Основная формула электрического заряда в физике. Основные законы и формулы
Электрический заряд – физическая величина, которая определяет способность тела принимать участие в электромагнитных взаимодействиях. Тело, обладающее ненулевым зарядом, образует вокруг себя электрическое поле, которое взаимодействует с любым другим телом, имеющим заряд.
В чем измеряется заряд
Для того чтобы ответить на вопрос, как найти заряд, нужно знать в чем он измеряется и какие формулы применять. Заряд измеряется в кулонах (Кл). Названа единица измерения в честь Шарля Кулона – физика и инженера, сделавшего значительный вклад в развитие познаний об электричестве.
Какие силы действуют на падение масла, которое растет из-за электрической силы? Как и раньше, вес является силой вниз и не меняется в зависимости от того, что мы вычислили, когда капля опустилась. У нас также есть тяга, которая ни изменяет направление, ни его модуль, потому что направление тяжести одно и то же, воздух внутри камеры тот же, и падение такое же, как и раньше. Кроме того, мы имеем вязкую силу, но в этом случае, поскольку направление движения теперь снизу вверх, эта сила не работает. И, наконец, теперь у нас есть дополнительная восходящая сила, которая является электрической силой.
Задачи о том, как найти заряд q (этой буквой обозначается эта физическая величина), изучаются в школе в рамках электростатики – части курса физики. Главным законом электростатики является закон Кулона, который записывается математически следующим образом:
F = k (q1 * q2) / r2, (1)
где F – сила, с которой действуют друг на друга заряженные тела, q – заряды тел, r – расстояние между ними, k - коэффициент.
На первом этапе эксперимента мы знали, что вес, «скорректированный» тягой, эквивалентен вязкой силе в свободном падении без электрического поля. Поскольку вес не изменяется, поскольку он является одним и тем же шаром, это равенство остается в силе. Вязкая сила второй ступени, которая теперь зависит от новой предельной скорости, которая равна скорости подъема, может быть выражена как.
В свою очередь, электрическая сила зависит от заряда масляной капли, а также зависит от приложенного электрического поля. Точно так же, как при отключении электрического поля скорость капли увеличивается, но очень скоро она больше не увеличивается: в этот момент мяч достиг предельной скорости, которая в этом случае возрастает. В это время сумма всех задействованных сил равна нулю: электрическая сила вверх равна сумме веса и вязкой силы, которые находятся в двух силах, опускающихся вниз.
Если известна сила, заряд одного из тел и расстояние между ними, то задача о том, как найти электрический заряд второго тела, решается из уравнения (1) очень просто.
Какие частицы заряжены
Зарядом обладают элементарные частицы – электроны и протоны. Причём модули зарядов этих частиц одинаковы. Отличаются лишь их знаки. Каждый атом, состоит из одинакового числа этих частиц. Соответственно, суммарный заряд атома равен нулю.
Тогда в этой ситуации верно следующее. Милликан мог так же, как и раньше, измерять скорость роста капли. Он также знал вязкость воздуха и электрического поля. При этом Милликан мог также изменить количество электрического заряда капли с помощью некоторых «трюков»: он мог бы ионизировать воздух под каплями выбросами альфа, бета или гамма-лучей и позволять проходу проходить через этих ионов к капле, или может освещать капли ультрафиолетовыми лучами или рентгеновскими лучами и т.д. количество сборов, потерянных или приобретенных в каждой операции, не было очень контролируемым, но для его целей оно могло незначительно измениться.
Протоны (вместе с нейтронами, имеющими нулевой заряд) составляют ядро атома. Вокруг ядра на большом (по меркам размера самого ядра) расстоянии вращаются электроны. Сила, описанная формулой (1), удерживает электроны на своих орбитах. Однако атомы некоторых веществ удерживают электроны, находящие на высших энергетических уровнях (наиболее удалённые от ядра), довольно слабо, и эти электроны легко отрываются и «путешествуют» между атомами.
Рассматривая последнее уравнение, отметим, что если нагрузка капли меняется, ее скорость нарастания должна меняться, но предельная скорость падения не должна изменяться, поскольку в этой ситуации нагрузка не влияет. И вязкость воздуха, размер капли или приложенное электрическое поле также не меняются.
Забудьте на мгновение все константы. И какие предельные скорости измеряли Милликан с электрическим полем и капля, идущая снизу вверх? Он несколько раз повторял эксперимент с той же капелькой, но каждый раз он менял количество заряда на каплю с некоторыми из описанных выше механизмов.
Если часть этих электронов отнять у одного тела и передать другому, то оба тела станут электрически заряженными. Первое получит положительный заряд (за счёт дефицита электронов), второе – отрицательный (за счёт их переизбытка). Атомы, потерявшие или получившие лишние электроны, называются ионами. Соответственно процесс отдачи или получения дополнительных электронов называется ионизацией.
Давайте посмотрим очень внимательно на значения, которые он получил сейчас, на ту же каплю, которую мы описали на первом этапе, но в ситуации электрического поля. Первое, что мы замечаем, это то, что эти значения не все похожи друг на друга, в отличие от того, что произошло в случае свободного падения в отсутствие электроэнергии. Что еще мы можем заметить об этих значениях? Что, хотя они не все похожи друг на друга, похоже, сгруппированы по некоторым конкретным значениям. Тогда у нас есть около 26 секунд.
Затем это около 16 секунд и, наконец, значение 11, 9 секунды. Если мы группируем их в эти четыре группы, мы усредняем значения, которые остаются в каждой группе, и вычисляем соответствующие предельные скорости роста, мы имеем. Любопытно, что в отличие от того, что произошло в случае свободного падения, когда они находятся под действием электрической силы, капли явно не идут на любую возможную скорость, но, по-видимому, с очень высокой скоростью.
В школьном курсе химии и физики также встречаются задачи о том, как находить заряд ядра атома. Сделать это очень просто: нужно умножить количество протонов, присутствующих в ядре, на заряд одного протона. Заряд протона – одна из элементарных физических констант.
Чтобы узнать количество протонов в ядре атома, следует заглянуть в таблицу Менделеева: этим числом является порядковый номер нужного вещества. Например, заряд атома цинка (который имеет в периодической таблице элементов номер 30) равен:
Выводы эксперимента
До сих пор «сырые» экспериментальные результаты. Как мы все это интерпретируем? Напомним, что электрический заряд, переносимый каждой каплей в этом эксперименте, пропорционален сумме двух измеренных предельных скоростей, т.е. Если мы проанализируем разные значения заряда, которые могут иметь бусины, мы видим, что они все очень близки к кратным 0. Так может ли быть, что начальное значение заряда было 0, 3? В этом случае, если мы считаем, что рабочая гипотеза верна, суммарный заряд должен быть кратным элементарному заряду.
gzn=30*1.602*10(-19) Кл=48,06*10(-19)Кл
где, gzn- заряд атома цинка; Кл - измерение заряда в кулонах.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Электрический заряд - это первичное понятие, что означает, его нельзя определить при помощи других еще более простых понятий, можно только описать его свойства. Электрический заряд определяет способность тел к электрическому взаимодействию.
Под электрическим полем капли масла приобретают скорость, которая воспроизводится, и это самая низкая скорость, которую электрическое поле может сообщать ему. Это то, что нужно, чтобы идти снизу вверх. То есть, шарики, которые поднимались медленнее, имели один элементарный заряд, один электрон. И, наконец, значение 11, 9 секунды соответствовало шару с четырьмя электронами.
Как мы уже говорили, этот эксперимент проводился со многими различными каплями. Несколько большее или немного меньшее падение дало разные значения предельных скоростей, но, проведя тот же анализ, который мы только что сделали, результаты пришли к соглашению: электронное значение всегда составляло около 0, 3. Все это подразумевало, что каждая капля захватила одну или несколько единиц электрического заряда и что значение этого устройства всегда было одинаковым, хотя капли были разными. Таким образом, мощность устройства может быть измерена в первый раз.
Фундаментальным свойством электрического заряда является существование двух видов зарядов: положительных и отрицательных. Заряды, имеющие один знак, отталкиваются. Взаимодействие зарядов разного знака определяют как притяжение. Телу можно сообщить заряд любого знака. В макроскопическом теле заряды разных знаков могут взаимно компенсировать друг друга.
Чтобы «усилить» свои измерения, Милликан много раз повторял их для каждой капли масла и, кроме того, повторил эксперимент со многими различными каплями и в разных ситуациях. В течение многих лет работы Милликан измерял тысячи капель разных размеров, изготовленных из разных веществ, нагруженных различными методами, в окружении разных газов при различных давлениях. Эти изменения вызвали изменения в значениях предыдущих уравнений. Но независимо от метода загрузки гранул, независимо от того, какое вещество эти гранулы или какие они были, они всегда получали одинаковое значение электрона.
Электрический заряд является релятивистски инвариантной величиной. Это значит, что величина заряда не зависит от системы отсчета, не важно, движется заряд (заряженное тело) или покоится.
Электрический заряд тела находят как суммарный заряд его частей.
Разделения электрических зарядов разных знаков можно добиться путем электризации посредством непосредственного контакта тел (например, трением) или без контакта, например посредством электрической индукции. При зарядке тела, мы создаем на нем избыток электронов или недостаток в сравнении с их нормальным количеством, при котором тело не имеет заряда. При этом электроны берутся у другого тела или удаляются из заряжаемого тела, но не уничтожаются или создаются. Важно запомнить, что процесс зарядки и разрядки тел является процедурой перераспределения электронов, при этом общее их число не изменяется.
Во всех случаях значение электрона было 0. Фактически оно дает нам число, которое не имеет большого значения как абсолютная величина, поскольку мы не учитывали значения констант. Благодаря этому изобретательному экспериментальному методу подъема и опускания нефтяных капель Милликан впервые смог измерить значение элементарного электрического заряда. И, измеряя это, существование этого элементарного заряда перестало быть простой гипотезой. Ему потребовалось 10 лет, чтобы оценить обоснованность метода и результаты, полученные в отношении экспериментов с каплями масла.
При соединении заряженного проводника с незаряженным, заряд перераспределяется между обоими телами. Допустим, что одно тело несет отрицательный заряд, его соединяют с незаряженным телом. Электроны заряженного тела под воздействием сил взаимного отталкивания переходят на незаряженное тело. При этом заряд первого тела уменьшается, заряд второго увеличивается, до тех пор, пока не наступит равновесие.
Заключение эксперимента - это ответ на поставленный вопрос, основанный на интерпретации полученных. В этом случае Милликан приходит к выводу, что действительно есть элементарный электрический заряд и вычисляется его значение. Сегодня мы знаем, что Милликан был прав, полагая, что элементный заряд был его ценным, но важно отметить, что это не может быть действительно завершено из результатов его эксперимента, поскольку они совместимы с обеими идеями. Важно всегда помнить, что можно сделать из эксперимента, а что нет.
Помимо этого обсуждения нет сомнений в том, что действительно можно сделать вывод, что существует элементарный электрический заряд: Милликан дал очень убедительные доказательства того, что электричество состоит из равных единиц заряда и дает значение элементарной зарядной единицы, Это имело огромное значение для более позднего развития науки, поскольку позволило вычислить многие другие физические константы.
Элементарный заряд
Немецкий физик и физиолог Г. Гельмгольц обратил внимание на то, что заряды, которые переносят ионы при явлении электролиза, являются целыми, кратными некоторой величине, равной Кл. Каждый одновалентный ион переносит такой заряд. Любой двухвалентный ион несет заряд, равный Кл, и так далее. Гельмгольц сделал вывод о том, что заряд Кл является минимальным количеством электричества, которое существует в природе. Данный заряд получил название элементарного заряда.
Милликан впервые приобрел значение элементарного электрического заряда, но после этого многие пошли дальше, пытаясь вычислить это значение с большей точностью и точностью. Мы многое узнали из опыта о том, как бороться с некоторыми способами, которые мы обманываем сами. Пример: Милликан измерил заряд электрона в эксперименте с каплями масла и получил ответ, который мы теперь знаем, был не совсем правильным. Это было неправильно, потому что у него было неправильное значение вязкости воздуха. Интересно посмотреть на историю измерений заряда электрона после Милликана.
Закон сохранения заряда
Закон сохранения заряда является фундаментальным законом природы. Он был установлен на основании обобщения экспериментальных данных. Подтвержден в 1843 г. английским физиком М. Фарадеем.
Формулировка закона: В любой замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов - это неизменная величина, и не важно, какие процессы происходят в этой системе:
Если мы нарисуем их как функцию времени, мы увидим, что он немного больше, чем Милликан, а следующий немного больше этого, а следующий немного больше, чем до тех пор, пока он не стабилизируется в количестве, которое больше. Почему они не обнаружили, что новый номер был больше с самого начала? Это то, что смущает ученых. По-видимому, люди так поступали: когда они получили число, которое было намного больше, чем у Милликена, они думали, что что-то не так, и они искали и нашли причину, почему что-то может быть неправильным.
Когда они приблизились к Милликену, они не так много искали. И поэтому они устранили цифры, которые были очень далеки, и делали другие подобные вещи. Один из важных аспектов подчеркивания того, что измерение всегда будет приближением к реальному значению чего-то, заключается в том, что мы можем быть готовы к априорному рассмотрению того, что полученное экспериментальное значение является «правильным», а другое «неправильным».
где N - количество зарядов.
Закон Кулона
На вопрос: С какими силами взаимодействуют неподвижные точечные заряды? Отвечает закон Кулона, который можно записать в виде формулы как:
Милликан выразил следующее. Наука продвигается с двух футов: одна - это теоретическая нога, а другая - экспериментальная нога. Иногда одна нога делает первый шаг, а иногда и другой, но для того, чтобы продвижение было непрерывным, оба должны ходить. Одна из самых забавных вещей в науке заключается в том, что, точно, нет единого способа узнать. Нет безошибочного рецепта, что если следовать букве письма, это гарантирует «успех». Иногда у кого-то есть идея, а затем оценивает, правильна ли эта идея или нет с помощью экспериментальных наблюдений или доказательств.
где - сила, с которой заряд действует на заряд ; - радиус вектор, который проведен от второго заряда к первому; - электрическая постоянная; - диэлектрическая проницаемость вещества в котором находятся заряды. В соответствии с третьим законом Ньютона первый заряд действует на второй с силой равной по модулю и противоположной по направлению силе Обратите внимание, что заряды в формуле (2) точечные.
В другое время, благодаря экспериментированию, мы можем найти новые отношения, которые понимаются только путем приведения теоретической основы. В основе этих двух точек зрения лежит прогресс в науке и утверждение идей. В случае с Милликаном уже появились идеи о существовании элементарного электрического заряда. Но идеи в одиночку, без подтверждающих доказательств, не являются научными знаниями. Именно тогда Милликан экспериментально доказал, что существует неопровержимое доказательство существования и ценности элементарного заряда, и это отражает эмпирический аспект науки.
Примеры решения задач по теме «Электрический заряд»
ПРИМЕР 1
Задание | Два одинаковых проводящих шарика находятся на расстоянии, которое много больше, чем размеры самих шариков. Шарики несут заряды разного знака, причем заряд одного из них по модулю в два раза больше, чем другого. Шарики соединили и снова разнесли на прежнее расстояние. Найдите отношение () силы взаимодействия шариков до соединения () к силе их взаимодействия поле соединения (). |
Решение | До соединения система из двух шариков имела заряд:
По условию шарики имеют заряды разных знаков. При их соединении суммарный заряд шариков (q) распределяется поровну между шарами, так как шарики одинаковы. Какие бы манипуляции мы не производили с шариками, если система замкнута, то суммарный заряд не изменится. После соединения каждый шарик имеет заряд равный: В первом случае сила Кулона по модулю будет равна: Во втором случае имеем: Найдем отношение : |
Ответ |
ПРИМЕР 2
Задание | Какова сила взаимодействия тонкого, длинного равномерно заряженного стержня и точечного заряда Q, расположение которых показано на рис.1? Длина стержня l, плотность распределения заряда по стержню равна , расстояние от ближайшего конца стержня до заряда Q равно a. |