota električnega naboja, sta dobila ime po francoskem fiziku Charlesu Coulombu.

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

• sila je sorazmerna z velikostjo vsakega naboja;
• sila je obratno sorazmerna s kvadratom razdalj med njimi;
• smer delovanja sile je usmerjena vzdolž ravne črte, ki povezuje naboje;
• sila je privlačnost, če sta telesi napolnjeni nasprotno, in odbijanje pri enakih nabojih.

Tako je Coulombov zakon izražen z naslednjo formulo

kjer je q1, q2 vrednost električnih nabojev,

r je razdalja med dvema nabojema,

k je koeficient sorazmernosti, enak k \u003d 1 / (4πε 0) \u003d 9 * 10 9 Cl 2 / (N * m 2), kjer je ε 0 električna konstanta, ε 0 \u003d 8,85 * 10 -12 Cl 2 / ( N * m 2).

Upoštevajte, da je bila prej električna konstanta ε0 imenovana dielektrična konstanta ali dielektrična konstanta vakuuma.

Coulombov zakon se pokaže ne le takrat, ko dva naboja sodelujeta, ampak tudi, da so sistemi več nabojev pogostejši. V tem primeru Coulombov zakon dopolnjuje še en bistveni dejavnik, ki se imenuje "načelo superpozicije" ali načelo superpozicije.

Načelo superpozicije temelji na dveh pravilih:

• vpliv več sil na naelektreni delec je vektorska vsota udarcev teh sil;
• vsako zapleteno gibanje je sestavljeno iz več preprostih gibov.

Načelo superpozicije je po mojem mnenju najlažje grafično prikazati.

Slika prikazuje tri naboje: -q 1, + q 2, + q 3. Za izračun sile F skupaj, ki deluje na naboj -q 1, je treba v skladu s Coulombovim zakonom izračunati sile interakcije F1 in F2 med -q 1, + q 2 in -q 1, + q 3. Nato dodajte nastale sile v skladu s pravilom dodajanja vektorjev. V tem primeru se F total izračuna kot diagonala paralelograma z naslednjim izrazom

kjer je α kot med vektorjema F1 in F2.

Električno polje. Jakost električnega polja

Vsaka interakcija med naboji, imenovana tudi Coulomb interakcija (po imenu Coulombov zakon), se pojavi s pomočjo elektrostatičnega polja, ki je časovno nespremenljivo električno polje stacionarnih nabojev. Električno polje je del elektromagnetnega polja in ga ustvarjajo električni naboji ali nabita telesa. Električno polje deluje na naboje in nabita telesa, ne glede na to, ali se premikajo ali mirujejo.

Eden temeljnih konceptov električno polje je njegova jakost, ki je definirana kot razmerje med silo, ki deluje na naboj v električno polje na vrednost tega naboja. Za razkritje tega koncepta je treba uvesti tak koncept, kot je "testna naboj".

"Testni naboj" je naboj, ki ne sodeluje pri ustvarjanju električnega polja in ima tudi zelo majhno vrednost, zato s svojo prisotnostjo ne povzroča prerazporeditve nabojev v vesolju in s tem ne izkrivlja ustvarjenega električnega polja z električnimi naboji.

Če torej vnesete "preskusni naboj" q 0 v točko, ki se nahaja na določeni razdalji od naboja q, potem bo na "preskusni naboj" q P zaradi prisotnosti naboja q delovala določena sila F. Razmerje sile F 0, ki deluje na preskusni naboj v skladu s Coulombovim zakonom in vrednostjo "preskusnega naboja", se imenuje jakost električnega polja. Jakost električnega polja je označena z E in ima zmogljivost N / C

Potencial elektrostatičnega polja. Potencialna razlika

Kot veste, če na telo deluje katera koli sila, potem takšno telo opravi določeno delo. Zato bo tudi naboj v električnem polju deloval. V električnem polju delo, ki ga opravi naboj, ni odvisno od poti gibanja, temveč je določeno le s položajem, ki ga zasede delček na začetku in koncu gibanja. V fiziki se področja, podobna električnemu polju (kjer delo ni odvisno od poti telesa), imenujejo potencial.

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

kjer je F sila, ki ne deluje na telo,

S je razdalja, ki jo prevozi telo pod delovanjem sile F,

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

Potem bo delo, izvedeno s "preskusnim nabojem" v električnem polju, ustvarjenem z nabojem q 0, določeno iz Coulomovega zakona

kjer je q П - "preskusni 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 "Preizkusna obtožba".

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

In potencialna energija "testnega naboja" na vsaki hotelski točki poti gibanja bo določena iz naslednjega izraza

Kot je razvidno iz izraza, se bo s spremembo vrednosti "preskusnega naboja" qp vrednost potencialne energije WP spreminjala sorazmerno s qp, zato je bil za opredelitev električnega polja uveden še en parameter, imenovan potencial električnega polja φ, ki je energijska značilnost in je določen z naslednjim izrazom

kjer je k koeficient sorazmernosti, enak k \u003d 1 / (4πε 0) \u003d 9 * 10 9 Cl 2 / (N * m 2), kjer je ε 0 električna konstanta, ε 0 \u003d 8,85 * 10 -12 Cl 2 / (N * m 2).

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

Iz zgoraj navedenega lahko sklepamo, da je delo, ki se opravi, ko se naboj premika z ene točke na drugo, mogoče določiti iz naslednjega izraza

To pomeni, da je delo, ki ga opravijo sile elektrostatičnega polja, ko se naboj premika iz ene točke v drugo, enako zmnožku naboja in potencialni razliki na začetni in končni točki poti.

Pri izračunu je najprimerneje poznati potencialno razliko med točkami električnega polja in ne specifičnih vrednosti potencialov na teh točkah, zato, če govorimo o potencialu katere koli točke v polju, pomenijo potencialna razlika med točko polja in drugo točko polja, katere potencial je enak nič.

Razlika potencialov se določi iz naslednjega izraza in ima dimenzijo voltov (V)

Preberite nadaljevanje v naslednjem članku.

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

Človeštvo ve, da v naravi obstajajo električni naboji že v času starogrških naravnih filozofov, ki so odkrili, da se kosi 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 en ali drug 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 celoto) .

Ena najbolj uporabnih tehnik v fiziki je prepoznavanje agregatnih (sumarnih) lastnosti sistema, ki se ne spremenijo s spremembami njegovega stanja. Takšne lastnosti v znanstvenem smislu so konzervativni, saj je zanje zakoni o ohranjanju... Vsak zakon o ohranjanju se omejuje na izjavo, da v zaprtem (v smislu popolne odsotnosti "uhajanja" ali "prihoda" ustrezne fizikalne količine) konzervativni sistem ustrezna vrednost, ki označuje sistem kot celoto, se s časom ne spremeni.

Električni naboj le spada v kategorijo konzervativnih lastnosti zaprtih sistemov. Algebraična vsota pozitivnih in negativnih električnih nabojev - neto skupni sistemski strošek - se v nobenem primeru ne spremeni, ne glede na to, kateri procesi se v sistemu dogajajo. Zlasti za kemijske reakcije, negativno nabiti valentni elektroni se lahko 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 bodo spremenili. In to je le najpreprostejši primer, saj med kemičnimi reakcijami ni transmutacije samih protonov in elektronov, zaradi česar je mogoče preprosto izračunati število pozitivnih in negativnih nabojev v sistemu.

Z več visoke energijevendar električno nabiti osnovni delci začnejo medsebojno delovati in slediti spoštovanju zakona o ohranjanju električnega naboja je veliko težje, vendar tudi v tem primeru velja. Na primer, v reakciji spontanega razpada izoliranega nevtrona pride do procesa, ki ga lahko opišemo z naslednjo formulo:

kjer je p pozitivno naelektren proton, n nevtralno nabit nevtron, e negativno nabit elektron in v nevtralni delci, imenovani nevtrino. Lahko je videti, da je tako v vhodni snovi kot v reakcijskem produktu skupni električni naboj enak nič (0 \u003d (+1) + (-1) + 0), vendar se v tem primeru spremeni skupaj pozitivno in negativno nabitih delcev v sistemu. To je ena od reakcij radioaktivnega razpada, v kateri je ohranjevalni zakon algebrska vsota električni naboji se izvajajo kljub tvorbi novih nabitih delcev. Takšni procesi so značilni za interakcije med osnovnimi delci, pri katerih se delci z drugimi električnimi naboji rodijo iz delcev z enim električnim nabojem. Skupni električni naboj zaprtega sistema v vsakem primeru ostane nespremenjen.