Zákon zachování náboje
Ne všechny přírodní jevy lze pochopit a vysvětlit pomocí pojmů a zákonů mechaniky, molekulárně-kinetické teorie struktury hmoty a termodynamiky. Tyto vědy neříkají nic o povaze sil, které vážou jednotlivé atomy a molekuly a drží atomy a molekuly látky v pevném stavu v určité vzdálenosti od sebe. Zákony interakce atomů a molekul lze pochopit a vysvětlit na základě myšlenky, že v přírodě existují elektrické náboje.
Nejjednodušším a nejvšednějším jevem, při kterém se odhaluje fakt existence elektrických nábojů v přírodě, je elektrifikace těles při kontaktu. Interakce těles zjištěná při elektrifikaci se nazývá elektromagnetická interakce a fyzikální veličina, která elektromagnetickou interakci určuje, se nazývá elektrický náboj. Schopnost elektrického náboje přitahovat a odpuzovat ukazuje na přítomnost dvou různých typů nábojů: kladného a záporného.
Elektrické náboje se mohou objevit nejen v důsledku elektrifikace při kontaktu těles, ale také při jiných interakcích, například pod vlivem síly (piezoelektrický jev). Ale vždy v uzavřeném systému, který nezahrnuje náboje, pro jakékoli interakce těles zůstává algebraický (tj. s přihlédnutím ke znaménku) součet elektrických nábojů všech těles konstantní. Tato experimentálně zjištěná skutečnost se nazývá zákon zachování elektrického náboje.
Nikde a nikdy v přírodě nevznikají ani nezanikají elektrické náboje stejného znamení. Výskyt kladného náboje je vždy doprovázen výskytem záporného náboje rovného v absolutní hodnotě, ale opačného znaménka. Ani kladné, ani záporné náboje nemohou zmizet odděleně od sebe, pokud jsou stejné v absolutní hodnotě.
Vznik a mizení elektrických nábojů na tělesech se ve většině případů vysvětluje přechody elementárních nabitých částic – elektronů – z jednoho tělesa do druhého. Jak víte, každý atom obsahuje kladně nabité jádro a záporně nabité elektrony. V neutrálním atomu je celkový náboj elektronů přesně stejný jako náboj atomového jádra. Těleso skládající se z neutrálních atomů a molekul má celkový elektrický náboj nula.
Pokud v důsledku nějaké interakce část elektronů přejde z jednoho těla do druhého, pak jedno tělo obdrží záporný elektrický náboj a druhé kladný náboj stejné velikosti. Když se dvě různě nabitá tělesa dostanou do kontaktu, obvykle elektrické náboje nezmizí beze stopy, ale přebytečný počet elektronů přejde ze záporně nabitého tělesa do tělesa, ve kterém některé atomy nemají plný elektrony na sobě. jejich skořápky.
Zvláštním případem je setkání elementárních nabitých antičástic, například elektronu a pozitronu. V tomto případě kladné a záporné elektrické náboje skutečně zmizí, anihilují, ale plně v souladu se zákonem zachování elektrického náboje, protože algebraický součet nábojů elektronu a pozitronu je nulový.
Elektrodynamika- nauka o vlastnostech elektromagnetického pole.
Elektromagnetické pole- určeno pohybem a interakcí nabitých částic.
Projev elektrického/magnetického pole- jedná se o působení elektrických/magnetických sil:
1) třecí síly a elastické síly v makrokosmu;
2) působení elektrických/magnetických sil v mikrokosmu (atomová struktura, spojování atomů do molekul, přeměna elementárních částic)
Objev elektrického/magnetického pole- J. Maxwell.
ELEKTROSTATIKA
Obor elektrodynamiky studuje elektricky nabitá tělesa v klidu.
Elementární částice může mít email náboj, pak se nazývají nabitý;
- interagují mezi sebou silami, které závisí na vzdálenosti mezi částicemi, ale mnohonásobně převyšují síly vzájemné gravitace (tato interakce se nazývá elektromagnetická).
Elektrický náboj- fyzikální veličina, která určuje intenzitu elektromagnetických interakcí.
Existují 2 známky elektrického náboje: pozitivní a negativní.
Částice s podobným nábojem se odpuzují a částice s opačným nábojem se přitahují.
Proton má kladný náboj, elektron záporný náboj a neutron je elektricky neutrální.
Základní poplatek- minimální poplatek, který nelze rozdělit.
Jak můžeme vysvětlit přítomnost elektromagnetických sil v přírodě? - Všechna tělesa obsahují nabité částice.
V normálním stavu jsou tělesa elektricky neutrální (protože atom je neutrální) a elektromagnetické síly se neprojevují.
Tělo je nabité, pokud má přebytek poplatků jakéhokoli znamení:
záporně nabitý - pokud je přebytek elektronů;
kladně nabitý – pokud je nedostatek elektronů.
Elektrifikace těles- to je jeden ze způsobů, jak získat nabitá tělesa např. kontaktem).
V tomto případě jsou obě tělesa nabitá a náboje jsou opačného znaménka, ale stejné velikosti.
V uzavřeném systému zůstává algebraický součet nábojů všech částic nezměněn.
(... ale ne počet nabitých částic, protože dochází k přeměnám elementárních částic).
Uzavřený systém- soustava částic, do kterých nabité částice nevnikají zvenčí a nevycházejí.
Základní zákon elektrostatiky.
Síla interakce mezi dvěma bodovými stacionárními nabitými tělesy ve vakuu je přímo úměrná součinu nábojových modulů a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi.
Když tělesa jsou považována za bodová tělesa? - pokud je vzdálenost mezi nimi mnohonásobně větší než velikost těles.
Pokud mají dvě tělesa elektrické náboje, pak se vzájemně ovlivňují podle Coulombova zákona.
Jednotka elektrického náboje: 1 C je náboj procházející průřezem vodiče za 1 sekundu při proudu 1 A
1 C - velmi velký náboj
Elementární náboj:
Je obvyklé psát koeficient úměrnosti v Coulombově zákoně ve vakuu ve tvaru
kde je elektrická konstanta
Coulombův zákon pro velikost interakční síly mezi náboji v libovolném prostředí (v SI):
Dielektrická konstanta média charakterizuje elektrické vlastnosti média. Ve vakuu
Coulombova síla tedy závisí na vlastnostech prostředí mezi nabitými tělesy.
Elektrostatika a zákony stejnosměrného proudu - Cool fyzika
Experimenty jasně ukazují, že při elektrifikaci těles se vždy objevují náboje opačných znamének. Pokud se jedno ze dvou těles v důsledku interakce nabije záporně, druhé bude mít kladný náboj.
Vezmeme dva elektroměry se stejnými kuličkami a připravíme je na měření elektrických nábojů. K tomu jsme uzemnili jejich kovová pouzdra.
Deska z organického skla ve třech deskách, jejichž povrch je pokryt papírem. Dotkneme-li se pak kovových kuliček každou destičkou, uvidíme, že jehly galvanometru se odchylují pod stejným úhlem (obr. 4.10). Abychom určili znaménko výsledných nábojů, přiložíme postupně k oběma míčkům ebonitovou hůl potřenou kožešinou. Jeden elektroměr sníží naměřené hodnoty a druhý je zvýší. To znamená, že kuličky elektroměru mají náboje opačných znamének. Tato tvrzení lze ověřit pomocí dalšího experimentu. K tomu spojíme obě kuličky na elektroměrech drátem na izolační rukojeti. Ručičky obou elektroměrů okamžitě klesnou na nulu (obr. 4.11). To znamená úplnou neutralizaci nábojů. Analýza provedených experimentů ukazuje, že v přírodě to funguje zákon zachování elektrického náboje.
Zákon zachování elektrického náboje . V uzavřeném systému zůstává algebraický součet elektrických nábojů těles, která tvoří tento systém, konstantní.
Q1 + Q2 + Q3+ … + Q n= konst.
Benjamin Franklin(1706-1790) - vynikající americký politik; pracoval v oblasti fyziky: vyvinul teorii vysvětlující elektrifikaci prouděním „elektrické tekutiny“, představil koncept kladného a záporného náboje; zkoumal elektrické jevy v atmosféře.
byl poprvé formulován americkým vědcem B. Franklinem v roce 1747.
Při řešení fyzikálních problémů pomocí zákon zachování elektrického náboje hodnoty elektrických nábojů se používají s jejich znaménky.
Vědci znají fyzikální procesy, při kterých vznikají elementární částice z elektromagnetického záření. Typickým příkladem takového jevu je vzdělávání elektron A pozitron z γ-záření objevujícího se při radioaktivních přeměnách hmoty. Četné studie jasně prokázaly, že elektron se záporným nábojem se při těchto přeměnách objevuje vždy v páru s pozitronem s kladným nábojem. Algebraický součet nábojů elektronu a pozitronu je roven nule. Elektromagnetické záření nemá vůbec žádný náboj. Tím pádem,
při reakci tvorby elektron-pozitronového páru zákon zachování náboje.
q elektron +pozitron q = 0.
Pozitron — elementární částice o hmotnosti přibližně rovné hmotnosti elektronu; Náboj pozitronu je kladný a rovný náboji elektronu.
Na základě zákon zachování elektrického náboje vysvětluje elektrifikaci makroskopických těles.
Jak je známo, všechna těla se skládají z atomů, které zahrnují elektrony A protony. Počet elektronů a protonů v nenabitém těle je stejný. Proto takové těleso nevykazuje elektrický účinek na jiná tělesa. Pokud jsou dvě tělesa v těsném kontaktu (během tření, stlačování, nárazu atd.), pak jsou elektrony spojené s atomy mnohem slabší než protony a pohybují se z jednoho tělesa do druhého. Materiál z webu
Těleso, do kterého se elektrony přenesly, jich bude mít nadbytek. Podle zákona zachování bude elektrický náboj tohoto tělesa roven algebraickému součtu kladných nábojů všech protonů a nábojů všech elektronů. Tento náboj bude záporný a bude se rovnat součtu nábojů přebytečných elektronů.
Těleso s přebytkem elektronů má záporný náboj.
Těleso, které ztratilo elektrony, bude mít kladný náboj, jehož modul se bude rovnat součtu nábojů elektronů ztracených tělesem.
Těleso s kladným nábojem má méně elektronů než protonů.
Zákon zachování elektrického náboje funguje bez ohledu na to, zda se nabitá tělesa pohybují nebo ne. Tato vlastnost náboje se nazývá invariance. Náboj elektronu je 1,6. 10 -19 C jak při rychlosti 200 m/s, tak při rychlosti 100 000 km/s. Pokud by tomu bylo jinak, pak by elektrony měly některé vlastnosti ve volném stavu a zcela jiné v atomu. To však věda neprokázala.
Elektrický náboj se nemění, když se těleso přesune do jiného referenčního systému.
Na této stránce jsou materiály k těmto tématům:
Zákony zachování ostruhy
Zákon zachování elektrického náboje, fyzika
Zákon zachování elektrického náboje
Zákon zachování energie. elektrifikace těles
Experimenty potvrzující zákon zachování elektrického náboje
Otázky k tomuto materiálu:
Za normálních podmínek jsou mikroskopická tělesa elektricky neutrální, protože kladně a záporně nabité částice, které tvoří atomy, jsou navzájem spojeny elektrickými silami a tvoří neutrální systémy. Pokud dojde k porušení elektrické neutrality tělesa, pak se takové těleso nazývá elektrizované tělo. K elektrifikaci tělesa je nutné, aby na něm vznikl nadbytek nebo nedostatek elektronů nebo iontů stejného znaménka.
Způsoby elektrifikace těles, které představují interakci nabitých těles, mohou být následující:
- Elektrizace těl při kontaktu. V tomto případě při těsném kontaktu přechází malá část elektronů z jedné látky, ve které je spojení s elektronem poměrně slabé, na jinou látku.
- Elektrizace těles při tření. Současně se zvětšuje oblast kontaktu mezi tělesy, což vede ke zvýšené elektrifikaci.
- Vliv. Základem vlivu je jev elektrostatické indukce, tedy indukce elektrického náboje v látce umístěné v konstantním elektrickém poli.
- Elektrifikace těles pod vlivem světla. Základem toho je fotoelektrický efekt nebo fotoelektrický efekt kdy vlivem světla mohou elektrony vyletět z vodiče do okolního prostoru, v důsledku čehož se vodič nabíjí.
Četné experimenty ukazují, že když existuje elektrifikace těla, pak se na tělesech objeví elektrické náboje stejné velikosti a opačného znaménka.
Záporný náboj tělo je způsobeno přebytkem elektronů na těle ve srovnání s protony, a kladný náboj způsobené nedostatkem elektronů.
Když je těleso zelektrizováno, to znamená, když je záporný náboj částečně oddělen od kladného náboje s ním spojeného, zákon zachování elektrického náboje. Zákon zachování náboje platí pro uzavřený systém, do kterého nabité částice nevstupují zvenčí a z něhož nevycházejí. Zákon zachování elektrického náboje je formulován takto:
V uzavřeném systému zůstává algebraický součet nábojů všech částic nezměněn:
q 1 + q 2 + q 3 + … + q n = konst
kde q 1, q 2 atd. – náboje částic.
Interakce elektricky nabitých těles
Interakce těles, mající náboje stejných nebo různých znamének, lze demonstrovat v následujících experimentech. Ebonitovou hůl zelektrizujeme třením o srst a dotkneme se kovového pouzdra zavěšeného na hedvábné niti. Náboje stejného znaménka (záporné náboje) jsou rozmístěny na objímce a ebonitové tyči. Přiblížením záporně nabité ebonitové tyčinky k nabité objímce můžete vidět, že se objímka od tyče odpuzuje (obr. 1.2).
Rýže. 1.2. Interakce těles s náboji stejného znaménka.
Pokud nyní k nabité objímce přivedete skleněnou tyčinku natřenou na hedvábí (kladně nabitou), objímka se k ní přitáhne (obr. 1.3).
Rýže. 1.3. Interakce těles s náboji různých znamení.
Z toho vyplývá, že tělesa s náboji stejného znaménka (pravděpodobně nabitá tělesa) se navzájem odpuzují a tělesa s náboji různých znaků (opačně nabitá tělesa) se přitahují. Podobné vstupy získáme, pokud přiblížíme dva oblaky, podobně nabité (obr. 1.4) a opačně nabité (obr. 1.5).
Vezmeme dva stejné elektrometry a jeden z nich nabijeme (obr. 1). Jeho náboj odpovídá \(6\) dílkům stupnice.
Pokud tyto elektroměry propojíte skleněnou tyčí, nedojde k žádným změnám. To potvrzuje fakt, že sklo je dielektrikum. Pokud k připojení elektroměrů použijete kovovou tyč A (obr. 2), držíte ji za nevodivou rukojeť B, všimnete si, že počáteční náboj bude rozdělen na dvě stejné části: polovina náboje se přenese z elektroměru. první míč na druhý. Nyní náboj každého elektrometru odpovídá \(3\) dílkům stupnice. Původní náboj se tedy nezměnil, pouze se rozdělil na dvě části.
Pokud se náboj přenese z nabitého tělesa na nenabité těleso stejné velikosti, pak se náboj rozdělí na polovinu mezi tato dvě tělesa. Ale pokud je druhé nenabité tělo větší než první, pak se více než polovina náboje přenese na druhé. Čím větší je těleso, na které se náboj přenese, tím větší část náboje se do něj přenese.
Celková výše poplatku se ale nezmění. Lze tedy tvrdit, že náboj je zachován. Tito. je splněn zákon zachování elektrického náboje.
V uzavřeném systému zůstává algebraický součet nábojů všech částic nezměněn:
q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n \(=\) konst,
kde q 1, q 2 atd. - náboje částic.
Za uzavřený systém je považován systém, do kterého náboje nevstupují zvenčí a také jej neopouštějí ven.
Experimentálně bylo zjištěno, že když jsou tělesa elektrifikována, je také splněn zákon zachování elektrického náboje. Již víme, že elektrifikace je proces získávání elektricky nabitých těles z elektricky neutrálních. V tomto případě jsou obě těla nabitá. Například, když se skleněná tyčinka otírá hedvábnou látkou, sklo se nabije kladně a hedvábí se nabije záporně. Na začátku experimentu nebylo žádné z těl nabité. Na konci experimentu jsou obě tělesa nabitá. Experimentálně bylo zjištěno, že tyto náboje jsou opačného znaménka, ale identické v číselné hodnotě, tzn. jejich součet je nula. Pokud je těleso záporně nabité a při elektrifikaci stále získává záporný náboj, náboj tělesa se zvyšuje. Celkový náboj těchto dvou těles se ale nemění.
Příklad:
Před elektrifikací má první těleso náboj \(-2\) cu (cu je konvenční jednotka náboje). Během elektrifikace získává další \(4\) záporný náboj. Poté, po elektrifikaci, se jeho náboj rovná \(-2 + (-4) = -6\) c.u. V důsledku elektrifikace druhé těleso vydá \(4\) záporný náboj a jeho náboj se bude rovnat \(+4\) cu. Sečtením náboje prvního a druhého tělesa na konci experimentu dostaneme \(-6 + 4 = -2\) a.u. A takový náboj měli před experimentem.
