§ 16. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда
| Сайт: | Профильное обучение |
| Курс: | Физика. 10 класс |
| Книга: | § 16. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда |
| Напечатано:: | Гость |
| Дата: | Воскресенье, 5 Май 2024, 16:07 |
Что означает наличие электрического заряда у тела или частицы? Как взаимодействуют электрически заряженные тела?
Электрический заряд. О том, что янтарь, потёртый о шерсть, приобретает свойство притягивать лёгкие предметы (рис. 94), знали ещё древние греки. Однако только в 1600 г. лейб-медик королевы Англии доктор медицины Уильям Гильберт в книге «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле» дал первое систематизированное описание свойств электрических и магнитных материалов. Гильберт продемонстрировал, что кроме янтаря свойством притягивать лёгкие предметы обладают после натирания алмаз, сера, фарфор и многие другие тела. Он назвал их «электрическими» (ελεκτρον по-гречески — янтарь). Теперь мы говорим, что такие тела электрически заряжены, т. е. им сообщён электрический заряд.
Электрический заряд — физическая скалярная величина, характеризующая интенсивность электромагнитного взаимодействия тел (частиц).
Электрический заряд является источником электромагнитного поля, связанного с материальным носителем (телом или частицей). Электрический заряд, как и масса, не существует без тела или частицы.
Электрическим зарядам присущи следующие фундаментальные свойства:
1) электрические заряды существуют в двух видах, которые названы положительными и отрицательными (существование двух видов зарядов установил Шарль Дюфэ (1698‒1739) в 1733 г., а в 1747 г. Бенджамин Франклин (1706‒1790) приписал им знаки «+» и «‒»);
2) электрический заряд аддитивен, т. е. заряд любой системы тел (частиц) равен сумме зарядов тел (частиц), входящих в систему;
3) в любой электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов тел (частиц) не изменяется;
4) электрический заряд дискретен, т. е. электрический заряд любого тела (частицы) кратен элементарному электрическому заряду;
5) значение электрического заряда тела (частицы) не зависит от выбора системы отсчёта, следовательно, не зависит от того, движется оно (она) или покоится;
6) электрический заряд тела (частицы) не зависит ни от его (её) механического состояния, ни от каких-либо действующих на него (неё) сил.
Существуют два вида электрических зарядов, которые условились называть положительными и отрицательными. Причём при взаимодействии одноимённо заряженные тела (частицы) отталкивают друг друга (рис. 95, а), а разноимённо заряженные — притягивают друг друга (рис. 95, б).
Заряды разных тел (частиц) могут отличаться не только знаками, но и числовыми значениями.
За единицу электрического заряда в СИ принят кулон (Кл). Эта единица названа в честь Шарля Кулона (1736–1806). 1 Кл — величина электрического заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за промежуток времени 1 с при силе постоянного тока 1 А.
Интересно знать
Один кулон — очень большая величина заряда. Расчёты показывают, что на удалённом от всех остальных тел металлическом шаре, находящемся в сухом воздухе, может находиться избыточный заряд 1 Кл, если его диаметр не менее 110 м. Вместе с тем при включении автомобильных фар сила тока в цепи приблизительно 10 А, т. е. ежесекундно через поперечное сечение проводников, подсоединённых к фарам, проходит заряд приблизительно 10 Кл.
Элементарный заряд. На рубеже XIX и XX столетий учёные экспериментально установили, что в природе существует электрический заряд, модуль которого минимален. Этот заряд назвали элементарным. Вы знаете, что ядра всех атомов содержат протоны, которые являются носителями положительного элементарного заряда, а сами атомы содержат электроны, являющиеся носителями отрицательного элементарного заряда. Учёные с точностью порядка ~10–20 установили равенство модулей зарядов электрона и протона.
Модуль элементарного электрического заряда е = 1,6022 · 10–19 Кл. Обычно ограничиваются двумя значащими цифрами е = 1,6 · 10–19 Кл.
Электроны, протоны и нейтроны входят в состав всех тел, так как из них состоят атомы и молекулы любого вещества*. В электрически нейтральном теле алгебраическая сумма зарядов всех частиц равна нулю. Если каким-нибудь образом создать в таком теле избыток зарядов одного знака, то оно окажется заряженным. Заряд тела q образуется совокупностью элементарных зарядов и всегда кратен элементарному заряду е (электрический заряд дискретен):
q = е(Nр – Nе),
где Nр и Nе — числа протонов и электронов в данном теле.
Например, тело, заряд которого q1 = 5е, отличается от нейтрального тела недостатком пяти электронов, а тело, заряд которого q2 = –13е, — избытком тринадцати электронов.
Мы отмечали, что 1 Кл — это очень большой заряд. Какому избытку (недостатку) электронов в теле соответствует этот заряд?
Из истории физики
В 1881 г. немецкий физик Герман Гельмгольц (1821‒1894) чётко сформулировал идею Фарадея об атомности электричества: «Если мы допускаем существование химических атомов, то мы принуждены заключить отсюда далее, что также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определённые элементарные количества, которые играют роль атомов электричества».
Интересно знать
В одном моле вещества (~6 · 1023 молекул) заряженного тела обычно содержится относительно небольшое количество электронов (до ~1 · 1010), избыточных или недостающих по сравнению с числом протонов. так как масса электрона 9,1 · 10–31 кг, то это вызывает изменение массы одного моля заряженного тела не более чем на 9 · 10–31 кг · 1 · 1010 = 9 · 10–21 кг по сравнению с массой нейтрального тела. такое изменение массы, конечно, можно не учитывать.
* Исключением является водород, у которого ядра атомов — протоны. ↑
Закон сохранения электрического заряда. Вы знаете, что при трении соприкасающиеся тела электризуются, при этом модули противоположных по знаку зарядов, возникших на телах, равны. Проверим это на опыте. Наэлектризуем трением соприкасающиеся друг с другом эбонитовую палочку и кусочек меха или шерстяной ткани. Поместим поочерёдно внутрь металлической сферы, укреплённой на стержне электрометра, эбонитовую палочку (рис. 96, а) и кусочек меха (рис. 96, б). Стрелка электрометра отклонится, причём, как в первом, так и во втором случаях, на одинаковые углы. Если же одновременно опустить внутрь сферы эбонитовую палочку и кусочек меха (рис. 96, в), то стрелка электрометра останется на месте. Следовательно, модули зарядов обоих тел равны, а их знаки противоположны.
Результаты многочисленных экспериментов позволили сформулировать утверждение, которое является фундаментальным законом природы — законом сохранения электрического заряда: в электрически изолированной системе при любых взаимодействиях алгебраическая сумма электрических зарядов остаётся постоянной:
q1 + q2 + q3 + … + qn = const,
где n — число зарядов в системе.
Принято считать систему тел (частиц) электрически изолированной, если между ней и внешними телами нет обмена электрически заряженными частицами.
Закон сохранения электрического заряда указывает на важную особенность электрических явлений: электрические заряды всегда появляются парами. Так, например, при электризации трением тела приобретают заряды противоположных знаков, модули которых одинаковые.
Можно ли при электризации трением зарядить только одно из соприкасающихся первоначально электронейтральных тел?
Из истории физики
Закон сохранения электрического заряда впервые был сформулирован и экспериментально подтверждён М. Фарадеем в 1843 г.
1. Объясните электризацию тел при соприкосновении. Почему при электризации заряжаются оба тела?
2. Что характеризует электрический заряд?
3. Какие виды электрических зарядов существуют в природе? Как взаимодействуют одноимённо заряженные частицы? разноимённо заряженные?
4. Какой заряд называют элементарным?
5. В чём проявляется свойство дискретности электрического заряда?
6. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда. Каковы условия применимости этого закона?
7. При соскальзывании стеклянного бруска с наклонной плоскости происходит его электризация. Как это влияет на конечную скорость бруска?
Упражнение 12
1. Можно ли при электризации стеклянной палочки о шёлк сообщить ей заряд q = 4,8 · 10–21 Кл?
2. Металлический шарик имеет N = 5,0 · 105 избыточных электронов. Определите его электрический заряд.
3. Два одинаковых металлических шарика закреплены так, что расстояние между ними существенно больше их размеров (рис. 97). Определите, какой заряд окажется на таком же третьем шарике, если им сначала коснуться первого шарика, а затем второго. Первоначальные заряды шариков: q1 = 3е; q2 = –8е и q3 = 5е.
4. Определите суммарный заряд всех протонов, содержащихся в воде объёмом V = 10 см3 (две чайные ложки).
5. Два одинаковых металлических шара, электрические заряды которых q1 = –4,0 · 10–14 Кл и q2 = 2,0 · 10–13 Кл, привели в соприкосновение. Определите число электронов, перешедших с первого шара на второй.
6. После того, как уединённый шарик радиусом R = 4,0 см зарядили, на каждом квадратном миллиметре его поверхности находился заряд q1 = 2,0 · 10–13 Кл. Определите заряд, который был сообщён шарику.
7. После того, как два положительно заряженных металлических шарика одинакового размера привели в соприкосновение, заряд одного из них увеличился на α = 50 %. Определите отношение первоначальных зарядов шариков.
8. Заряд медного шара q = 25 нКл. Определите, какую часть своих валентных электронов потерял шар, если его масса m = 0,10 кг. Валентность меди n = 1.