Дискретная природа электрического заряда

1.Электрический заряд и его свойства. Дискретность. Элементарный электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая электромагнитное взаимодействие. Тело заряжено отрицательно, если на нем избыток электронов, положительно – дефицит.

Перечислим свойства зарядов

1. Существуют заряды двух видов; отрицательные и положительные. Разноименные заряды притягиваются, одноименные отталкиваются. Носителем элементарного, т.е. наименьшего, отрицательного заряда является электрон, заряд которого qe= -1,6*10-19Кл, а масса mе=9,1*10-31кг. Носителем элементарного положительного заряда является протон qр=+1,6*10-19Кл, масса mр=1,67*10-27кг.

2. Электрический заряд имеет дискретную природу. Это означает, что заряд любого тела кратен заряду электрона q=Nqe, где N – целое число. Однако мы, как правило, не замечаем дискретности заряда, так как элементарный заряд очень мал.

3. В изолированной системе, т.е. в системе, тела которой не обмениваются зарядами с внешними по отношению к ней телами, алгебраическая сумма зарядов сохраняется (закон сохранения заряда).

4. Эл. заряд всегда можно передать от одного тела к другому.

5. Единица заряда в СИ – кулон (Кл). По определению, 1 кулон равен заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока 1 А.

6. Закон сохранения электрического заряда.

Внутри замкнутой системы при любых взаимодействиях алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной:

Изолированной (или замкнутой) системой мы будем называть систему тел, в которую не вводятся извне и не выводятся из нее электрические заряды.

Нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением равного по модулю отрицательного заряда. Ни положительный, ни отрицательный заряд не могут исчезнуть в отдельности, они могут лишь взаимно нейтрализовать друг друга, если равны по модулю.

Так элементарные частицы способны превращаться друг в друга. Но всегда при рождении заряженных частиц наблюдается появление пары частиц с зарядами противоположного знака. Может наблюдаться и одновременное рождение нескольких таких пар. Исчезают заряженные частицы, превращаясь в нейтральные, тоже только парами. Все эти факты не оставляют сомнений в строгом выполнении закона сохранения электрического заряда.

Элементарный заряд — минимальный заряд, разделить который невозможно.

2.Электрическое поле. Закон Кулона. Диэлектрическая проницаемость.

Взаимодействие электрических зарядов объясняется тем, что вокруг каждого заряда существует электрическое поле. Электрическое поле заряда – это материальный объект, оно непрерывно в пространстве и способно действовать на другие электрические заряды. Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами, существует в пространстве, окружающем эти заряды и неразрывно с ними связано.

Электрическое поле заряда – материальный объект, оно непрерывно вы пространстве и способна действовать на другие электрические заряды. Если к электроскопу, не касаясь его оси, поднести на некотором расстоянии заряженную палочку, то стрелка все равно будет откланяться. Это и есть действие электрического поля.

Закон Кулона— основной закон электростатики.

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Когда тела считаются точечными? — если расстояние между ними во много раз больше размеров тел.

Если у двух тел есть электрические заряды, то они взаимодействуют по закону Кулона.

ДИЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ ПРОНИЦА́ЕМОСТЬ, безразмерная величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия F между электрическими зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия Fo в вакууме:

Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, количественно характеризуя свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.

Значение относительной диэлектрической проницаемости вещества, характеризующее степень его поляризуемости, определяется механизмами поляризации. Однако величина в большой мере зависит и от агрегатного состояния вещества, так как при переходах из одного состояния в другое существенно меняется плотность вещества, его вязкость и изотропность.

3.Напряженность тела. Силовые линии поля. Принцип суперпозиции. Заряды, находясь на некотором расстоянии один от другого, взаимодействуют. Это взаимодействие осуществляется посредством электрического поля. Наличие электрического поля можно обнаружить, помещая в различные точки пространства электрические заряды. Если на заряд в данной точке действует электрическая сила, то это означает, что в данной точке пространства существует электрическое поле. Силовой характеристикой электрического поля служит напряженностьE. Если на находящийся в некоторой точке заряд q0 действует сила F, то напряженность электрического поля Е равна: Е=F/q0. Графически силовые поля изображают силовыми линиями. Силовая линия – это линия, касательная в каждой точке которой совпадает с вектором напряженности электрического поля в этой точке.

Напряженность электрического поля – это физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный заряд, помещенный в данную точку поля. За направление вектора напряженности принимают направление силы, действующей на точечный положительный заряд.

Однородное электрическое поле – это такое поле, во всех точках которого напряженность имеет одно и то же абсолютное значение и направление. Приблизительно однородным является электрическое поле между двумя разноименно заряженными металлическими пластинами. Силовые линии такого поля являются прямыми одинаковой густоты.

Если на заряд действуют одновременно несколько электрических полей, то напряженность поля равна векторной сумме напряженностей всех полей (принцип суперпозиции):

Источник

3.1. Электрический заряд. Дискретность заряда. Закон сохранения электрического заряда Закон Кулона.

По современным представлениям, электрический заряд является скалярной физической величиной, которая характеризует способность тел вступать в электромагнитные взаимодействия и его величина определяет интенсивность этих взаимодействий.

Что же представляет собой электрический заряд? Для того, чтобы составить себе представление об этом понятии, можно перечислить свойства, которыми обладают электрические заряды.

1) Существует два типа зарядов — положительные или отрицательные, им соответствуют два типа взаимодействия: одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные – притягиваются.

2) Электрический заряд величина релятивистски инвариантная, т.е. он не изменяется при движении с любыми скоростями и не зависит от выбора системы отсчета.

3) Заряд обладает свойством аддитивности, т.е. заряд любой системы равняется алгебраической сумме зарядов частиц, составляющих эту систему.

4) Электрический заряд – дискретен, т.е. заряды всех тел и частиц, вступающих в электрические взаимодействия, состоят из целого числа элементарных зарядов. В природе в свободном состоянии существуют частицы, имеющие минимальный по модулю заряд, равный . Поэтому

, (1.1)

где N — целое число. В этом заключается дискретность электрического заряда. Заряд электрона равен , т.е. является отрицательным и численно равным элементарному заряду, а заряд протона является положительным по знаку и численно равным элементарному заряду.

5) М. Фарадеем был сформулирован закон сохранения заряда: в любой электроизолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается величиной постоянной

Замкнутая система: const. (1.2)

В 1785 году Ш Кулоном с помощью изобретенных им крутильных весов экспериментально был установлен закон взаимодействия неподвижных точечных зарядов. «Точечным» называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстояниями до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует. Закон Кулона: силы, с которыми взаимодействуют два неподвижных точечных заряда в вакууме, прямо пропорциональны произведению этих зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними; силы направлены вдоль прямой, соединяющей эти заряды:

, (1.3)

где — сила, с которой первый заряд действует на второй заряд, а — радиус – вектор, проведенный от первого заряда ко второму заряду.

Входящая в формулу (1.3) величина Ф/м называется электрической постоянной, она возникает при записи формулы закона в международной системе единиц СИ, а коэффициент k пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц в системе СИ равен

.

Если взаимодействующие заряды находятся в однородной и изотропной диэлектрической среде, то в знаменателе формулы (1.3) появляется безразмерная величина — диэлектрическая проницаемость среды, которая показывает во сколько раз сила взаимодействия зарядов в данной среде меньше, чем их сила взаимодействия в вакууме.

Для вакуума ε = 1, для всех сред ε>1, но с достаточной степенью точности при проведении многих расчетов можно принять для газов ( и для воздуха).

Источник

Электрический заряд и его свойства. Закон сохранения электрического заряда. Электрический заряд и его свойства.

3) алгебраическая сумма электрических зарядов замкнутой системы остается постоянной (закон сохранения электрического заряда); или , 4) электрический заряд — величина релятивистки инвариантная, т.е. не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется заряд или покоится.

Закон сохранения электрического заряда.

Закон сохранения электрического заряда утверждает: электрические заряды не возникают и не исчезают, они могут быть лишь переданы от одного тела другому или перемещены внутри данного тела. Это фундаментальный закон природы, экспериментально подтвержденный в 1843 году английским физиком М. Фарадеем: или , т.е. алгебраическая сумма зарядов замкнутой системы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними телами) остается постоянной.

1. Взаимодействие зарядов. Закон Кулона.

Взаимодействие зарядов. Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует. Понятие точечного заряда, как материальной точки является физической абстракцией.

Закон Кулона

Закон Кулона утверждает: сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядамии обратно пропорциональна квадрату расстоянияr между ними. Этот закон можно записать в виде: , (1) где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. В СИ , где величина– электрическая постоянная. Она относится к числу фундаментальных физических постоянных: Ф/м или . (Фарад (Ф)– единица электроемкости.) Тогда численное значение коэффициента . Кулон экспериментально установил, что силы, действующие на заряды, являются центральными, т.е. они направлены вдоль прямой, соединяющей заряды (рис. 1.1). Рис. 1.1 Для одноименных зарядов (иилии) произведение, поэтому в формуле (1) силаF > 0 соответствует случаю взаимного отталкивания одноименных зарядов, а сила F < 0 – случаю взаимного притяжения разноименных зарядов. Закон Кулона (1) можно записать в векторной форме. Cила , действующая на зарядсо стороны зарядаравна: , где — радиус вектор, соединяющий зарядс зарядом,. Cила , действующая на зарядсо стороны зарядаравна: , где — радиус вектор, соединяющий зарядс зарядом,. Таким образом, кулоновские силы иподчиняются третьему закону Ньютона: . Относительная диэлектрическая проницаемость () среды показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между двумя точечными зарядами и, находящимися друг от друга на расстоянииr, меньше, чем в вакууме. Тогда, с учетом этого формула (1) примет вид: . (2) Такая форма записи закона Кулона общепринята в электротехнике и называется рационализированной. В векторной форме закон Кулона запишется: . (3)

1. Электростатическое поле. Напряженность поля. Графическое изображение электростатических полей. Принцип суперпозиции.

Источник