§ 16. Электрычны зарад. Закон захавання электрычнага зараду
| Сайт: | Профильное обучение |
| Курс: | Фізіка. 10 клас |
| Книга: | § 16. Электрычны зарад. Закон захавання электрычнага зараду |
| Напечатано:: | Гость |
| Дата: | Воскресенье, 5 Май 2024, 16:11 |
Што азначае наяўнасць электрычнага зараду ў цела або часціцы? Як узаемадзейнічаюць электрычна зараджаныя целы?
Электрычны зарад. Пра тое, што бурштын, пацёрты аб шэрсць, набывае ўласцівасць прыцягваць лёгкія прадметы (мал. 94), ведалі яшчэ старажытныя грэкі. Аднак толькі ў 1600 г. лейб-медык каралевы Англіі доктар медыцыны Уільям Гільберт у кнізе «Аб магніце, магнітных целах і вялікім магніце — Зямлі» даў першае сістэматызаванае апісанне ўласцівасцей электрычных і магнітных матэрыялаў. Гільберт прадэманстраваў, што акрамя бурштыну ўласцівасцю прыцягваць лёгкія прадметы валодаюць пасля націрання алмаз, сера, фарфор і многія іншыя целы. Ён назваў іх электрычнымі (ελεκτρον па-грэчаскі — бурштын). Цяпер мы гаворым, што такія целы электрычна зараджаныя, гэта значыць Мал. 94 ім перададзены электрычны зарад.
Электрычны зарад — фізічная скалярная велічыня, якая характарызуе інтэнсіўнасць электрамагнітнага ўзаемадзеяння цел (часціц).
Электрычны зарад з'яўляецца крыніцай электрамагнітнага поля, звязанага з матэрыяльным носьбітам (целам або часціцай). Электрычны зарад, як і маса, не існуе без цела або часціцы, а зарад любой сістэмы цел (часціц) роўны суме зарадаў цел (часціц), якія ўваходзяць у сістэму.
Электрычныя зарады маюць наступныя фундаментальныя ўласцівасці:
1) электрычныя зарады існуюць у двух відах, якія названы дадатнымі і адмоўнымі (існаванне двух відаў зарадаў выявіў Шарль Дзюфэ (1698–1739) у 1733 г., а ў 1747 г. Бенджамін Франклін (1706–1790) прыпісаў ім знакі «+» і «–»);
2) электрычны зарад адытыўны, гэта значыць зарад любой сістэмы цел (часціц) роўны суме зарадаў цел (часціц), якія ўваходзяць у сістэму;
3) у любой электрычна ізаляванай сістэме алгебраічная сума зарадаў цел (часціц) не змяняецца;
4) электрычны зарад дыскрэтны, гэта значыць электрычны зарад любога цела (часціцы) кратны элементарнаму электрычнаму зараду;
5) значэнне электрычнага зараду цела (часціцы) не залежыць ад выбару сістэмы адліку, а значыць, не залежыць ад таго, рухаецца яно (яна) або знаходзіцца ў спакоі;
6) электрычны зарад цела (часціцы) не залежыць ні ад яго (яе) механічнага стану, ні ад якіх-небудзь дзеючых на яго (яе) сіл.
Існуюць два віды электрычных зарадаў, якія дамовіліся называць дадатнымі і адмоўнымі. Прычым пры ўзаемадзеянні аднайменна зараджаныя целы (часціцы) адштурхваюцца адно ад аднаго (мал. 95, а), а рознаіменна зараджаныя — прыцягваюцца паміж сабой (мал. 95, б).
Зарады розных цел (часціц) могуць адрознівацца не толькі знакамі, але і лікавымі значэннямі.
За адзінку электрычнага зараду ў СІ прыняты кулон (Кл). Гэтая адзінка названа ў гонар Шарля Кулона (1736–1806). 1 Кл — велічыня электрычнага зараду, які праходзіць праз папярочнае сячэнне правадніка за прамежак часу 1 с пры сіле пастаяннага току 1 А.
Цікава ведаць
Адзін кулон — вельмі вялікая адзінка зараду. Разлікі паказваюць, што дыяметр аддаленага ад астатніх цел металічнага шара, што знаходзіцца ў сухім паветры, павінен быць роўны не менш як 110 м, каб на ім мог знаходзіцца залішні зарад 1 Кл. Разам з тым у час уключэння аўтамабільных фар сіла току ў ланцугу прыблізна 10 А, гэта значыць штосекундна праз папярочнае сячэнне праваднікоў, далучаных да фар, праходзіць зарад прыблізна 10 Кл.
Элементарны зарад. На мяжы XIX і XX стагоддзяў вучоныя эксперыментальна вызначылі, што ў прыродзе існуе электрычны зарад, модуль якога мінімальны. Гэты зарад назвалі элементарным. Вы ведаеце, што ядры ўсіх атамаў змяшчаюць пратоны, якія з’яўляюцца носьбітамі дадатнага элементарнага зараду, а самі атамы ўтрымліваюць электроны, якія з’яўляюцца носьбітамі адмоўнага элементарнага зараду. Вучоныя з дакладнасцю ~10–20 устанавілі роўнасць модуляў зарадаў электрона і пратона.
Модуль элементарнага электрычнага зараду е = 1,6022 · 10–19 Кл. Звычайна абмяжоўваюцца дзвюма значнымі лічбамі: е = 1,6 · 10–19 Кл.
Электроны, пратоны і нейтроны змяшчаюць усе целы, бо з іх складаюцца атамы і малекулы любога рэчыва*. У электрычна нейтральным целе алгебраічная сума зарадаў усіх часціц роўная нулю. Калі якім-небудзь чынам стварыць у такім целе лішак зарадаў аднаго знака, то яно стане зараджаным.
Зарад цела q утвараецца сукупнасцю элементарных зарадаў і заўсёды кратны элементарнаму зараду е (электрычны зарад дыскрэтны):
q = е(Nр – Nе),
дзе Nр і Nе — колькасць пратонаў і электронаў у дадзеным целе.
Напрыклад, цела, зарад якога q1 = 5е, адрозніваецца ад нейтральнага цела недахопам пяці электронаў, а цела, зарад якога q2 = –13е, — лішкам трынаццаці электронаў.
Мы адзначалі, што 1 Кл — гэта вельмі вялікі зарад. Якому лішку (недахопу) электронаў у целе адпавядае гэты зарад?
З гісторыі фізікі
У 1881 г. нямецкі фізік Герман Гельмгольц (1821–1894) дакладна сфармуляваў ідэю Фарадэя аб атамнасці электрычнасці: «Калі мы дапускаем існаванне хімічных атамаў, то мы вымушаны заключыць адсюль далей, што таксама і электрычнасць, як дадатная, так і адмоўная, падзяляецца на пэўныя элементарныя колькасці, якія адыгрываюць ролю атамаў электрычнасці».
Цікава ведаць
У адным молі рэчыва (~6 · 1023 малекул) зараджанага цела звычайна змяшчаецца адносна невялікая колькасць электронаў (да ~1 · 1010), якія з’яўляюцца залішнімі або адсутнічаюць у параўнанні з колькасцю пратонаў. Паколькі маса электрона 9,1 · 10–31 кг, то гэта выклікае змену масы аднаго моля зараджанага цела не больш чым на 9 · 10–31 кг · 1 · 1010 = 9 · 10–21 кг у параўнанні з масай нейтральнага цела. Такую змену масы, вядома, можна не ўлічваць.
* Выключэннем з’яўляецца вадарод, у якога ядры атамаў — пратоны. ↑
Закон захавання электрычнага зараду. Вы ведаеце, што пры трэнні судакранутыя целы электрызуюцца, пры гэтым модулі супрацьлеглых па знаку зарадаў, якія ўзніклі на целах, роўныя. Праверым гэта падчас доследу. Наэлектрызуем трэннем адно аб адно два целы — эбанітавую палачку і кавалачак футра або шарсцяной тканіны. Змесцім па чарзе ўнутр металічнай сферы, замацаванай на стрыжні электрометра, эбанітавую палачку (мал. 96, а) і кавалачак футра (мал. 96, б). Стрэлка электрометра адхіліцца, прычым як у першым, так і ў другім выпадку аднолькавыя вуглы. Калі адначасова апусціць унутр сферы эбанітавую палачку і кавалачак футра (мал. 96, в), то стрэлка электрометра застанецца на месцы. Значыць, модулі зарадаў абодвух цел роўныя, а іх знакі супрацьлеглыя.
Вынікі шматлікіх эксперыментаў дазволілі сфармуляваць сцвярджэнне, якое з’яўляецца фундаментальным законам прыроды — законам захавання электрычнага зараду: у электрычна ізаляванай сістэме пры любых узаемадзеяннях алгебраічная сума электрычных зарадаў застаецца пастаяннай:
q1 + q2 + q3 + … + qn = const,
Прынята лічыць сістэму цел (часціц) электрычна ізаляванай, калі паміж ёй і знешнімі целамі няма абмену электрычна зараджанымі часціцамі.
Закон захавання электрычнага зараду паказвае на важную асаблівасць электрычных з’яў: электрычныя зарады заўсёды з’яўляюцца парамі. Так, напрыклад, пры электрызацыі трэннем целы набываюць зарады супрацьлеглых знакаў, модулі якіх аднолькавыя.
Ці можна пры электрызацыі трэннем зарадзіць толькі адно з першапачаткова электрычна нейтральных цел, што знаходзяцца ў судакрананні?
З гісторыі фізікі
Закон захавання электрычнага зараду ўпершыню быў сфармуляваны і эксперыментальна пацверджаны М. Фарадэем у 1843 г.
1. Растлумачце электрызацыю цел пры судакрананні. Чаму пры электрызацыі зараджаюцца абодва целы?
2. Што характарызуе электрычны зарад?
3. Якія віды электрычных зарадаў існуюць у прыродзе? Як узаемадзейнічаюць аднайменна зараджаныя часціцы? рознаіменна зараджаныя?
4. Які зарад называюць элементарным?
5. У чым праяўляецца ўласцівасць дыскрэтнасці электрычнага зараду?
6. Сфармулюйце закон захавання электрычнага зараду. Якія ўмовы прымяняльнасці гэтага закона?
7. Падчас слізгання шклянога бруска з нахільнай плоскасці адбываецца яго электрызацыя. Як гэта ўплывае на канчатковую скорасць бруска?
Практыкаванне 12
1. Ці можна пры электрызацыі шкляной палачкі аб шоўк надаць ёй зарад q = 4,8 · 10–21 Кл?
2. Металічны шарык мае N = 5,0 · 105 залішніх электронаў. Вызначце яго электрычны зарад.
3. Два аднолькавыя металічныя шарыкі замацаваны так, што адлегласць паміж імі істотна большая за іх памеры (мал. 97). Вызначце, які зарад будзе на такім самым трэцім шарыку, калі ім спачатку дакрануцца да першага шарыка, а затым да другога. Першапачатковыя зарады шарыкаў: q1 = 3е; q2 = –8е і q3 = 5е.
4. Вызначце сумарны зарад усіх пратонаў, якія змяшчаюцца ў вадзе аб’ёмам V = 10 см3 (дзве чайныя лыжкі).
5. Два аднолькавыя металічныя шары, электрычныя зарады якіх q1 = –4,0 · 10–14 Кл і q2 = 2,0 · 10–13 Кл, прывялі ў судакрананне. Вызначце лік электронаў, якія перайшлі з першага шара на другі.
6. Пасля таго як адасоблены шарык радыусам R = 4,0 см зарадзілі, на кожным квадратным міліметры яго паверхні знаходзіўся зарад q1 = 2,0 · 10–13 Кл. Вызначце зарад, які быў перададзены шарыку.
7. Пасля таго як два дадатныя аднайменна зараджаныя металічныя шарыкі аднолькавага памеру прывялі ў судакрананне, зарад аднаго з іх павялічыўся на α = 50 %. Вызначце адносіны першапачатковых зарадаў шарыкаў.
8. Зарад меднага шара q = 25 нКл. Вызначце, якую частку сваіх валентных электронаў страціў шар, калі яго маса m = 0,10 кг. Валентнасць медзі n = 1.