Закон сохранения электрического заряда

Содержание
  1. Соотношение Эйнштейна
  2. Электростатика. Основные понятия. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Принцип суперпозиции. Теория близкодействия. Потенциал электрического поля. Конденсатор.
  3. Основные понятия электростатики:  электрический заряд, элементарный заряд, электрическое поле, проводник, диэлектрик:
  4. Закон сохранения электрического заряда:
  5. Закон Кулона, кулоновская сила:
  6. Принцип суперпозиции для электрических зарядов:
  7. Теория близкодействия электрических зарядов:
  8. Напряженность электрического поля, напряженность поля точечного заряда:
  9. Принцип суперпозиции электрических полей:
  10. Потенциал электрического поля, потенциальная энергия заряда, разность потенциалов = напряжение, связь разности потенциалов и напряженности в однородном поле:
  11. Конденсатор, электроемкость, напряженность, энергия:
  12. Что такое электрический заряд q
  13. Главное запомнить
  14. Закон сохранения заряда в интегральной форме
  15. Открытие электростатического заряда
  16. Закон Кулона
  17. Единица измерения
  18. Закон Кулона
  19. Направление силы Кулона
  20. Образец решения задач по теме «Электрический заряд»
  21. Закон сохранения заряда в электронике
  22. Как вычислять с помощью законов
  23. Закон сохранения
  24. Закон Кулона
  25. Экспериментальная проверка
  26. Закон сохранения электрического заряда
  27. Два вида заряда
  28. Примечания
  29. Способы измерения

Соотношение Эйнштейна

Первыми двумя законами сохранения, установленными в науке, были закон сохранения массы и энергии. В физических законах движения, кроме того, часто используется закон сохранения импульса (количества движения). В ядерных реакциях может происходить взаимопревращение массы и энергии, но их сумма обязательно должна сохраняться. Ядерная энергия получается только за счет исчезновения массы; соотношение между массой и энергией было установлено Эйнштейном и носит его имя. Согласно соотношению Эйнштейна:

Соотношение Эйнштейна

где E — энергия, m — соответствующая ей масса, а c — скорость света.

В ядерных реакциях также происходит сохранение заряда. Когда ядро изотопа углерода-14 распадается с образованием ядра азота-14, это сопровождается испусканием электрона (происходит так называемый бета-распад)

Закон сохранения в ядерных реакциях

Здесь верхние индексы указывают массовое число, или полное число тяжелых частиц (протонов и нейтронов) в ядре, а это число одинаково в изотопах углерода-14 и азота-14. Приведенная реакция дает пример сохранения тяжелых частиц, связанный с законом сохранения массы. Нижние индексы определяют заряд частицы, который мог увеличиться от +6 до +7 только за счет того, что в окружающую среду был испущен отрицательный заряд. Этот заряд -1 несет электрон, испускаемый при бета-распаде. Полный заряд в результате реакции сохраняется.

В ядерных реакциях и реакциях между элементарными частицами происходит точное или почти точное сохранение даже таких мало известных свойств, как четность, странность и «шарм» (привлекательность). Эти свойства представляются довольно таинственными, поскольку мы ничего не слышали о них раньше, прежде чем узнали о необходимости их сохранения. Масса и энергия были известны задолго до того, как были обнаружены законы их сохранения. Но кто когда-нибудь слышал о «шарме» элементарных частиц, прежде чем был провозглашен закон его сохранения? Вопреки обычной логике последовательности сначала было замечено, что элементарные частицы поддаются распределению на классы, причем для каждого класса могут быть установлены строгие правила взаимодействия между принадлежащими к нему частицами, а затем было открыто новое свойство, при сохранении которого в реакциях между частицами удается предсказать их наблюдаемое поведение.

Электростатика. Основные понятия. Электрический заряд. Закон сохранения электрического
заряда. Закон Кулона. Принцип суперпозиции. Теория близкодействия. Потенциал электрического
поля. Конденсатор.

Основные понятия электростатики:  электрический заряд, элементарный заряд, электрическое поле, проводник, диэлектрик:

  • Электрический заряд Q [РљР»]: это физическая величина, характеризующая свойство тел вступать РІ электрическое взаимодействие. Одноименные заряды отталкиваются, Р° разноименные заряды притягиваются
  • Элементарный заряд: e=1,6*10-19 РљР» это минимальная порция заряда, котрая может передаваться РѕС‚ РѕРґРЅРѕРіРѕ тела Рє РґСЂСѓРіРѕРјСѓ (заряд протона или электрона)
  • Электрическое поле: это создаваемый любым электрическим зарядом материальный объект, непрерываный РІ пространстве, проявляющийся РІ том, что действет РЅР° РґСЂСѓРіРёРµ заряды.
  • РџСЂРѕРІРѕРґРЅРёРє: это материал, РїРѕ которому заряд может СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕ перемещаться РѕС‚ РѕРґРЅРѕРіРѕ тела Рє РґСЂСѓРіРѕРјСѓ.
  • Диэлектрик: это материал, РїРѕ которому электрический заряд РїСЂРё обычных условиях перемещаться РЅРµ может.
Основные понятия электростатики:  электрический заряд, элементарный заряд, электрическое поле, проводник, диэлектрик

Закон сохранения электрического заряда:

  • Закон сохранения электрического заряда: РІ замкнутой системе алгебраическая (СЃ учетом знаков +/-) СЃСѓРјРјР° зарядов остается постоянной
  • Закон сохранения электрического заряда: РІ замкнутой системе алгебраическая (СЃ учетом знаков +/-) СЃСѓРјРјР° зарядов остается постоянной
Закон сохранения электрического заряда

Закон Кулона, кулоновская сила:

  • Закон Кулона: сила взаимодействия РґРІСѓС… точечных зарядов (=кулоновская сила) направлена вдоль РїСЂСЏРјРѕР№, соединяющей заряды, РїСЂСЏРјРѕ пропорциональна модулю зарядов Рё обратно пропорциональна квадрату расстояния между РЅРёРјРё:
    • Закон Кулона: сила взаимодействия РґРІСѓС… точечных зарядов (=кулоновская сила) направлена вдоль РїСЂСЏРјРѕР№, соединяющей заряды, РїСЂСЏРјРѕ пропорциональна модулю зарядов Рё обратно пропорциональна квадрату расстояния между РЅРёРјРё
Закон Кулона, кулоновская сила

Принцип суперпозиции для электрических зарядов:

  • Принцип суперпозиции для электрических зарядов: результирующая сила, действующая РЅР° данный заряд q1 СЃРѕ стороны нескольких зарядов q2…..qn, равна геометрической СЃСѓРјРјРµ (= векторной СЃСѓРјРјРµ) СЃРёР» F12+….F1n, действующих РЅР° данный заряд СЃРѕ стороны каждого РёР· зарядов:
    • Принцип суперпозиции для электрических зарядов: результирующая сила, действующая РЅР° данный заряд q1 СЃРѕ стороны нескольких зарядов q2.....qn, равна геометрической СЃСѓРјРјРµ (= векторной СЃСѓРјРјРµ) СЃРёР» F12+....F1n, действующих РЅР° данный заряд СЃРѕ стороны каждого РёР· зарядов
Принцип суперпозиции для электрических зарядов

Теория близкодействия электрических зарядов:

  • Взаимодействие между заряженными частицами осуществляется посредством электрического поля Рё осуществляется СЃ конечной скоростью

Напряженность электрического поля, напряженность поля точечного заряда:

Напряженность электрического поля, напряженность поля точечного заряда

Принцип суперпозиции электрических полей:

  • Принцип суперпозиции электрических полей: если РІ данной точке пространства различные заряженные частицы создают электрические поля, напряженности которых E1,E2,….En, то результирующая напряженность электрического поля РІ этой точке равна векторной СЃСѓРјРјРµ отдельных напряжённостей:
    • Принцип суперпозиции электрических полей
Принцип суперпозиции электрических полей

Потенциал электрического поля, потенциальная энергия заряда, разность потенциалов = напряжение, связь разности потенциалов и напряженности в однородном поле:

Конденсатор, электроемкость, напряженность, энергия:

Конденсатор, электроемкость, напряженность, энергия
Поиск в инженерном справочнике DPVA. Введите свой запрос:

Поиск в инженерном справочнике DPVA. Введите свой запрос:

Если Вы не обнаружили себя в списке поставщиков, заметили ошибку, или у Вас есть дополнительные численные данные для коллег по теме, сообщите , пожалуйста.
Вложите в письмо ссылку на страницу с ошибкой, пожалуйста.
Коды баннеров проекта DPVA.ru

Начинка: KJR Publisiers

Консультации и техническая

поддержка сайта:

Zavarka Team

Проект является некоммерческим. �нформация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Владельцы сайта www.dpva.ru не несут никакой ответственности за риски, связанные с использованием информации, полученной с этого интернет-ресурса. Free xml sitemap generator

www.dpva.ru �нженерный справочник.

Что такое электрический заряд q

Электрический заряд, обозначаемый в международной системе единиц буквами q и Q, считается скалярной физической величиной, которая определяет свойство частицы или тела выступать в качестве источника электромагнитного поля и вступать в прямое взаимодействие с ним. В физике существует несколько видов электромагнитных заряженных частиц, и они называются положительными или отрицательными. Обе единицы измеряются в Кулонах, а найти их можно путём вычисления произведения одного Ампера с одной секундой.

Понятие из учебного пособия

Главное запомнить

1) Элементарный электрический заряд — электрон и протон
2) Величина элементарного заряда постоянна
3) Положительный и отрицательный заряды и их взаимодействие
4) Носителями свободных зарядов являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы
5) Электрический заряд дискретен
6) Закон сохранения электрического заряда

Закон сохранения заряда в интегральной форме

Вспомним, что плотность потока электрического заряда есть просто плотность тока. Тот факт, что изменение заряда в объёме равно полному току через поверхность, можно записать в математической форме:

∂ ∂ t ∫ Ω ρ d V = − ∮ ∂ Ω ⁡ j → ⋅ d S   → . {\displaystyle {\frac {\partial }{\partial t}}\int \limits _{\Omega }\rho dV=-\oint \limits _{\partial \Omega }{\vec {j}}\cdot d{\vec {S\ }}.} {\displaystyle {\frac {\partial }{\partial t}}\int \limits _{\Omega }\rho dV=-\oint \limits _{\partial \Omega }{\vec {j}}\cdot d{\vec {S\ }}.}

Здесь Ω {\displaystyle \Omega } \Omega — некоторая произвольная область в трёхмерном пространстве, ∂ Ω {\displaystyle \partial \Omega } \partial \Omega — граница этой области, ρ {\displaystyle \rho } \rho — плотность заряда, j → {\displaystyle {\vec {j}}} \vec{j} — плотность тока (плотность потока электрического заряда) через границу.

Открытие электростатического заряда

Впрочем, эта ситуация не слишком сильно отличается от того, как был в свое время открыт электростатический заряд (см. рис). В XVIII веке экспериментаторы наблюдали, что при энергетичном трении стеклянной палочки о шелк на ней накапливается заряд (а), который можно частично передать легкому пластмассовому шарику, висящему на нити (в). После того как шарик получал заряд от стеклянной палочки, он отталкивался от нее (г). Но, кроме того, было обнаружено, что при натирании эбонитового стержня шерстью (б) этот стержень притягивает легкий шарик из бузины (д), предварительно наэлектризованный прикосновением натертой о шелк стеклянной палочки. Чтобы объяснить наблюдаемые явления, ученые предположили существование двух различных типов заряда, а также наличие сил притяжения между зарядами разных типов и сил отталкивания между зарядами одного типа. Бенжамин Франклин стал называть заряды этих двух типов положительными и отрицательными. Заряд во времена Франклина был не менее таинственным свойством, чем «шарм» или «странность» в наши дни.

Открытие электростатического заряда

Из урока 22 «Закон сохранения» вы должны извлечь одну важную мысль, что в основе всех законов сохранения лежит общая идея: когда нам известно, чего не может произойти, мы может лучше предсказать, что будет происходить. Для химиков наиболее важными являются законы сохранения массы и энергии, и все расчеты, приведенные в данной главе, основаны на применении следствий этих законов. Остались вопросы, пишите их в комментарии. Если вопросов нет, то переходите к заключению главы «Законы сохранения массы и энергии».

Хотите ещё проще? Мы создали новый курс, где максимум за 7 дней вы овладете химией с нуля. Подробннее по ссылке

Закон Кулона

Два

точечных заряда

действуют друг на друга с силой, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональна произведению их зарядов (без учета знака зарядов)

8kORtmNFBeQheeG9KRAOuBX-DM1p38dVD_XCNatBikLMHDo7xdrGDpEq-dE5sJya9BB-g_DJXwFFNeoTjw=s0-d4tcLY2mzJcpnaKcvQPQP28Y8LKiFnRNIbiod4mZ2FCBDwwDcdXAMqZWLV0kTrzg2JXPcYymgum5D9eKu16gY=s0-d

В различных средах, например в воздухе и в воде, два точечных заряда взаимодействуют с разной силой. Относительная диэлектрическая проницаемость среды характеризуют это различие. Это известная

табличная величина

. Для воздуха

q7uId66_3IYUCrUstTNwshVj3ICAXVMSgb4zgl0q8AdMGFuO0q6ztILtmzJW4gWOwAXEum8BGtaY0-4UATTw=s0-d

.

Постоянная k определяется как

qBGhmldbWgptoFHljhK09mrtXeBE8qaIQlTEArAwbA5YnL_ip5fzkSu9HTB2McNlNXFYHxoJMr7Gx0qTOQ=s0-dnPv-87rXr6C0_oYbi6K7yIdX4YYAxB04I1YMBo7-uAU7MzpgIic479InvUNImjJsuNo6fZS3Mu5wfNpP7mMD=s0-d

Единица измерения

Единицей измерения заряда в международной системе СИ принято 1 кулон – совокупный заряд элементарных частиц, преодолевающих сечение проводника с током в 1 А, за единицу времени (секунду). Это огромная величина. Силу взаимодействия величиной в 1 Кл на расстоянии 1 м можно сравнить с действием гравитационного притяжения Землёй тела, массой 1 млн. т (9 × 109 Н).

Закон Кулона

  • Главная
  • Справочник
  • Законы
  • Закон Кулона

Закон Кулона количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Он является фундаментальным законом, то есть установлен при помощи эксперимента и не следует ни из какого другого закона природы. Он сформулирован для неподвижных точечных зарядов в вакууме. В реальности точечных зарядов не существует, но такими можно считать заряды, размеры которых значительно меньше расстояния между ними. Сила взаимодействия в воздухе почти не отличается от силы взаимодействия в вакууме (она слабее менее чем на одну тысячную).

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами.

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Сила взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, и является силой притяжения, если заряды разноименные, и силой отталкивания, если заряды одноименные.

Если обозначить модули зарядов через |q

1| и |

q 2|, то закон Кулона можно записать в следующей форме:

\[ F = k \cdot \dfrac{\left|q_1 \right| \cdot \left|q_2 \right|}{r^2} \]

Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц.

\[ k=\frac{1}{4\pi \varepsilon _0} \]

Полная формула закона Кулона:

\[ F = \dfrac{\left|q_1 \right|\left|q_2 \right|}{4 \pi \varepsilon_0 \varepsilon r^2} \]

Где :

\( F \) — Сила Кулона

\( q_1 q_2 \) — Электрический заряд тела

\( r \) — Расстояние между зарядами

\( \varepsilon_0 = 8,85*10^{-12} \) — Электрическая постоянная

\( \varepsilon \) — Диэлектрическая проницаемость среды

\( k = 9*10^9 \) — Коэффициент пропорциональности в законе Кулона

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: \( \vec{F}_{12}=\vec{F}_{21} \) . Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

  • Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
  • Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
  • Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.

Отметим, чтоб выполнялся закон Кулона необходимо 3 условия:

  • Точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров.
  • Неподвижность зарядов. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд .
  • Взаимодействие зарядов в вакууме.

В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).

Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (Ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.

ЗаконыФормулы Физика Теория Электричество Закон

Направление силы Кулона

AFHc1AiNjjt1E2E0dcom6iOaryw-QikDxP_4Dr-kP9Kg-g5ESq75lE5LpQ1HNBhbT-4yYRFwrwJWkNxxMw=s0-d

Согласно

третьему закону Ньютона

, силы одной природы возникают попарно, равны по величине, противоположны по направлению. Если взаимодействуют два неодинаковых заряда, сила, с которой больший заряд действует на меньший (В на А) равна силе, с которой меньший действует на больший (А на В).

elektroskop_1_thumb.jpg

Образец решения задач по теме «Электрический заряд»

Ниже приведены образцы решения простых задач по электростатике, в частности, на закон Кулона.

Задача 1. Несколько одинаковых заряженных шаров имеют показатели q1 = 6 микрокулон и q2 = -18 микрокулон. Они располагаются друг от друга на 36 сантиметров (0,36 метров). Насколько будет меняться сила их взаимодействия при соприкосновении друг с другом и разведении в сторону?

Чтобы решить эту задачу, нужно воспользоваться эл заряд формулой F=K*(q1*q2/r2), подставив вместо букв известные величины. В результате, выйдет число 7,5.

Задача 2. Маленькие одинаковые шары находятся на промежутке в 0,15 метра и притягиваются с силой 1 микроньютон. Задача состоит в определении первоначальных зарядов шаров.

Чтобы решить вторую задачу, нужно использовать ту же формулу Кулона, но немного видоизмененную: F=kq2/r2. Затем вывести из правила показатель q2. Он будет равен Fr2/k. Подставив известные значения и выполнив несложные расчеты, получится цифры в 10^-7 или 10 микрокулон.

Формула для решения

В целом, электрический заряд представляет собой физическую скалярную величину, которая определяет способность тел являться источником электромагнитного поля и участвовать во взаимодействии с ним. Отыскать величину, которая обозначается буквами q и Q, для решения задач или для выполнения другой работы, можно через закон сохранения, Кулона и представленные выше основные физические формулы.

Закон сохранения заряда в электронике

Правила Кирхгофа для токов напрямую следуют из закона сохранения заряда. Объединение проводников и радиоэлектронных компонентов представляется в виде незамкнутой системы. Суммарный приток зарядов в данную систему равен суммарному выходу зарядов из системы. В правилах Кирхгофа предполагается, что электронная система не может значительно изменять свой суммарный заряд.

Как вычислять с помощью законов

Поскольку q и Q являются скалярными единицами, вычислить их с помощью законов можно через точные формулы, выведенные известными учеными-физиками. К примеру, в соответствии с законом Кулона, можно найти величину и силовое направление взаимодействия заряженных частиц между несколькими неподвижными телами.

Вам это будет интересно Особенности обозначения радиодеталей на схеме

Закон сохранения

Все элементарные частицы подразделяются на нейтральные или заряженные. Они вступают во взаимодействие друг с другом внутри электромагнитного поля. Частицы, которые имеют одноименный электрон, отталкиваются, а разноименный – притягиваются. В первом случае наблюдается избыток электронов, а во втором – их недостаток. Оба типа частиц заряжаются посредством электризации. На практике, при возникновении данного явления, заряженные частицы равны по модулю, несмотря на противоположность знаков. Когда разные частицы притягиваются, то между ними происходит электризация и сохранение электрона. При этом, сумма всех изолированных системных частиц не изменяется, то есть, q + q + q…= const.


Закон сохранения

Закон Кулона

Выше было сказано, что электрические заряженные микрочастицы бывают как положительными, так и отрицательными, а их наличие подтверждается силовым взаимодействием, которое с помощью экспериментов на весах описал в 1785 году О. Кулон, создав свой физико-математический закон.

Закон Кулона представляет собой физическую закономерность, которая описывает взаимодействие наэлектризованных частиц между не электризованными, в зависимости от промежутка между ними. В соответствии с этой формулировкой, чем больше электронов имеет частица, тем ближе она расположена к другой элементарной единице заряда, и, соответственно, сила возрастает.

Обратите внимание! При увеличении расстояния между частицами, сал их взаимодействия неизменно убывает. В математической формуле это выглядит так: F1 = F2 = K*(q1*q2/r2), где q1 и q2 считаются модулями заряженных микрочастиц, k является коэффициентом пропорциональности, который зависит от системного выбора единицы, а r — расстоянием.


Закон Кулона

Экспериментальная проверка

Наилучшей экспериментальной проверкой закона сохранения электрического заряда является поиск таких распадов элементарных частиц, которые были бы разрешены в случае нестрогого сохранения заряда. Такие распады никогда не наблюдались[7].Лучшее экспериментальное ограничение на вероятность нарушения закона сохранения электрического заряда получено из поиска фотона с энергией mec2/2 ≈ 255 кэВ, возникающего в гипотетическом распаде электрона на нейтрино и фотон:

однако существуют теоретические аргументы в пользу того, что такой однофотонный распад не может происходить даже в случае, если заряд не сохраняется[10].Другой необычный несохраняющий заряд процесс — спонтанное превращение электрона в позитрон[11]и исчезновение заряда (переход в дополнительные измерения, туннелирование с браны и т. п.). Наилучшие экспериментальные ограничения на исчезновение электрона вместе с электрическим зарядом и на бета-распад нейтрона без эмиссии электрона:

  e → любые частицы время жизни больше 6,4·1024 лет (68 % CL)[12]
n → pνν относительная вероятность несохраняющего заряд распада менее 8·10−27 (68 % CL) при бета-распаде нейтрона в ядре галлия-71, превращающегося при этом в германий-71[13]

Закон сохранения электрического заряда

Экспериментально установлено, что в замкнутой системе выполняется один из основополагающих законов физики – закон сохранения. В изолированной системе суммарный заряд не исчезает, а сохраняется во времени. Кроме того, он квантуется, то есть изменяется порциями, кратными заряду элементарной частицы.

Алгебраическая сумма зарядов – величина постоянная: q1 + q2 + … + qn = const (см. рис. 7).

Сохранение статического электричестваРис. 7. Сохранение статического электричества

Закон сформулирован Б.Франклином (1747 г.) и подтверждён М. Фарадеем в 1843 г.

Два вида заряда

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия — притяжение и отталкивание — удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные.

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды разных знаков друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1; подвешенным на нитях шарикам сообщены заряды того или иного знака.

Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен Кл. Величина

Кл

называется элементарным зарядом. Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:

Если , то тело имеет избыточное количество электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же , то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на больше.

Электрический заряд — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году.

Единица измерения заряда в СИ — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с. Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда (q1 = q2 = 1 Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9·109 H, т.е. с силой, с которой гравитация Земли притягивала бы предмет с массой порядка 1 миллиона тонн.

Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, равных примерно 1,6 · 10−19 Кл в системе СИ или 4,8 · 10−10 ед. СГСЭ. Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы. Наименьшей по массе устойчивой в свободном состоянии частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд, является электрон (его масса равна 9,11·10−31 кг).

Электрический заряд замкнутой системы сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.

Точечный заряд — идеализация, вводимая для упрощения описания поля заряженного тела или системы тел. Иногда также определяется как электрически заряженнаяматериальная точка.

Более простыми словами, точечный заряд — заряд, размерами носителя которого по сравнению с расстоянием, на котором рассматривается электростатическое взаимодействие, можно пренебречь.

Именно для точечных зарядов сформулирован закон Кулона.

Закон Кулона — это закон, описывающий силы взаимодействия между точечными электрическими зарядами.

Был открыт Шарлем Кулоном в 1785 г. Проведя большое количество опытов с металлическими шариками, Шарль Кулон дал такую формулировку закона:

Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Важно отметить, что для того, чтобы закон был верен, необходимы:

— точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров — впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными непересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии;

— их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд;

— взаимодействие в вакууме.

В векторном виде в формулировке Ш. Кулона закон записывается следующим образом:

где — сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2; — величина зарядов; — радиус-вектор (вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2, и равный, по модулю, расстоянию между зарядами — ); — коэффициент пропорциональности. Таким образом, закон указывает, что одноимённые заряды отталкиваются (а разноимённые — притягиваются).

В Международной системе единиц (СИ) одной из основных единиц является единица силы электрического тока ампер, а единица заряда — кулон — производная от него. Величина ампера определена таким образом, что k = c2 · 10-7 Гн/м = 8,9875517873681764 · 109 Н · м2/Кл2 (или Ф−1 · м).

В СИ коэффициент k записывается в виде:

где ≈ 8,854187817 · 10−12 Ф/м — электрическая постоянная.

Примечания

  1. Яворский Б. М. «Справочник по физике для инженеров и студентов вузов» / Б. М. Яворский, А. А. Детлаф, А. К. Лебедев, 8-ое изд., М., ООО «Издательство Оникс», ООО «Издательство Мир и образование», 2006, ISBN 5-488-00330-4 (ООО «Издательство Оникс»), ISBN 5-94666-260-0 (ООО «Издательство Мир и образование»), ISBN 985-13-5975-0 (ООО «Харвест»), УДК 530(035) ББК 22.3, Разд. VII «Основы ядерной физики и физики элементарных частиц», Гл. 4 «Элементарные частицы», п. 3 «Гравитация. Квантовая электродинамика.», с. 952;
  2. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Теоретическая физика», учебн. пособ. для вузов, в 10 т. / т. 4, «Квантовая электродинамика», 4-е изд., исправл., М., «Физматлит», 2001, 720 с., тир. 2000 экз., ISBN 5-9221-0058-0 (т. 4), гл. 5 «Излучение», п. 43 «Оператор электромагнитного взаимодействия», с. 187—190.
  3. Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. — М., Просвещение, 1984. — С. 281-282
  4. Окунь Л. Б.Лептоны и кварки, изд 3-е, стереотипное, М.: Едиториал УРСС, 2005, 352 с., ISBN 5-354-01084-5, гл. 19 Калибровочная инвариантность. Глобальная абелева симметрия U(1)., с. 179
  5. Яворский Б. М. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. / Б. М. Яворский, А. А. Детлаф, А. К. Лебедев, 8-е изд. перераб. и испр., М., ООО «Издательство Оникс», ООО «Издательство Мир и Образование», 2006, 1056 стр., ил., ISBN 5-488-00330-4 (ООО «Издательство Оникс»), ISBN 5-94666-260-0 (Издательство «Мир и Образование»), ISBN 985-13-5975-0 (ООО «Харвест»), Раздел VII. Основы ядерной физики и физики элементарных частиц. Глава 4. «Элементарные частицы» п. 1 «Принципы теории» стр. 912—925.
  6. Вигнер Э.И. Инвариантность и законы сохранения. Этюды о симметрии. — М.: Едиториал УРСС, 2002. — С. 17-18. — ISBN 5-354-00191-9.
  7. J. Beringer et al. (2012). «Tests of Conservation Laws». Phys. Rev. D 86: 010001.
  8. Agostini, M.; et al. (Borexino Coll.) (2015). «Test of Electric Charge Conservation with Borexino». Physical Review Letters 115 (23): 231802. arXiv:1509.01223. DOI:10.1103/PhysRevLett.115.231802.
  9. Back, H. O.; et al. (Borexino Coll.) (2002). «Search for electron decay mode e → γ + ν with prototype of Borexino detector». Physics Letters B 525 (1—2): 29—40. DOI:10.1016/S0370-2693(01)01440-X. Bibcode: 2002PhLB..525…29B.
  10. Okun L. B. (1989). «Comments on Testing Charge Conservation and Pauli Exclusion Principle». Comments on Nuclear and Particle Physics 19 (3): 99—116. (недоступная ссылка)
  11. Mohapatra R. N. (1987). «Possible Nonconservation of Electric Charge». Physical Review Letters 59 (14): 1510—1512. DOI:10.1103/PhysRevLett.59.1510. Bibcode: 1987PhRvL..59.1510M. (недоступная ссылка)
  12. Belli P. et al. (1999). «Charge non-conservation restrictions from the nuclear levels excitation of 129Xe induced by the electron’s decay on the atomic shell». Physics Letters B 465 (1—4): 315—322. DOI:10.1016/S0370-2693(99)01091-6. Bibcode: 1999PhLB..465..315B..
  13. Norman E.B., Bahcall J.N., Goldhaber M. (1996). «Improved limit on charge conservation derived from 71Ga solar neutrino experiments». Physical Review D53 (7): 4086—4088. DOI:10.1103/PhysRevD.53.4086. Bibcode: 1996PhRvD..53.4086N. (недоступная ссылка)

Способы измерения

Самый простой прибор для измерения – электроскоп. Он состоит из двух лепестков из фольги, расположенных на металлическом стержне. Конструкция накрыта стеклянным колпаком.

Если наэлектризованным телом прикоснуться к стержню, то лепестки наэлектризуются. Поскольку знаки на них одинаковые, то кулонова сила оттолкнёт их в разные стороны. По величине угла отклонения можно оценить величину статического электричества поступившего на лепестки.

Более сложный прибор – электрометр (схематическое изображение на рис. 8). Прибор состоит из стержня электрометра, стрелки и шкалы. Принцип действия аналогичен электроскопу (стрелка отталкивается от стержня). Благодаря наличию шкалы отклонение стрелки электрометра показывает количественную величину переданного электричества.

Схематическое изображение электрометраРис. 8. Схематическое изображение электрометра

Мы уже упоминали, что Кулон в своих опытах пользовался крутильными весами. Этот измерительный прибор позволил учёному открыть знаменитый закон, названный в честь его имени.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...