Закон за запазване на заряда

Не всички природни явления могат да бъдат разбрани и обяснени с помощта на концепциите и законите на механиката, молекулярно-кинетичната теория за структурата на материята и термодинамиката. Тези науки не казват нищо за природата на силите, които свързват отделните атоми и молекули и държат атомите и молекулите на веществото в твърдо състояние на определено разстояние един от друг. Законите на взаимодействие на атомите и молекулите могат да бъдат разбрани и обяснени въз основа на идеята, че електрическите заряди съществуват в природата.

Най-простият и ежедневен феномен, в който се разкрива фактът на съществуването на електрически заряди в природата, е електрифицирането на телата при контакт. Взаимодействието на телата, открити по време на електрификация, се нарича електромагнитно взаимодействие, а физическото количество, което определя електромагнитното взаимодействие, се нарича електрически заряд. Способността на електрическите заряди да привличат и отблъскват показва наличието на два различни вида заряди: положителни и отрицателни.

Електрическите заряди могат да се появят не само в резултат на електрификация при контакт на телата, но и по време на други взаимодействия, например под въздействието на сила (пиезоелектричен ефект). Но винаги в затворена система, която не включва заряди, за всяко взаимодействие на телата, алгебричната (т.е. като се вземе предвид знака) сума на електрическите заряди на всички тела остава постоянна. Този експериментално установен факт се нарича закон за запазване на електрическия заряд.

Никъде и никога в природата не възникват и не изчезват електрически заряди с един и същи знак. Появата на положителен заряд винаги е придружена от появата на отрицателен заряд, равен по абсолютна стойност, но противоположен по знак. Нито положителните, нито отрицателните заряди могат да изчезнат отделно един от друг, ако са еднакви по абсолютна стойност.

Появата и изчезването на електрически заряди върху телата в повечето случаи се обяснява с преходите на елементарни заредени частици - електрони - от едно тяло към друго. Както знаете, всеки атом съдържа положително заредено ядро ​​и отрицателно заредени електрони. В неутрален атом общият заряд на електроните е точно равен на заряда на атомното ядро. Тяло, състоящо се от неутрални атоми и молекули, има общ електрически заряд нула.

Ако в резултат на някакво взаимодействие част от електроните преминават от едно тяло в друго, тогава едното тяло получава отрицателен електрически заряд, а второто получава положителен заряд с еднаква величина. Когато две различно заредени тела влязат в контакт, обикновено електрическите заряди не изчезват безследно, но излишният брой електрони преминава от отрицателно зареденото тяло към тяло, в което някои от атомите не са имали пълен набор от електрони на черупките им.

Специален случай е срещата на елементарни заредени античастици, например електрон и позитрон. В този случай положителните и отрицателните електрически заряди всъщност изчезват, анихилират, но в пълно съответствие със закона за запазване на електрическия заряд, тъй като алгебричната сума на зарядите на електрона и позитрона е нула.

Електродинамика- науката за свойствата на електромагнитното поле.

Електромагнитно поле- определя се от движението и взаимодействието на заредените частици.

Проява на електрическо/магнитно поле- това е действието на електрически/магнитни сили:
1) сили на триене и еластични сили в макрокосмоса;
2) действието на електрически/магнитни сили в микрокосмоса (атомна структура, свързване на атоми в молекули, трансформация на елементарни частици)

Откриване на електрическо/магнитно поле- Дж. Максуел.

ЕЛЕКТРОСТАТИКА

Клонът на електродинамиката изучава електрически заредени тела в покой.

Елементарни частициможе да има имейл заряд, тогава те се наричат ​​заредени;
- взаимодействат помежду си със сили, които зависят от разстоянието между частиците, но превишават многократно силите на взаимната гравитация (това взаимодействие се нарича електромагнитно).

Електрически заряд- физическа величина, която определя интензивността на електромагнитните взаимодействия.
Има 2 признака на електрическите заряди: положителни и отрицателни.
Частиците с еднакъв заряд се отблъскват, а частиците с различен заряд се привличат.
Протонът има положителен заряд, електронът има отрицателен заряд, а неутронът е електрически неутрален.

Елементарно зареждане- минимална такса, която не може да бъде разделена.
Как можем да обясним наличието на електромагнитни сили в природата? - Всички тела съдържат заредени частици.
В нормално състояние телата са електрически неутрални (тъй като атомът е неутрален) и електромагнитните сили не се проявяват.

Тялото е заредено, ако има излишък от такси от произволен знак:
отрицателно заредени - ако има излишък от електрони;
положително заредени - ако има липса на електрони.

Електрификация на тела- това е един от начините за получаване на заредени тела, например чрез контакт).
В този случай и двете тела са заредени, като зарядите са противоположни по знак, но еднакви по големина.

В затворена система алгебричната сума на зарядите на всички частици остава непроменена.
(... но не и броя на заредените частици, тъй като има трансформации на елементарни частици).

Затворена система- система от частици, в която заредените частици не влизат отвън и не излизат.

Основен закон на електростатиката.

Силата на взаимодействие между две точкови неподвижни заредени тела във вакуум е право пропорционална на произведението на зарядните модули и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях.

Кога телата се считат за точкови тела? - ако разстоянието между тях е многократно по-голямо от размера на телата.
Ако две тела имат електрически заряди, тогава те си взаимодействат според закона на Кулон.

Единица за електрически заряд: 1 C е зарядът, преминаващ през напречното сечение на проводник за 1 секунда при ток 1 A
1 C - много голям заряд
Елементен заряд:

Коефициентът на пропорционалност в закона на Кулон е обичайно да се записва във вакуум във формата

където е електрическата константа

Законът на Кулон за големината на силата на взаимодействие между зарядите в произволна среда (в SI):

Диелектричната константа на средата характеризира електрическите свойства на средата. Във вакуум

Така силата на Кулон зависи от свойствата на средата между заредените тела.

Електростатика и законите на постоянния ток - Cool physics

Опитите ясно показват, че когато телата се наелектризират, винаги се появяват заряди с противоположни знаци. Ако едно от двете тела стане отрицателно заредено поради взаимодействие, тогава другото ще има положителен заряд.

Нека вземем два електрометъра с еднакви топки и ги подготвим за измерване на електрически заряди. За да направим това, ние заземихме техните метални кутии.

Плоча от органично стъкло в три плочи, чиято повърхност е покрита с хартия. Ако след това докоснем металните топчета с всяка пластина, ще видим, че стрелките на галванометъра се отклоняват под същия ъгъл (фиг. 4.10). За да определим знака на получените заряди, донасяме ебонитова пръчка, натрита с козина, към двете топки на свой ред. Единият електрометър ще намали показанията, а другият ще ги увеличи. Това показва, че топките на електрометъра имат заряди с противоположни знаци. Тези твърдения могат да бъдат проверени чрез друг експеримент. За да направите това, свързваме двете топки на електромерите с проводник върху изолираща дръжка. Стрелките на двата електрометъра веднага ще паднат до нула (фиг. 4.11). Това показва пълно неутрализиране на зарядите. Анализът на проведените експерименти показва, че в природата работи закон за запазване на електрическите заряди.

Закон за запазване на електрическите заряди . В затворена система алгебричната сума на електрическите заряди на телата, които изграждат тази система, остава постоянна.

Q 1 + Q 2 + Q 3 + … + Q n= конст.

Бенджамин Франклин(1706-1790) - изключителен американски политик; работи в областта на физиката: разработи теория, обясняваща наелектризирането чрез потока на „електрическа течност“, въведе концепцията за положителен и отрицателен заряд; изследва електрически явления в атмосферата.

е формулиран за първи път от американския учен Б. Франклин през 1747г.

При решаване на физически задачи с помощта на закон за запазване на електрическия зарядстойностите на електрическите заряди се използват с техните знаци.

Учените познават физическите процеси, при които се образуват елементарни частици от електромагнитно излъчване. Типичен пример за подобно явление е образованието електронИ позитронот γ-лъчение, възникващо при радиоактивни трансформации на материята. Многобройни изследвания ясно доказват, че електрон с отрицателен заряд винаги се появява в тези трансформации по двойки с позитрон с положителен заряд. Алгебричната сума на зарядите на електрона и позитрона е равна на нула. Електромагнитното излъчване изобщо няма заряд. По този начин,

в реакцията на образуване на двойка електрон-позитрон закон за запазване на заряда.

q електрон +позитрон q = 0.

Позитрон — елементарна частица с маса, приблизително равна на масата на електрона; Зарядът на позитрона е положителен и равен на заряда на електрона.

Базиран закон за запазване на електрическия зарядобяснява наелектризирането на макроскопичните тела.

Както е известно, всички тела се състоят от атоми, които включват електрониИ протони. Броят на електроните и протоните в незаредено тяло е еднакъв. Следователно такова тяло не проявява електрически ефект върху други тела. Ако две тела са в близък контакт (по време на триене, компресия, удар и т.н.), тогава електроните, свързани с атомите, са много по-слаби от протоните и се преместват от едно тяло в друго. Материал от сайта

Тялото, към което са се прехвърлили електроните, ще има излишък от тях. Съгласно закона за запазване електрическият заряд на това тяло ще бъде равен на алгебричната сума на положителните заряди на всички протони и зарядите на всички електрони. Този заряд ще бъде отрицателен и равен по стойност на сумата от зарядите на излишните електрони.

Тяло с излишък от електрони има отрицателен заряд.

Тяло, което е загубило електрони, ще има положителен заряд, чийто модул ще бъде равен на сумата от зарядите на електроните, загубени от тялото.

Тяло с положителен заряд има по-малко електрони от протони.

Закон за запазване на електрическия заряддейства независимо дали заредените тела се движат или не. Това свойство на заряда се нарича инвариантност. Зарядът на електрона е 1,6. 10 -19 C както при скорост 200 m/s, така и при скорост 100 000 km/s. Ако беше другояче, тогава електроните щяха да имат едни свойства в свободно състояние и напълно различни в атом. Но това не е установено от науката.

Електрическият заряд не се променя, когато тялото се премести в друга отправна система.

На тази страница има материали по следните теми:

• Закони за запазване на шпорите

• Бележки по физиката на закона за запазване на електрическия заряд

• Матрица за закон за запазване на електрическия заряд

• Закон за запазване на енергията. наелектризиране на телата

• Експерименти, потвърждаващи закона за запазване на електрическия заряд

Въпроси относно този материал:

При нормални условия микроскопичните тела са електрически неутрални, тъй като положително и отрицателно заредените частици, които образуват атоми, са свързани заедно чрез електрически сили и образуват неутрални системи. Ако електрическата неутралност на тялото е нарушена, тогава такова тяло се нарича електрифицирано тяло. За да се наелектризира едно тяло, е необходимо върху него да се създаде излишък или недостиг на електрони или йони със същия знак.

Методи за наелектризиране на тела, които представляват взаимодействието на заредени тела, могат да бъдат както следва:

1. Наелектризиране на телата при контакт. В този случай при близък контакт малка част от електроните преминават от едно вещество, в което връзката с електрона е относително слаба, към друго вещество.
2. Наелектризиране на телата при триене. В същото време площта на контакт между телата се увеличава, което води до повишено наелектризиране.
3. Влияние. Основата на влиянието е феномен на електростатична индукция, тоест индуцирането на електрически заряд в вещество, поставено в постоянно електрическо поле.
4. Наелектризиране на тела под въздействието на светлина. Основата на това е фотоелектричен ефект, или фотоефекткогато под въздействието на светлината електроните могат да излетят от проводник в околното пространство, в резултат на което проводникът се зарежда.

Многобройни експерименти показват, че когато има наелектризиране на тялото, тогава върху телата се появяват електрически заряди, еднакви по големина и противоположни по знак.

Отрицателен зарядтяло се причинява от излишък на електрони върху тялото в сравнение с протони и положителен зарядпричинени от липса на електрони.

Когато едно тяло е наелектризирано, т.е. когато отрицателният заряд е частично отделен от положителния заряд, свързан с него, закон за запазване на електрическия заряд. Законът за запазване на заряда е валиден за затворена система, в която заредените частици не влизат отвън и от която не излизат. Законът за запазване на електрическия заряд се формулира, както следва:

В затворена система алгебричната сума на зарядите на всички частици остава непроменена:

q 1 + q 2 + q 3 + … + q n = const

където q 1, q 2 и т.н. – заряди на частиците.

Взаимодействие на електрически заредени тела

Взаимодействие на телата, имащи заряди с еднакви или различни знаци, могат да бъдат демонстрирани в следните експерименти. Електризираме ебонитовата пръчка чрез триене в козината и я докосваме до метална втулка, окачена на копринена нишка. Заряди с един и същ знак (отрицателни заряди) са разпределени върху втулката и ебонитовата пръчка. Като доближите отрицателно заредена ебонитна пръчка до заредена втулка, можете да видите, че втулката ще бъде отблъсната от пръчката (фиг. 1.2).

Ориз. 1.2. Взаимодействие на тела с еднакви заряди.

Ако сега донесете стъклена пръчка, натъркана върху коприна (положително заредена), към заредената втулка, втулката ще бъде привлечена от нея (фиг. 1.3).

Ориз. 1.3. Взаимодействие на тела с заряди с различни знаци.

От това следва, че телата с заряди от един и същи знак (вероятно заредени тела) се отблъскват, а телата с заряди с различни знаци (противоположно заредени тела) се привличат. Подобни входни данни се получават, ако увеличим два струи, еднакво заредени (фиг. 1.4) и противоположно заредени (фиг. 1.5).

Да вземем два еднакви електрометъра и да заредим единия от тях (фиг. 1). Зарядът му съответства на \(6\) деления на скалата.

Ако свържете тези електромери със стъклена пръчка, няма да настъпят промени. Това потвърждава факта, че стъклото е диелектрик. Ако използвате метален прът A (фиг. 2), за да свържете електромерите, като го държите за непроводимата дръжка B, ще забележите, че първоначалният заряд ще бъде разделен на две равни части: половината от заряда ще се прехвърли от първа топка към втора. Сега зарядът на всеки електрометър съответства на \(3\) деления на скалата. По този начин първоначалният заряд не се промени, той само се раздели на две части.

Ако заряд се прехвърли от заредено тяло към незаредено тяло със същия размер, тогава зарядът ще бъде разделен наполовина между тези две тела. Но ако второто, незаредено тяло е по-голямо от първото, тогава повече от половината от заряда ще се прехвърли на второто. Колкото по-голямо е тялото, към което се предава зарядът, толкова по-голяма част от заряда ще бъде прехвърлена към него.

Но общата сума на таксата няма да се промени. Следователно може да се твърди, че зарядът се запазва. Тези. законът за запазване на електрическия заряд е изпълнен.

В затворена система алгебричната сума на зарядите на всички частици остава непроменена:

q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n \(=\) const,

където q 1, q 2 и т.н. - заряди на частиците.

За затворена система се счита система, в която зарядите не влизат отвън и не излизат от нея.

Експериментално е установено, че при наелектризиране на тела се изпълнява и законът за запазване на електричния заряд. Вече знаем, че наелектризирането е процес на получаване на електрически заредени тела от електрически неутрални. В този случай и двете тела са заредени. Например, когато стъклена пръчка се потърка с копринена кърпа, стъклото се зарежда положително, а коприната се зарежда отрицателно. В началото на експеримента нито едно от телата не е било заредено. В края на експеримента и двете тела се зареждат. Експериментално е установено, че тези заряди са противоположни по знак, но еднакви по числова стойност, т.е. сумата им е нула. Ако едно тяло е заредено отрицателно и по време на наелектризирането то все още придобива отрицателен заряд, тогава зарядът на тялото се увеличава. Но общият заряд на тези две тела не се променя.

Пример:

Преди наелектризирането първото тяло има заряд \(-2\) cu (cu е конвенционална единица заряд). По време на наелектризирането той придобива още един \(4\) отрицателен заряд. Тогава, след наелектризиране, неговият заряд става равен на \(-2 + (-4) = -6\) c.u. В резултат на наелектризирането второто тяло отделя \(4\) отрицателен заряд и зарядът му ще бъде равен на \(+4\) cu. Сумирайки заряда на първото и второто тяло в края на експеримента, получаваме \(-6 + 4 = -2\) a.u. И те имаха такъв заряд преди експеримента.