Zákon zachovania náboja
Nie všetky prírodné javy možno pochopiť a vysvetliť pomocou pojmov a zákonov mechaniky, molekulárno-kinetickej teórie štruktúry hmoty a termodynamiky. Tieto vedy nehovoria nič o povahe síl, ktoré viažu jednotlivé atómy a molekuly a držia atómy a molekuly látky v pevnom stave v určitej vzdialenosti od seba. Zákony vzájomného pôsobenia atómov a molekúl možno pochopiť a vysvetliť na základe myšlienky, že v prírode existujú elektrické náboje.
Najjednoduchším a každodenným javom, pri ktorom sa odhaľuje skutočnosť existencie elektrických nábojov v prírode, je elektrifikácia telies pri kontakte. Interakcia telies zistená pri elektrifikácii sa nazýva elektromagnetická interakcia a fyzikálna veličina, ktorá určuje elektromagnetickú interakciu, sa nazýva elektrický náboj. Schopnosť elektrického náboja priťahovať a odpudzovať naznačuje prítomnosť dvoch rôznych typov nábojov: pozitívneho a negatívneho.
Elektrické náboje sa môžu objaviť nielen v dôsledku elektrifikácie pri kontakte telies, ale aj pri iných interakciách, napríklad pod vplyvom sily (piezoelektrický efekt). Ale vždy v uzavretom systéme, ktorý nezahŕňa náboje, pre akékoľvek interakcie telies zostáva algebraický (t. j. s prihliadnutím na znamienko) súčet elektrických nábojov všetkých telies konštantný. Tento experimentálne zistený fakt sa nazýva zákon zachovania elektrického náboja.
Nikde a nikdy v prírode nevznikajú ani nezanikajú elektrické náboje rovnakého znamenia. Výskyt kladného náboja je vždy sprevádzaný objavením sa záporného náboja rovnakého v absolútnej hodnote, ale opačného znamienka. Ani kladné, ani záporné náboje nemôžu zmiznúť oddelene od seba, ak sú rovnaké v absolútnej hodnote.
Vznik a zánik elektrických nábojov na telesách sa vo väčšine prípadov vysvetľuje prechodmi elementárnych nabitých častíc – elektrónov – z jedného telesa do druhého. Ako viete, každý atóm obsahuje kladne nabité jadro a záporne nabité elektróny. V neutrálnom atóme sa celkový náboj elektrónov presne rovná náboju atómového jadra. Teleso pozostávajúce z neutrálnych atómov a molekúl má celkový elektrický náboj nula.
Ak v dôsledku nejakej interakcie časť elektrónov prechádza z jedného tela do druhého, potom jedno telo dostane záporný elektrický náboj a druhé dostane kladný náboj rovnakej veľkosti. Keď sa dve rôzne nabité telesá dostanú do kontaktu, zvyčajne elektrické náboje nezmiznú bez stopy, ale prebytočný počet elektrónov prechádza zo záporne nabitého telesa do telesa, v ktorom niektoré atómy nemajú plný elektrónový doplnok. ich škrupiny.
Špeciálnym prípadom je stretnutie elementárnych nabitých antičastíc, napríklad elektrónu a pozitrónu. V tomto prípade kladné a záporné elektrické náboje skutočne zmiznú, anihilujú, ale plne v súlade so zákonom zachovania elektrického náboja, keďže algebraický súčet nábojov elektrónu a pozitrónu je nulový.
Elektrodynamika- náuka o vlastnostiach elektromagnetického poľa.
Elektromagnetické pole- určený pohybom a interakciou nabitých častíc.
Prejav elektrického/magnetického poľa- toto je pôsobenie elektrických/magnetických síl:
1) trecie sily a elastické sily v makrokozme;
2) pôsobenie elektrických/magnetických síl v mikrokozme (atómová štruktúra, spájanie atómov do molekúl, transformácia elementárnych častíc)
Objav elektrického/magnetického poľa- J. Maxwell.
ELEKTROSTATIKA
Odvetvie elektrodynamiky študuje elektricky nabité telesá v pokoji.
Elementárne častice môže mať email náboj, potom sa nazývajú nabité;
- interagujú navzájom silami, ktoré závisia od vzdialenosti medzi časticami, ale mnohonásobne prevyšujú sily vzájomnej gravitácie (táto interakcia sa nazýva elektromagnetická).
Nabíjačka- fyzikálna veličina, ktorá určuje intenzitu elektromagnetických interakcií.
Existujú 2 znaky elektrických nábojov: kladné a záporné.
Častice s podobnými nábojmi sa odpudzujú a častice s odlišnými nábojmi sa priťahujú.
Protón má kladný náboj, elektrón záporný náboj a neutrón je elektricky neutrálny.
Základný poplatok- minimálny poplatok, ktorý nemožno rozdeliť.
Ako môžeme vysvetliť prítomnosť elektromagnetických síl v prírode? - Všetky telesá obsahujú nabité častice.
V normálnom stave sú telesá elektricky neutrálne (keďže atóm je neutrálny) a elektromagnetické sily sa neprejavujú.
Telo je nabité, ak má prebytok poplatkov akéhokoľvek znamenia:
negatívne nabité - ak je prebytok elektrónov;
kladne nabitý – ak je nedostatok elektrónov.
Elektrifikácia tiel- to je jeden zo spôsobov, ako získať nabité telesá napríklad kontaktom).
V tomto prípade sú obe telesá nabité a náboje majú opačné znamienko, ale rovnakú veľkosť.
V uzavretom systéme zostáva algebraický súčet nábojov všetkých častíc nezmenený.
(... ale nie počet nabitých častíc, keďže dochádza k premenám elementárnych častíc).
Uzavretý systém- sústava častíc, do ktorej nabité častice zvonku nevstupujú a nevychádzajú.
Základný zákon elektrostatiky.
Sila interakcie medzi dvoma bodovými stacionárnymi nabitými telesami vo vákuu je priamo úmerná súčinu nábojových modulov a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi.
Kedy telesá sa považujú za bodové telesá? - ak je vzdialenosť medzi nimi mnohonásobne väčšia ako veľkosť telies.
Ak majú dve telesá elektrický náboj, potom interagujú podľa Coulombovho zákona.
Jednotka elektrického náboja: 1 C je náboj, ktorý prejde prierezom vodiča za 1 sekundu pri prúde 1 A
1 C - veľmi veľký náboj
Elementárny náboj:
Koeficient proporcionality v Coulombovom zákone sa zvyčajne píše vo vákuu vo forme
kde je elektrická konštanta
Coulombov zákon pre veľkosť interakčnej sily medzi nábojmi v ľubovoľnom prostredí (v SI):
Dielektrická konštanta média charakterizuje elektrické vlastnosti média. Vo vákuu
Coulombova sila teda závisí od vlastností prostredia medzi nabitými telesami.
Elektrostatika a zákony jednosmerného prúdu - Cool fyzika
Experimenty jasne ukazujú, že keď sú telesá elektrifikované, vždy sa objavia náboje opačných znakov. Ak sa jedno z dvoch telies v dôsledku interakcie nabije negatívne, druhé bude mať kladný náboj.
Zoberme si dva elektromery s rovnakými guľôčkami a pripravme ich na meranie elektrických nábojov. Aby sme to urobili, uzemnili sme ich kovové puzdrá.
Tanier z organického skla v troch doskách, ktorých povrch je pokrytý papierom. Ak sa potom dotkneme kovových guľôčok každou doskou, uvidíme, že ihly galvanometra sa odchyľujú pod rovnakým uhlom (obr. 4.10). Aby sme určili znamienko výsledných nábojov, postupne k obom loptičkám prinášame ebonitovú palicu potretú kožušinou. Jeden elektrometer zníži hodnoty a druhý ich zvýši. To znamená, že guľôčky elektromera majú náboje opačných znamienok. Tieto tvrdenia je možné overiť pomocou iných experimentov. Na to spojíme obe gule na elektromeroch drôtom na izolačnej rukoväti. Ručičky oboch elektromerov okamžite klesnú na nulu (obr. 4.11). To naznačuje úplnú neutralizáciu poplatkov. Analýza vykonaných experimentov ukazuje, že v prírode to funguje zákon zachovania elektrických nábojov.
Zákon zachovania elektrických nábojov . V uzavretom systéme zostáva algebraický súčet elektrických nábojov telies, ktoré tvoria tento systém, konštantný.
Q1 + Q2 + Q3+ … + Qn= konšt.
Benjamin Franklin(1706-1790) - vynikajúci americký politik; pracoval v oblasti fyziky: vyvinul teóriu vysvetľujúcu elektrifikáciu prúdením „elektrickej tekutiny“, zaviedol koncept kladného a záporného náboja; skúmal elektrické javy v atmosfére.
prvýkrát sformuloval americký vedec B. Franklin v roku 1747.
Pri riešení fyzických problémov pomocou zákon zachovania elektrického náboja hodnoty elektrických nábojov sa používajú s ich znamienkami.
Vedci poznajú fyzikálne procesy, počas ktorých vznikajú elementárne častice z elektromagnetického žiarenia. Typickým príkladom takéhoto javu je vzdelávanie elektrón A pozitrón z γ-žiarenia vznikajúceho pri rádioaktívnych premenách hmoty. Početné štúdie jasne dokázali, že elektrón s negatívnym nábojom sa pri týchto premenách vždy objavuje v pároch s pozitrónom s kladným nábojom. Algebraický súčet nábojov elektrónu a pozitrónu sa rovná nule. Elektromagnetické žiarenie nemá vôbec žiadny náboj. teda
pri reakcii tvorby elektrón-pozitrónového páru zákon zachovania náboja.
q elektrón +pozitrón q = 0.
Pozitrón — elementárna častica s hmotnosťou približne rovnajúcou sa hmotnosti elektrónu; Náboj pozitrónu je kladný a rovná sa náboju elektrónu.
Na základe zákon zachovania elektrického náboja vysvetľuje elektrifikáciu makroskopických telies.
Ako je známe, všetky telá pozostávajú z atómov, ktoré zahŕňajú elektróny A protóny. Počet elektrónov a protónov v nenabitom tele je rovnaký. Preto takéto teleso nevykazuje elektrický účinok na iné telesá. Ak sú dve telesá v tesnom kontakte (počas trenia, stláčania, nárazu atď.), potom sú elektróny spojené s atómami oveľa slabšie ako protóny a presúvajú sa z jedného telesa do druhého. Materiál zo stránky
Telo, do ktorého sa elektróny preniesli, ich bude mať nadbytok. Podľa zákona zachovania sa elektrický náboj tohto telesa bude rovnať algebraickému súčtu kladných nábojov všetkých protónov a nábojov všetkých elektrónov. Tento náboj bude záporný a bude mať rovnakú hodnotu ako súčet nábojov prebytočných elektrónov.
Teleso s prebytkom elektrónov má záporný náboj.
Teleso, ktoré stratilo elektróny, bude mať kladný náboj, ktorého modul sa bude rovnať súčtu nábojov elektrónov, ktoré telo stratilo.
Teleso s kladným nábojom má menej elektrónov ako protónov.
Zákon zachovania elektrického náboja funguje bez ohľadu na to, či sa nabité telesá pohybujú alebo nie. Táto vlastnosť náboja sa nazýva invariantnosť. Náboj elektrónu je 1,6. 10 -19 C ako pri rýchlosti 200 m/s, tak aj pri rýchlosti 100 000 km/s. Ak by to bolo inak, potom by elektróny mali niektoré vlastnosti vo voľnom stave a úplne iné v atóme. To však veda nezistila.
Elektrický náboj sa nemení, keď sa teleso presunie do iného referenčného systému.
Na tejto stránke sú materiály k týmto témam:
Zákony zachovania výbežkov
Fyzikálny zákon zachovania elektrického náboja
Zákon zachovania elektrického náboja
Zákon zachovania energie. elektrifikácia tiel
Experimenty potvrdzujúce zákon zachovania elektrického náboja
Otázky k tomuto materiálu:
Za normálnych podmienok sú mikroskopické telesá elektricky neutrálne, pretože kladne a záporne nabité častice, ktoré tvoria atómy, sú navzájom spojené elektrickými silami a tvoria neutrálne systémy. Ak dôjde k porušeniu elektrickej neutrality telesa, potom sa takéto teleso nazýva elektrifikované telo. Na elektrizovanie telesa je potrebné, aby sa na ňom vytvoril nadbytok alebo nedostatok elektrónov alebo iónov rovnakého znamienka.
Spôsoby elektrifikácie telies, ktoré predstavujú interakciu nabitých telies, môžu byť nasledovné:
- Elektrifikácia tiel pri kontakte. V tomto prípade pri tesnom kontakte prechádza malá časť elektrónov z jednej látky, v ktorej je spojenie s elektrónom relatívne slabé, na inú látku.
- Elektrifikácia telies pri trení. Zároveň sa zväčšuje oblasť kontaktu medzi telami, čo vedie k zvýšenej elektrifikácii.
- Vplyv. Základom vplyvu je jav elektrostatickej indukcie, teda indukcia elektrického náboja v látke umiestnenej v konštantnom elektrickom poli.
- Elektrifikácia tiel vplyvom svetla. Základom toho je fotoelektrický efekt, alebo fotoefekt keď vplyvom svetla môžu elektróny vyletieť z vodiča do okolitého priestoru, v dôsledku čoho sa vodič nabije.
Početné experimenty ukazujú, že keď existuje elektrifikácia tela, potom sa na telesách objavia elektrické náboje rovnakej veľkosti a opačného znamienka.
Negatívny náboj telo je spôsobené nadbytkom elektrónov na tele v porovnaní s protónmi, a kladný náboj spôsobené nedostatkom elektrónov.
Keď je teleso elektrifikované, to znamená, keď je záporný náboj čiastočne oddelený od kladného náboja, ktorý je s ním spojený, zákon zachovania elektrického náboja. Zákon zachovania náboja platí pre uzavretý systém, do ktorého nabité častice zvonku nevstupujú a z ktorého nevychádzajú. Zákon zachovania elektrického náboja je formulovaný takto:
V uzavretom systéme zostáva algebraický súčet nábojov všetkých častíc nezmenený:
q 1 + q 2 + q 3 + … + q n = konšt
kde q 1, q 2 atď. – náboje častíc.
Interakcia elektricky nabitých telies
Interakcia telies, ktoré majú náboje rovnakého alebo odlišného znamienka, možno demonštrovať v nasledujúcich experimentoch. Ebonitovú palicu trením o srsť zelektrizujeme a dotkneme sa kovovej objímky zavesenej na hodvábnej nite. Náboje rovnakého znamienka (záporné náboje) sú rozmiestnené na rukáve a ebonitovej tyči. Priblížením záporne nabitej ebonitovej tyčinky k nabitej objímke môžete vidieť, že objímka sa od tyčinky odpudí (obr. 1.2).
Ryža. 1.2. Interakcia telies s nábojmi rovnakého znamenia.
Ak teraz k nabitému rukávu pritiahnete sklenenú tyčinku natretú na hodvábe (kladne nabitú), rukáv sa k nej pritiahne (obr. 1.3).
Ryža. 1.3. Interakcia telies s nábojmi rôznych znakov.
Z toho vyplýva, že telesá s nábojmi rovnakého znamenia (pravdepodobne nabité telesá) sa navzájom odpudzujú a telesá s nábojmi rôznych znakov (opačne nabité telesá) sa priťahujú. Podobné vstupy získame, ak priblížime dva oblaky, podobne nabité (obr. 1.4) a opačne nabité (obr. 1.5).
Vezmime dva rovnaké elektromery a jeden z nich nabijeme (obr. 1). Jeho náboj zodpovedá \(6\) dielikom stupnice.
Ak tieto elektromery spojíte sklenenou tyčou, nedôjde k žiadnym zmenám. To potvrdzuje skutočnosť, že sklo je dielektrikum. Ak na pripojenie elektromerov použijete kovovú tyč A (obr. 2), držiac ju za nevodivú rukoväť B, všimnete si, že počiatočný náboj sa rozdelí na dve rovnaké časti: polovica náboja sa prenesie z prvá lopta k druhej. Teraz náboj každého elektromera zodpovedá \(3\) dielikom stupnice. Pôvodný náboj sa teda nezmenil, iba sa rozdelil na dve časti.
Ak sa náboj prenesie z nabitého telesa na nenabité teleso rovnakej veľkosti, potom sa náboj rozdelí na polovicu medzi tieto dve telá. Ale ak je druhé nenabité telo väčšie ako prvé, potom sa viac ako polovica náboja prenesie na druhé. Čím väčšie je teleso, na ktoré sa náboj prenesie, tým väčšia časť náboja sa naň prenesie.
Celková výška poplatku sa však nezmení. Dá sa teda tvrdiť, že náboj je zachovaný. Tie. je splnený zákon zachovania elektrického náboja.
V uzavretom systéme zostáva algebraický súčet nábojov všetkých častíc nezmenený:
q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n \(=\) konšt.,
kde q 1, q 2 atď. - náboje častíc.
Za uzavretý systém sa považuje systém, do ktorého náboje nevstupujú zvonku a ani ho neopúšťajú von.
Experimentálne sa zistilo, že keď sú telesá elektrifikované, je splnený aj zákon zachovania elektrického náboja. Už vieme, že elektrifikácia je proces získavania elektricky nabitých telies z elektricky neutrálnych. V tomto prípade sú obe telá obvinené. Napríklad, keď sa sklenená tyčinka trení hodvábnou látkou, sklo sa nabije pozitívne a hodváb sa nabije negatívne. Na začiatku experimentu nebolo žiadne z tiel nabité. Na konci experimentu sú obe telesá nabité. Experimentálne sa zistilo, že tieto náboje sú opačného znamienka, ale identické v číselnej hodnote, t.j. ich súčet je nula. Ak je teleso záporne nabité a počas elektrifikácie stále získava záporný náboj, potom sa náboj telesa zvyšuje. Ale celkový náboj týchto dvoch tiel sa nemení.
Príklad:
Pred elektrifikáciou má prvé teleso náboj \(-2\) cu (cu je konvenčná jednotka náboja). Počas elektrifikácie získava ďalší \(4\) záporný náboj. Potom, po elektrifikácii, sa jeho náboj rovná \(-2 + (-4) = -6\) c.u. V dôsledku elektrifikácie vydá druhé teleso \(4\) záporný náboj a jeho náboj sa bude rovnať \(+4\) cu. Sčítaním náboja prvého a druhého telesa na konci experimentu dostaneme \(-6 + 4 = -2\) a.u. A takýto náboj mali pred experimentom.
