III. Основы электродинамики
Нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи, или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы. А кто не пробовал подвесить воздушный шарик к потолку, после трения его о голову? Подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества. Подобные действия называются электризацией.
Статическое электричество объясняется существованием в природе электрического заряда. Заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Заряд, который возникает на стекле при трении его о шелк, условно называют положительным, а заряд, возникающий на эбоните при трении о шерсть, — отрицательным.
Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и, летающих вокруг него, электронов (на рисунке синие частицы). Ядро состоит из протонов (красные) и нейтронов (черные).
.
Носителем отрицательного заряда является электрон, положительного — протон. Нейтрон — нейтральная частица, не имеет заряда.
Величина элементарного заряда — электрона или протона, имеет постоянное значение и равна
Весь атом нейтрально заряжен, если количество протонов соответствует электронам. Что произойдет, если один электрон оторвется и улетит? У атома станет на один протон больше, то есть положительных частиц больше, чем отрицательных. Такой атом называют положительным ионом. А если присоединится один электрон лишний — получим отрицательный ион. Электроны, оторвавшись, могут не присоединятся, а некоторое время свободно перемещаться, создавая отрицательный заряд. Таким образом, в веществе свободными носителями заряда являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.
Для того, чтобы имелся свободный протон, необходимо, чтобы разрушилось ядро, а это означает разрушение атома целиком. Такие способы получения электрического заряды мы рассматривать не будем.
Тело становится заряженным, когда оно содержит избыток одних или иных заряженных частиц (электронов, положительных или отрицательных ионов).
Величина заряда тела кратна элементарному заряду. Например, если в теле 25 свободных электронов, а остальные атомы являются нейтральными, то тело заряжено отрицательно и его заряд составляет . Элементарный заряд не делим — это свойство называется дискретностью
Одноименные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются, разноименные (положительный и отрицательный) — притягиваются
Точечный заряд — это материальная точка, которая имеет электрический заряд.
Закон сохранения электрического заряда
Замкнутая система тел в электричестве — это такая система тел, когда между внешними телами нет обмена электрическими зарядами.
Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц остается постоянной при любых процессах, происходящих в электрически замкнутой системе.
На рисунке пример закона сохранения электрического заряда. На первой картинке два тела разноименного заряда. На втором рисунке те же тела после соприкосновения. На третьем рисунке в электрически замкнутую систему внесли третье нейтральное тело и тела привели во взаимодействие друг с другом.
В каждой ситуации алгебраическая сумма заряда (с учетом знака заряда) остается постоянной.
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
Как определить положительный или отрицательный заряд
Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. Эти силы называют электромагнитными силами .
О существовании электромагнитных сил знали еще древние греки. Но систематическое, количественное изучение физических явлений, в которых проявляется электромагнитное взаимодействие тел, началось только в конце XVIII века. Трудами многих ученых в XIX веке завершилось создание стройной науки, изучающей электрические и магнитные явления. Эта наука, которая является одним из важнейших разделов физики, получила название электродинамики .
Основными объектами изучения в электродинамике являются электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами и токами.
Электрическое поле
1.1. Электрический заряд. Закон Кулона
Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.
Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.
Электрический заряд обычно обозначается буквами или .
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.
Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда .
Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.
С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду .
В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером . Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.
Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:
Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными . Элементарный заряд является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков – частиц с дробным зарядом и Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.
В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.
Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка .
Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами .
Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.
На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:
Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:
Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). 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.
Коэффициент пропорциональности в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. 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 .
Коэффициент в системе СИ обычно записывают в виде:
где – электрическая постоянная .
В системе СИ элементарный заряд равен:
Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.
Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.
Рис. 1.1.4 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел.
Принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы. Однако, его применение требует определенной осторожности, в том случае, когда речь идет о взаимодействии заряженных тел конечных размеров (например, двух проводящих заряженных шаров 1 и 2). Если к системе из двух заряженных шаров поднсти третий заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 изменится из-за перераспределения зарядов .
Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном) распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.
Как определить заряд атома
Когда атом имеет одинаковое количество положительных и отрицательных частиц, он имеет нейтральный заряд. Но если у атома есть лишние электроны или отсутствуют электроны, он называется ионом и может иметь положительный или отрицательный заряд. Проще говоря, если нет электронов, атом имеет положительный заряд. Если атом содержит электроны, он имеет отрицательный заряд.
TL; DR (слишком долго; не читал)
Самый простой способ определить заряд атома — взглянуть на таблицу Менделеева. Элементы на левой стороне стола обычно становятся положительно заряженными ионами, а элементы на правой стороне стола обычно имеют отрицательный заряд. Однако вы можете использовать научную формулу для определения формального заряда атома.
Свойства атомов
Часто называемые «строительными блоками» всего в мире, атомы представляют собой мельчайшие частицы химического элемента, которые могут существовать; Химический элемент — это вещество, которое полностью состоит из одного типа атома. Атомы могут соединяться друг с другом, образуя молекулы, которые затем составляют объекты, известные как материя, вокруг вас. Атомы состоят из частиц, называемых протонами, электронами и нейтронами. Протоны имеют положительный электрический заряд, электроны имеют отрицательный электрический заряд, а нейтроны не имеют электрического заряда. Протоны и нейтроны слипаются в центре атома, известного как ядро, а электроны окружают ядро. Конкретный атом будет иметь равное количество протонов и электронов, а большинство атомов имеет столько же или больше нейтронов, как и протоны.
Атомный номер элемента
Атомный номер элемента, также называемый числом протонов, показывает количество протонов или положительных частиц в атоме. Нормальный атом с равным количеством положительных и отрицательных частиц имеет нейтральный заряд. Другими словами, число электронов равно атомному номеру. Ионы — это атомы с дополнительными электронами, что приводит к отрицательному заряду или отсутствию электронов, что дает атому положительный заряд.
Определить заряд атома
Если вы посмотрите на периодическую таблицу — таблицу химических элементов, расположенных в порядке атомного номера — вы увидите, что элементы на левой стороне обычно имеют положительный заряд, а элементы на правой стороне имеют отрицательный заряд. Для выработки формального заряда атома формула имеет вид:
FC = GN — UE — 1/2 BE
Где FC = формальный заряд, GN = номер группы периодической таблицы или число валентных электронов в свободном, несвязанном атоме, UE = число неразделенных электронов и BE = число электронов, общих в ковалентных связях.
Например, если вы хотите отработать заряд водорода H , найденный в верхнем левом углу периодической таблицы, он имеет один валентный электрон GN = 1 , нет неразделенных электронов UE = 0 и два общих электрона в кислороде. водородная ковалентная связь, поэтому BE = 2 .
что означает, что формальный заряд на атоме водорода равен 0.
Как определить, какой атом использовать в качестве центрального атома
Центральный атом в точечной диаграмме Льюиса — это атом с наименьшей электроотрицательностью, который вы можете определить, посмотрев на периодическую таблицу.
Как определить заряд ионов переходных металлов
Атомы переходного металла могут иметь заряд от +1 до +7; заряд зависит от элемента и других атомов в молекуле.
Как определить положительный или отрицательный заряд
Когда вы натираете два разных материала вместе, трение между ними создает положительный заряд в одном и отрицательный заряд в другом. Чтобы определить, имеет ли один из них положительный или отрицательный заряд, вы можете обратиться к трибоэлектрическому ряду, который представляет собой список известных материалов, отсортированных по возрастанию отрицательного .
Электрический заряд
Электрический заряд создает электрическое поле. Электрический заряд воздействует на другие электрические заряды с помощью электрической силы и под влиянием других зарядов с той же силой в противоположном направлении.
Различают 2 типа электрического заряда:
Положительный заряд (+)
Положительный заряд имеет больше протонов, чем электронов (Np/ Ne).
Положительный заряд обозначается знаком плюс (+).
Положительный заряд притягивает другие отрицательные заряды и отталкивает другие положительные заряды.
Положительный заряд притягивается другими отрицательными зарядами и отталкивается другими положительными зарядами.
Отрицательный заряд (-)
В отрицательном заряде больше электронов, чем протонов (Ne/ Np).
Отрицательный заряд обозначается знаком минус (-).
Отрицательный заряд притягивает другие положительные заряды и отталкивает другие отрицательные заряды.
Отрицательный заряд притягивается другими положительными зарядами и отталкивается другими отрицательными зарядами.
Направление электрической силы (F) в зависимости от типа заряда
| q1 / q2 расходы | Усилие на q 1 заряда | Усилие при заряде q 2 | |
|---|---|---|---|
| — / — | ← ⊝ | ⊝ → | пополнение |
| + / + | ← ⊕ | ⊕ → | пополнение |
| — / + | ⊝ → | ← ⊕ | достопримечательности |
| + / — | ⊕ → | ← ⊝ | достопримечательности |
Заряд элементарных частиц
Кулоновский блок
Электрический заряд измеряется в кулонах [C].
Один кулон имеет заряд 6,242 × 10 18 электронов:
1С = 6,242 × 10 18 эл.
Расчет электрического заряда
Когда электрический ток течет в течение определенного времени, мы можем вычислить заряд: