Меню Закрыть

Единицы измерения электрического заряда: Недопустимое название — Викисловарь

Содержание

Конвертер электрического заряда • Электротехника • Unit definitions in two languages • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Электротехника

Электротехника — область технических наук, изучающая получение, распределение, преобразование и использование электрической энергии. Электротехника включает в себя такие области техники как электроэнергетику, электронику, системы управления, обработку сигналов и связь.

Конвертер электрического заряда

Электрический заряд — это скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.

Единица измерения заряда в СИ — кулон (Кл). 1 кулон представляет собой электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с. 1 Кл = 1 А·с = 1/3600 ампер-часа. 1 кулон эквивалентен приблизительно 6.242×1018·e (e — заряд протона). Заряд электрона составляет 1,6021892(46)·10–19 Кл. Такой заряд называется элементарным электрическим зарядом, то есть, минимальным зарядом, которым обладают заряженные элементарные частицы.

Использование конвертера «Конвертер электрического заряда»

На этих страницах размещены конвертеры единиц измерения, позволяющие быстро и точно перевести значения из одних единиц в другие, а также из одной системы единиц в другую. Конвертеры пригодятся инженерам, переводчикам и всем, кто работает с разными единицами измерения.

Пользуйтесь конвертером для преобразования нескольких сотен единиц в 76 категориях или несколько тысяч пар единиц, включая метрические, британские и американские единицы. Вы сможете перевести единицы измерения длины, площади, объема, ускорения, силы, массы, потока, плотности, удельного объема, мощности, давления, напряжения, температуры, времени, момента, скорости, вязкости, электромагнитные и другие.
Примечание. В связи с ограниченной точностью преобразования возможны ошибки округления. В этом конвертере целые числа считаются точными до 15 знаков, а максимальное количество цифр после десятичной запятой или точки равно 10.

», то есть «…умножить на десять в степени…». Компьютерная экспоненциальная запись широко используется в научных, математических и инженерных расчетах.

Мы работаем над обеспечением точности конвертеров и калькуляторов TranslatorsCafe.com, однако мы не можем гарантировать, что они не содержат ошибок и неточностей. Вся информация предоставляется «как есть», без каких-либо гарантий. Условия.

Если вы заметили неточность в расчётах или ошибку в тексте, или вам необходим другой конвертер для перевода из одной единицы измерения в другую, которого нет на нашем сайте — напишите нам!

Канал Конвертера единиц TranslatorsCafe.com на YouTube

Электростатика — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Электрический заряд и его свойства

К оглавлению…

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая способность частиц или тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q. В системе СИ электрический заряд измеряется в Кулонах (Кл). Свободный заряд в 1 Кл – это гигантская величина заряда, практически не встречающаяся в природе. Как правило, Вам придется иметь дело с микрокулонами (1 мкКл = 10–6 Кл), нанокулонами (1 нКл = 10–9 Кл) и пикокулонами (1 пКл = 10

–12 Кл). Электрический заряд обладает следующими свойствами:

1. Электрический заряд является видом материи.

2. Электрический заряд не зависит от движения частицы и от ее скорости.

3. 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.

4. Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными

.

5. Все заряды взаимодействуют друг с другом. При этом одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Силы взаимодействия зарядов являются центральными, то есть лежат на прямой, соединяющей центры зарядов.

6. Существует минимально возможный (по модулю) электрический заряд, называемый элементарным зарядом. Его значение:

e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.

Электрический заряд любого тела всегда кратен элементарному заряду:

где: N – целое число. Обратите внимание, невозможно существование заряда, равного 0,5

е; 1,7е; 22,7е и так далее. Физические величины, которые могут принимать только дискретный (не непрерывный) ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда.

7. Закон сохранения электрического заряда. В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

 Из закона сохранения заряда так же следует, если два тела одного размера и формы, обладающие зарядами q1 и q2 (совершенно не важно какого знака заряды), привести в соприкосновение, а затем обратно развести, то заряд каждого из тел станет равным:

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 (то есть минимально возможному) заряду

e.

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. Обратите внимание, что положительные протоны входят в состав ядра атома, поэтому их число может изменяться только при ядерных реакциях. Очевидно, что при электризации тел ядерных реакций не происходит. Поэтому в любых электрических явлениях число протонов не меняется, изменяется только число электронов. Так, сообщение телу отрицательного заряда означает передачу ему лишних электронов. А сообщение положительного заряда, вопреки частой ошибке, означает не добавление протонов, а отнимание электронов. Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число электронов.

Иногда в задачах электрический заряд распределен по некоторому телу. Для описания этого распределения вводятся следующие величины:

1. Линейная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по нити:

где: L – длина нити. Измеряется в Кл/м.

2. Поверхностная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по поверхности тела:

где: S – площадь поверхности тела. Измеряется в Кл/м2.

3. Объемная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по объему тела:

где: V – объем тела. Измеряется в Кл/м3.

Обратите внимание на то, что масса электрона равна:

me = 9,11∙10–31 кг.

 

Закон Кулона

К оглавлению…

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь. На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Силы взаимодействия неподвижных точечных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

где: ε – диэлектрическая проницаемость среды – безразмерная физическая величина, показывающая, во сколько раз сила электростатического взаимодействия в данной среде будет меньше, чем в вакууме (то есть во сколько раз среда ослабляет взаимодействие).

 Здесь k – коэффициент в законе Кулона, величина, определяющая численное значение силы взаимодействия зарядов. В системе СИ его значение принимается равным:

k = 9∙109 м/Ф.

Силы взаимодействия точечных неподвижных зарядов подчиняются третьему закону Ньютона, и являются силами отталкивания друг от друга при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения друг к другу при разных знаках. Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел, равномерно заряженных сфер и шаров. В этом случае за расстояния

r берут расстояние между центрами сфер или шаров. На практике закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними. Коэффициент k в системе СИ иногда записывают в виде:

где: ε0 = 8,85∙10–12 Ф/м – электрическая постоянная.

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.

Запомните также два важных определения:

Проводники – вещества, содержащие свободные носители электрического заряда. Внутри проводника возможно свободное движение электронов – носителей заряда (по проводникам может протекать электрический ток). К проводникам относятся металлы, растворы и расплавы электролитов, ионизированные газы, плазма.

Диэлектрики (изоляторы) – вещества, в которых нет свободных носителей заряда. Свободное движение электронов внутри диэлектриков невозможно (по ним не может протекать электрический ток). Именно диэлектрики обладают некоторой не равной единице диэлектрической проницаемостью ε.

Для диэлектрической проницаемости вещества верно следующее (о том, что такое электрическое поле чуть ниже):

 

Электрическое поле и его напряженность

К оглавлению…

По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела. Главное свойство электрического поля – действие на электрические заряды с некоторой силой. Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется не непосредственным их воздействием друг на друга, а через электрические поля, окружающие заряженные тела.

Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью так называемого пробного заряда – небольшого по величине точечного заряда, который не вносит заметного перераспределения исследуемых зарядов. Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика — напряженность электрического поля E.

Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда:

Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора напряженности совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд. Электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим.

Для наглядного представления электрического поля используют силовые линии. Эти линии проводятся так, чтобы направление вектора напряженности в каждой точке совпадало с направлением касательной к силовой линии. Силовые линии обладают следующими свойствами.

  • Силовые линии электростатического поля никогда не пересекаются.
  • Силовые линии электростатического поля всегда направлены от положительных зарядов к отрицательным.
  • При изображении электрического поля с помощью силовых линий их густота должна быть пропорциональна модулю вектора напряженности поля.
  • Силовые линии начинаются на положительном заряде или бесконечности, а заканчиваются на отрицательном или бесконечности. Густота линий тем больше, чем больше напряжённость.
  • В данной точке пространства может проходить только одна силовая линия, т.к. напряжённость электрического поля в данной точке пространства задаётся однозначно.

Электрическое поле называют однородным, если вектор напряжённости одинаков во всех точках поля. Например, однородное поле создаёт плоский конденсатор – две пластины, заряженные равным по величине и противоположным по знаку зарядом, разделённые слоем диэлектрика, причём расстояние между пластинами много меньше размеров пластин.

Во всех точках однородного поля на заряд q, внесённый в однородное поле с напряжённостью E, действует одинаковая по величине и направлению сила, равная F = Eq. Причём, если заряд q положительный, то направление силы совпадает с направлением вектора напряжённости, а если заряд отрицательный, то вектора силы и напряжённости противоположно направлены.

Силовые линии кулоновских полей положительных и отрицательных точечных зарядов изображены на рисунке:

 

Принцип суперпозиции

К оглавлению…

Если с помощью пробного заряда исследуется электрическое поле, создаваемое несколькими заряженными телами, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих на пробный заряд со стороны каждого заряженного тела в отдельности. Следовательно, напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряжённостей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности:

Это свойство электрического поля означает, что поле подчиняется принципу суперпозиции. В соответствии с законом Кулона, напряженность электростатического поля, создаваемого точечным зарядом Q на расстоянии r от него, равна по модулю:

Это поле называется кулоновским. В кулоновском поле направление вектора напряженности зависит от знака заряда Q: если Q > 0, то вектор напряженности направлен от заряда, если Q < 0, то вектор напряженности направлен к заряду. Величина напряжённости зависит от величины заряда, среды, в которой находится заряд, и уменьшается с увеличением расстояния.

Напряженность электрического поля, которую создает заряженная плоскость вблизи своей поверхности:

Итак, если в задаче требуется определить напряженность поля системы зарядов, то надо действовать по следующему алгоритму:

  1. Нарисовать рисунок.
  2. Изобразить напряженность поля каждого заряда по отдельности в нужной точке. Помните, что напряженность направлена к отрицательному заряду и от положительного заряда.
  3. Вычислить каждую из напряжённостей по соответствующей формуле.
  4. Сложить вектора напряжённостей геометрически (т.е. векторно).

 

Потенциальная энергия взаимодействия зарядов

К оглавлению. ..

Электрические заряды взаимодействуют друг с другом и с электрическим полем. Любое взаимодействие описывается потенциальной энергией. Потенциальная энергия взаимодействия двух точечных электрических зарядов рассчитывается по формуле:

Обратите внимание на отсутствие модулей у зарядов. Для разноименных зарядов энергия взаимодействия имеет отрицательное значение. Такая же формула справедлива и для энергии взаимодействия равномерно заряженных сфер и шаров. Как обычно, в этом случае расстояние r измеряется между центрами шаров или сфер. Если же зарядов не два, а больше, то энергию их взаимодействия следует считать так: разбить систему зарядов на все возможные пары, рассчитать энергию взаимодействия каждой пары и просуммировать все энергии для всех пар.

Задачи по данной теме решаются, как и задачи на закон сохранения механической энергии: сначала находится начальная энергия взаимодействия, потом конечная. Если в задаче просят найти работу по перемещению зарядов, то она будет равна разнице между начальной и конечной суммарной энергией взаимодействия зарядов. Энергия взаимодействия так же может переходить в кинетическую энергию или в другие виды энергии. Если тела находятся на очень большом расстоянии, то энергия их взаимодействия полагается равной 0.

Обратите внимание: если в задаче требуется найти минимальное или максимальное расстояние между телами (частицами) при движении, то это условие выполнится в тот момент времени, когда частицы движутся в одну сторону с одинаковой скоростью. Поэтому решение надо начинать с записи закона сохранения импульса, из которого и находится эта одинаковая скорость. А далее следует писать закон сохранения энергии с учетом кинетической энергии частиц во втором случае.

 

Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение

К оглавлению…

Электростатическое поле обладает важным свойством: работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда.

Следствием независимости работы от формы траектории является следующее утверждение: работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю.

Свойство потенциальности (независимости работы от формы траектории) электростатического поля позволяет ввести понятие потенциальной энергии заряда в электрическом поле. А физическую величину, равную отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда, называют потенциалом φ электрического поля:

Потенциал φ является энергетической характеристикой электростатического поля. В Международной системе единиц (СИ) единицей потенциала (а значит и разности потенциалов, т.е. напряжения) является вольт [В]. Потенциал — скалярная величина.

Во многих задачах электростатики при вычислении потенциалов за опорную точку, где значения потенциальной энергии и потенциала обращаются в ноль, удобно принять бесконечно удаленную точку. В этом случае понятие потенциала может быть определено следующим образом: потенциал поля в данной точке пространства равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.

Вспомнив формулу для потенциальной энергии взаимодействия двух точечных зарядов и разделив ее на величину одного из зарядов в соответствии с определением потенциала получим, что потенциал φ поля точечного заряда Q на расстоянии r от него относительно бесконечно удаленной точки вычисляется следующим образом:

Потенциал рассчитанный по этой формуле может быть положительным и отрицательным в зависимости от знака заряда создавшего его. Эта же формула выражает потенциал поля однородно заряженного шара (или сферы) при rR (снаружи от шара или сферы), где R – радиус шара, а расстояние r отсчитывается от центра шара.

Для наглядного представления электрического поля наряду с силовыми линиями используют эквипотенциальные поверхности.  Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью или поверхностью равного потенциала. Силовые линии электрического поля всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям. Эквипотенциальные поверхности кулоновского поля точечного заряда – концентрические сферы.

Электрическое напряжение это просто разность потенциалов, т.е. определение электрического напряжения может быть задано формулой:

В однородном электрическом поле существует связь между напряженностью поля и напряжением:

Работа электрического поля может быть вычислена как разность начальной и конечной потенциальной энергии системы зарядов:

Работа электрического поля в общем случае может быть вычислена также и по одной из формул:

В однородном поле при перемещении заряда вдоль его силовых линий работа поля может быть также рассчитана по следующей формуле:

В этих формулах:

  • φ – потенциал электрического поля.
  • φ – разность потенциалов.
  • W – потенциальная энергия заряда во внешнем электрическом поле.
  • A – работа электрического поля по перемещению заряда (зарядов).
  • q – заряд, который перемещают во внешнем электрическом поле.
  • U – напряжение.
  • E – напряженность электрического поля.
  • d или ∆l – расстояние на которое перемещают заряд вдоль силовых линий.

Во всех предыдущих формулах речь шла именно о работе электростатического поля, но если в задаче говорится, что «работу надо совершить», или идет речь о «работе внешних сил», то эту работу следует считать так же, как и работу поля, но с противоположным знаком.

Принцип суперпозиции потенциала

Из принципа суперпозиции напряженностей полей, создаваемых электрическими зарядами, следует принцип суперпозиции для потенциалов (при этом знак потенциала поля зависит от знака заряда, создавшего поле):

Обратите внимание, насколько легче применять принцип суперпозиции потенциала, чем напряженности. Потенциал – скалярная величина, не имеющая направления. Складывать потенциалы – это просто суммировать численные значения.

 

Электрическая емкость. Плоский конденсатор

К оглавлению…

При сообщении проводнику заряда всегда существует некоторый предел, более которого зарядить тело не удастся. Для характеристики способности тела накапливать электрический заряд вводят понятие электрической емкости. Емкостью уединенного проводника называют отношение его заряда к потенциалу:

В системе СИ емкость измеряется в Фарадах [Ф]. 1 Фарад – чрезвычайно большая емкость. Для сравнения, емкость всего земного шара значительно меньше одного фарада. Емкость проводника не зависит ни от его заряда, ни от потенциала тела. Аналогично, плотность не зависит ни от массы, ни от объема тела. Емкость зависит лишь от формы тела, его размеров и свойств окружающей его среды.

Электроемкостью системы из двух проводников называется физическая величина, определяемая как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:

Величина электроемкости проводников зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники. Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками.

Простейший конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика. Такой конденсатор называется плоским. Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами.

Каждая из заряженных пластин плоского конденсатора создает вблизи своей поверхности электрическое поле, модуль напряженности которого выражается соотношением уже приводившимся выше. Тогда модуль напряженности итогового поля внутри конденсатора, создаваемого двумя пластинами, равен:

За пределами конденсатора, электрические поля двух пластин направлены в разные стороны, и поэтому результирующее электростатическое поле E = 0.  Электроёмкость плоского конденсатора может быть рассчитана по формуле:

Таким образом, электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз. Обратите внимание, что S в этой формуле есть площадь только одной обкладки конденсатора. Когда в задаче говорят о «площади обкладок», то имеют в виду именно эту величину. На 2 умножать или делить её не надо никогда.

Еще раз приведем формулу для заряда конденсатора. Под зарядом конденсатора понимают только заряд его положительной обкладки:

Сила притяжения пластин конденсатора. Сила, действующая на каждую обкладку, определяется не полным полем конденсатора, а полем, созданным противоположной обкладкой (сама на себя обкладка не действует). Напряженность этого поля равна половине напряженности полного поля, и сила взаимодействия пластин:

Энергия конденсатора. Ее же называют энергией электрического поля внутри конденсатора. Опыт показывает, что заряженный конденсатор содержит запас энергии. Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор. Существует три эквивалентные формы записи формулы для энергии конденсатора (они следуют одна из другой если воспользоваться соотношением q = CU):

Особое внимание обращайте на фразу: «Конденсатор подключён к источнику». Это означает, что напряжение на конденсаторе не изменяется. А фраза «Конденсатор зарядили и отключили от источника» означает, что заряд конденсатора не изменится.

Энергия электрического поля

Электрическую энергию следует рассматривать как потенциальную энергию, запасенную в заряженном конденсаторе. По современным представлениям, электрическая энергия конденсатора локализована в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле. Поэтому ее называют энергией электрического поля. Энергия заряженных тел сосредоточена в пространстве, в котором есть электрическое поле, т.е. можно говорить об энергии электрического поля. Например, у конденсатора энергия сосредоточена в пространстве между его обкладками. Таким образом, имеет смысл ввести новую физическую характеристику – объёмную плотность энергии электрического поля. На примере плоского конденсатора, можно получить такую формулу для объёмной плотности энергии (или энергии единицы объёма электрического поля):

 

Соединения конденсаторов

К оглавлению…

Параллельное соединение конденсаторов – для увеличения ёмкости. Конденсаторы соединены одноименно заряженными обкладками, как бы увеличивая площадь одинаково заряженных пластин. Напряжение на всех конденсаторах одинаковое, общий заряд равен сумме зарядов каждого из конденсаторов, и общая ёмкость также равна сумме емкостей всех конденсаторов соединенных параллельно. Выпишем формулы для параллельного соединения конденсаторов:

При последовательном соединении конденсаторов общая ёмкость батареи конденсаторов всегда меньше, чем ёмкость наименьшего конденсатора, входящего в батарею. Применяется последовательное соединение для увеличения напряжения пробоя конденсаторов. Выпишем формулы для последовательного соединения конденсаторов. Общая емкость последовательно соединенных конденсаторов находится из соотношения:

Из закона сохранения заряда следует, что заряды на соседних обкладках равны:

Напряжение равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах.

Для двух последовательно соединённых конденсаторов формула выше даст нам следующее выражение для общей емкости:

Для N одинаковых последовательно соединённых конденсаторов:

 

Проводящая сфера

К оглавлению…

Напряженность поля внутри заряженного проводника равна нулю. В противном случае на свободные заряды внутри проводника действовала бы электрическая сила, которая вынуждала бы эти заряды двигаться внутри проводника. Это движение, в свою очередь, приводило бы к разогреванию заряженного проводника, чего на самом деле не происходит.

Факт того, что внутри проводника нет электрического поля можно понять и по-другому: если бы оно было то заряженные частицы опять таки двигались бы, причем они бы двигались именно так, чтобы свести это поле к нолю своим собственным полем, т.к. вообще-то двигаться им не хотелось бы, ведь всякая система стремится к равновесию. Рано или поздно все двигавшиеся заряды остановились бы именно в том месте, чтобы поле внутри проводника стало равно нолю.

На поверхности проводника напряжённость электрического поля максимальна. Величина напряжённости электрического поля заряженного шара за его пределами убывает по мере удаления от проводника и рассчитывается по формуле, аналогичной формулам для напряженности поля точечного заряда, в которой расстояния отсчитываются от центра шара.

Так как напряженность поля внутри заряженного проводника равна нулю, то потенциал во всех точках внутри и на поверхности проводника одинаков (только в этом случае разность потенциалов, а значит и напряжённость равна нулю). Потенциал внутри заряженного шара равен потенциалу на поверхности. Потенциал за пределами шара вычисляется по формуле, аналогичной формулам для потенциала точечного заряда, в которой расстояния отсчитываются от центра шара.

Электрическая емкость шара радиуса R:

Если шар окружен диэлектриком, то:

 

Свойства проводника в электрическом поле

К оглавлению…

  1. Внутри проводника напряженность поля всегда равна нулю.
  2. Потенциал внутри проводника во всех точках одинаков и равен потенциалу поверхности проводника. Когда в задаче говорят, что «проводник заряжен до потенциала … В», то имеют в виду именно потенциал поверхности.
  3. Снаружи от проводника вблизи от его поверхности напряженность поля всегда перпендикулярна поверхности.
  4. Если проводнику сообщить заряд, то он весь распределится по очень тонкому слою вблизи поверхности проводника (обычно говорят, что весь заряд проводника распределяется на его поверхности). Это легко объясняется: дело в том, что сообщая заряд телу, мы передаем ему носители заряда одного знака, т.е. одноименные заряды, которые отталкиваются. А значит они будут стремиться разбежаться друг от друга на максимальное расстояние из всех возможных, т.е. скопятся у самых краев проводника. Как следствие, если из проводника удалить сердцевину, то его электростатические свойства никак не изменятся.
  5. Снаружи проводника напряженность поля тем больше, чем кривее поверхность проводника. Максимальное значение напряженности достигается вблизи остриев и резких изломов поверхности проводника.

 

Замечания к решению сложных задач

К оглавлению…

1. Заземление чего-либо означает соединение проводником данного объекта с Землей. При этом потенциалы Земли и имеющегося объекта выравниваются, а необходимые для этого заряды перебегают по проводнику с Земли на объект либо наоборот. При этом нужно учитывать несколько факторов, которые следуют из того, что Земля несоизмеримо больше любого объекта находящегося не ней:

  • Общий заряд Земли условно равен нолю, поэтому ее потенциал также равен нолю, и он останется равным нолю после соединения объекта с Землей. Одним словом, заземлить – означает обнулить потенциал объекта.
  • Для обнуления потенциала (а значит и собственного заряда объекта, который мог быть до этого как положительным так и отрицательным), объекту придется либо принять либо отдать Земле некоторый (возможно даже очень большой) заряд, и Земля всегда сможет обеспечить такую возможность.

2. Еще раз повторимся: расстояние между отталкивающимися телами минимально в тот момент, когда их скорости становятся равны по величине и направлены в одну сторону (относительная скорость зарядов равна нулю). В этот момент потенциальная энергия взаимодействия зарядов максимальна. Расстояние между притягивающимися телами максимально, также в момент равенства скоростей, направленных в одну сторону.

3. Если в задаче имеется система, состоящая из большого количества зарядов, то необходимо рассматривать и расписывать силы, действующие на заряд, который не находится в центре симметрии.

Напряженность электрического поля — как найти? Правила и примеры

Что такое электрическое поле

Долгое время ученые не могли толком объяснить, как именно заряженные тела взаимодействуют друг с другом, не соприкасаясь. Майкл Фарадей первым выяснил, что между ними есть некое промежуточное звено. Его выводы подтвердил Джеймс Максвелл, который установил, что для воздействия одного такого объекта на другой нужно время, а значит, они взаимодействуют через «посредника».

В современной физике электрическое поле — это некая материя, которая возникает вокруг заряженных тел и обусловливает их взаимодействие. Если речь идет о неподвижных объектах, поле называют электростатическим.

Тела, имеющие одноименные заряды, будут отталкиваться, а разноименные — притягиваться.

Определение напряженности электрического поля

Для исследования электрического поля используются точечные заряды. Давайте выясним, что это такое.

Точечным зарядом называют такой наэлектризованный объект, размерами которого можно пренебречь, поскольку он слишком мал в сравнении с расстоянием, отделяющим этот объект от других заряженных тел.

Теперь поговорим непосредственно о напряженности, которая является одной из главных характеристик электрического поля. Это векторная физическая величина. В отличие от скалярных она имеет не только значение, но и направление.

Для того, чтобы исследовать электрическую напряженность, нужно в поле заряженного тела q1 поместить еще один точечный заряд q2 (допустим, они оба будут положительными). Со стороны q1 на q2 будет действовать некая сила. Очевидно, что для расчетов нужно иметь в виду как значение данной силы, так и ее направление.

Напряженность электрического поля — это показатель, равный отношению силы, действующей на заряд в электрическом поле, к величине этого заряда.

Напряженность является силовой характеристикой поля. Она говорит о том, как сильно влияние поля в данной точке не только на другой заряд, но также на живые и неживые заряженные объекты.

Важно!

Иногда можно услышать оборот «напряжение электрического поля», но это ошибка — правильно говорить «напряженность».

Единицы измерения и формулы

Из указанного выше определения понятно, как найти напряженность электрического поля в некой точке:

E = F / q, где F — действующая на заряд сила, а q — величина заряда, расположенного в данной точке.

Если нужно выразить силу через напряженность, мы получим следующую формулу:

Направление напряженности электрического поля всегда совпадает с направлением действующей силы. Если взять отрицательный точечный заряд, формулы будут работать аналогично.

Поскольку сила измеряется в ньютонах, а величина заряда — в кулонах, единицей измерения напряженности электрического поля является Н/Кл (ньютон на кулон).

Принцип суперпозиции

Допустим, у нас есть несколько зарядов, которые взаимодействуют. Вокруг каждого существует свое электрическое поле. Тогда существует некая точка или область, в которой одновременно существует электрическое поле нескольких зарядов. Чему равна общая напряженность электрического поля, создаваемого этими зарядами?

Было установлено, что общая сила воздействия на конкретный заряд, расположенный в поле, является суммой сил, действующих на данный заряд со стороны каждого тела. Из этого следует, что и напряженность поля в любой взятой точке можно вычислить, просуммировав векторно напряженности, создаваемые каждым зарядом в отдельности в той же точке. Это и есть принцип суперпозиции.

Это правило корректно для любых полей, за некоторыми исключениями. Принцип суперпозиции не соблюдается в следующих случаях:

  • расстояние между зарядами очень мало — порядка 10-15м;

  • речь идет о сверхсильных полях с напряженностью более 1020в/м.

Но задачи с такими данными выходят за пределы школьного курса физики.

Напряженность поля точечного заряда

У электрического поля, создаваемого точечным зарядом, есть одна особенность — ввиду малой величины самого заряда оно очень слабо влияет на другие наэлектризованные тела. Именно поэтому такие «точки» используют для исследований.

Но прежде чем рассказать, от чего зависит напряженность электрического поля точечного заряда, рассмотрим подробнее, как взаимодействуют эти заряды.

Закон Кулона

Предположим, в вакууме есть два точечных заряда, которые статично расположены на некотором расстоянии друг от друга. В зависимости от одноименности или разноименности они могут притягиваться либо отталкиваться. В любом случае на них действуют силы, направленные вдоль соединяющей их прямой.

Закон Кулона

Модули сил, действующих на точечные заряды в вакууме, пропорциональны произведению данных зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними.

Силу электрического поля в конкретной точке можно найти по формуле: где q1 и q2 — модули точечных зарядов, r — расстояние между ними.

В формуле участвует коэффициент пропорциональности k, который был определен опытным путем и представляет собой постоянную величину. Он обозначает, с какой силой взаимодействуют два тела с зарядом 1 Кл, расположенные на расстоянии 1 м.

Важно!

Сила взаимодействия двух точечных зарядов остается прежней при появлении сколь угодно большого количества других зарядов в данном поле.

Учитывая все вышесказанное, напряжение электрического поля точечного заряда в некой точке, удаленной от заряда на расстояние r, можно вычислить по формуле:

Итак, мы выяснили, что называется напряженностью электрического поля и от чего зависит эта величина. Теперь посмотрим, как она изображается графическим способом.

Онлайн-подготовка к ОГЭ по физике поможет снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.

Линии напряженности

Электрическое поле нельзя увидеть невооруженным глазом, но можно изобразить с помощью линий напряженности. Графически это будут непрерывные прямые, которые связывают заряженные объекты. Условная точка начала такой прямой — на положительном заряде, а конечная точка — на отрицательном.

Линии напряженности — это прямые, которые совпадают с силовыми линиями в системе из положительного и отрицательного зарядов. Касательные к ним в каждой точке электрического поля имеют то же направление, что и напряженность этого поля.

При графическом изображении силовых линий можно передать не только направление, но и величину напряженности электрического поля (разумеется, условно). В местах, где модуль напряженности выше, принято делать более густой рисунок линий. Есть и случаи, когда густота линий не меняется — это бывает при изображении однородного поля.

Однородное электрическое поле создается разноименными зарядами с одинаковым модулем, расположенными на двух металлических пластинах. Линии напряженности между этими зарядами представляют собой параллельные прямые всюду, за исключением краев пластин и пространства за ними.

Электрический ток и единицы его измерения

При входе в темное помещение мы нажимаем клавишу, и в квартире становится светло и уютно. Что же происходит в такой привычной и обыденной ситуации?

Многие предполагают, что все элементарно просто, при включении замкнулась цепь и электрический ток побежал по нити накала, она разогрелась и лампочка дала нам свет. Все верно, но термин электрический ток неясен.

Если Вы помните, когда то мы учили физику, там был такой параграф «Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов». Еще один вопрос, а что же такое электрические заряды? Вопросов возникает все больше, стоит переходить к их детальному рассмотрению. Истории изучения электрических явлений началась с момента обнаружения, что два легких бумажных шарика подвешенных на тонких нитях, могут отталкиваться или притягиваться круг к другу.

Припоминаете в школе, нам показывали, как эбонитовую палочку натирают шерстяной тканью и прикасаются к шарикам поочередно к одному и другому и в этот момент наблюдается отталкивание. Для объяснения этого явления и было введено понятие электрического заряда имеющего положительный или отрицательный знак. Проведенные исследования показали, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Проведя многочисленных опытов подтверждающих существование положительных и отрицательных зарядов, также ученные обнаружили и порцию заряда имеющий называние «элементарный электрический заряд» (обозначается буквой е) величиной равной 1,6.10-19 Кл. Для того что бы понять что это за величина представьте себе что за одну секунду  через нить накала проходит три миллиарда миллиардов элементарных электрических зарядов. В данной формуле единица измерения носит имя Кулона французского физика. Элементарный электрический заряд с минусом называется электрон, который был найден физиком Джозеф Джон Томсон, в 1897 г., с плюсом был обнаружен чуть позже физиком Эрнест Резерфорд, в 1919 г. и имеет название протон и позитрон. Опытами было доказано, что любой заряд кратный элементарному электрическому заряду или со знаком плюс или минус, из этого получается 1е = 1,6.10-19 Кл. Как мы поняли, сразу были найдены электрические заряды, следующим шагом ученных было изучение их движению и явлениям которые происходят во время движения.

Как мы учили направленное движение заряженных частиц, и называется электрическим током. Такими заряженными частицами в проводниках – веществах, проводящих электрический ток, – являются электроны, а в жидкостях и газах – еще и заряженные ионы – атомы, лишенные одного или нескольких электронов (либо наоборот, имеющие лишние электроны). Для создания электрического тока в проводнике, надо сформировать электрическое поле, которое поддерживается источниками электрического тока. Ток может быть постоянный, величина которого не меняется во времени, либо переменным у которого направление и величина меняется с течением времени. Частота переменного тока — количество циклов электрического тока за определенную единицу времени, измеряется в Герцах. Сила тока — физическая величина равная отношению количества заряда, проходящего определенный участок времени через проводник. Сила тока измеряется в Амперах (амперметром). Мощность тока работа выполняемая частицами электрического тока, против электрического сопротивления, в результате получается тепловая энергия. Более просто сказать мощность тока, это количество выделяемого тепла за единицу времени измеряется в Ваттах.

Напряжение тока — это отношение тока к заряду на определённом участке цепи. Заряд измеряется в Кулонах, работа в Джоулях, так мы можем узнать величину напряжения 1Дж/1Кл, так получается значение равное 1 Вольту, это основная единица в котором измеряется напряжение. Электрическое сопротивление — Георг Симон Ом ставя опыты, наблюдал, как разные приборы показывают различную силу тока, в разных электрических цепях. Так была выдвинута теория, что различные проводники имеют разное электрическое сопротивление и вычисляется по формуле R=L/S, где L — длина проводника, S — площадь поперечного

сечения. Сопротивление измеряется в Омах.

Вызов электрика, услуги электрика в Киеве и Киевской области

Вы находитесь на сайте дипломированных специалистов электромонтажных работ, с четвертой формой допуска. Мы готовы предоставить Вам свои услуги электрика в Киеве и области, начиная от установки розетки или выключателя, заканчивая электромонтажом квартиры, дома или бани. Воспользовавшись услугами профессионалов, Ваши проблемы с электричеством будут качественно и быстро устранены, Вы сэкономите личное время плюс безопасность Вашего жилья. Вы также сэкономите на расходах воспользовавшись услугой электрик на дом, так как ремонт электрики требует набор специального дорогостоящего оборудования и инструментов. Даже простой ремонт электрики в квартире или доме требует от человека профессиональных знаний и навыков. Поэтому мы советуем Вам вызвать электрика на дом, и Вы будете довольны работой наших специалистов.

10. Вопросы к зачету по теме «Электростатика»

Вопросы для подготовки к зачету по теме «Электростатика.»

21. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона.

22. Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей. Графическое изображение электрических полей. Свойства линий напряженности электрического поля.

23. Работа сил электрического поля по переносу заряда. Потенциал, разность потенциалов. Напряжение.

24. Конденсаторы. Электроемкость плоского конденсатора. Энергия заряженного конденсатора.

Ответы.

Часть 1. Основные физические величины, единицы их измерения, формулы для нахождения.

Наименование

Обозначения

Единицы измерения в СИ

Формулы

Электрический заряд

q

Кл (кулон)

Закон сохранения электрического заряда

q1 + q2 + q3 + . .. +qn = const 

Закон Кулона

  

Напряженность

E

Н/Кл (ньютон на кулон)

В/м (вольт на метр

Принцип суперпозиции электрических полей

Работа сил электрического поля по переносу заряда.

A Дж (джоуль) A12Wp1 – Wp2qφ1 – qφ2q1 – φ2

Потенциал

 φ

 В (вольт)

Разность потенциалов

 φ12  В (вольт) φ12 = U

Напряжение

 U В (вольт) U = А/q
Электроемкость С Ф (фарад)

Электроемкость плоского конденсатора

 С  Ф (фарад)  

Энергия заряженного конденсатора

 W Дж (джоуль)   

Часть 2. Основные понятия.

Расширения для Joomla
Подробности
Просмотров: 13093

Урок 26. электрический заряд. закон кулона — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 26. Электрический заряд. Закон Кулона

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) электродинамика;

2) электризация;

3) два рода зарядов;

4) закон Кулона;

5) применение электризации;

6) вредные действия электризации.

Глоссарий по теме:

Электродинамика это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вид материи – электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами.

Электрический заряд – физическая величина, характеризующая электрические свойства частиц.

Элементарный заряд — заряд электрона (или протона).

Электрон — частица с наименьшим отрицательным зарядом.

Электризация — явление приобретения телом заряда.

Кулоновская силасила взаимодействия зарядов

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 277 – 282.

2. Тульчинский М.Е. Сборник качественных задач по физике. – М.: Просвещение, 1965. С.81.

3. Алексеева М. Н. Физика юным. – М.: Просвещение, 1980. С. 68-78.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Элементарные частицы – это мельчайшие частицы, которые не делятся на более простые, из которых состоят все тела.

Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд, а частицы называются заряженными.

Взаимодействие заряженных частиц называется электромагнитным.

Заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а разного знака – притягиваются.

При электризации трением оба тела приобретают заряды, противоположные по знаку, но одинаковые по модулю.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда:

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется.

Заряженные тела, размерами и формой которых можно пренебречь при их взаимодействии, называются точечными зарядами.

Силу взаимодействия зарядов называют кулоновской силой.

Сила, с которой взаимодействуют заряды, прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Закон Кулона:

где — это электрическая постоянная.

— заряд электрона

— заряд протона

Единица измерения электрического заряда – Кулон.

Заряд в 1 Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов по1 Кулон каждый, расположенных на расстоянии 1 км друг от друга, чуть меньше силы, с которой Земля притягивает груз массой 1т.

Примеры и разбор решения заданий:

1. Два заряда q1 и q2 взаимодействуют в вакууме с силой F. Если заряд каждой частицы увеличить в два раза и расстояние между ними уменьшить в два раза, то как изменится сила их взаимодействия?

Решение:

Используя закон Кулона можем рассчитать, что сила взаимодействия между зарядами увеличится в 16 раз.

2. Два шарика, расположенные на расстоянии 10 см друг от друга, имеют одинаковые отрицательные заряды и взаимодействуют с силой 0,23 мН. Найти число избыточных электронов на каждом шарике.

Решение:

Число избыточных электронов:

Сила взаимодействия между двумя заряженными шариками:

Отсюда выражаем заряд шарика:

Заряд электрона равен e =|-1,6·10-31| Kл

Вычисления:

Ответ: .

Сила тока. Амперметр — урок. Физика, 8 класс.

В процессе своего движения вдоль проводника заряженные частицы (в металлах это электроны) переносят некоторый заряд. Чем больше заряженных частиц, чем быстрее они движутся, тем больший заряд будет ими перенесён за одно и то же время. Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 секунду, определяет силу тока в цепи.

Сила тока \(I\) — скалярная величина, равная отношению заряда \(q\), прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени \(t\), в течение которого шёл ток.
I=qt, где \(I\) — сила тока, \(q\) — заряд, \(t\) — время.
Единица измерения силы тока в системе СИ — \([I]~=~1~A\) (ампер).

В 1948 г. было предложено в основу определения единицы силы тока положить явление взаимодействия двух проводников с током:


при прохождении тока по двум параллельным проводникам в одном направлении проводники притягиваются, а при прохождении тока по этим же проводникам в противоположных направлениях — отталкиваются.

За единицу силы тока \(1~A\) принимают силу тока, при которой два параллельных проводника длиной \(1\) м, расположенные на расстоянии \(1\) м друг от друга в вакууме, взаимодействуют с силой \(0,0000002\)H (рис. 1.).

  

Рис. 1. Определение единицы силы тока

  

Единица силы тока называется ампером (\(A\)) в честь французского учёного А.-М. Ампера (рис. 2).

 

Андре-Мари Ампер

(1775 — 1836)

Рис. 2. Ампер Андре-Мари

 

А.-М. Ампер ввёл термины: электростатика, электродинамика, соленоид, ЭДС, напряжение, гальванометр, электрический ток.


Ампер — довольно большая сила тока. Например, в электрической сети квартиры через включённую \(100\) Вт лампочку накаливания проходит ток с силой, приблизительно равной \(0,5A\). Ток в электрическом обогревателе может достигать \(10A\), а для работы карманного микрокалькулятора достаточно \(0,001A\).

Помимо ампера на практике часто применяются и другие (кратные и дольные) единицы силы тока, например, миллиампер (мА) и микроампер (мкА):
\(1 мA = 0,001 A\), \(1 мкA = 0,000001 A\), \(1 кA =1000 A\).
То есть \(1 A = 1000 мA\), \(1 A = 1000000 мкA\), \(1 A = 0,001 кA\).

Если электроны перемещаются в одном направлении, т.е. — от одного полюса источника тока к другому, то такой ток называют постоянным.

Переменным называется ток, сила и направление которого периодически изменяются.

В бытовых электросетях используют переменный ток напряжением \(220\) В и частотой \(50\) Гц. Это означает, что ток за \(1\) секунду \(50\) раз движется в одном направлении и \(50\) раз — в другом. У многих приборов имеется блок питания, который преобразует переменный ток в постоянный (у телевизора, компьютера и т.д.).

 

Силу тока измеряют амперметром. В электрической цепи он обозначается так:

Рис. 3. Схематичное изображение единицы силы тока

 

Амперметр включают в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить.

Обрати внимание!

Амперметр нельзя подсоединять к источнику тока, если в цепь не подключён потребитель!

Измеряемая сила тока не должна превышать максимально допустимую силу тока для измерения амперметром. Поэтому существуют различные амперметры (рис. 4), где измерительная шкала представлена с использованием кратных и дольных единиц 1 А (миллиампер — мА, микроампер — мкА, килоампер — кА).

 

Рис. 4. Изображение миллиамперметра

 

Различают амперметры для измерения силы постоянного тока и силы переменного тока (рис. 5).

Обозначения диапазона измерения амперметров:

  • «\(~\)» означает, что амперметр предназначен для измерения силы переменного тока; 
  • «\(—\)» означает, что амперметр предназначен для измерения силы постоянного тока.

Можно обратить внимание на клеммы прибора. Если указана полярность («\(+\)» и «\(-\)»), то это прибор для измерения постоянного тока.

Иногда используют буквы \(AC/DC\). В переводе с английского \(AC\) (alternating current) — переменный ток, а \(DC\) (direct current) — постоянный ток.

Для измерения силы постоянного тока

Для измерения силы переменного тока

Рис. 5. Амперметры для измерения силы постоянного и переменного токов

 

Для измерения силы тока можно использовать и мультиметр (рис. 6). Перед измерением необходимо прочитать инструкцию, чтобы правильно подключить прибор.

 

Рис. 6. Изображение мультиметра

 

Включая амперметр в цепь постоянного тока, необходимо соблюдать полярность (рис. 7):
  • провод, который идёт от положительного полюса источника тока, нужно соединять с клеммой амперметра со знаком «\(+\)»;

  • провод, который идёт от отрицательного полюса источника тока, нужно соединять с клеммой амперметра со знаком «\(-\)».

Если полярность на источнике тока не указана, следует помнить, что длинная линия соответствует плюсу, а короткая — минусу.

Рис. 7. Изображение электрической схемы (постоянный ток)

 

В цепь переменного тока включается амперметр для измерения переменного тока. Он полярности не имеет.

 

Амперметр подключается последовательно к тому прибору, на котором измеряется сила тока (рис. 7).

 

Безопасным для организма человека можно считать переменный ток силой не выше \(0,05~A\), ток силой более \(0,05\)-\(0,1~A\) опасен и может вызвать смертельный исход.

Источники:

Рис. 1. By Patrick Nordmann — http://schulphysikwiki.de/index.php/Datei:Definition_Ampere.png, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=91011035.

Рис. 2. By Ambrose Tardieu — The Dibner collection ::::::::::,,,;at the Smithsonian Institution (USA),, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6366734.

Рис. 3. Указание авторства не требуется, лицензия Pixabay, 2021-06-14, может использоваться в коммерческих целях, https://clck.ru/VVqyJ.

Рис. 4. Изображение миллиамперметра. © ЯКласс.

Рис. 5. Амперметры для измерения силы постоянного и переменного токов. © ЯКласс.

Рис. 6. Multimeter with probes on white, CC BY 2.0, 2021-06-14, https://www.flickr.com/photos/[email protected]/50838190626/in/photostream/.

Рис. 7. Изображение электрической схемы (постоянный ток). © ЯКласс.

Что такое электрический заряд? — Определение из WhatIs.com

Что такое электрический заряд?

В физике заряд, также известный как электрический заряд, электрический заряд или электростатический заряд и обозначаемый как q , является характеристикой единицы материи, выражающей степень, в которой электронов в ней больше или меньше, чем протонов. В атомах электрон несет отрицательный элементарный или единичный заряд; протон несет положительный заряд. Два типа заряда равны и противоположны.

В атоме вещества электрический заряд возникает всякий раз, когда число протонов в ядре отличается от числа электронов, окружающих это ядро. Если электронов больше, чем протонов, атом имеет отрицательный заряд. Если электронов меньше, чем протонов, атом имеет положительный заряд. Количество заряда, переносимого атомом, всегда кратно элементарному заряду, то есть заряду, переносимому одним электроном или одним протоном. Говорят, что частица, атом или объект с отрицательным зарядом имеют отрицательную электрическую полярность; говорят, что частица, атом или объект с положительным зарядом имеют положительную электрическую полярность.

В объекте, состоящем из многих атомов, суммарный заряд равен арифметической сумме с учетом полярности зарядов всех вместе взятых атомов. В массивной выборке это может составить значительное количество элементарных зарядов. Единицей электрического заряда в Международной системе единиц является кулон (символ C), где 1 C равен приблизительно 6,24 x 10 18 элементарных зарядов. Объекты реального мира нередко имеют заряды во много кулонов.

Электрическое поле, также называемое электрическим полем или электростатическим полем, окружает любой объект, имеющий заряд. Напряженность электрического поля на любом заданном расстоянии от объекта прямо пропорциональна количеству заряда на объекте. Вблизи любого объекта, имеющего фиксированный электрический заряд, напряженность электрического поля убывает пропорционально квадрату расстояния от объекта (т. е. подчиняется закону обратных квадратов).

Когда два предмета, обладающие электрическим зарядом, находятся рядом друг с другом, между ними возникает электростатическая сила. (Эту силу не следует путать с электродвижущей силой, также известной как напряжение.) Если электрические заряды имеют одинаковую полярность, электростатическая сила является отталкивающей. Если электрические заряды противоположной полярности, электростатическая сила притягивает. В свободном пространстве (вакуум), если заряды двух соседних объектов в кулонах равны q 1 и q 2 , а центры объектов разделены расстоянием r в метрах, то результирующая сила F между объектами в ньютонах определяется по следующей формуле:

F = ( q 1 q 2 ) / (4 o r 2 )

, где o — диэлектрическая проницаемость свободного пространства, физическая константа, и отношение длины окружности к ее диаметру, безразмерная математическая константа.Положительная чистая сила отталкивает, а отрицательная чистая сила притягивает. Это соотношение известно как закон Кулона.

Электрический заряд — Энциклопедия Нового Света

Электромагнетизм
Электричество · Магнетизм
Магнитостатика
Закон AMPERE · Электрический ток · Магнитное поле · Магнитный поток · Magnetic Flux · Biot-Savart Law · Магнитный дипольный момент · Закон Gauss для магнетизма ·
Электродинамика
Бесплатное пространство · Lorentz Force Law · EMF · Электромагнитная индукция · Фарадай · Ток смещения · уравнения Maxwell · Maxwels · EM Поле · электромагнитное излучение · Lianard -Потенциалы Вихерта · Тензор Максвелла · Вихревой ток ·
Ковариантная формулировка
Электромагнитный тензор · ЭМ Тензор энергии-импульса · Четырехтоковый · Четырехпотенциальный ·

Электрический заряд — это фундаментальное сохраняющееся свойство некоторых субатомных частиц, таких как электроны и протоны.Есть два противоположных типа электрического заряда, известные как положительный и отрицательный . Заряд электрона условно равен -1, а заряд протона +1. Пара противоположно заряженных частиц притягивает друг друга, и, наоборот, пара пар частиц с одинаковым типом заряда отталкиваются.

Атом электрически нейтрален (то есть его суммарный электрический заряд равен нулю), потому что число протонов в его ядре равно числу электронов, окружающих ядро.Если атом получает дополнительный электрон, он приобретает заряд -1; если он теряет электрон, он приобретает заряд +1. Электрически заряженный атом (или группа атомов) называется ионом. Таким образом, понимание электрического заряда помогает прояснить поведение атомов, молекул, ионов и субатомных частиц.

Более того, электрически заряженная материя находится под влиянием электромагнитных полей и создает их. Взаимодействие между движущимся зарядом и электромагнитным полем является источником электромагнитной силы (или электромагнитного взаимодействия), которая является одной из четырех фундаментальных сил.

Обзор

Электрический заряд характерен для некоторых субатомных частиц. Он квантуется тем, что при выражении в единицах так называемого элементарного заряда е (то есть заряда отдельного электрона или отдельного протона) принимает целые или дробные значения. Как упоминалось выше, говорят, что электрон имеет заряд -1, а протон имеет противоположный заряд +1. Кварки имеют дробный заряд — 1 3 или + 2 3 .Эквиваленты этих античастиц (позитроны, антипротоны и антикварки соответственно) имеют противоположный заряд. Есть и другие заряженные частицы. Дискретная природа электрического заряда была предложена Майклом Фарадеем в его экспериментах по электролизу, а затем непосредственно продемонстрирована Робертом Милликеном в его эксперименте с каплей масла.

Как правило, заряженные частицы одного знака отталкиваются друг от друга, а заряженные частицы разных знаков притягиваются. Количественно это выражается в законе Кулона, который гласит, что величина электростатической силы отталкивания между двумя частицами пропорциональна произведению их зарядов на обратный квадрат расстояния между ними.

Электрический заряд макроскопического объекта представляет собой сумму электрических зарядов составляющих его частиц. Часто суммарный электрический заряд равен нулю, потому что благоприятно, чтобы число электронов в каждом атоме равнялось числу протонов (или, в более общем случае, чтобы число анионов или отрицательно заряженных атомов в каждой молекуле равнялось количеству протонов). количество катионов или положительно заряженных атомов). Когда суммарный электрический заряд отличен от нуля и неподвижен, возникает явление, известное как статическое электричество.Даже когда суммарный заряд равен нулю, он может быть распределен неравномерно (например, из-за внешнего электрического поля или из-за молекулярного движения), и в этом случае говорят, что материал поляризован. Заряд из-за поляризации известен как связанный заряд, а избыточный заряд, привнесенный извне, называется свободным зарядом . Движение заряженных частиц (например, электронов в металлах) в определенном направлении известно как электрический ток.

Единицы

Единицей количества электрического заряда в системе СИ является кулон, что примерно равно 6.25 × 10 18 е (заряд одного электрона или протона). Следовательно, заряд электрона приблизительно равен -1,602 x 10 -19 Кл. Кулон определяется как количество заряда, прошедшего через поперечное сечение электрического проводника, несущего один ампер, за одну секунду. Символ Q часто используется для обозначения количества электричества или заряда. Количество электрического заряда можно измерить непосредственно с помощью электрометра или косвенно с помощью баллистического гальванометра.

Обнаружив квантовый характер заряда, в 1891 году Стоуни предложил единицу измерения «электрон» для этой фундаментальной единицы электрического заряда. Это было до открытия частицы Дж.Дж. Томсоном в 1897 году. Сегодня название «электрон» для единицы заряда больше не используется широко, за исключением производной единицы «электронвольт». Это весьма удивительно, учитывая широкое применение этой единицы в области физики и химии. Сегодня эта единица считается безымянной, ее называют «основной единицей заряда» или просто «е.»

Формально мера заряда должна быть кратна элементарному заряду e (заряд квантуется), но поскольку это средняя, ​​макроскопическая величина, на много порядков превышающая единичный элементарный заряд, она может эффективно принимать на любую реальную стоимость. Более того, в некоторых случаях имеет смысл говорить о долях заряда; например при зарядке конденсатора.

История

Крутильные весы Кулона.

Как сообщает древнегреческий философ Фалес Милетский около 600 г. г. до н.э.CE , заряд (или электричество ) можно было накопить, натирая мехом различные вещества, например, янтарь. Греки заметили, что заряженные янтарные пуговицы могут притягивать легкие предметы, например волосы. Они также отметили, что если тереть янтарь достаточно долго, то можно даже получить искру. Это свойство обусловлено трибоэлектрическим эффектом.

В 1600 году английский ученый Уильям Гилберт вернулся к этой теме в De Magnete и придумал новое латинское слово electricus из греческого термина ηλεκτρον (электрон) , что означает «янтарь».Эта терминология вскоре привела к английским словам «электрический» и «электричество». За работой Гилберта в 1660 году последовал Отто фон Герике, который изобрел, вероятно, первый электростатический генератор.

Другими европейскими пионерами были Роберт Бойль, Стивен Грей и К. Ф. ДюФэй. В 1675 году Бойль заявил, что электрическое притяжение и отталкивание могут действовать в вакууме. В 1729 году Грей классифицировал материалы как проводники и изоляторы. В 1733 году Дюфей предположил, что электричество бывает двух видов, которые компенсируют друг друга, и выразил это в терминах теории двух жидкостей. [1] Дюфе сказал, что когда стекло натирают шелком, стекло заряжается стекловидным электричеством , а когда янтарь натирают мехом, янтарь заряжается смолистым электричеством .

В 1839 году Майкл Фарадей показал, что очевидное разделение между статическим электричеством, электрическим током и биоэлектричеством неверно, и все они являются следствием поведения одного вида электричества, проявляющегося в противоположных полярностях. Произвольно, какую полярность называть положительной, а какую отрицательной.Положительный заряд можно определить как заряд, оставшийся на стеклянной палочке после натирания ее шелком. [2]

Одним из ведущих специалистов по электричеству в восемнадцатом веке был Бенджамин Франклин, который выступал за теорию электричества с одной жидкостью. Франклин представлял себе электричество как разновидность невидимой жидкости, присутствующей во всей материи; например, он считал, что именно стекло в лейденской банке удерживает накопленный заряд. Он утверждал, что трение изолирующих поверхностей друг о друга заставляет эту жидкость менять свое местоположение и что поток этой жидкости представляет собой электрический ток.Он также утверждал, что когда материя содержит слишком мало жидкости, она заряжена «отрицательно», а когда ее избыток, она заряжена «положительно». Произвольно (или по неизвестной причине) он отождествил термин «положительный» со стекловидным электричеством и «отрицательный» со смолистым электричеством. Примерно в то же время Уильям Уотсон пришел к такому же объяснению.

Электрификация трением

Следующий эксперимент демонстрирует электризацию за счет трения.

Возьмите кусок стекла и кусок смолы, которые не обладают электрическими свойствами. Если их тереть друг о друга, а трущиеся поверхности держать в контакте друг с другом, они все равно не будут проявлять электрических свойств. Однако, если они разделены, они будут притягиваться друг к другу.

Потрите второй кусок стекла о второй кусок смолы и разделите их. Если эти две части подвесить рядом с первыми двумя частями из стекла и смолы, можно заметить, что:

  1. два куска стекла отталкиваются друг от друга;
  2. два куска смолы отталкиваются друг от друга; и
  3. каждый кусочек стекла притягивает каждый кусочек смолы.

Эти свойства притяжения и отталкивания называются электрическими явлениями , а тела, проявляющие их, называются «наэлектризованными» или «заряженными электричеством». Тела могут быть наэлектризованы многими другими способами, а также трением.

Электрические свойства двух кусков стекла похожи друг на друга, но противоположны свойствам двух кусков смолы: стекло притягивает то, что отталкивает смола, и отталкивает то, что смола притягивает.

Следуя терминологии Дюфея (упомянутой выше), если наэлектризованное тело ведет себя так же, как стекло (т. е. оно отталкивает стекло и притягивает смолу), говорят, что тело наэлектризовано «стекловидно»; и если он притягивает стекло и отталкивает смолу, говорят, что он наэлектризован «смолой».Все наэлектризованные тела оказываются наэлектризованными либо стекловидно, либо смолисто. Условно стекловидную электризацию называют положительной, а смолистую — отрицательной. Никакой силы ни притяжения, ни отталкивания нельзя наблюдать между наэлектризованным телом и телом, не наэлектризованным. [3]

Теперь мы знаем, что существует только один вид электрического заряда и требуется только одна переменная для отслеживания количества заряда. [4] Однако простое знание заряда частицы не является полным описанием ситуации.Материя состоит из нескольких видов электрически заряженных частиц, и эти частицы обладают многими свойствами, а не только зарядом.

Наиболее распространенными носителями заряда являются положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон. Движение любой из этих заряженных частиц представляет собой электрический ток. Во многих ситуациях достаточно говорить об условном токе независимо от того, переносится ли он положительными зарядами, движущимися в направлении условного тока, и/или отрицательными зарядами, движущимися в противоположном направлении.Эта макроскопическая точка зрения представляет собой приближение, упрощающее электромагнитные концепции и расчеты.

С другой стороны, если посмотреть на микроскопическую ситуацию, то можно увидеть, что есть много способов проведения электрического тока, включая: поток электронов; поток электронных «дырок», действующих как положительные частицы; и как отрицательные, так и положительные частицы (ионы или другие заряженные частицы), движущиеся в противоположных направлениях в растворе электролита или плазме).

Следует отметить, что когда электрический ток переносится по металлическому проводу, направление обычного тока противоположно потоку реальных носителей заряда, то есть электронов.

Свойства

Помимо свойств, описанных в статьях об электромагнетизме, заряд является релятивистским инвариантом. Это означает, что любая частица, имеющая заряд Q , с какой бы скоростью она ни летела, всегда имеет заряд Q . Это свойство было проверено экспериментально, показывая, что заряд одного ядра гелия (два протона и два нейтрона, связанных вместе в ядре), движущегося с большими скоростями, такой же, как у двух ядер дейтерия (один протон и один нейтрон). связаны вместе) двигаются гораздо медленнее.

Сохранение заряда

Общий электрический заряд изолированной системы остается постоянным независимо от изменений внутри самой системы. Этот закон присущ всем процессам, известным физике. Сохранение заряда приводит к уравнению непрерывности заряд-ток. В более общем смысле чистое изменение плотности заряда ρ {\ displaystyle \ rho} в пределах объема интегрирования V {\ displaystyle V} равно интегралу площади по плотности тока J {\ displaystyle J} на поверхности области S {\displaystyle S}, который, в свою очередь, равен чистому току I{\displaystyle I}:

−ddt∫VρdV=∫SJ⋅dS=∫JScos⁡θ=I.{\ displaystyle — {\ frac {d} {dt}} \ int _ {V} \ rho \, \ mathrm {d} V = \ int _ {S} \ mathbf {J} \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {S} =\int JS\cos \theta =I.}

Таким образом, сохранение электрического заряда, выраженное уравнением непрерывности, дает результат:

I = dQdt. {\ displaystyle I = {\ frac {dQ} {dt}}. {t_ {f}} I \, \ mathrm {d} t}

, где I — чистый выходной ток через замкнутая поверхность, а Q — электрический заряд, содержащийся в объеме, определяемом поверхностью.

См. также

Примечания

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

  • Гибилиско, Стан. Демистификация электричества. Нью-Йорк: McGraw-Hill, 2005. ISBN 0071439250
  • Вангснесс, Роальд К. Электромагнитные поля, 2-е изд. Нью-Йорк: Wiley, 2007 г. (оригинал 1986 г.). ISBN 0471811866
  • Янг, Хью Д. и Роджер А. Фридман. Физика для ученых и инженеров, 11-е изд.Сан-Франциско: Пирсон, 2003. ISBN 080538684X

Внешние ссылки

Все ссылки получены 18 сентября 2017 г.

  • Электрический заряд – Science help.co.uk. (Простая для понимания страница об электростатическом заряде.)

Кредиты

New World Encyclopedia авторов и редакторов переписали и дополнили статью Wikipedia в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям Creative Commons CC-by-sa 3.0 Лицензия (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Упоминание должно осуществляться в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание. На использование отдельных изображений, лицензированных отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.

Электрический заряд — веб-формулы

Электрический заряд определяется по формуле:

Q = I t

Соответствующие единицы СИ:
кулон (Кл) = ампер (А) ∙ секунда (с)

Где I — электрический ток, а t — время (длительность).

  • Электрический заряд — это фундаментальное свойство, такое как масса, длина и т. д., связанное с элементарными частицами, например, электроном, протоном и многими другими.
  • Электрический заряд — это свойство, отвечающее за электрические силы, которые действуют между ядром и электроном, связывая атом вместе.
  • Заряды бывают двух видов
    (i) отрицательный заряд
    (ii) положительный заряд
  • Электроны — отрицательно заряженные частицы, а протоны, из которых состоит ядро, — положительно заряженные частицы. На самом деле ядро ​​состоит из протонов и нейтронов, но нейтроны — незаряженные частицы.
  • Электрическая сила между двумя электронами такая же, как электрическая сила между двумя протонами, находящимися на одинаковом расстоянии друг от друга i. то есть оба набора отталкивают друг друга, но электрическая сила между электроном и протоном, находящимися на одинаковом расстоянии друг от друга, по своей природе не отталкивающая, а притягивающая.
    (а) Одноименные заряды отталкиваются

    (б) Разные заряды притягиваются

  • Присвоение отрицательного заряда электрону и положительного заряда протону чисто условно; это не значит, что заряд электрона меньше заряда протона.
  • Важность электрических сил состоит в том, что они охватывают почти каждое поле, связанное с нашей жизнью; будь то материя, состоящая из атомов или молекул, в которых электрические заряды точно сбалансированы, или силы сцепления клея, связанные с поверхностным натяжением, все они имеют электрическую природу.

Блок

  • Заряд системы можно измерить, сравнив его с зарядом стандартного кузова.
  • Единицей заряда в СИ является кулон, который записывается как C.
  • 1 Кулон — это заряд, протекающий по проводу за 1 секунду, если сила тока в нем равна 1А.
  • Заряд электрона равен -1,602 * 10 -19 Кл, а заряд протона положителен от этой величины.
  • Двумя важными свойствами заряда являются квантование и сохранение .

(a)   Квантование заряда

(i)                 Электрический заряд может существовать только как целое кратное заряду электрона (-e) i.е.

q = ± ne , , где n — целое число.

 

(ii)               Возможные значения электрического заряда: q = ± 1e; ± 2е; ± 3e

(iii)            Заряд меньше, чем заряд электрона (, т.е. e = 1,6 * 10 -19 Кл) невозможен.

(b)   Сохранение заряда

(i)                 В изолированной системе общий электрический заряд всегда остается постоянным.

(ii)               Общий заряд тела равен алгебраической сумме всех имеющихся на нем зарядов. Каждый атом электрически нейтрален, так как содержит столько электронов, сколько в нем протонов.

(iii)             Когда мы натираем стеклянную палочку кусочком шелка, положительный заряд, приобретаемый стеклянной палочкой, равен отрицательному заряду, приобретаемому кусочком шелка. Таким образом, заряды производятся равными и непохожими парами.

Пример (1) : Какова возможная величина электрического заряда?

 

(а)   1 X 1.6 х 10 -19 С

(б)   2,4 X 1,6 X 10 -19 C

(в)    -8 X 1,6 X 10 -19 C

(г)   1 X 1,8 X 10 -19 C

 

Решение: (а)

Как мы знаем, электрический заряд может существовать только как целое кратное заряду электрона (-е), т.е.

 

q = ± ne , где n — целое число.Таким образом, q = ± 1 х 1,6 х 10 -19 С

 

Пример (2) : Если n = 2, какова будет величина электрического заряда? (Данный e = 1,6 X 10 -19 C)

(а)   ±0,8 X 10 -19 С

(б)   ±3,2 X 10 -19 С

(в)    ±4,3 X 10 -19 С

(г)   ±6.3 х 10 -19 С

 

Решение: ( б )

Мы знаем, что

q = ± пе

    = 2 х 1,6 х 10 -19 С

    = ±3,2 X 10 -19   °С

Следовательно, вариант (б) правильный.

 

Пример (3): Заряд меньше, чем заряд (т.е. e = 1,6 X 10 -19 C) на электроне возможно?

(а)    Да      (б) Нет

 

Решение: (б) Как мы знаем

q = ± ne где n — целое число, т. е. n = 1, 2, 3,…

 

Пример 4): Каков общий заряд всех протонов в 1,00 кг углерода?

(а)   4.82 Х 10 7 С

(б)   3,96 X 10 7 С

(в)    4,82 X 10 9 С

(г)   3,96 X 10 12 С

 

Решение: (a) Мы можем найти количество кулонов положительного заряда в 1,00 кг углерода из Q = 6n c e , где n c число атомов в 1.00 кг углерода и коэффициент 6 учитывает присутствие 6 протонов в каждом атоме. Мы можем найти число атомов в 1,00 кг углерода, составив пропорцию, связывающую число Авогадро N A , массу углерода и молекулярную массу углерода с n c .

Пример 5): Определить электрический ток в электрической цепи, где общий электрический заряд равен 6 Кл за 5 секунд.

Электрический заряд – University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Описать концепцию электрического заряда
  • Качественно объясните силу, создаваемую электрическим зарядом

Вы наверняка знакомы с электронными устройствами, которые активируются одним нажатием переключателя, от компьютеров до сотовых телефонов и телевизоров.И вы наверняка видели электричество во вспышке молнии во время сильной грозы. Но вы также, скорее всего, испытывали электрические эффекты другими способами, возможно, не осознавая, что была задействована электрическая сила. Давайте взглянем на некоторые из этих действий и посмотрим, что мы можем узнать из них об электрических зарядах и силах.

Открытия

Вы, вероятно, сталкивались с явлением статического электричества: когда вы впервые достаете одежду из сушилки, многие (не все) вещи склонны слипаться; для некоторых тканей их может быть очень трудно разделить.Другой пример возникает, если вы быстро снимаете шерстяной свитер — вы можете почувствовать (и услышать), как статическое электричество притягивает вашу одежду и, возможно, даже ваши волосы. Если вы расчешите волосы в сухой день, а затем поднесете расческу к тонкой струе воды, выходящей из крана, вы обнаружите, что струя воды изгибается (притягивается) к расческе ((Рисунок)).

Гребень с электрическим зарядом притягивает струю воды издалека. Обратите внимание, что вода не касается гребенки. (кредит: Джейн Уитни)

Предположим, вы подносите расческу к небольшим полоскам бумаги; полоски бумаги притягиваются к расческе и даже цепляются за нее ((рисунок)).На кухне быстро стяните рулон пищевой пленки; он имеет тенденцию прилипать к большинству любых неметаллических материалов (таких как пластик, стекло или продукты питания). Если потереть воздушный шар о стену в течение нескольких секунд, он прилипнет к стене. Вероятно, наиболее раздражающим эффектом статического электричества является удар током дверной ручки (или друга) после того, как вы шаркаете ногами по некоторым видам коврового покрытия.

После расчесывания волос эта расческа притягивает маленькие полоски бумаги на расстоянии, без физического контакта.Исследование этого поведения помогло привести к концепции электрической силы. (кредит: Джейн Уитни)

Многие из этих явлений известны на протяжении столетий. Древнегреческий философ Фалес Милетский (624–546 гг. до н. э.) записал, что, когда янтарь (твердая полупрозрачная окаменевшая смола вымерших деревьев) энергично терся о кусок меха, создавалась сила, которая заставляла мех и янтарь соприкасаться. притягиваться друг к другу ((Рисунок)). Кроме того, он обнаружил, что натертый янтарь не только притягивает мех, а мех притягивает янтарь, но они оба могут воздействовать на другие (неметаллические) объекты, даже если они не соприкасаются с этими объектами ((Рисунок)).

Янтарь

Борнео добывается в штате Сабах, Малайзия, из сланцево-песчано-аргиллитовых жил. Когда кусок янтаря трется о кусок меха, янтарь получает больше электронов, придавая ему суммарный отрицательный заряд. При этом мех, потеряв электроны, становится положительно заряженным. (кредит: «Себакоамбер»/Wikimedia Commons)

Когда материалы трутся друг о друга, заряды могут быть разделены, особенно если один материал имеет большее сродство к электронам, чем другой.а) Янтарь и ткань изначально нейтральны, имеют одинаковые положительные и отрицательные заряды. Задействована лишь малая часть зарядов, и здесь показаны только некоторые из них. (б) При трении янтарь переносит некоторый отрицательный заряд, оставляя ткань с чистым положительным зарядом. (c) При разделении янтарь и ткань теперь имеют суммарные заряды, но абсолютное значение суммарных положительных и отрицательных зарядов будет равным.

Английский физик Уильям Гилберт (1544–1603) также изучал эту силу притяжения, используя различные вещества.Он работал с янтарем, а кроме того, экспериментировал с горным хрусталем и различными драгоценными и полудрагоценными камнями. Он также экспериментировал с несколькими металлами. Он обнаружил, что металлы никогда не проявляли такой силы, в отличие от минералов. Более того, хотя наэлектризованный янтарный жезл притянет кусок меха, он оттолкнет другой наэлектризованный янтарный жезл; точно так же два наэлектризованных куска меха будут отталкивать друг друга.

Это предполагало, что существует два типа электрического свойства; это свойство со временем стало называться электрическим зарядом.Разница между двумя типами электрического заряда заключается в направлениях электрических сил, которые вызывает каждый тип заряда: эти силы являются отталкивающими, когда один и тот же тип заряда существует на двух взаимодействующих объектах, и притягивающими, когда заряды противоположного типа. Единицей электрического заряда в СИ является кулон (Кл) в честь французского физика Шарля-Огюстена де Кулона (1736–1806).

Наиболее своеобразный аспект этой новой силы заключается в том, что она не требует физического контакта между двумя объектами, чтобы вызвать ускорение.Это пример так называемой «дальнодействующей» силы. (Или, как позднее выразился Альберт Эйнштейн, «действие на расстоянии».) За исключением гравитации, все другие силы, которые мы обсуждали до сих пор, действуют только тогда, когда два взаимодействующих объекта действительно соприкасаются.

Американский физик и государственный деятель Бенджамин Франклин обнаружил, что может концентрировать заряд в «лейденской банке», которая по сути представляла собой стеклянную банку с двумя листами металлической фольги, один внутри и один снаружи, со стеклом между ними ((Рисунок)) .Это создавало большую электрическую силу между двумя листами фольги.

Лейденская банка (ранняя версия того, что сейчас называется конденсатором) позволяла экспериментаторам накапливать большое количество электрического заряда. Бенджамин Франклин использовал такую ​​банку, чтобы продемонстрировать, что молния ведет себя точно так же, как электричество, которое он получал от оборудования в своей лаборатории.

Франклин указал, что наблюдаемое поведение можно объяснить, если предположить, что один из двух типов заряда остается неподвижным, а другой тип заряда перетекает с одного куска фольги на другой.Далее он предложил называть избыток того, что он назвал «электрическим флюидом», «положительным электричеством», а его недостаток — «отрицательным электричеством». Его предложение, с некоторыми незначительными изменениями, является моделью, которую мы используем сегодня. (С экспериментами, которые он смог провести, это была чистая догадка; у него не было возможности определить знак движущегося заряда. К сожалению, он ошибся; теперь мы знаем, что движущиеся заряды — это те заряды, которые Франклин назвал отрицательные, а положительные заряды остаются в основном неподвижными.К счастью, как мы увидим, не имеет практического или теоретического значения, какой выбор мы делаем, пока мы остаемся последовательными в своем выборе.)

Давайте перечислим конкретные наблюдения этой электрической силы, которые у нас есть:

  • Сила действует без физического контакта между двумя объектами.
  • Сила может быть как притягивающей, так и отталкивающей: если два взаимодействующих объекта имеют одинаковый знак заряда, сила отталкивающая; если заряды противоположного знака, сила притяжения.Эти взаимодействия называются электростатическим отталкиванием и электростатическим притяжением соответственно.
  • Не на все объекты действует эта сила.
  • Величина силы уменьшается (быстро) с увеличением расстояния между объектами.

Точнее, экспериментально мы находим, что величина силы уменьшается по мере увеличения квадрата расстояния между двумя взаимодействующими объектами. Так, например, когда расстояние между двумя взаимодействующими объектами удваивается, сила между ними уменьшается в четыре раза по сравнению с исходной системой.Мы также можем заметить, что окружение заряженных объектов влияет на величину силы. Однако мы рассмотрим этот вопрос в следующей главе.

Свойства электрического заряда

В дополнение к существованию двух типов заряда было обнаружено несколько других свойств заряда.

  • Заряд квантуется. Это означает, что электрический заряд поступает дискретно, и существует наименьшее возможное количество заряда, которое может иметь объект.В системе СИ эта наименьшая сумма равна . Никакая свободная частица не может иметь меньше заряда, чем это, и, следовательно, заряд любого объекта — заряд всех объектов — должен быть целым числом, кратным этой сумме. Все макроскопические заряженные объекты имеют заряд, потому что электроны либо присоединяются к ним, либо отнимаются от них, что приводит к суммарному заряду.
  • Величина заряда не зависит от типа. Другими словами, наименьший возможный положительный заряд (до четырех значащих цифр) равен , а наименьший возможный отрицательный заряд равен ; эти значения точно равны.Просто так проявились законы физики в нашей Вселенной.
  • Заряд сохраняется. Заряд нельзя ни создать, ни уничтожить; его можно только переносить с места на место, с одного предмета на другой. Часто мы говорим об «отмене» двух сборов; это словесная стенограмма. Это означает, что если два объекта с одинаковыми и противоположными зарядами физически близки друг к другу, то (противонаправленные) силы, которые они прикладывают к какому-либо другому заряженному объекту, компенсируются, так что результирующая сила равна нулю.Однако важно, чтобы вы понимали, что заряды на объектах ни в коем случае не исчезают. Чистый заряд Вселенной постоянен.
  • Заряд сохраняется в закрытых системах. В принципе, если отрицательный заряд исчезнет с вашего лабораторного стола и снова появится на Луне, закон сохранения заряда все равно сохранится. Однако этого никогда не происходит. Если общий заряд вашей локальной системы на лабораторном столе меняется, будет измеримый поток заряда в систему или из нее.Опять же, заряды могут перемещаться и действительно перемещаются, а их эффекты могут и отменяются, но чистый заряд в вашем локальном окружении (если он закрыт) сохраняется. Последние два пункта называются законом сохранения заряда.

Источник зарядов: структура атома

Как только стало ясно, что вся материя состоит из частиц, которые стали называть атомами, также быстро стало ясно, что в состав атома входят как положительно заряженные, так и отрицательно заряженные частицы.Следующий вопрос заключался в том, каковы физические свойства этих электрически заряженных частиц?

Отрицательно заряженная частица была открыта первой. В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томсон изучал то, что тогда было известно как катодных лучей . За несколько лет до этого английский физик Уильям Крукс показал, что эти «лучи» заряжены отрицательно, но его эксперименты не могли сказать больше. (Тот факт, что они несли отрицательный электрический заряд, убедительно доказывал, что это вовсе не лучи, а частицы.) Томсон подготовил чистый пучок этих частиц и отправил их через скрещенные электрические и магнитные поля, регулируя различные значения напряженности поля до тех пор, пока результирующее отклонение луча не стало равным нулю. С помощью этого эксперимента он смог определить отношение заряда к массе частицы. Это соотношение показало, что масса частицы была намного меньше, чем у любой другой ранее известной частицы — фактически в 1837 раз меньше. В конце концов эту частицу стали называть электроном.

Поскольку атом в целом электрически нейтрален, следующий вопрос заключался в том, чтобы определить, как положительные и отрицательные заряды распределяются внутри атома.Сам Томсон воображал, что его электроны заключены в нечто вроде положительно заряженной пасты, размазанной по всему объему атома. Однако в 1908 году новозеландский физик Эрнест Резерфорд показал, что положительные заряды атома существуют внутри крошечного ядра, называемого ядром, которое занимает лишь очень малую часть общего объема атома, но содержит более 99% заряда. массы. (См. Линейный импульс и столкновения.) Кроме того, он показал, что отрицательно заряженные электроны постоянно вращаются вокруг этого ядра, образуя своего рода электрически заряженное облако, окружающее ядро ​​((Рисунок)).Резерфорд пришел к выводу, что ядро ​​состоит из маленьких массивных частиц, которые он назвал протоном s .

Эта упрощенная модель атома водорода показывает положительно заряженное ядро ​​(состоящее, в случае водорода, из одного протона), окруженное электронным «облаком». Заряд электронного облака равен (и противоположен по знаку) заряду ядра, но электрон не имеет определенного положения в пространстве; следовательно, его представление здесь в виде облака.Нормальные макроскопические количества материи содержат огромное количество атомов и молекул и, следовательно, еще большее количество отдельных отрицательных и положительных зарядов.

Поскольку было известно, что разные атомы имеют разные массы и что обычно атомы электрически нейтральны, было естественно предположить, что разные атомы имеют разное число протонов в ядре с одинаковым числом отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг положительно заряженных электронов. ядра, что делает атомы в целом электрически нейтральными.Однако вскоре было обнаружено, что хотя самый легкий атом, водород, действительно имеет один протон в качестве ядра, следующий по тяжести атом — гелий — имеет в два раза больше протонов (два), но в 90 777 раз больше массы водорода в четыре раза в 90 007 раз. .

Эта загадка была разрешена в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком с открытием нейтрона. Нейтрон, по сути, является электрически нейтральным близнецом протона, без электрического заряда, но (почти) с такой же массой, что и протон.Таким образом, ядро ​​гелия имеет два нейтрона вместе с двумя протонами. (Более поздние эксперименты должны были показать, что, хотя нейтрон в целом электрически нейтрален, он имеет внутренний заряд 90 777 структуры 90 007 . масса нейтрона очень немного больше, чем масса протона.Этот небольшой избыток массы оказался очень важным.Это, однако, история, которую придется подождать до нашего изучения современной физики в ядерной физике.)

Таким образом, в 1932 г. атом представлял собой маленькое массивное ядро, состоящее из комбинации протонов и нейтронов, окруженное совокупностью электронов, совместное движение которых формировало вокруг ядра своего рода отрицательно заряженное «облако» (( Фигура)). В электрически нейтральном атоме общий отрицательный заряд совокупности электронов равен общему положительному заряду ядра. Электроны с очень малой массой могут быть более или менее легко удалены или добавлены к атому, изменяя суммарный заряд атома (хотя и не меняя его типа).Атом, заряд которого изменился таким образом, называется ионом. У положительных ионов были удалены электроны, тогда как у отрицательных ионов были добавлены лишние электроны. Мы также используем этот термин для описания молекул, которые не являются электрически нейтральными.

Ядро атома углерода состоит из шести протонов и шести нейтронов. Как и в водороде, окружающие шесть электронов не имеют определенного местоположения, и поэтому их можно рассматривать как своего рода облако, окружающее ядро.

Однако история атома на этом не заканчивается.Во второй половине двадцатого века в ядре атома было обнаружено гораздо больше субатомных частиц: среди прочих пионов, нейтрино и кварков. За исключением фотона, ни одна из этих частиц не имеет прямого отношения к изучению электромагнетизма, поэтому мы отложим их дальнейшее обсуждение до главы о физике элементарных частиц (Физика элементарных частиц и космология).

Примечание по терминологии

Как отмечалось ранее, электрический заряд — это свойство, которым может обладать объект.Это похоже на то, как объект может иметь свойство, которое мы называем массой, свойство, которое мы называем плотностью, свойство, которое мы называем температурой, и так далее. Технически мы всегда должны говорить что-то вроде: «Предположим, у нас есть частица, несущая заряд». Однако очень часто вместо этого говорят: «Предположим, у нас есть заряд». Точно так же мы часто говорим что-то вроде «Шесть зарядов расположены в вершинах правильного шестиугольника». Заряд — это не частица; скорее, это свойство частицы.Тем не менее, эта терминология чрезвычайно распространена (и часто используется в этой книге, как и везде). Итак, держите в уме, что мы на самом деле имеем в виду, когда говорим о «заряде».

Резюме

  • Есть только два типа заряда, которые мы называем положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, и сила между зарядами уменьшается пропорционально квадрату расстояния.
  • Подавляющее большинство положительного заряда в природе переносится протонами, тогда как подавляющее большинство отрицательного заряда переносится электронами.Электрический заряд одного электрона равен по величине и противоположен по знаку заряду одного протона.
  • Ион — это атом или молекула, которые имеют ненулевой общий заряд из-за неравного числа электронов и протонов.
  • Единицей заряда в СИ является кулон (Кл), при этом протоны и электроны имеют заряды противоположного знака, но одинаковой величины; величина этого основного заряда равна
  • В нейтральных объектах существуют как положительные, так и отрицательные заряды, и их можно разделить, приведя два объекта в физический контакт; трение объектов друг о друга может удалить электроны из связей в одном объекте и разместить их на другом объекте, увеличивая разделение зарядов.
  • Для макроскопических объектов отрицательно заряженный означает избыток электронов, а положительно заряженный означает истощение электронов.
  • Закон сохранения заряда утверждает, что чистый заряд замкнутой системы постоянен.

Концептуальные вопросы

В большинстве объектов содержится очень большое количество заряженных частиц. Почему же тогда большинство объектов не обладают статическим электричеством?

В основном присутствует одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, что делает объект электрически нейтральным.

Почему большинство объектов, как правило, содержат примерно одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов?

Положительно заряженный стержень притягивает небольшой кусочек пробки. а) Можем ли мы заключить, что пробка заряжена отрицательно? б) Стержень отталкивает еще один маленький кусочек пробки. Можем ли мы заключить, что этот кусок заряжен положительно?

Два тела электрически притягиваются друг к другу. Они оба должны быть обвинены? Ответьте на тот же вопрос, если тела отталкиваются друг от друга.

Как бы вы определили, является ли заряд на конкретном стержне положительным или отрицательным?

Возьмите предмет с известным зарядом, положительным или отрицательным, и поднесите его к стержню.Если известный заряженный объект положителен и отталкивается от стержня, стержень заряжается положительно. Если положительно заряженный объект притягивается к стержню, стержень заряжается отрицательно.

Глоссарий

кулон
Единица электрического заряда в СИ
электрический заряд
физическое свойство объекта, которое заставляет его притягиваться к другому заряженному объекту или отталкиваться от него; каждый заряженный объект генерирует и подвергается воздействию силы, называемой электрической силой 90 299.
электрическая сила
бесконтактная сила, наблюдаемая между электрически заряженными объектами
электрон
частица, окружающая ядро ​​атома и несущая наименьшую единицу отрицательного заряда
электростатическое притяжение
явление притяжения двух тел с противоположными зарядами
электростатическое отталкивание
явление отталкивания двух объектов с одинаковыми зарядами
ион
атом или молекула с большим или меньшим количеством электронов, чем у протонов
закон сохранения заряда
чистый электрический заряд замкнутой системы постоянен
нейтрон
нейтральная частица в ядре атома с массой (почти) такой же, как у протона
протон
частица в ядре атома, несущая положительный заряд, равный по величине количеству отрицательного заряда, переносимого электроном
статическое электричество
накопление электрического заряда на поверхности объекта; расположение заряда остается постоянным («статическим»)
Таблица преобразования

: Электрический заряд

Нотация E является альтернативным форматом научной нотации 10 x .
Например: 10 3 = E+3.

Базовые блоки отмечены черным цветом.

Производные единицы отмечены серым цветом.

0 Таблица преобразования: электрический заряд
единичное название соотношение к кулоноту [C]
abcoulomb [abc] 10 [C]
час ампер [HR] 3600 C]
миллиампер-час 3.6 [C]
килоампера часа 3.6E + 6 [C] 36E + 6 [C]
Megaampere Hour 3.6E + 9 [C]
минута ампер [мин] 60 [C]
Milliampere Minute 0,06 [C]
килоамперов минута
6E + 4 [C] 6E + 4 [C]
Megaampere минут 6E + 7 [C]
Ampere Second [A S] 1 [C]
ампер миллисекунда 0.001 [C]
Milliampere Millisecond 1e-6 [C]
Milliampere Второй
0,001 [C]
Kiloamame Millisecond 1 [C]
Kiloampere Второй 1000 [C]
Megaampere Millisecond 1000 [C]
Megaampere Второй
1E + 6 [C]
Coulob [C] 1 [C]
Millicoulomb 0.001 [C]
килокулумба 1000 [C] 1000 [C]
Megacoulomb 1E + 6 [C]
электростатическая единица зарядки [ESU] 3.33564E-10 [C]
Elementary Charge 1.6002176E-19 [C]
EMU зарядки 10 [C] 10 [C]
ESU ESU зарядки 3.33564E-10 [C]
Franklin [FR] 3.33564E-10 [C]
статкулон [статC] 3.33564E-10 [К]

Конвертер электрического заряда • Электротехника • Компактный калькулятор • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер массы Сухой объем и общие измерения для приготовления пищиКонвертер площадиКонвертер объема и общего измерения для приготовления пищиПреобразователь температурыПреобразователь давления, напряжения, модуля ЮнгаПреобразователь энергии и работыПреобразователь силыПреобразователь силыПреобразователь времениПреобразователь линейной скорости и скоростиПреобразователь угла Топливо Конвертер эффективности, расхода топлива и экономии топливаКонвертер чиселКонвертер единиц хранения информации и данныхКурсы обмена валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиПреобразователь угловой скорости и частоты вращенияПреобразователь ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаПреобразователь момента инерцииПреобразователь момента силыИмпульсПреобразователь крутящего моментаУдельная энергия, теплота сгорания (на массу) КонвертерУдельная энергия, теплота сгорания (на объем) КонвертерTe Конвертер интервалов Конвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер теплового сопротивленияКонвертер теплопроводностиКонвертер удельной теплоемкостиПлотность теплоты, плотность пожарной нагрузкиКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплопередачиКонвертер объемного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расхода Конвертер массового потокаКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкости Конвертер натяженияПреобразователь проницаемости, проницаемости, паропроницаемостиПреобразователь коэффициента пропускания паров влагиПреобразователь уровня звукаПреобразователь чувствительности микрофонаПреобразователь уровня звукового давления (SPL)Преобразователь уровня звукового давления с выбираемым эталонным давлениемПреобразователь яркостиПреобразователь силы светаПреобразователь освещенностиПреобразователь разрешения цифрового изображенияПреобразователь частоты и длины волныПреобразователь оптической мощности (диоптрий) в фокусное расстояниеОптическая мощность ( диоптрий) → Увеличение (X) Con преобразователь электрического зарядаПреобразователь линейной плотности зарядаПреобразователь плотности поверхностного зарядаПреобразователь плотности заряда объемаПреобразователь токаПреобразователь линейной плотности токаПреобразователь плотности поверхностного токаПреобразователь напряженности электрического поляПреобразователь электрического потенциала и напряженияПреобразователь электрического сопротивленияПреобразователь удельного электрического сопротивленияПреобразователь электрической проводимостиПреобразователь электрической проводимостиПреобразователь емкостиПреобразователь индуктивности Ватт и другие единицы измерения. Преобразователь магнитодвижущей силы. Преобразователь напряженности магнитного поля. Преобразователь магнитного потока.Преобразователь радиоактивного распадаПреобразователь радиационного воздействияИзлучение. Конвертер поглощенной дозыКонвертер метрических приставок Конвертер передачи данных Конвертер типографских единиц и единиц цифровой обработки изображений Конвертер единиц измерения объема пиломатериаловКалькулятор молярной массыПериодическая таблица синтетических материалов. Таким образом, мы становимся генераторами статического электричества. Фактически мы каждый день «окутаны» статическим электричеством, потому что живем в сильном электростатическом поле Земли.Это поле создается потому, что Земля окружена верхним слоем атмосферы, ионосферой, которая проводит электричество. Ионосфера сформировалась под воздействием космического излучения и имеет свой заряд. Занимаясь повседневными делами, такими как разогрев еды, мы обычно не думаем, что существенно используем статическое электричество, когда поджигаем газ на газовой горелке с автоматическим розжигом или с помощью электрической зажигалки.

Примеры статического электричества

Молнии на Земле.Вид с Международной космической станции. Фотографии НАСА.

В детстве, а иногда и во взрослом возрасте мы боимся грома, хотя сам по себе гром безвреден и представляет собой всего лишь природный «звуковой эффект» молнии — увлекательное зрелище, вызванное статическим электричеством в атмосфере. Это просто наш инстинкт бояться грома — этот страх заставляет нас осознать опасность молнии. Молния — не единственное подобное явление, вызывающее одновременно и страх, и восхищение. В прошлом, когда парусники были обычным явлением, моряки поражались благоговению перед Св.Эльмо ​​возгорает на мачтах своих парусников, вызванное статическим электричеством в атмосфере. Электричество имело свое место и в мифологии — люди ассоциировали молнию с древними богами: греческим Зевсом, римским Юпитером, скандинавским Тором или славянским Перуном.

Самолет Air Canada садится на землю во время дозаправки

Люди на протяжении многих веков увлекаются электричеством, и мы часто не осознаем, что ученые, изучавшие статическое электричество и пришедшие к многим полезным выводам о его свойствах, спасли нас от ужасы пожаров и взрывов.Мы укротили статическое электричество, используя громоотводы для наших зданий и заземляющие устройства для обеспечения безопасности бензовозов. Несмотря на это, статическое электричество продолжает нарушать нашу повседневную жизнь, создавая помехи для радиосигналов. Это неудивительно: в каждый момент времени бывает до 2000 гроз, генерирующих до 50 разрядов молнии в секунду.

Люди изучают статическое электричество с древних времен. Даже само слово «электрон» пришло к нам из древнегреческого, хотя тогдашнего значения оно не имело.Вместо этого оно означало янтарь — материал, который очень хорошо электризуется при растирании (древнегреческое ἤλεκτρον — янтарь). К сожалению, изучение статического электричества не обошлось без жертв: во время проведения опытов Георг Вильгельм Рихман, русский ученый, был убит молнией, самым смертоносным явлением, вызываемым статическим электричеством.

Статическое электричество и погода

Вообще говоря, механизм накопления грозовым облаком электрического заряда очень похож на процесс электризации расчески — зарядка в обоих случаях происходит за счет трения.Ледяные частицы в облаке образуются из капель воды по мере их перемещения из нижних и более теплых слоев атмосферы вверх в более холодные. Эти ледяные частицы сталкиваются при движении. Более крупные частицы приобретают отрицательный заряд, а более мелкие — положительный. Разница в весе частиц вызывает движение частиц внутри облака, при этом более тяжелые собираются внизу, а более легкие и мелкие — вверху облака. Это движение называется восходящим потоком.Несмотря на то, что облако в целом заряжено нейтрально, нижняя его часть заряжена отрицательно, а вершина — положительно.

Бенджамин Франклин на 100-долларовой банкноте

Подобно тому, как наэлектризованная расческа притягивает воздушный шар, потому что электрический заряд концентрируется на его стороне, которая ближе к щетке, так и грозовое облако, создающее положительный заряд на поверхности земли. По мере того, как облако превращается в грозовое, заряд растет, а плотность поля увеличивается.Как только эта плотность достигает критической точки для данных погодных условий, возникает электростатический разряд, то есть молния.

Доверься Богу, но заземли свой дом!

Человечество обязано изобретением громоотвода Бенджамину Франклину, ученому, который впоследствии стал президентом Пенсильвании и первым генеральным почтмейстером США. С момента его изобретения количество пожаров, вызванных попаданием молнии в здания, в основном было искоренено. Франклин решил не патентовать свое изобретение, сделав его доступным для всех людей на планете.

Иногда молния может быть полезна. Например, исторически специалисты по добыче железа и меди, работавшие на уральских рудниках в России, определяли наличие этих руд по частоте ударов молнии в данной местности.

Лейденские банки. Канадский музей науки и техники.

Говоря об ученых, изучавших электростатические явления, важно вспомнить британского физика Майкла Фарадея, отца электродинамики, а также голландского ученого Питера ван Мусшенбрука, изобретателя прототипа конденсатора — знаменитой лейденской банки. .

Наблюдая за автомобильными гонками, такими как Deutsche Tourenwagen Masters (DTM), IndyCar или Formula 1, мы часто не осознаем, что автомеханики выбирают, использовать ли дождевые шины или нет, основываясь на информации, собранной местными метеорологическими радарами. Эти данные, в свою очередь, основаны на электрических характеристиках облаков над районом.

Метеорологический радар в аэропорту Торонто Пирсон

Статическое электричество — и наш друг, и наш враг. Инженерам-электрикам приходится работать над этим.Молния может повредить печатные платы, расположенные в непосредственной близости от места удара — обычно в этом случае повреждаются их входные каскады. Инженеры должны использовать заземляющие ленты при фиксации этих печатных плат. Когда заземляющее оборудование не работает должным образом, это может привести к серьезным авариям и даже катастрофам с многочисленными человеческими жертвами, от пожаров до взрывов целых заводов.

Статическое электричество в медицине

Несмотря на многочисленные проблемы, вызываемые статическим электричеством, оно помогает людям с опасной для жизни фибрилляцией желудочков — состоянием, при котором происходят хаотические сокращения сердечной мышцы.Сердце можно вернуть к нормальному функционированию, подвергнув его небольшому электростатическому заряду. Это делается с помощью устройства, называемого дефибриллятором. Важно отметить, что это устройство не перезапускает сердце, а останавливает неправильный ритм и используется вместе с другими методами лечения. Сцена «возвращения к жизни» больного с острой сердечной недостаточностью с помощью дефибриллятора является классической для фильмов определенного жанра. В фильмах часто делают ошибку, показывая оживление пациента без сердцебиения (что видно по прямой линии на мониторе) с помощью дефибриллятора.Это неверно — дефибриллятор не может «перезапустить» сердце.

Статические разрядники на крыле самолета Боинг 738-800 предназначены для контроля коронного разряда в атмосферу и обеспечения надежной работы бортового навигационно-связного оборудования

Другие примеры

Не следует забывать о необходимости подключения всех отдельных компоненты самолета соединяются между собой полосами для защиты от статического электричества. Для этого все металлические части самолета, включая двигатель, соединяются друг с другом, образуя электрически целостную конструкцию.Все задние кромки крыльев, закрылки, элероны, руль высоты и руль направления самолета снабжены разрядниками статического электричества, обеспечивающими отвод статического электричества, возникающего во время полета вследствие трения самолета о воздух, в воздух. Это снижает влияние статического электричества на работу бортовых электронных устройств.

Электростатические эксперименты — одни из самых захватывающих в разделе об электричестве школьных курсов физики: волосы, стоящие прямо, воздушные шарики, которые гоняются за щетками для волос, таинственное свечение флуоресцентных ламп, не подключенных к источнику питания, и многое другое! Это свечение спасает жизнь электрикам, работающим с высоковольтными линиями электропередач и распределительными устройствами.

Наиболее важным аспектом статического электричества является его роль в жизни на Земле. Ученые пришли к выводу, что жизнь, какой мы ее знаем, возникла благодаря электростатике. Ранние эксперименты, проведенные в середине 20-го века, показали, что передача электрического заряда через смесь газов, подобная той, которая присутствовала в атмосфере Земли примерно в то время, когда зародилась жизнь, генерирует аминокислоту, которая является одним из строительных блоков жизнь.

Источники бесперебойного питания или ИБП используются для защиты от отключения электроэнергии или скачков напряжения, например, во время удара молнии.

Чтобы укротить статическое электричество, важно знать разницу между потенциалами или электрическим напряжением. Для этой цели были изобретены устройства, называемые вольтметрами. Понятие электрического напряжения было введено итальянским ученым XIX века Алессандро Вольта, а единицы измерения напряжения были названы в его честь «вольтами». До изобретения вольтметров для измерения электростатического напряжения использовались различные устройства, называемые гальванометрами. Термин «гальванометр» произошел от фамилии другого итальянского ученого, Луиджи Гальвани.К сожалению, измерительный механизм электродинамической системы, применяемой в гальванометрах, искажал измерения.

Изучение статического электричества

Считается, что систематическое изучение электростатики началось в 18 веке с работ французского ученого Шарля-Огюстена де Кулона. В частности, именно он ввел понятие электрического заряда и сформулировал закон, описывающий взаимодействие между электрическими зарядами. Единица измерения количества электричества, а именно электрический заряд, названа в его честь кулоном (Кл).Справедливости ради следует отметить, что британский ученый Генри Кавендиш также работал над подобными проблемами до Кулона, но он не опубликовал эту работу при жизни — она была опубликована его наследниками примерно через 100 лет.

Более ранние исследования электричества позволили физикам Джорджу Грину, Карлу Фридриху Гауссу и Симеону Дени Пуассону создать элегантную математическую модель электричества. Мы используем его по сей день. Эта модель основана на концепции электрона, который является субатомной частицей.Каждый атом содержит электроны, и их можно легко отделить от атомной структуры при приложении внешних сил. Принцип отталкивания одинаково заряженных частиц и притяжения частиц с противоположными зарядами также является основополагающим в нашем понимании электричества.

Измерение электрических величин

Цифровой мультиметр для измерения тока, напряжения, сопротивления и проверки транзисторов

Одно из первых устройств, используемых для количественного измерения электричества, было разработано британским физиком Абрахамом Беннетом.Он состоял из двух кусков золотой фольги внутри стеклянного контейнера. С тех пор измерительные устройства значительно улучшились, и теперь они могут измерять в таких малых единицах, как нанокулоны (нКл). Используя очень точные измерительные приборы, русский физик Абрам Иоффе и американский физик Роберт Эндрюс Милликен смогли измерить электрический заряд электрона.

С развитием цифровых технологий были созданы высокочувствительные измерительные приборы. Они обладают уникальными характеристиками, позволяющими работать с минимальными и почти незаметными искажениями.Это связано с их высоким входным сопротивлением. Помимо измерения напряжения, эти устройства могут измерять другие важные характеристики в широком диапазоне измерений, такие как омическое сопротивление и протекание электрического тока. Самые продвинутые устройства называются мультиметрами или мультитестерами из-за их диапазона функциональных возможностей. Также измеряют частоту переменного тока и емкость конденсаторов. Кроме того, они позволяют пользователю тестировать транзисторы и даже измерять температуру.

Как правило, современные устройства имеют функции безопасности, которые предотвращают поломку устройства при неправильном использовании.Они маленькие и простые в использовании. Они также безопасны — безопасность проверяется в тяжелых условиях работы с помощью комплекса тестов. Их также проверяют на точность. По окончании испытаний прибор получает сертификат, свидетельствующий о его безопасности и точности.

Ссылки

Эта статья была написана Сергеем Акишкиным

У вас есть трудности с переводом единицы измерения на другой язык? Помощь доступна! Разместите свой вопрос в TCTerms и вы получите ответ от опытных технических переводчиков в считанные минуты.

Расчеты для преобразователя электрического заряда выполнены с использованием математики с сайта unitconversion.org.

1. Электрический заряд — LibreTexts по физике

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Электрический заряд аналогичен массе
  2. Единицы электрического заряда

Почти все основные идеи, которые мы исследуем с электрическими полями, обобщены и представлены в предыдущем разделе обо всех полях.Если вы не читали этот раздел, вернитесь к нему и прочитайте сейчас. Этот раздел поможет вам применить идеи, которые были несколько знакомы в гравитационном контексте, в новой области. К концу этого раздела вы поймете, что такое электрический заряд, электрическая сила, электрическое поле, электрическая потенциальная энергия и электрический потенциал.

Ранее мы говорили, что притяжение Земли сильнее притяжения Луны. Мы смогли количественно подтвердить это утверждение, определив, что на поверхности Земли гравитационное поле больше, чем у Луны.Это означало, что данная масса ощущала на поверхности Земли большую гравитационную силу, чем на поверхности Луны. Мы определили силу гравитационного поля, учитывая сферическую массу и радиус соответствующего тела; численно можно показать, что гравитационное поле Земли сильнее.

Чтобы сделать аналогичный вывод об электрических полях, мы должны определить электрический аналог массы. Вероятно, вас не удивит, что этот аналог представляет собой электрический заряд .{−19} \text{ C}\) считается фундаментальным, поскольку все наблюдаемые частицы или объекты с зарядом имеют некоторое целое число, кратное этому значению.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.