Электрический заряд – положительный и отрицательный. Что такое заряд? Виды зарядов и их взаимодействие

3.1. Электрический заряд

Еще в древности люди обратили внимание на то, что потертый шерстью кусочек янтаря начинает притягивать к себе различные мелкие предметы: пылинки, ниточки и тому подобное. Вы сами можете легко убедиться, что пластмассовая расческа, потертая о волосы, начинает притягивать небольшие кусочки бумаги. Это явление называется электризацией , а силы, действующие при этом – электрическими силами . Оба названия происходят от греческого слова " электрон" , что означает " янтарь" .
При трении расчески о волосы или эбонитовой палочки о шерсть предметы заряжаются , на них образуются электрические заряды . Заряженные тела взаимодействуют друг с другом и между ними возникают электрические силы.
Электризоваться трением могут не только твердые тела, но и жидкости, и даже газы.
При электризации тел вещества, из которых состоят электризующиеся тела, в другие вещества не превращаются. Таким образом, электризация – физическое явление.
Существует два разных рода электрических зарядов. Совершенно условно они названы " положительным" зарядом и " отрицательным" зарядом (а можно было бы назвать их " черный" и " белый" , или " прекрасный" и " ужасный" , или как-то иначе).
Положительно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные предметы так же, как стекло, наэлектризованное трением о шелк.
Отрицательно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные предметы так же, как сургуч, наэлектризованный трением о шерсть.
Основное свойство заряженных тел и частиц: одноименно заряженные тела и частицы отталкиваются, а разноименно заряженные – притягиваются. В опытах с источниками электрических зарядов вы познакомитесь и с некоторыми другими свойствами этих зарядов: заряды могут " перетекать" с одного предмета на другой, накапливаться, между заряженными телами может происходить электрический разряд и так далее. Подробно эти свойства вы изучите в курсе физики.

3.2. Закон Кулона

Электрический заряд (Q или q ) – физическая величина, он может быть больше или меньше, и, следовательно, его можно измерять. Но непосредственно сравнивать заряды друг с другом физики пока не могут, поэтому сравнивают не сами заряды, а действие, которое заряженные тела оказывают друг на друга, или на другие тела, например, силу с которой одно заряженное тело действует на другое.

Силы (F), действующие на каждое из двух точечных заряженных тел противоположно направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела. Их величины равны между собой, прямо пропорциональны произведению зарядов этих тел (q 1 ) и (q 2 ) и обратно пропорциональны квадрату расстояния (l) между ними.

Это соотношение носит название " закон Кулона" в честь открывшего его в 1785 г. французского физика Шарля Кулона (1763-1806). Важнейшая для химии зависимость кулоновских сил от знака заряда и расстояния между заряженными телами наглядно показана на рис. 3.1.

Единица измерений электрического заряда – кулон (определение в курсе физики). Заряд величиной в 1 Кл протекает через электрическую лампочку мощностью 100 ватт примерно за 2 секунды (при напряжении 220 В).

3.3. Элементарный электрический заряд

До конца XIX века природа электричества оставалась неясной, но многочисленные эксперименты привели ученых к выводу, что величина электрического заряда не может изменяться непрерывно. Было установлено, что существует наименьшая, далее неделимая порция электричества. Заряд этой порции получил название " элементарный электрический заряд" (обозначается буквой е ). Он оказался равен 1,6 . 10– 19 Кл. Это очень маленькая величина – через нить той же электрической лампочки за 1 секунду проходит почти 3 миллиарда миллиардов элементарных электрических зарядов.
Любой заряд является величиной, кратной элементарному электрическому заряду, поэтому элементарный электрический заряд удобно использовать в качестве единицы измерений малых зарядов. Таким образом,

1е = 1,6 . 10– 19 Кл.

На рубеже XIX и XX веков физики поняли, что носителем элементарного отрицательного электрического заряда является микрочастица, получившая название электрон (Джозеф Джон Томсон, 1897 г.). Носитель элементарного положительного заряда – микрочастица под названием протон – был обнаружен несколько позже (Эрнест Резерфорд, 1919 г.). Тогда же было доказано, что положительный и отрицательный элементарные электрические заряды равны по абсолютной величине

Таким образом, элементарный электрический заряд – это заряд протона.
С другими характеристиками электрона и протона вы познакомитесь в следующей главе.

Несмотря на то, что в состав физических тел входят заряженные частицы, в обычном состоянии тела незаряжены, или электронейтральны . Также электронейтральны и многие сложные частицы, например, атомы или молекулы. Суммарный заряд такой частицы или такого тела оказывается равным нулю потому, что число электронов и число протонов, входящих в состав частицы или тела, равны.

Тела или частицы становятся заряженными, если электрические заряды разделяются: на одном теле (или частице) оказывается избыток электрических зарядов одного знака, а на другом – другого. В химических явлениях электрический заряд какого-либо одного знака (положительный или отрицательный) не может ни появиться, ни исчезнуть, так как не могут появиться или исчезнуть носители элементарных электрических зарядов только одного знака.

ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД, ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД, ОСНОВНОЕ СВОЙСТВО ЗАРЯЖЕННЫХ ТЕЛ И ЧАСТИЦ, ЗАКОН КУЛОНА, ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД
1.Как заряжается шелк при трении о стекло? А шерсть при трении о сургуч?
2.Какое число элементарных электрических зарядов составляет 1 кулон?
3.Определите силу, с который притягиваются друг к другу два тела с зарядами +2 Кл и –3 Кл, находящиеся друг от друга на расстоянии 0,15 м.
4.Два тела с зарядами +0,2 Кл и –0,2Кл находятся на расстоянии 1 см друг от друга. Определите силу с которой они притягиваются.
5.С какой силой отталкиваются друг от друга две частицы, несущие одинаковый заряд, равный +3 е , и находящиеся на расстоянии 2 Е? Значение константы в уравнении закона Кулона k = 9 . 10 9 Н. м 2 /Кл 2 .
6.С какой силой притягивается электрон к протону, если расстояние между ними 0,53 Е? А протон к электрону?
7.Два одноименно и одинаково заряженных шарика соединены непроводящей заряды нитью. Середина нити неподвижно закреплена. Нарисуйте, как расположатся в пространстве эти шарики в условиях, когда силой тяжести можно пренебречь.
8.Как в этих же условиях будут расположены в пространстве три таких же шарика, привязанных одинаковыми по длине нитями к одной опоре? А четыре?
Опыты по притяжению и отталкиванию заряженных тел.

Все тела окружающего нас мира состоят из двух видов стабильных частиц - протонов, заряженных положительно, и электронов, имеющих такой же заряд е отрицательного знака. Число электронов равно числу протонов. Поэтому Вселенная электрически нейтральна.

Так как электрон и протон никогда (во всяком случае, за последние 14 миллиардов лет ) не распадаются, то Вселенная не может нарушить своей нейтральности какими-либо воздействиями со стороны человека. Все тела обычно также электрически нейтральны, т. е. содержат одинаковое число электронов и протонов.

Для того чтобы тело сделать заряженным, из него нужно уда-лить, перенеся на другое тело, или добавить к нему, взяв из другого тела, некоторое число N электронов или протонов. Заряд тела станет равным Ne. При этом необходимо помнить (о чем обычно забывают ), что такой же заряд обратного знака (Ne) неизбежно образуется на другом теле (или телах). Натирая шерстью эбонитовую палочку, мы заряжаем не только эбонит, но и шерсть, перенося с одного на другое часть электронов.

Утверждение о притяжении двух тел с одинаковыми разноименными зарядами по принципам верификации и фальсификации научно, так как может быть в принципе подтверждено или опровергнуто эксперимен-тально. Здесь опыт может быть поставлен чисто, без вовлечения третьих тел, простым перенесением части электронов или протонов с одного опытного тела на другое.

Совсем иная картина с утверждением об отталкивании одноименных зарядов. Дело в том, что только два , например положительных, заряда q1, q2 для проведения эксперимента не могут быть созданы , так как при попытке их создания всегда неизбежно появляется третий , отрицательный заряд q3 = -(qi + q2). Поэтому в опыте будут обязательно участвовать не два, а три заряда . Провести эксперимент с двумя одноименными зарядами в принципе невозможно.

Поэтому утверждение Кулона об отталкивании одноименных зарядов по упомянутым принципам ненаучно.

По той же причине невозможен и опыт с двумя зарядами разных знаков q1, - q2, если эти заряды не равны друг другу. Здесь также неизбежно появляется третий заряд q3 = q1 - q2, который участвует во взаимодействии и оказывает влияние на результирующую силу .

Наличие третьего заряда забывается и не учитывается слепыми сторонниками Кулона. Два тела с одинаковыми зарядами разных знаков могут быть созданы разрывом атомов на две заряженные части и переносом этих частей с одного тела на другое. При таком разрыве необходимо совершить работу и затратить энергию. Естественно, что заряженные части будут стремиться вернуться в исходное состояние с меньшей энергией и соединиться, т. е. должны притягиваться друг к другу.

С точки зрения близкодействия любое взаимодействие предполагает наличие обмена между взаимодействующими телами чем-то материальным, а мгновенное действие на расстоянии и телекинез невозможны. Электростатические взаимодействия между зарядами осуществляются постоянным электрическим полем. Мы не знаем что это такое, но можем с уверенностью утверждать, что поле материально, так как оно обладает энергией, массой, импульсом и конечной скоростью распространения.

Принятые для изображения электрического поля силовые линии выходят из одного заряда (положительного) и не могут обрываться в пустоте, а всегда входят в другой (отрицательный) заряд. Они как щупальцы тянутся от одного заряда к другому, соединяя их. Для уменьшения энергии системы зарядов объем, занимаемый полем, стремится к минимуму. Поэтому протянутые «щупальцы» электрического поля всегда стремятся к сокращению подобно упругим, натянутым при зарядке резинкам. Вот за счет этого сокращения и осуществляется притяжение разноименных зарядов. Силу притяжения можно измерить экспериментально. Она и дает закон Кулона.

Совсем другое дело в случае одноименных зарядов. Суммарное электрическое поле двух зарядов выходит из каждого из них и уходит в бесконечность, а контакта полей одного и другого зарядов не достигается. Упругие «щупальцы” одного заряда не достигают другого. Поэтому нет и прямого материального воздействия одного заряда на другой, им нечем взаимодействовать. Поскольку телекинез мы не признаем, то, следовательно, не может быть никакого отталкивания.

А как же тогда объяснить расхождение лепестков элероскопа и наблюдаемое в опытах Кулона отталкивание зарядов? Вспомним, что когда мы создаем для нашего опыта два положительных заряда, то в окружающем пространстве неизбежно образуем и отрицательный заряд.

Вот притяжение к нему ошибочно и принимается за отталкивание .

Нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи, или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы. А кто не пробовал подвесить воздушный шарик к потолку, после трения его о голову? Подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества . Подобные действия называются электризацией .

Статическое электричество объясняется существованием в природе электрического заряда . Заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц . Заряд, который возникает на стекле при трении его о шелк, условно называют положительным , а заряд, возникающий на эбоните при трении о шерсть, - отрицательным .

Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и, летающих вокруг него, электронов (на рисунке синие частицы). Ядро состоит из протонов (красные) и нейтронов (черные).

Носителем отрицательного заряда является электрон, положительного - протон. Нейтрон - нейтральная частица, не имеет заряда.

Величина элементарного заряда - электрона или протона, имеет постоянное значение и равна

Весь атом нейтрально заряжен, если количество протонов соответствует электронам. Что произойдет, если один электрон оторвется и улетит? У атома станет на один протон больше, то есть положительных частиц больше, чем отрицательных. Такой атом называют положительным ионом . А если присоединится один электрон лишний - получим отрицательный ион . Электроны, оторвавшись, могут не присоединятся, а некоторое время свободно перемещаться, создавая отрицательный заряд. Таким образом, в веществе свободными носителями заряда являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.

Для того, чтобы имелся свободный протон, необходимо, чтобы разрушилось ядро, а это означает разрушение атома целиком. Такие способы получения электрического заряды мы рассматривать не будем.

Тело становится заряженным, когда оно содержит избыток одних или иных заряженных частиц (электронов, положительных или отрицательных ионов).

Величина заряда тела кратна элементарному заряду. Например, если в теле 25 свободных электронов, а остальные атомы являются нейтральными, то тело заряжено отрицательно и его заряд составляет . Элементарный заряд не делим - это свойство называется дискретностью

Одноименные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются , разноименные (положительный и отрицательный) - притягиваются

Точечный заряд - это материальная точка , которая имеет электрический заряд.

Закон сохранения электрического заряда

Замкнутая система тел в электричестве - это такая система тел, когда между внешними телами нет обмена электрическими зарядами.

Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц остается постоянной при любых процессах, происходящих в электрически замкнутой системе.

На рисунке пример закона сохранения электрического заряда. На первой картинке два тела разноименного заряда. На втором рисунке те же тела после соприкосновения. На третьем рисунке в электрически замкнутую систему внесли третье нейтральное тело и тела привели во взаимодействие друг с другом.

В каждой ситуации алгебраическая сумма заряда (с учетом знака заряда) остается постоянной.

Главное запомнить

1) Элементарный электрический заряд - электрон и протон
2) Величина элементарного заряда постоянна
3) Положительный и отрицательный заряды и их взаимодействие
4) Носителями свободных зарядов являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы
5) Электрический заряд дискретен
6) Закон сохранения электрического заряда

Электрический заряд – физическая величина, характеризующая способность тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Измеряется в Кулонах.

Элементарный электрический заряд – минимальный заряд, который имеют элементарные частицы (заряд протона и электрона).

Тело имеет заряд , значит имеет лишние или недостающий электроны. Такой заряд обозначаетсяq =ne . (он равен числу элементарных зарядов).

Наэлектризовать тело – создать избыток и недостаток электронов. Способы:электризация трением иэлектризация соприкосновением .

Точечный заря д – заряд тела, которое можно принять за материальную точку.

Пробный заряд () – точечный, малый по величине заряд, обязательно положительный – используется для исследования электрического поля.

Закон сохранения заряда :в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется постоянной при любых взаимодействиях этих тел между собой .

Закон Кулона :силы взаимодействия двух точечных зарядов пропорциональны произведению этих зарядов, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними, зависят от свойств среды и направлены вдоль прямой, соединяющей их центры .

, где
Ф/м, Кл 2 /нм 2 – диэлектр. пост. вакуума

- относит. диэлектрическая проницаемость (>1)

- абсолютная диэлектрическая прониц. среды

Электрическое поле – материальная среда, через которую происходит взаимодействие электрических зарядов.

Свойства электрического поля:

Характеристики электрического поля:

Напряжённость (E ) – векторная величина, равная силе, действующей на единичный пробный заряд, помещённый в данную точку.

Измеряется в Н/Кл.

Направление – такое же, как и у действующей силы.

Напряжённость не зависит ни от силы, ни от величины пробного заряда.

Суперпозиция электрических полей : напряжённость поля, созданного несколькими зарядами, равна векторной сумме напряжённостей полей каждого заряда:

Графически электронное поле изображают с помощью линий напряжённости.

Линия напряжённости – линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряжённости.

Свойства линий напряжённости : они не пересекаются, через каждую точку можно провести лишь одну линию; они не замкнуты, выходят из положительного заряда и входят в отрицательный, либо рассеиваются в бесконечность.

Виды полей:

Однородное электрическое поле – поле, вектор напряжённости которого в каждой точке одинаков по модулю и направлению.

Неоднородное электрическое поле – поле, вектор напряжённости которого в каждой точке неодинаков по модулю и направлению.

Постоянное электрическое поле – вектор напряжённости не изменяется.

Непостоянное электрическое поле – вектор напряжённости изменяется.

Работа электрического поля по перемещению заряда .

, гдеF– сила,S– перемещение,- угол междуFиS.

Для однородного поля: сила постоянна.

Работа не зависит от формы траектории; работа по перемещению по замкнутой траектории равна нулю.

Для неоднородного поля:

Потенциал электрического поля – отношение работы, которое совершает поле, перемещая пробный электрический заряд в бесконечность, к величине этого заряда.

-потенциал – энергетическая характеристика поля. Измеряется в Вольтах

Разность потенциалов :

Если
, то

, значит

-градиент потенциала.

Для однородного поля: разность потенциалов – напряжение :

. Измеряется в Вольтах, приборы – вольтметры.

Электроёмкость – способность тел накапливать электрический заряд; отношение заряда к потенциалу, которое для данного проводника всегда постоянно.

Не зависит от заряда и не зависит от потенциала. Но зависит от размеров и формы проводника; от диэлектрических свойств среды.

, гдеr– размер,
- проницаемость среды вокруг тела.

Электроёмкость увеличивается, если рядом находятся любые тела – проводники или диэлектрики.

Конденсатор – устройство для накопления заряда. Электроёмкость:

Плоский конденсатор – две металлические пластины, между которыми находится диэлектрик. Электроёмкость плоского конденсатора:

, гдеS– площадь пластин,d– расстояние между пластинами.

Энергия заряженного конденсатора равна работе, которую совершает электрическое поле при переносе заряда с одной пластины на другую.

Перенос малого заряда
, напряжение измениться на
, совершится работа
. Так как
, а С =const,
. Тогда
. Интегрируем:

Энергия электрического поля :
, гдеV=Sl– объём, занимаемый электрическим полем

Для неоднородного поля :
.

Объёмная плотность электрического поля :
. Измеряется в Дж/м 3 .

Электрический диполь – система, состоящая из двух равных, но противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (плечо диполя -l).

Основная характеристика диполя – дипольный момент – вектор, равный произведению заряда на плечо диполя, направленный от отрицательного заряда к положительному. Обозначается
. Измеряется в Кулон-метрах.

Диполь в однородном электрическом поле.

На каждый из зарядов диполя действуют силы:
и
. Эти силы противоположно направлены и создают момент пары сил – вращающий момент:, где

М – вращающий момент F– силы, действующие на диполь

d– плечо силl– плечо диполя

p– дипольный моментE– напряжённость

- угол междуpи Еq– заряд

Под действием вращающего момента, диполь повернётся и установится по направлению линий напряжённости. Векторы pи Е будут параллельны и однонаправлены.

Диполь в неоднородном электрическом поле.

Вращающий момент есть, значит диполь повернётся. Но силы будут неравны, и диполь будет двигаться туда, где сила больше.

-градиент напряжённости . Чем выше градиент напряжённости, тем выше боковая сила, которая стаскивает диполь. Диполь ориентируется вдоль силовых линий.

Собственное поле диполя .

Но . Тогда:

Пусть диполь находится в точке О, а его плечо мало. Тогда:

Формула получена с учётом:

Таким образом разность потенциалов зависит от синуса половинного угла, под которым видны точки диполя, и проекции дипольного момента на прямую, соединяющие эти точки.

Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектрик – вещество, не имеющее свободных зарядов, а значит и не проводящее электрический ток. Однако на самом же деле проводимость существует, но она ничтожно мала.

Классы диэлектриков:

с полярными молекулами (вода, нитробензол): молекулы не симметричны, центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают, а значит, они обладают дипольным моментом даже в случае, когда электрического поля нет.

с неполярными молекулами (водород, кислород): молекулы симметричны, центры масс положительных и отрицательных зарядов совпадают, а значит, они не имеют дипольного момента при отсутствии электрического поля.

кристаллические (хлорид натрия): совокупность двух подрешёток, одна из которых заряжен положительно, а другая – отрицательно; в отсутствии электрического поля суммарный дипольный момент равен нулю.

Поляризация – процесс пространственного разделения зарядов, появления связанных зарядов на поверхности диэлектрика, что приводит к ослаблению поля внутри диэлектрика.

Способы поляризации:

1 способ – электрохимическая поляризация :

На электродах – движение к ним катионов и анионов, нейтрализация веществ; образуются области положительных и отрицательных зарядов. Ток постепенно уменьшается. Скорость установления механизма нейтрализации характеризуется временем релаксации – это время, в течение которого ЭДС поляризации увеличится от 0 до максимума от момента наложения поля. = 10 -3 -10 -2 с.

2 способ – ориентационная поляризация:

На поверхности диэлектрика образуются некомпенсированные полярные, т.е. происходит явление поляризации. Напряжённость внутри диэлектрика меньше внешней напряжённости. Время релаксации: = 10 -13 -10 -7 с. Частота 10 МГц.

3 способ – электронная поляризация:

Характерна для неполярных молекул, которые становятся диполями. Время релаксации: = 10 -16 -10 -14 с. Частота 10 8 МГц.

4 способ – ионная поляризация:

Две решётки (NaиCl) смещаются относительно друг друга.

Время релаксации:

5 способ – микроструктурная поляризация:

Характерен для биологических структур, когда чередуются заряженные и незаряженные слои. Происходит перераспределение ионов на полупроницаемых или непроницаемых для ионов перегородках.

Время релаксации: =10 -8 -10 -3 с. Частота 1 КГц

Числовые характеристики степени поляризации:

Электрический ток – это упорядоченное движение свободных зарядов в веществе или в вакууме.

Условия существования электрического тока :

наличие свободных зарядов

наличие электрического поля, т.е. сил, действующих на эти заряды

Сила тока – величина, равная заряду, который проходит через любое поперечное сечение проводника за единицу времени (1 секунду)

Измеряется в Амперах.

n– концентрация зарядов

q– величина заряда

S– площадь поперечного сечения проводника

- скорость направленного движения частиц.

Скорость движения заряженных частиц в электрическом поле небольшая – 7*10 -5 м/с, скорость распространения электрического поля 3*10 8 м/с.

Плотность тока – величина заряда, проходящего за 1 секунду через сечение в 1 м 2 .

. Измеряется в А/м 2 .

- сила, действующая на ион со стороны эл поля равна силе трения

- подвижность ионов

- скорость направленного движения ионов =подвижность, напряжённость поля

Удельная проводимость электролита тем больше, чем больше концентрация ионов, их заряд и подвижность. При повышении температуры возрастает подвижность ионов и увеличивается электропроводность.