+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

нахождения величины заряда и количество заряда

Электрический заряд – это основа работы любого электронного прибора и та величина, без которой невозможно посчитать ни один важный показатель в электродинамике и электростатике. Подробная расшифровка термина, описание формулы нахождения электрического заряда и образец решения типовой задачи приведены в данной статье.

Что такое электрический заряд q

Электрический заряд, обозначаемый в международной системе единиц буквами q и Q, считается скалярной физической величиной, которая определяет свойство частицы или тела выступать в качестве источника электромагнитного поля и вступать в прямое взаимодействие с ним. В физике существует несколько видов электромагнитных заряженных частиц, и они называются положительными или отрицательными. Обе единицы измеряются в Кулонах, а найти их можно путём вычисления произведения одного Ампера с одной секундой.

Понятие из учебного пособия

Формула нахождения заряда

Определить искомую величину можно из физико-математической формулы силы тока.

-19 Кулон.

Обратите внимание! Формула заряда является следствием прямой зависимости напряженности электромагнитного поля от потенциала его частицы, что является основным правилом нахождения емкости заряженного конденсатора и величины энергии, накопленной в нём. Кроме того, вычислить количество заряда можно через силу Лоренца.

Основные формулы

Как вычислять с помощью законов

Поскольку q и Q являются скалярными единицами, вычислить их с помощью законов можно через точные формулы, выведенные известными учеными-физиками. К примеру, в соответствии с законом Кулона, можно найти величину и силовое направление взаимодействия заряженных частиц между несколькими неподвижными телами.

Закон сохранения

Все элементарные частицы подразделяются на нейтральные или заряженные. Они вступают во взаимодействие друг с другом внутри электромагнитного поля. Частицы, которые имеют одноименный электрон, отталкиваются, а разноименный – притягиваются. В первом случае наблюдается избыток электронов, а во втором – их недостаток. Оба типа частиц заряжаются посредством электризации. На практике, при возникновении данного явления, заряженные частицы равны по модулю, несмотря на противоположность знаков. Когда разные частицы притягиваются, то между ними происходит электризация и сохранение электрона. При этом, сумма всех изолированных системных частиц не изменяется, то есть, q + q + q…= const.

Закон сохранения

Закон Кулона

Выше было сказано, что электрические заряженные микрочастицы бывают как положительными, так и отрицательными, а их наличие подтверждается силовым взаимодействием, которое с помощью экспериментов на весах описал в 1785 году О. Кулон, создав свой физико-математический закон.

Закон Кулона представляет собой физическую закономерность, которая описывает взаимодействие наэлектризованных частиц между не электризованными, в зависимости от промежутка между ними. В соответствии с этой формулировкой, чем больше электронов имеет частица, тем ближе она расположена к другой элементарной единице заряда, и, соответственно, сила возрастает.

Обратите внимание! При увеличении расстояния между частицами, сал их взаимодействия неизменно убывает. В математической формуле это выглядит так: F1 = F2 = K*(q1*q2/r2), где q1 и q2 считаются модулями заряженных микрочастиц, k является коэффициентом пропорциональности, который зависит от системного выбора единицы, а r — расстоянием.

Закон Кулона

Образец решения задач по теме «Электрический заряд»

Ниже приведены образцы решения простых задач по электростатике, в частности, на закон Кулона.

Задача 1. Несколько одинаковых заряженных шаров имеют показатели q1 = 6 микрокулон и q2 = -18 микрокулон. Они располагаются друг от друга на 36 сантиметров (0,36 метров). Насколько будет меняться сила их взаимодействия при соприкосновении друг с другом и разведении в сторону?

Чтобы решить эту задачу, нужно воспользоваться эл заряд формулой F=K*(q1*q2/r2), подставив вместо букв известные величины. В результате, выйдет число 7,5.

Задача 2. Маленькие одинаковые шары находятся на промежутке в 0,15 метра и притягиваются с силой 1 микроньютон. -7 или 10 микрокулон.

Формула для решения

В целом, электрический заряд представляет собой физическую скалярную величину, которая определяет способность тел являться источником электромагнитного поля и участвовать во взаимодействии с ним. Отыскать величину, которая обозначается буквами q и Q, для решения задач или для выполнения другой работы, можно через закон сохранения, Кулона и представленные выше основные физические формулы.

Формула электрического заряда, q

Определение и формула электрического заряда

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.

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.

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.

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.

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:

   

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:

   

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.

Примеры решения задач по теме «Электрический заряд»

Глава 17. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона, принцип суперпозиции

Взаимодействие электрических зарядов описывается законом Кулона, который утверждает, что сила взаимодействия двух покоящихся точечных зарядов в вакууме равна

(17. 1)

где и — модули зарядов, — расстояние между ними. Коэффициент пропорциональности в формуле (17.1) зависит от системы единиц. В международной системе единиц СИ этот коэффициент принято записывать в виде

(17.2)

где величина называется электрической постоянной, размерность величины сводится к отношению размерности длины к размерности электрической емкости (Фарада). Электрические заряды бывают двух типов, которые условно принято называть положительным и отрицательным. Как показывает опыт, заряды притягиваются, если они разноименные и отталкиваются, если одноименные.

В любом макроскопическом теле содержится огромное количество электрических зарядов, поскольку они входят в состав всех атомов: электроны заряжены отрицательно, протоны, входящие в состав атомных ядер — положительно. Однако большинство тел, с которыми мы имеем дело, не заряжены, поскольку количество электронов и протонов, входящих в состав атомов, одинаково, а их заряды по абсолютной величине в точности совпадают.

Тем не менее, тела можно зарядить, если создать в них избыток или недостаток электронов по сравнению с протонами. Для этого нужно передать электроны, входящие в состав какого-нибудь тела, другому телу. Тогда у первого возникнет недостаток электронов и соответственно положительный заряд, у второго — отрицательный. Такого рода процессы происходят, в частности, при трении тел друг о друга.

Если заряды находятся в некоторой среде, которая занимает все пространство, то сила их взаимодействия ослабляется по сравнению с силой их взаимодействия в вакууме, причем это ослабление не зависит от величин зарядов и расстояния между ними, а зависит только от свойств среды. Характеристика среды, которая показывает, во сколько раз ослабляется сила взаимодействия зарядов в этой среде по сравнению с силой их взаимодействия в вакууме, называется диэлектрической проницаемостью этой среды и, как правило, обозначается буквой . Формула Кулона в среде с диэлектрической проницаемостью принимает вид

(17. 3)

Если имеется не два, а большее количество точечных зарядов для нахождения сил, действующих в этой системе, используется закон, который называется принципомсуперпозиции1. Принцип суперпозиции утверждает, что для нахождения силы, действующей на один из зарядов (например, на заряд ) в системе из трех точечных зарядов , и надо сделать следующее. Сначала надо мысленно убрать заряд и по закону Кулона найти силу, действующую на заряд со стороны оставшегося заряда . Затем следует убрать заряд и найти силу, действующую на заряд со стороны заряда . Векторная сумма полученных сил и даст искомую силу.

Принцип суперпозиции дает рецепт поиска силы взаимодействия неточечных заряженных тел. Следует мысленно разбить каждое тело на части, которые можно считать точечными, по закону Кулона найти силу их взаимодействия с точечными частями, на которое разбивается второе тело, просуммировать полученные вектора. Ясно, что такая процедура математически очень сложна, хотя бы потому, что необходимо сложить бесконечное количество векторов. В математическом анализе разработаны методы такого суммирования, однако в школьный курс физики они не входят. Поэтому, если такая задача и встретится, то суммирование в ней должно легко выполняться на основе тех или иных соображений симметрии. Например, из описанной процедуры суммирования следует, что сила, действующая на точечный заряд, помещенный в центр равномерно заряженной сферы, равна нулю.

Кроме того, школьник должен знать (без вывода) формулы для силы, действующей на точечный заряд со стороны равномерно заряженной сферы и бесконечной плоскости. Если имеется сфера радиуса , равномерно заряженная зарядом , и точечный заряд , расположенный на расстоянии от центра сферы, то величина силы взаимодействия равна

(17.4)

если точечный заряд находится снаружи сферы, и

(17.5)

если заряд находится внутри (причем не обязательно в центре). Из формул (17.4), (17.5) следует, что сфера снаружи создает такое же электрическое поле как весь ее заряд, помещенный в центре, а внутри — нулевое.

Если имеется очень большая плоскость с площадью , равномерно заряженная зарядом , и точечный заряд , то сила их взаимодействия равна

(17.6)

где величина имеет смысл поверхностной плотности заряда плоскости. Как следует из формулы (17.6) сила взаимодействия точечного заряда и плоскости не зависит от расстояния между ними. Обратим внимание читателя на то, что формула (17.6) является приближенной и «работает» тем точнее, чем дальше точечный заряд находится от ее краев. Поэтому при использовании формулы (17.6) часто говорят, что она справедлива в рамках пренебрежения «краевыми эффектами», т.е. когда плоскость считается бесконечной.

Рассмотрим теперь решение данных в первой части книги задач.

Согласно закону Кулона (17. 1) величина силы взаимодействия двух зарядов из задачи 17.1.1 выражается формулой

Заряды отталкиваются (ответ 2).

Поскольку капелька воды из задачи 17.1.2 имеет заряд ( – заряд протона), то она имеет в избытке электронов по сравнению с протонами. Значит при потере трех электронов их избыток уменьшится, и заряд капельки станет равен (ответ 2).

Согласно закону Кулона (17.1) величина силы взаимодействия двух зарядов при увеличении в раз расстояния между ними уменьшится в раз (задача 17.1.3 — ответ 4).

Если заряды двух точечных тел увеличить в раз при неизменном расстоянии между ними, то сила их взаимодействия, как это следует из закона Кулона (17.1), увеличится в раз (задача 17.1.4 — ответ 3).

При увеличении одного заряда в 2 раза, а второго в 4, числитель закона Кулона (17. 1) увеличивается в 8 раз, а при увеличении расстояния между зарядами в 8 раз — знаменатель увеличивается в 64 раза. Поэтому сила взаимодействия зарядов из задачи 17.1.5 уменьшится в 8 раз (ответ 4).

При заполнении пространства диэлектрической средой с диэлектрической проницаемостью = 10, сила взаимодействия зарядов согласно закону Кулона в среде (17.3) уменьшится в 10 раз (задача 17.1.6 — ответ 2).

Сила кулоновского взаимодействия (17.1) действует как на первый, так и на второй заряд, а поскольку их массы одинаковы, то ускорения зарядов, как это следует из второго закона Ньютона, в любой момент времени одинаковы (задача 17.1.7 — ответ 3).

Похожая задача, но массы шариков разные. Поэтому при одинаковой силе ускорение шарика с меньшей массой в 2 раза больше ускорения шарика с меньшей массой , причем этот результат не зависит от величин зарядов шариков (задача 17.1.8 — ответ 2).

Поскольку электрон заряжен отрицательно, он будет отталкиваться от шара (задача 17. 1.9). Но поскольку начальная скорость электрона направлена к шару, он будет двигаться в этом направлении, но его скорость будет уменьшаться. В какой-то момент он на мгновение остановится, а потом будет двигаться от шара с увеличивающейся скоростью (ответ 4).

В системе двух заряженных шариков, связанных нитью (задача 17.1.10), действуют только внутренние силы. Поэтому система будет покоиться и для нахождения силы натяжения нити можно использовать условия равновесия шариков. Поскольку на каждый из них действуют только кулоновская сила и сила натяжения нити, то из условия равновесия заключаем, что эти силы равны по величине.

Отсюда

где (ответ 1).

Система трех шариков в задаче 17.2.1 покоится, поэтому силы натяжения должны компенсировать силы кулоновского отталкивания крайних зарядов. Последние найдем по закону Кулона и принципу суперпозиции. Каждый крайний заряд отталкивается от центрального заряда и другого крайнего. Для суммы этих сил получаем

Этой величине и будет равна сила натяжения нитей (ответ 4). Отметим, что рассмотрение условия равновесия центрального заряда не помогло бы найти силу натяжения, а привело бы к заключению, что силы натяжения нитей одинаковы (впрочем, это заключение и так очевидно благодаря симметрии задачи).

Для нахождения силы, действующей на заряд — в задаче 17.2.2, используем принцип суперпозиции. На заряд — действуют силы притяжения к левому и правому зарядам (см. рисунок). Поскольку расстояния от заряда — до зарядов одинаковы, модули этих сил равны друг другу и они направлены под одинаковыми углами к прямой, соединяющей заряд — с серединой отрезка — . Поэтому сила, действующая на заряд — направлена вертикально вниз (вектор результирующей силы выделен жирным на рисунке; ответ 4).

Задача 17.2.3 похожа на предыдущую, но изменен знак одного из зарядов. Поэтому сила, действующая на заряд — со стороны правого заряда, не изменившись по величине, изменится по направлению (см. рисунок). Поэтому вектор результирующей силы будет направлен влево (вектор результирующей силы выделен жирным на рисунке; ответ 1).

На каждый заряд в задаче 17.2.4 действуют силы отталкивания со стороны двух других зарядов (см. рисунок), причем значения этих сил одинаковы (из-за равенства величин всех зарядов и расстояний между ними) и равны

Из-за равенства значений сил-слагаемых параллелограмм сложения сил представляет собой ромб, и, следовательно, вектор результирующей силы направлен вдоль биссектрисы треугольника из зарядов (выделен жирным на рисунке). Поэтому угол, отмеченный на рисунке дугой равен 30°, а значение результирующей силы равно

(ответ 3).

Из формулы (17.6) заключаем, что правильный ответ в задаче 17.2.54. В задаче 17.2.6 нужно использовать формулу для силы взаимодействия точечного заряда и сферы (формулы (17.4), (17.5)). Имеем = 0 (ответ 3).

В задаче 17.2.7 необходимо применить принцип суперпозиции к двум сферам. Принцип суперпозиции утверждает, что взаимодействие каждой пары зарядов не зависит от наличия других зарядов. Поэтому каждая сфера действует на точечный заряд независимо от другой сферы, и для нахождения результирующей силы нужно сложить силы со стороны первой и второй сфер. Поскольку точечный заряд расположен внутри внешней сферы, она не действует на него (см. формулу (17.5)), внутренняя действует с силой

где . Поэтому и результирующая сила равна этому выражению (ответ 2)

В задаче 17.2.8 также следует использовать принцип суперпозиции. Если заряд поместить в точку , то силы, действующие на него со стороны зарядов и , направлены влево. Поэтому по принципу суперпозиции имеем для равнодействующей силы

где — расстояния от зарядов до исследуемых точек. Если поместить положительный заряд в точку , то силы будут направлены противоположно, и на основании принципа суперпозиции находим результирующую силу

В точке на заряд будут действовать силы, направленные направо, и потому

Из этих формул следует, что наибольшей сила будет в точке — ответ 1.

Пусть, для определенности, заряды шариков и в задаче 17. 2.9 положительны. Так как шарики одинаковы, заряды после их соединения распределяться между ними равномерно и для сравнения сил, нужно сравнить друг с другом величины

(1)

которые представляют собой произведения зарядов шариков до и после их соединения. После извлечения квадратного корня сравнение (1) сводится к сравнению среднего геометрического и среднего арифметического двух чисел. А поскольку среднее арифметическое любых двух чисел больше их среднего геометрического, то сила взаимодействия шариков возрастет независимо от величин их зарядов (ответ 1).

Задача 17.2.10 очень похожа на предыдущую, а ответ — другой. Непосредственной поверкой легко убедиться, что сила может как увеличиться, так и уменьшиться в зависимости от величин зарядов. Например, если заряды равны по величине, то после соединения шариков их заряды станут равны нулю, поэтому нулевой будет и сила их взаимодействия, которая, следовательно, уменьшится. Если один из первоначальных зарядов равен нулю, то после соприкосновения шариков заряд одного из них распределится между шариками поровну, и сила их взаимодействия увеличится. Таким образом, правильный ответ в этой задаче — 3.

Закон сохранения электрического заряда — формулы, определение

Электрический заряд

Электрический заряд — это физическая величина, которая определяет способность тел создавать электромагнитное поле и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.

Мы состоим из клеток, клетки состоят из молекул, молекулы в свою очередь состоят из атомов, а атомы — из ядра и электронов. Ядро состоит из протонов и нейтронов.

Протон — это частица, которая заряжена положительно, нейтрон — нейтрально, а электрон — отрицательно. Электрон вращается по орбитам, которые во много раз больше, чем размер электрона.

Размер электрона с размером орбиты можно сравнить так: представьте футбольный мяч и футбольное поле. Во сколько раз поле больше мяча, во столько же раз орбита больше, чем электрон.

Как мы уже выяснили, электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются:

А вот измерять Электрический заряд мы будем в Кулонах [Кл]. Нет, не тех, что болтаются на цепочке. Шарль Кулон — это физик, который изучал электромагнитные явления.

Электризация

Чтобы разобраться с тем, как тело приобретает электрический заряд и сохраняет его, нам для начала нужно поближе познакомится с протоном и электроном. Протон — ленивый и неповоротливый — он точно не будет никуда перемещаться, если мы не переместим атом целиком.

А вот электрон — парень подвижный, и ему перебежать с одного атома на другой — ничего не стоит.

Мы поговорим о двух типах электризации: электризация соприкосновением и электризация трением.

  • Электризация соприкосновением — это процесс, при котором мы берем два проводящих тела: отрицательно заряженное и нейтральное.

Свободные электроны переходят с незаряженного тела на нейтральное. А если мы возьмем положительно заряженное тело вместо отрицательного, то свободные электроны перейдут с нейтрального тела, чтобы уравновесить заряды.

  • Электризации трением — это когда мы берем два незаряженных тела и трем их друг о друга.

Электроны переходят от одного тела к другому и в отличии от электризации соприкосновением заряжаются противоположными по знаку и равными по модулю зарядами.

То есть при соприкосновении заряд раздают одного знака и поровну. Как если бы ты поделился с другом конфетами, которых у тебя с избытком.

При трении наоборот — заряды у тел будут разных знаков, но также в одинаковом количестве. Например, у вас есть равное количество денег в рублях и долларах, и у меня аналогичная ситуация с той же суммой. Вы решили лететь в США, а мне как раз доллары не нужны. Чтобы не ходить в банк, мы можем просто поменяться. Тогда у вас будут только доллары, а у меня — только рубли. Главное, договориться про курс 🙂

Давайте решим пару задач по этой теме.

Задачка один

Из какого материала может быть сделан стержень, соединяющий электрометры, изображённые на рисунке?

А. Стекло

Б. Эбонит

Решение:

Он может быть сделан либо из проводника, либо из диэлектрика. Проводник пропускает через себя заряды, а диэлектрик — нет. Если мы посмотрим на показания электрометров, то увидим, что они отличаются.

Как мы помним, при соприкосновении заряды уравниваются по величине (один электрометр делится конфетами с другим). В данном случае никто ни с кем не делился, это значит, что стержень не пропускает — он диэлектрик. И стекло, и эбонит являются диэлектриками. Значит подходят оба варианта!

Задачка два

В процессе трения о шёлк стеклянная линейка приобрела положительный заряд. Как при этом изменилось количество заряженных частиц на линейке и шёлке при условии, что обмен при трении не происходил?

А) количество протонов на стеклянной линейке

Б) количество электронов на шёлке

Решение:

Вспомните, как мы охарактеризовали протон: он ленивый и неподвижный! Значит количество протонов ни на стеклянной линейке, ни на шелке измениться просто не может. Мы же не отламываем кусок линейки вместе с атомами, из которых она состоит. А вот электроны охотно перемещаются. Нам известно, что линейка приобрела положительный заряд. Получается, электроны сбежали от нее к шелку. Следовательно, количество электронов на шелке увеличилось.

Электростатическая индукция

Кажется, с электризацией разобрались. Теперь разберемся, что произойдет, если мы поднесем одно тело к другому, но не вплотную. Произойдет такое явление, как электростатическая индукция — явление перераспределения зарядов в нейтрально заряженных телах.

Давай разбираться на примере задачи:

На нити подвешен незаряженный металлический шарик. К нему снизу поднесли положительно заряженную палочку. Как изменится при этом сила натяжения нити?

Решение:

Здесь важно подчеркнуть, что незаряженный — значит заряжен нейтрально. То есть в теле равное количество положительных и отрицательных зарядов.

Электроны металлического шарика будут притягиваться к поднесенной положительной палочке. В результате шарик притягивается к палочке, следовательно, сила натяжения нити увеличивается.

Ответ: сила натяжения нити увеличивается

Поляризация диэлектрика

Давайте возьмем два, на первый взгляд, одинаковых задания из ЕГЭ.

Задание 1

Если к незаряженному металлическому шару поднести, не касаясь, точечный положительный заряд, то на стороне шара, ближайшей к заряду, появится отрицательный заряд. Как называется это явление?

Мы только что это разобрали: то электростатическая индукция.

Задание 2

Если к незаряженному диэлектрическому шару поднести, не касаясь, точечный положительный заряд, то на стороне шара, ближайшей к заряду, появится отрицательный заряд. Как называется это явление?

Кажется, что очень похоже на электростатическую индукцию, но это явление будет называться поляризация. В чем разница:

В первом случае — это проводник, а во втором — диэлектрик. Если не вдаваться в подробности, то поляризация диэлектрика — процесс, очень похожий по природе своей на электростатическую индукцию, только происходит в непроводящих материалах.

Закон сохранения электрического заряда

И последнее, о чем мы сегодня поговорим — этот закон сохранения заряда

Звучит он так:

Алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

Закон сохранения заряда

q1 + q2 + q3 + … + qn = const

q1, q2, q3, …, qn — заряды электрически замкнутой системы [Кл]

Задачка раз

У нас есть два металлических шарика. Один имеет положительный заряд 2q, а другой — отрицательный -3q. Шарики соприкасаются, после чего их разъединяют. Каков конечный заряд каждого шарика?

Решение:

Для решения этой задачи нам нужно найти алгебраическую сумму зарядов.

2q – 3q = -1q.

Это суммарный заряд шариков и до, и после и во время взаимодействия.

Так как суммарный заряд сохраняется, но шарики соприкоснулись, суммарный заряд разделится между всеми шариками поровну. То есть нам нужно суммарный заряд просто поделить на количество шариков — на 2.

-1/2 = -0,5q.

И это ответ к нашей задаче.

Ответ: конечный заряд шариков будет равен -0,5 Кл.

Задачка два

Металлическая пластина, имевшая положительный заряд, по модулю равный 10е, при освещении потеряла шесть электронов. Каким стал заряд пластины?

Решение:

У положительно заряженной пластины 10e забрали 6 электронов. Заряд одного электрона равен -е. Спасемся математикой и посчитаем:

q = q₀ — 6(— e) = 10e + 6e = 16e

Красный знак «минус» образуется из-за того, что мы «отнимаем» электроны, а зеленый — из-за того, что электрон отрицательный. «Минус на минус» дает плюс, поэтому мы получаем 10e + 6e = 16е.

Ответ: 16е

Задачка три

Имеются два одинаковых проводящих шарика. Одному из них сообщили электрический заряд +8q, другому -4q. Затем шарики привели в соприкосновение и развели на прежнее расстояние. Какими стали заряды у шариков после соприкосновения?

Решение:

По закону сохранения заряда сумма зарядов в замкнутой системе остается постоянной.

+8q — 4q = + 4q

Два шарика привели в соприкосновение и развели, значит их суммарный заряд разделится между шариками поровну.

+4q/2 = +2q

Ответ: заряды шариков равны 2q.

Закон Кулона и связь с гравитацией

Мы уже упоминали Шарля Кулона. В честь него названа единица измерения заряда — Кулон. Он придумал закон о взаимодействии зарядом.

Закон Кулона

F = k*(q₁*q₂/r²)

k — коэффициент пропорциональности

E₀= 8,85 * 10-12Н*м²/Кл² — электрическая постоянная

E — диэлектрическая проницаемость среды — показывает во сколько раз сила электростатического взаимодействия в вакууме больше силы в среде (в вакууме равна 1)

q1 — заряд первого тела [Кл]

q2 — заряд второго тела [Кл]

r — расстояние между телами [м]

F — сила электростатического взаимодействия (кулоновская) [Н]

Мы уже знаем, что заряды бывают положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Это значит, что сила направлена туда же, куда заряд будет стремиться двигаться.

Например, у положительного заряда сила будет направлена в сторону отрицательного, если он есть где-то поблизости, и от положительного, так как одноименные заряды отталкиваются.

Согласно третьему закону Ньютона, силы одной природы возникают попарно, равны по величине, противоположны по направлению. Если взаимодействуют два неодинаковых заряда, сила, с которой больший заряд действует на меньший (В на А) равна силе, с которой меньший действует на больший (А на В).

Интересно, что у различных законов физики есть некоторые общие черты. Вспомним закон тяготения. Сила гравитации также обратно пропорциональны квадрату расстояния, но уже между массами. И невольно возникает мысль, что в этой закономерности таится глубокий смысл. До сих пор никому не удалось представить тяготение и электричество, как два разных проявления одной и той же сущности.

Сила и тут изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, но разница в величине электрических сил и сил тяготения поразительна. Пытаясь установить общую природу тяготения и электричества, мы обнаруживаем такое превосходство электрических сил над силами тяготения, что трудно поверить, будто у тех и у других один и тот же источник. Нельзя говорить, что одно действует сильнее другого, ведь все зависит от того, какова масса и каков заряд.

Рассуждая о том, насколько сильно действует тяготение, мы не вправе говорить: «Возьмем массу такой-то величины», потому что мы выбираем ее сами. Но если мы возьмем то, что предлагает нам сама Природа: ее собственные числа и меры, которые не имеют ничего общего с нашими дюймами, годами — с любыми нашими мерами, вот тогда мы можем сравнивать.

Мы возьмем элементарную заряженную частицу, например, электрон. Две элементарные частицы, два электрона, за счет электрического заряда отталкивают друг друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, а за счет гравитации притягиваются друг к другу опять-таки с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния.

Закон Всемирного тяготения

F = G*(m₁*m₂/r²)

G= 6,67 * 10⁻¹¹*11м³/кг*c² — гравитационная постоянная

m1 — масса первого тела [кг]

m2 — масса второго тела [кг]

r — расстояние между телами [м]

F — сила гравитационного притяжения [Н]

Тяготение относится к электрическому отталкиванию, как единица к числу с 42 нулями. Да, это огромное число! Исследователи перебирали все большие числа, чтобы понять — откуда это взялось. Одно из таких больших чисел — это отношение диаметра Вселенной к диаметру протона — как ни удивительно, это тоже число с 42 нулями. Нормально так перебрали.

Если вы смотрели Рика и Морти, то знаете о теории параллельных вселенных и о том, что эти вселенные расширяются. Из-за расширения вселенной постоянная сила тяготения меняется. Хотя эта гипотеза еще не опровергнута, у нас нет никаких свидетельств в ее пользу. Наоборот, некоторые данные говорят о том, что постоянная сила тяготения не менялась таким образом. Это громадное число по сей день остается загадкой.

От расширяющихся вселенных и мультиков перейдем к чему-то более приземленному — к задачам.

Задачка раз

Расстояние между двумя точечными электрическими зарядами уменьшили в 3 раза, каждый из зарядов увеличили в 3 раза. Во сколько раз увеличился модуль сил электростатического взаимодействия между ними?

Решение:

Возьмем закон Кулона.

F = k*(q₁*q₂/r²)

Если расстояние уменьшилось в 3 раза, то знаменатель уменьшился в 9 раз. Каждый из зарядов увеличился в три раза, значит числитель увеличился в 9 раз. Уменьшаем знаменатель в 9 раз, тем самым увеличивая всю дробь в 9 раз, увеличиваем числитель в 9 раз, получаем, что вся дробь увеличилась в 81 раз. И это ответ.

Ответ: модуль сил электростатического взаимодействия увеличится в 81 раз.

Задачка два (последняя!)

Два одинаковых маленьких отрицательно заряженных металлических шарика находятся в вакууме на достаточно большом расстоянии друг от друга. Модуль силы их кулоновского взаимодействия равен F₁. Модули зарядов шариков отличаются в 5 раз.

Если эти шарики привести в соприкосновение, а затем расположить на прежнем расстоянии друг от друга, то модуль силы их кулоновского взаимодействия станет равным F₂. Определите отношение F₂ к F₁.

Решение:

Для начала найдем заряд шариков после соприкосновения.

(q₁ + q₂)/2= (5q + q)/2= 3q

Теперь по закону кулона найдем силу F2

F = k * (q₁*q₂/r²) = (9kq²)/r²

И находим отношение сил

F₂/F₁ = 1,8

Ответ: отношение сил равно 1,8

Закон Кулона. Точечный заряд.

Силы электростатического взаимодействия зависят от формы и размеров наэлектризованных тел, а также от характера распределения заряда на этих телах. В некоторых случаях можно пренебречь формой и размерами заряженных тел и считать, что каждый заряд сосредоточен в одной точке. Точечный заряд – это электрический заряд, когда размер тела, на котором этот заряд сосредоточен, намного меньше расстояния между заряженными телами. Приближённо точечные заряды можно получить на опыте, заряжая, например, достаточно маленькие шарики.

Взаимодействие двух покоящихся точечных зарядов определяет основной закон электростатики – закон Кулона. Этот закон экспериментально установил в 1785 году французский физик Шарль Огюстен Кулон (1736 – 1806). Формулировка закона Кулона следующая:

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

Эта сила взаимодействия называется кулоновская сила, и формула закона Кулона будет следующая:

F = k · (|q1| · |q2|) / r2

где |q1|, |q2| – модули зарядов, r – расстояния между зарядами, k – коэффициент пропорциональности.

Коэффициент k в СИ принято записывать в форме:

k = 1 / (4πε0ε)

где ε0 = 8,85 * 10-12 Кл/Н*м2 – электрическая постоянная, ε – диэлектрическая проницаемость среды.

Для вакуума ε = 1, k = 9 * 109 Н*м/Кл2.

Сила взаимодействия неподвижных точечных зарядов в вакууме:

F = [1 /(4πε0)] · [(|q1| · |q2|) / r2]

Если два точечных заряда помещены в диэлектрик и расстояние от этих зарядов до границ диэлектрика значительно больше расстояния между зарядами, то сила взаимодействия между ними равна:

F = [1 /(4πε0)] · [(|q1| · |q2|) / r2] = k · (1 /π) · [(|q1| · |q2|) / r2]

Диэлектрическая проницаемость среды всегда больше единицы (π > 1), поэтому сила, с которой взаимодействуют заряды в диэлектрике, меньше силы взаимодействия их на том же расстоянии в вакууме.

Силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел.

Кулоновские силы, как и гравитационные силы, подчиняются третьему закону Ньютона:

F1,2 = -F2,1

Кулоновская сила является центральной силой. Как показывает опыт, одноимённые заряженные тела отталкиваются, разноимённо заряженные тела притягиваются.

Вектор силы F2,1, действующей со стороны второго заряда на первый, направлен в сторону второго заряда, если заряды разных знаков, и в противоположную, если заряды одного знака (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Взаимодействие разноименных и одноименных электрических зарядов.

Электростатические силы отталкивания принято считать положительными, силы притяжения – отрицательными. Знаки сил взаимодействия соответствуют закону Кулона: произведение одноимённых зарядов является положительным числом, и сила отталкивания имеет положительный знак. Произведение разноимённых зарядов является отрицательным числом, что соответствует знаку силы притяжения.

В опытах Кулона измерялись силы взаимодействия заряженных шаров, для чего применялись крутильные весы (рис. 1.10). На тонкой серебряной нити подвешена лёгкая стеклянная палочка с, на одном конце которой закреплён металлический шарик а, а на другом противовес d. Верхний конец нити закреплён на вращающейся головке прибора е, угол поворота которой можно точно отсчитывать. Внутри прибора имеется такого же размера металлический шарик b, неподвижно закреплённый на крышке весов. Все части прибора помещены в стеклянный цилиндр, на поверхности которого нанесена шкала, позволяющая определить расстояние между шариками a и b при различных их положениях.

Рис. 1.10. Опыт Кулона (крутильные весы).

При сообщении шарикам одноимённых зарядов они отталкиваются друг от друга. При этом упругую нить закручивают на некоторый угол, чтобы удержать шарики на фиксированном расстоянии. По углу закручивания нити и определяют силу взаимодействия шариков в зависимости от расстояния между ними. Зависимость силы взаимодействия от величины зарядов можно установить так: сообщить каждому из шариков некоторый заряд, установить их на определённом расстоянии и измерить угол закручивания нити. Затем надо коснуться одного из шариков таким же по величине заряженным шариком, изменяя при этом его заряд, так как при соприкосновении равных по величине тел заряд распределяется между ними поровну. Для сохранения между шариками прежнего расстояния необходимо изменить угол закручивания нити, а следовательно, и определить новое значение силы взаимодействия при новом заряде.


Ionic Compounds: Formulas and Nomenclature

3.5: Ионные соединения: Формулы и номенклатура

Элемент, состоящий из атомов, которые легко теряют электроны (металл), может взаимодействовать с элементом, состоящим из атомов, которые легко получают электроны (неметаллические) для получения ионов посредством полной передачи электрона. Соединение, образованное этим переносом, стабилизируется электростатические притяжения (ионные связи) между противоположно заряженными ионами.

Перемещаясь от крайнего правого к левому краю периодического стола, неметаллические элементы часто получают электроны, образующие анионы с тем же количеством электронов, что и атом следующего благородного газа в периодической таблице, а отрицательный заряд равен количеству групп, перемещенных из благородных газов. То есть атомы группы 17 получают один электрон и образуют анионы с зарядом 1− атомы группы 16 получают два электрона и образуют ионы с зарядом 2&minus и так далее. Например, нейтральный атом кислорода с 8 протонами и 8 электронами легко получает два электрона. Это приводит к аниону с 8 протонами, 10 электронами и зарядкой 2 и является символов O2. Анион O2 имеет такое же количество электронов, как и следующий благородный газ – неон. Название анионов — название неметаллического элемента с его концовкой, замененного суффиксом -ide, поэтому O2 называется оксидом.

Переходные металлы и некоторые другие металлы часто имеют переменные заряды, которые не предсказуемы по своему расположению в таблице. Например, медь может образовывать ионы с зарядкой 1+ или 2+, а железо может образовывать ионы с зарядкой 2+ или 3+.

В каждом ионном соединении общее количество положительных зарядов катионов равно общему количеству отрицательных зарядов анионов. Таким образом, ионные соединения электрически нейтральны, даже если они содержат положительные и отрицательные ионы. Формула ионного соединения должна иметь отношение ионов таким образом, чтобы количество положительных и отрицательных зарядов было одинаковым.

Например, если вещество содержит алюминий и кислород в форме Al3+ и O2, формула вещества будет Al2O3. Два ионов алюминия, каждый с зарядкой 3+, дадут нам шесть положительных зарядов, а три иона оксида, каждый с зарядкой 2-, дадут нам шесть отрицательных зарядов. Таким образом, соединение будет электрически нейтральным, с таким же количеством положительных и отрицательных зарядов.

Многие ионные соединения содержат полиатомные ионы как катион, анион или и то, и другое. Полиатомные ионы — это группа связанных атомов, которые выступают в качестве дискретных единиц, несущих общий заряд. Как и в случае простых ионных соединений, эти соединения также должны быть электрически нейтральными, поэтому их формулы можно предсказать, обрабатывая полиатомные ионы как дискретные единицы. Скобки используются в формуле для обозначения полиатомных ионов, которые ведут себя как единичная единица. Например, формула для фосфата кальция, одного из минералов в костях, — CA3(PO4)2. В состав входит полиатомный ион PO43, состоящий из одного атома фосфора и четырех атомов кислорода и имеющий общий заряд 3-. Эта формула показывает, что на каждые две группы PO43 (всего шесть положительных зарядов) приходится три иона Ca2+ (всего шесть отрицательных зарядов). Соединение электрически нейтрально, и его формула показывает общее количество трех атомов Ca, двух P и восьми O.

Ионные соединения представлены формулой, указывающей относительное количество составляющих их ионов. Для соединений, содержащих только одноатомные ионы (например, NaCl) и для многих соединений, содержащих полиатомные ионы (например, CaSO4), эти формулы являются лишь эмпирическими формулами. Однако формулы для некоторых ионных соединений, содержащих полиатомные ионы, не являются эмпирическими формулами. Например, ионное соединение оксалата натрия состоит из ионов Na+ и C2O42-, Объединенных в соотношении 2:1, и его формула написана как Na2C2O4.  

Номенклатура ионных соединений

Название бинарного соединения, содержащего моноатомные ионы, состоит из названия катиона (названия металла), за которым следует название аниона (название неметаллического элемента с его концовкой, замененного суффиксом -ide). Например, название Na2O — оксид натрия.

Соединения, содержащие полиатомные ионы, также называются аналогично соединениям, содержащим только моноатомные ионы, т. е. путем присвоения имени сначала катиону, а затем иону. Например, название CaSO4 — сульфат кальция.

Большинство переходных металлов и некоторые металлы основной группы могут образовывать две или более катионов с разными зарядами. Соединения этих металлов с неметаллами названы тем же методом, что и бинарные соединения, за исключением того, что заряд иона металла указан римской цифрой в скобках после названия металла.  

Заряд металлического иона определяется по формуле соединения и заряда аниона. Например, в бинарном ионном соединении из железа и хлора железо обычно имеет заряд 2+ или 3+, а две соответствующие смеси — FeCl2 и FeCl3. В таких случаях заряд металлического иона включается в качестве римского числа в скобках сразу после названия металла. Таким образом, эти два соединения называются хлоридом железа(II) и хлоридом железа(III) соответственно.  

Ионные соединения, содержащие молекулы воды в качестве интегральных компонентов их кристаллов, называются гидратами. Название ионного гидрата определяется добавлением термина к названию безводного (то есть, “не гидратированное”) соединения, который указывает количество молекул воды, связанных с каждой формульной единицей соединения. Добавленное слово начинается с греческого префикса, обозначающего количество молекул воды, и заканчивается “гидратом”. Например, сульфат меди(II) безводного соединения также существует как гидрат, содержащий пять молекул воды и называемый пентагидрат сульфата меди(II) (пента = 5). Стиральная сода — это общее название гидрата карбоната натрия, содержащего десять молекул воды; систематическое название — декагидрат карбоната натрия (дека = 10).

Формулы для ионных гидратов записываются путем добавления вертикально центрированной точки, коэффициента, представляющего количество молекул воды, и формулы для воды. Например, пентагидрат сульфата меди(II) записан как CuSO4∙5H2О.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 2. 6: Молекулярные и ионные соединения и Openstax, Химия 2е изд., раздел 2.7: Химическая номенклатура.

Закон Кулона

Закон Кулона количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Он является фундаментальным законом, то есть установлен при помощи эксперимента и не следует ни из какого другого закона природы. Он сформулирован для неподвижных точечных зарядов в вакууме. В реальности точечных зарядов не существует, но такими можно считать заряды, размеры которых значительно меньше расстояния между ними. Сила взаимодействия в воздухе почти не отличается от силы взаимодействия в вакууме (она слабее менее чем на одну тысячную).

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. 9 \) — Коэффициент пропорциональности в законе Кулона

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: \( \vec{F}_{12}=\vec{F}_{21} \) . Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

  • Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

  • Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

  • Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.

Отметим, чтоб выполнялся закон Кулона необходимо 3 условия:

  • Точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров.
  • Неподвижность зарядов. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд .
  • Взаимодействие зарядов в вакууме.

В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).

Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (Ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.

В вашем браузере отключен Javascript.
Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!
Больше интересного в телеграм @calcsbox

Как рассчитать официальный платеж

Эй! Добро пожаловать на курс «Мастер органической химии», на всякий случай, если вы впервые.

В этом сообщении в блоге я объясняю, как рассчитать формальный заряд молекул. Тем не менее, вы можете найти мои видео, содержащие 10 решенных примеров формальных проблем с зарядкой, еще более полезными. Просто думал, что вы должны знать!


Нужно выяснить, является ли атом отрицательным, положительным или нейтральным? Вот формула для определения «формального заряда» атома:

Формальный заряд = [количество валентных электронов] — [электроны в неподеленных парах + 1/2 количества связывающих электронов]

Эта формула явно описывает соотношение между количеством связывающих электронов и их отношением к тому, сколько из них формально «принадлежит» атому.

Например, применив это к BH 4 (верхний левый угол на изображении ниже), мы получим:

  • Число валентных электронов для бора равно 3 .
  • Количество несвязанных электронов ноль .
  • Общее количество связывающих электронов вокруг бора равно 8 (полный октет). Половина из них — 4 .

Итак, формальный сбор = 3 — (0 + 4) = 3 — 4 = –1

Однако есть более простой способ сделать это.

Поскольку химическая связь имеет два электрона, «количество связывающих электронов, деленное на 2» по определению равно , равному к количеству связей , окружающих атом. Таким образом, мы можем вместо этого использовать эту сокращенную формулу :

Формальный заряд = [количество валентных электронов на атоме] — [несвязанные электроны + количество связей].

Применяем это снова к BH 4 (верхний левый угол).

  • Число валентных электронов для бора 3 .
  • Количество несвязанных электронов ноль .
  • Число связей вокруг бора 4 .

Итак, формальный заряд = 3 — (0 + 4) = 3-4 = –1

Формальный заряд B в BH 4 отрицательный 1.

Применим его к : CH 3 (один справа от BH 4 )

  • Число валентных электронов для углерода 4
  • Число несвязанных электронов два (у него неподеленная пара)
  • количество связей вокруг углерода 3 .

Итак, формальный заряд = 4 — (2 +3) = 4-5 = –1

Формальный заряд C в: CH 3 отрицательный 1.

Формальный заряд такой же, как и в BH 4 !

Рассмотрим последний пример. Давайте сделаем CH 3 + (без неподеленных пар на углероде). Это оранжевый в нижнем ряду.

  • Число валентных электронов для углерода 4
  • Число несвязанных электронов ноль
  • Число связей вокруг углерода 3 .

Итак, формальный заряд = 4 — (0 +3) = 4 — 3 = +1

Вы можете применить эту формулу к любому атому, который хотите назвать.

Вот диаграмма для некоторых простых молекул в ряду B C N O. Я надеюсь, что бериллий и фтор не слишком обиделись, что я их пропустил, но они действительно не так интересны для целей этой таблицы.

Обратите внимание на интересный узор в геометриях (выделен цветом): BH 4 (-), CH 4 и NH 4 (+) имеют одинаковую геометрию, как и CH 3 (-), NH 3 и OH 3 (+).Карбокатион CH 3 (+) имеет такую ​​же электронную конфигурацию (и геометрию), что и нейтральный боран, BH 3 . Знакомую изогнутую структуру воды H 2 O разделяет амид-анион NH 2 (-). Эти общие геометрические формы являются одним из интересных следствий теории отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR — произносится как « vesper », так же как «Фавр» произносится как « Farve» .)

Формальная формула заряда также работает для двойных и тройные облигации:

Вот вопрос.Алканы, алкены и алкины нейтральны, поскольку имеется четыре связи и нет несвязанных электронов: 4 — [4 + 0] = 0. Для каких других значений [связи + несвязанные электроны] вы также получите нулевое значение, и как могут выглядеть эти структуры? (Вы встретите некоторые из этих структур позже в ходе курса).

И последний вопрос — как вы думаете, почему это называется «формальным обвинением»?

Подумайте, какой будет формальная плата за BF 4 . Отрицательный заряд на боре.Какой элемент здесь самый электроотрицательный? Фторид, конечно, с электроотрицательностью 4,0, с тактовой частотой бора 2,0. Как вы думаете, где на самом деле находится отрицательный заряд ?

Ну, дело не в боре. На самом деле он распространяется через более электроотрицательные фторид-ионы, которые становятся более богатыми электронами. Таким образом, хотя «формальный» адрес отрицательного заряда находится на боре, электронная плотность фактически распределена по фторидам. Другими словами, в данном случае формальное обвинение не имеет ничего общего с действительностью.

Еще одно напоминание — 10 видеороликов с решенными примерами формальных проблем с зарядом, прямо здесь (посмотрите на самый верх страницы)

Электрический заряд — веб-формулы

Электрический заряд определяется по формуле:

Q = I т

Соответствующие единицы СИ:
кулон (Кл) = ампер (А) ∙ секунда (с)

Где I — электрический ток, а t — время (продолжительность).

  • Электрический заряд — это фундаментальное свойство, такое как масса, длина и т. Д., Связанное с элементарными частицами, например электроном, протоном и многими другими.
  • Электрический заряд — это свойство, отвечающее за электрические силы, которые действуют между ядром и электроном, связывая атом вместе.
  • Начисления бывают двух видов
    (i) отрицательный заряд
    (ii) положительный заряд
  • Электроны — это отрицательно заряженные частицы, а протоны, из которых состоит ядро, — положительно заряженные частицы.На самом деле ядро ​​состоит из протонов и нейтронов, но нейтроны — это незаряженные частицы.
  • Электрическая сила между двумя электронами такая же, как электрическая сила между двумя протонами, находящимися на одинаковом расстоянии друг от друга i. е., оба набора отталкивают друг друга, но электрическая сила между электроном и протоном, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга, по своей природе не отталкивающая, а притягивающая.
    (a) Одинаковые заряды отталкиваются друг от друга

    (b) Разные заряды притягиваются друг к другу

  • Назначение отрицательного заряда электрона и положительного заряда протона чисто условное; это не означает, что заряд электрона меньше заряда протона.
  • Важность электрических сил в том, что они охватывают почти все поля, связанные с нашей жизнью; Поскольку это вещество состоит из атомов или молекул, в которых электрические заряды точно сбалансированы, или силы сцепления клея связаны с поверхностным натяжением, все они имеют электрическую природу.

Блок

  • Заряд системы можно измерить, сравнив его с зарядом стандартного тела.
  • Единица заряда СИ — кулон, записываемый как C.
  • 1 Кулон — это заряд, протекающий по проводу за 1 секунду, если электрический ток в нем равен 1А.
  • Заряд электрона равен -1,602 * 10 -19 Кл, а заряд протона положителен этой величине.
  • Два важных свойства заряда — это квантование и сохранение .

(а) Квантование заряда

(i) Электрический заряд может существовать только как целое кратное заряду электрона (-e) i.е.

q = ± ne , где n — целое число.

(ii) Возможные значения электрического заряда: q = ± 1e; ± 2e; ± 3e

(iii) Заряд меньше заряда электрона (, т.е. , e = 1,6 * 10 -19 C) невозможен.

(б) Сохранение заряда

(i) В изолированной системе общий электрический заряд всегда остается постоянным.

(ii) Полный заряд тела равен алгебраической сумме всех имеющихся на нем зарядов. Каждый атом электрически нейтрален, поскольку он содержит столько электронов, сколько протонов в нем.

(iii) Когда мы протираем стеклянный стержень куском шелка, положительный заряд, приобретаемый стеклянным стержнем, равен отрицательному заряду, приобретаемому кусочком шелка. Таким образом, заряды производятся в равных и разнородных парах.

Пример (1) : Какое возможное значение электрического заряда?

(а) 1 X 1.6 Х 10 -19 С

(б) 2,4 Х 1,6 Х 10 -19 С

(в) -8 X 1,6 X 10 -19 C

(г) 1 X 1,8 X 10 -19 C

Решение: (a)

Как мы знаем, электрический заряд может существовать только как целое кратное заряду электрона (-e), т. е.

q = ± ne , где n — целое число.Таким образом, q = ± 1 X 1,6 X 10 -19 C

Пример (2) : Если n = 2, какова будет величина электрического заряда? (Учитывая e = 1,6 X 10 -19 C)

(а) ± 0,8 Х 10 -19 С

(б) ± 3,2 Х 10 -19 С

(в) ± 4,3 Х 10 -19 С

(г) ± 6.3 Х 10 -19 С

Решение: ( b )

Мы знаем, что

q = ± н.э.

= 2 Х 1,6 Х 10 -19 С

= ± 3,2 х 10 -19 ° С

Следовательно, вариант (b) верен.

Пример (3): Заряд меньше, чем заряд (т.е.е. e = 1,6 X 10 -19 C) на электрон возможно?

(a) Да (b) Нет

Решение: (b) Как известно

q = ± ne , где n — целое число, т. е. n = 1, 2, 3, …

Пример 4): Каков суммарный заряд всех протонов в 1,00 кг углерода?

(а) 4.82 Х 10 7 С

(б) 3.96 X 10 7 C

(в) 4.82 Х 10 9 В

(г) 3.96 X 10 12 C

Решение: (a) Мы можем найти количество кулонов положительного заряда в 1,00 кг углерода из Q = 6n c e , где n c — количество атомов в 1.00 кг углерода и множитель 6 учитывают присутствие 6 протонов в каждом атоме. Мы можем найти количество атомов в 1,00 кг углерода, установив соотношение, связывающее число Авогадро N A , массу углерода и молекулярную массу углерода с n c .

Пример 5): Определите электрический ток в электрической цепи, где общий электрический заряд составляет 6 C за 5 секунд.

Электрический заряд (Q)

Что такое электрический заряд?

Электрический заряд генерирует электрическое поле. Электрический заряд влияет на другие электрические заряды с электрической силой и под влиянием другого заряжается с той же силой в противоположном направлении.

Есть 2 вида электрического заряда:

Положительный заряд (+)

Положительный заряд имеет больше протонов, чем электронов (Np> Ne).

Положительный заряд обозначается знаком плюс (+).

Положительный заряд притягивает другие отрицательные заряды и отталкивает другие положительные заряды.

Положительный заряд притягивается другим отрицательным заряды и отражаются другими положительными зарядами.

Отрицательный заряд (-)

Отрицательный заряд содержит больше электронов, чем протонов (Ne> Np).

Отрицательный заряд обозначается знаком минус (-).

Отрицательный заряд притягивает другие положительные заряды и отталкивает другие отрицательные заряды.

Отрицательный заряд притягивается другим положительным заряды и отталкиваются другими отрицательными зарядами.

Направление электрической силы (F) в зависимости от типа заряда
заряды q1 / q2 Сила на q 1 заряд Сила на q 2 заряд
— / — ← ⊝ ⊝ → пополнение
+ / + ← ⊕ ⊕ → пополнение
— / + ⊝ → ← ⊕ аттракцион
+ / — ⊕ → ← ⊝ аттракцион
Заряд элементарных частиц
Частица Заряд (К) Заряд (е)
Электрон 1.602 × 10 -19 С

e

Протон 1,602 × 10 -19 C

+ e

Нейтрон 0 С 0

Кулон

Электрический заряд измеряется в кулонах [Кл].

Один кулон имеет заряд 6,242 × 10 18 электроны:

1C = 6,242 × 10 18 e

Электрический заряд расчет

Когда электрический ток течет в течение определенного времени, мы можем рассчитать сбор:

Постоянный ток

Q = I т

Q — электрический заряд, измеренный в кулоны [C].

I — ток, измеренный в амперах. [А].

t — период времени, измеряемый в секунды [с].

Кратковременный ток

Q — электрический заряд, измеренный в кулоны [C].

i ( t ) — мгновенный ток, измеряется в амперах [A].

t — период времени, измеряемый в секунды [с].


См. Также

B1: Заряд и закон Кулона

Заряд — это свойство материи.Есть два вида заряда: положительный «+» и отрицательный «-». Объект может иметь положительный заряд, отрицательный заряд или вообще не иметь заряда. Частица, которая имеет заряд, вызывает существование вектора силы на заряд потенциальной жертвы в каждой точке области пространства вокруг себя. Бесконечный набор векторов силы на заряд жертвы называется векторным полем. Любая заряженная частица, оказавшаяся в области пространства, где существует векторное поле «сила на заряд потенциальной жертвы», будет иметь силу, действующую на нее со стороны силы на заряд потенциальной жертвы. Поле жертвы.Поле силы на заряд потенциальной жертвы называется электрическим полем. Заряженная частица, вызывающая электрическое поле, называется зарядом источника. (Что касается жаргона: заряженная частица — это частица, которая имеет заряд. Заряженную частицу часто называют просто «зарядом»).

Заряд источника вызывает электрическое поле, которое воздействует на заряд жертвы. В конечном итоге заряд источника вызывает приложение силы к жертве. Хотя нам есть что обсудить об электрическом поле, пока мы сосредоточимся на конечном эффекте, который мы просто заявляем (пренебрегая «средним человеком», электрическим полем) следующим образом: «Заряженная частица оказывает силу на другую заряженную частицу. .Это утверждение является законом Кулона в его концептуальной форме. Эта сила называется кулоновской силой , также известной как электростатическая сила , .

Обратите внимание, что любой заряд можно рассматривать как исходный, а любой — как обвинение жертвы. Идентификация одного заряда как обвинения жертвы эквивалентна установлению точки зрения, подобно идентификации объекта, движение или равновесие которого изучается в целях применения закона движения Ньютона 2 nd .\ (\ vec {a} = \ frac {\ sum \ vec {F}} {m} \). Согласно закону Кулона сила, действующая на одну заряженную частицу со стороны другой, направлена ​​вдоль линии, соединяющей две частицы, и от другой частицы, если обе частицы имеют одинаковый тип заряда (положительный или отрицательный), но, по направлению к другой частице, если вид заряда отличается (один положительный, а другой отрицательный). Этот факт, вероятно, вам известен как «подобные заряды отталкивают, а непохожие — притягивают».

Единицей заряда в системе СИ является кулон, сокращенно C.2} \)), как ожидается, установит направление силы посредством «здравого смысла» (понимание пользователем того, что означает отталкивание одинаковых зарядов и притягивание друг друга разнородных зарядов).

Хотя закон Кулона в форме уравнения разработан так, чтобы быть точным для точечных частиц, он также точен для сферически-симметричных распределений заряда (таких как однородные шары заряда), если используется расстояние между центрами для \ ( r \) .

Закон Кулона также является хорошим приближением в случае объектов, у которых заряд несферически симметричен, если размеры объектов малы по сравнению с разделением объектов (чем это верно, тем лучше приближение).2} \ hat {r} _ {12} \ label {1-2} \]

где:

  • \ (\ vec {F_ {12}} \) — это сила «1 на 2», то есть сила, действующая частица 1 на частицу 2,
  • \ (\ hat {r} _ {12} \) — единичный вектор в направлении «от 1 до 2», а
  • \ (k \), \ (q_1 \) и \ (q_2 \) определены, как и раньше (кулоновская постоянная, заряд частицы 1 и заряд частицы 2 соответственно).

Обратите внимание на отсутствие знаков абсолютного значения вокруг \ (q_1 \) и \ (q_2 \).Говорят, что частица, которая имеет определенное количество, скажем, 5 кулонов отрицательного типа заряда, имеет заряд -5 кулонов, а одна частица с 5 кулонами положительного заряда имеет заряд +5 кулонов) и действительно, знаки плюс и минус, обозначающие вид заряда, имеют обычное арифметическое значение, когда заряды входят в уравнения. Например, если вы создаете составной объект, комбинируя объект, который имеет заряд \ (q_1 = + 3 C \) с объектом, который имеет заряд \ (q_2 = -5C \), то составной объект имеет заряд

\ [q = q_1 + q_2 \]

\ [q = + 3C + (- 5C) \]

\ [q = -2C \]

Обратите внимание, что арифметическая интерпретация вида заряда в векторной форме закона Кулона приводит к тому, что это уравнение дает правильное направление силы для любой комбинации видов заряда.2} \ hat {r} _ {12} \)), мы видим, что

\ [\ vec {F_ {21}} = — \ vec {F_ {12}} \]

Итак, согласно закону Кулона, если частица 1 оказывает силу \ (\ vec {F_ {12}} \) на частицу 2, то частица 2, в то же время, оказывает равную, но противоположную силу \ (- \ vec {F_ {12}} \) обратно к частице 2, что, как мы знаем, согласно закону Ньютона 3 rd , должно.

В нашем макроскопическом мире мы обнаруживаем, что заряд не является неотъемлемым фиксированным свойством объекта, а, скорее, чем-то, что мы можем изменить.Например, потрите нейтральный резиновый стержень мехом животных, и вы обнаружите, что после этого стержень имеет некоторый заряд, а мех — противоположный. Бен Франклин определил тип заряда, который появляется на резиновом стержне, как отрицательный, а другой — как положительный. Чтобы дать некоторое представление о том, как стержень получает отрицательный заряд, мы кратко углубимся в атомный мир и даже субатомный мир.

Стабильная материя, с которой мы знакомы, состоит из протонов, нейтронов и электронов.{10} \) электронов, которые наверняка были бы большим количеством шариков, но представляют собой ничтожную долю от общего числа электронов в материале чашки.

Основными пунктами предыдущего обсуждения являются:

  • Типичный нейтральный макроскопический объект состоит из невероятно огромного количества зарядов обоих типов (около 50 миллионов кулонов каждого на каждый килограмм вещества), одинакового количества каждого вида.
  • Когда мы заряжаем объект, мы передаем относительно небольшое количество заряда этому объекту или от него.{−7} \) кулонов.
  • Когда мы переносим заряд от одного объекта к другому, мы фактически перемещаем заряженные частицы, обычно электроны, от одного объекта к другому.

Один момент, который мы не отметили при обсуждении выше, заключается в том, что заряд сохраняется. Например, если, натирая резиновый стержень мехом, мы передаем определенное количество отрицательного заряда резиновому стержню, тогда первоначально нейтральный мех останется с точно таким же количеством положительного заряда. Вспоминая точный баланс между невероятно огромным количеством отрицательного заряда и невероятно огромным количеством положительного заряда в любом макроскопическом объекте, мы понимаем, что при зарядке резинового стержня мех становится положительно заряженным не потому, что он каким-то образом получает положительный заряд, а, потому что он теряет отрицательный заряд, а это означает, что исходное невероятно огромное количество положительного заряда теперь (немного) превышает (все еще невероятно огромное) количество отрицательного заряда, остающегося на шерсти и в ней.

Зарядка трением

Кто-то может задаться вопросом, почему трение резинового стержня о мех животных вызывает перенос электронов с меха на стержень. Если бы можно было представить себе способ, которым даже один электрон мог бы случайно найти свой путь от меха к стержню, казалось бы, тогда стержень будет заряжен отрицательно, а мех — положительно, так что любой электрон, который выйдет на свободу, будет заряжен отрицательно. от меха будет притягиваться обратно к меху положительным зарядом на нем и отталкиваться отрицательным зарядом на стержне.Так зачем же вообще переносить заряд с меха на удочку? Ответ подпадает под заголовок «расстояние имеет значение». Потирая стержень мехом, вы приближаете множество молекул меха очень близко к молекулам резины. В некоторых случаях внешние электроны в атомах меха подходят так близко к ядрам атомов на поверхности резины, что сила притяжения этих положительных ядер больше, чем сила притяжения ядра атома частью которого они являются. Таким образом, результирующая сила направлена ​​к стержню, рассматриваемые электроны испытывают ускорение по направлению к стержню, которое изменяет скорость, так что электроны перемещаются к стержню. Зарядка при трении сильно зависит от молекулярной структуры рассматриваемых материалов. Один интересный аспект процесса заключается в том, что трение заставляет множество молекул в мехе очень близко подходить к молекулам в каучуке. Это не значит, что энергия, связанная с движением трения, каким-то образом передается электронам, заставляя их прыгать с меха на резину. Следует отметить, что мех — не единственный материал, который имеет тенденцию отдавать электроны, и резина — не единственный материал, имеющий тенденцию к их получению.Явление зарядки от трения называется трибоэлектрификацией. Следующий упорядоченный список склонности (ограниченного числа) материалов отдавать или принимать электроны называется трибоэлектрической последовательностью:

Наличие и расположение воздуха в списке предполагает, что легче поддерживать отрицательный заряд на объектах в воздухе, чем поддерживать на них положительный заряд.

Проводники и изоляторы

Предположим, вы заряжаете резиновый стержень, а затем касаетесь им нейтрального предмета.Некоторый заряд, отраженный отрицательным зарядом на стержне, будет передан изначально нейтральному объекту. Что происходит с этим зарядом, зависит от материала, из которого состоит изначально нейтральный объект. В случае некоторых материалов заряд будет оставаться в том месте, где заряженный стержень касается первоначально нейтрального объекта. Такие материалы называются изоляторами, материалами, через которые заряд не может двигаться или через которые движение заряда очень ограничено. Примеры хороших изоляторов — кварц, стекло и воздух.В случае других материалов заряд почти мгновенно распространяется по всему рассматриваемому материалу в ответ на силу отталкивания (вспоминая, что сила вызывает ускорение, которое приводит к движению), которую каждая элементарная частица заряда оказывает на каждую другая элементарная частица заряда. Материалы, в которых заряд может свободно перемещаться, называются проводниками. Примеры хороших проводников — металлы и соленая вода.

Когда вы кладете заряд на проводник, он сразу же распространяется по проводнику.Чем больше проводник, тем больше он разлетается. В случае очень большого объекта заряд может распространяться настолько сильно, что любой кусок объекта имеет незначительное количество заряда и, следовательно, ведет себя так, как если бы он был нейтральным. У поверхности земли сама Земля достаточно велика, чтобы играть такую ​​роль. Если мы закопаем хороший провод, например, длинный медный стержень или трубу, в землю и подключим к нему другой хороший провод, например, медный провод, который мы можем подключить к другому металлическому объекту, например, крышке электрической розетки. Находясь выше, но около поверхности Земли, мы можем воспользоваться природой Земли как огромного объекта, сделанного в основном из проводящего материала.Если мы прикоснемся заряженным резиновым стержнем к только что упомянутой металлической крышке, а затем вытащим стержень, заряд, который передается на металлическую пластину, распространяется по земле до такой степени, что закрывающая пластина становится нейтральной. Мы используем выражение «заряд, который был перенесен на защитную пластину, утек в землю». Провод, который соединен с землей таким же образом, как только что описанная крышка, называется «землей». Прикосновение заряженного объекта к земле называется заземлением объекта.Если сам объект является проводником, его заземление (при отсутствии других заряженных объектов) заставляет его стать нейтральным.

Индукционная зарядка

Если вы удерживаете одну сторону проводника в контакте с землей и подносите заряженный объект очень близко к другой стороне проводника, а затем, удерживая заряженный объект рядом с проводником, не касаясь его, разорвите контакт проводника с землей. , вы обнаружите, что проводник заряжен зарядом, противоположным заряду, который изначально был на заряженном объекте.Вот почему. Когда вы подносите заряженный объект к проводнику, он отталкивает заряд в проводнике прямо из проводника в землю. Затем, когда эти заряды исчезли, если вы прервете путь к земле, проводник застрянет с отсутствием тех заряженных частиц, которые были оттолкнуты в землю. Поскольку исходный заряженный объект отталкивает тот же самый заряд, что и он, проводник остается с противоположным зарядом.

Поляризация

Давайте снова натрим этот резиновый стержень мехом и поднесем резиновый стержень к одному концу небольшой полоски нейтральной алюминиевой фольги.Мы обнаружили, что фольга притягивается к резиновому стержню, хотя фольга остается нейтральной. Вот почему:

Отрицательно заряженный резиновый стержень отталкивает свободно перемещающийся отрицательный заряд в полоске к другому концу полоски. В результате ближний конец алюминиевой полосы заряжается положительно, а дальний конец — отрицательно. Таким образом, резиновый стержень притягивает ближний конец стержня и отталкивает дальний конец. Но поскольку ближний конец ближе, сила притяжения больше силы отталкивания, а результирующая сила направлена ​​к стержню.Разделение зарядов, которое происходит в нейтральной алюминиевой полоске, называется поляризацией, и, когда нейтральная алюминиевая полоска положительна на одном конце и отрицательна на другом, мы говорим, что она поляризована.

Поляризация имеет место и в случае изоляторов, несмотря на то, что заряд не может свободно перемещаться внутри изолятора. Поднесем отрицательно заряженный стержень к одному концу листа бумаги. Каждая молекула в статье имеет положительную и отрицательную части.Положительная часть притягивается к стержню, а отрицательная часть отталкивается. Эффект состоит в том, что каждая молекула в бумаге поляризована и растянута. Теперь, если каждый кусочек положительного заряда притягивается чуть ближе к стержню, а каждый кусочек отрицательного заряда отодвигается немного дальше, общий эффект в основной части бумаги состоит в том, чтобы оставить его нейтральным, но на самом деле. заканчивается чистая плата. На ближнем конце отталкиваемый отрицательный заряд сам по себе оставляет притянутый положительный заряд, а на дальнем конце притянутый положительный заряд сам по себе оставляет отталкиваемый отрицательный заряд.

Как и в случае с алюминиевой полосой, отрицательный резиновый стержень притягивает ближний, положительный конец и отталкивает дальний, отрицательный конец, но ближний конец находится ближе, поэтому сила притяжения больше, что означает, что результирующая сила на полоска бумаги привлекательна. Опять же, разделение зарядов в бумаге называется поляризацией, и тот факт, что один конец нейтральной полосы бумаги является отрицательным, а другой — положительным, означает, что полоса бумаги поляризована.

Авторы и авторство

18.1 Электрические заряды, сохранение заряда и перенос заряда — Физика

Цели обучения секции

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Описать положительные и отрицательные электрические заряды
  • Использование сохранения заряда для расчета количества заряда, передаваемого между объектами
  • Охарактеризовать материалы как проводники или изоляторы на основании их электрических свойств
  • Описать электрическую поляризацию и индукционную зарядку

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам освоить следующие стандарты

  • (5) Студент знает природу сил в физическом мире.Ожидается, что студент:
    • (С) описать и рассчитать, как величина электрической силы между двумя объектами зависит от их зарядов и расстояния между ними; и
    • (E) характеризует материалы как проводники или изоляторы на основе их электрических свойств.

Кроме того, в Руководстве по лаборатории физики средней школы рассматривается содержание этого раздела лаборатории под названием «Электрический заряд», а также следующие стандарты:

  • (5) Учащийся знает природу сил в физическом мире.Ожидается, что студент:
    • (С) описать и рассчитать, как величина электрической силы между двумя объектами зависит от их зарядов и расстояния между ними; а также
    • (E) характеризует материалы как проводники или изоляторы на основе их электрических свойств.

Раздел Основные термины

проводимость проводник электрон индукционный
изолятор закон сохранения заряда поляризация протон

Электрический заряд

Возможно, вы знаете кого-то, у кого электрическая личность, что обычно означает, что этот человек привлекает других людей.Это высказывание основано на электрическом заряде, свойстве материи, заставляющем объекты притягиваться или отталкиваться друг от друга. Электрический заряд бывает двух видов, которые мы называем положительным, и отрицательным. Одинаковые заряды отталкивают друг друга, а разные заряды притягивают друг друга. Таким образом, два положительных заряда отталкиваются друг от друга, как и два отрицательных заряда. Положительный заряд и отрицательный заряд притягивают друг друга.

Как мы узнаем, что существует два типа электрического заряда? Когда различные материалы трутся друг о друга контролируемым образом, определенные комбинации материалов всегда приводят к чистому заряду одного типа на одном материале и чистому заряду противоположного типа на другом материале.По соглашению мы называем один тип заряда положительным, а другой — отрицательным. Например, когда стекло натирают шелком, оно заряжается положительно, а шелк — отрицательно. Поскольку стекло и шелк имеют противоположные заряды, они притягиваются друг к другу, как одежда, натертая в сушилке. Два стеклянных стержня, натертых таким образом на шелке, будут отталкивать друг друга, потому что каждый стержень имеет положительный заряд. Точно так же две натертые таким образом шелковые ткани будут отталкивать друг друга, потому что обе ткани имеют отрицательный заряд.На рис. 18.2 показано, как эти простые материалы можно использовать для исследования природы силы между зарядами.

Рис. 18.2 Стеклянный стержень становится положительно заряженным, когда натирается шелком, тогда как шелк становится отрицательно заряженным. (а) Стеклянный стержень притягивается к шелку, потому что их заряды противоположны. (b) Два одинаково заряженных стеклянных стержня отталкиваются. (c) Две одинаково заряженные шелковые ткани отталкиваются.

Поддержка учителей

Поддержка учителей
Демонстрация учителей

Подготовьте демонстрацию статического электричества.Простая демонстрация может заключаться в том, чтобы зарядить стеклянный стержень или гребень, натерев его шерстью, шелком или другой тканью, а затем зарядить надутый воздушный шар, потерев им рубашку или волосы. Поместите воздушный шар на непроводящую поверхность стола и используйте стеклянный стержень или гребень, чтобы отразить воздушный шар и заставить его катиться по столешнице. Развлекайте студентов, толкая воздушный шар сначала в одном направлении, а затем быстро перемещая стеклянный стержень или гребень к противоположной стороне воздушного шара, чтобы он замедлился, а затем двигался в противоположном направлении.Спросите, какая сила действует между воздушным шаром и стеклянным стержнем или гребнем (сила отталкивания).

Ученым потребовалось много времени, чтобы выяснить, что скрывается за этими двумя типами зарядов. Само слово электрический происходит от греческого слова elektron , обозначающего янтарь, потому что древние греки заметили, что янтарь, когда натирается мехом, притягивает сухую солому. Почти 2000 лет спустя английский физик Уильям Гилберт предложил модель, объясняющую эффект электрического заряда как результат загадочного электрического флюида, который будет переходить от одного объекта к другому.Эта модель обсуждалась в течение нескольких сотен лет, но окончательно остановилась в 1897 году благодаря работе английского физика Дж. Дж. Томсона и французского физика Жана Перрена. Наряду со многими другими Томсон и Перрин изучали загадочные катодные лучи , которые, как было известно в то время, состоят из частиц меньшего размера, чем самый маленький атом. Перрин показал, что катодные лучи действительно несут отрицательный электрический заряд. Позже работа Томсона побудила его заявить: «Я не вижу выхода из заключения, что [катодные лучи] — это заряды отрицательного электричества, переносимые частицами материи.”

Потребовалось несколько лет дальнейших экспериментов, чтобы подтвердить интерпретацию экспериментов Томсоном, но наука фактически открыла частицу, которая несет фундаментальную единицу отрицательного электрического заряда. Теперь мы знаем эту частицу как электрон.

Однако известно, что атомы

электрически нейтральны, что означает, что они несут одинаковое количество положительного и отрицательного заряда, поэтому их чистый заряд равен нулю. Поскольку электроны отрицательны, какая-то другая часть атома должна содержать положительный заряд.Томсон предложил так называемую модель сливового пудинга , в которой он описал атомы как состоящие из тысяч электронов, плавающих вокруг в туманной массе с положительным зарядом, как показано на левом изображении на рис. 18.3. Его ученик Эрнест Резерфорд изначально считал эту модель правильной и использовал ее (наряду с другими моделями), чтобы попытаться понять результаты своих экспериментов по бомбардировке золотой фольги альфа-частицами (то есть атомами гелия, лишенными своих электронов).Однако результаты не подтвердили модель Томсона, а, скорее, разрушили ее! Резерфорд обнаружил, что большая часть пространства, занимаемого атомами золота, на самом деле пуста и что почти вся материя каждого атома сконцентрирована в крошечном чрезвычайно плотном ядре, как показано на правом изображении на рис. 18.3. Позже было обнаружено, что атомное ядро ​​содержит частицы, называемые протонами, каждая из которых несет единицу положительного электрического заряда.

Рис. 18.3 На левом рисунке показана модель сливового пудинга Томпсона, в которой электроны плавают в туманной массе с положительным зарядом.На правом рисунке показана модель Резерфорда, в которой электроны вращаются вокруг крошечного массивного ядра. Обратите внимание, что размер ядра на этом рисунке сильно преувеличен. Если бы он был нарисован в масштабе относительно размера электронных орбит, то на этом рисунке ядро ​​не было бы видно невооруженным глазом. Кроме того, насколько наука в настоящее время может обнаружить, электроны являются точечными частицами, а это означает, что они вообще не имеют размера!

Таким образом, протоны и электроны являются основными частицами, несущими электрический заряд.Каждый протон несет одну единицу положительного заряда, а каждый электрон несет одну единицу отрицательного заряда. С максимальной точностью, которую может обеспечить современная технология, заряд, переносимый протоном, равен , ровно , что противоположно заряду, переносимому электроном. Единица СИ для электрического заряда — кулон (сокращенно «С»), названная в честь французского физика Шарля Огюстена де Кулона, изучавшего силу между заряженными объектами. Протон несет + 1.602 × 10−19C. + 1.602 × 10−19С. а электрон несет −1.602 × 10−19C, −1.602 × 10−19C,. Число протонов n , необходимое для образования +1,00 C, равно

. n = 1,00C × 1протон1,602 × 10−19C = 6,25 × 1018 протонов. n = 1,00C × 1протон 1.602 × 10−19C = 6,25 × 1018 протонов.

18,1

Такое же количество электронов требуется для создания электрического заряда -1,00 Кл. Основная единица заряда часто представлена ​​как e . Таким образом, заряд протона равен e , а заряд электрона — e .Математически e = + 1.602 × 10−19C. E = + 1.602 × 10−19C.

Ссылки на физику

Измерение фундаментального электрического заряда

Американский физик Роберт Милликен (1868–1953) и его ученик Харви Флетчер (1884–1981) первыми провели относительно точное измерение фундаментальной единицы заряда на электрон. Они разработали то, что сейчас является классическим экспериментом, проводимым студентами. Эксперимент Милликена с каплей нефти показан на рис. 18.4. Эксперимент включает в себя некоторые концепции, которые будут представлены позже, но основная идея заключается в том, что тонкий масляный туман распыляется между двумя пластинами, которые могут быть заряжены известным количеством противоположного заряда.Некоторые капли масла накапливают избыточный отрицательный заряд при распылении и притягиваются к положительному заряду верхней пластины и отталкиваются отрицательным зарядом на нижней пластине. Регулируя заряд на этих пластинах до тех пор, пока вес масляной капли не уравновесится электрическими силами, можно довольно точно определить чистый заряд масляной капли.

Рис. 18.4 Эксперимент с каплей масла включал распыление тонкого масляного тумана между двумя металлическими пластинами, заряженными противоположными зарядами.Зная массу масляных капель и регулируя электрический заряд на пластинах, можно точно определить заряд масляных капель.

Милликен и Флетчер обнаружили, что капли накапливают заряд дискретными единицами примерно -1,59 × 10-19 ° C, -1,59 × 10-19 ° C, что находится в пределах 1 процента от современного значения -1,60 × 10-19 ° C. -1,60 × 10−19С. Хотя эта разница может показаться довольно маленькой, на самом деле она в пять раз больше, чем возможная ошибка, о которой Милликен сообщил для своих результатов!

Поскольку заряд электрона является фундаментальной константой природы, определение его точного значения очень важно для всей науки.Это оказало давление на Милликена и других после него, что раскрыло некоторые не менее важные аспекты человеческой натуры.

Во-первых, Милликен взял на себя исключительное право на проведение эксперимента и был удостоен Нобелевской премии 1923 года по физике за эту работу, хотя его ученик Харви Флетчер, очевидно, внес значительный вклад в эту работу. Незадолго до своей смерти в 1981 году Флетчер сообщил, что Милликен вынудил его отдать ему единоличную благодарность за эту работу, в обмен на которую Милликен продвинул Флетчера по службе в Bell Labs.

Другой великий ученый, Ричард Фейнман, указывает, что многие ученые, измерявшие фундаментальный заряд после Милликена, неохотно сообщали значения, которые сильно отличались от значений Милликена. История показывает, что более поздние измерения медленно поднимались от значения Милликена до тех пор, пока не остановились на современном значении. Почему сразу не нашли ошибку и не исправили значение, — спрашивает Фейнман. Очевидно, найдя значение выше, чем широко признанное значение, обнаруженное Милликеном, ученые будут искать возможные ошибки, которые могут снизить их значение, чтобы оно лучше соответствовало значению Милликена.Это выявляет важный психологический вес предвзятых представлений и показывает, насколько сложно их опровергнуть. Ученые, какими бы преданными они ни были логике и данным, очевидно, так же уязвимы для этого аспекта человеческой природы, как и все остальные. Урок здесь в том, что, хотя скептически относиться к новым результатам — это хорошо, не следует сбрасывать со счетов их только потому, что они не согласуются с общепринятой точкой зрения. Если ваши рассуждения верны и ваши данные надежны, необходимо серьезно рассмотреть вывод, которого требуют данные, даже если этот вывод не согласуется с общепринятой истиной .

Проверка захвата

Предположим, что Милликен заметил каплю масла, несущую три основных единицы заряда. Какова чистая стоимость этой капли нефти?

  1. −4,81 × 10 −19 С
  2. −1.602 × 10 −19 С
  3. 1,602 × 10 −19 С
  4. 4,81 × 10 −19 С

Snap Lab

Подобные и непохожие заряды

Это упражнение исследует отталкивание и притяжение, вызванное статическим электрическим зарядом.

  • Клейкая лента
  • Непроводящая поверхность, например пластиковый стол или стул

Инструкции

Процедура для части (а)

  1. Подготовьте два куска ленты длиной около 4 см. Чтобы сделать ручку, увеличьте ее вдвое примерно на 0,5 см с одного конца, чтобы липкая сторона держалась вместе.
  2. Прикрепите куски ленты бок о бок на неметаллической поверхности, например, на столешнице или сиденье стула, как показано на Рисунке 18.5 (a).
  3. Снимите оба куска ленты и повесьте их вниз, удерживая за ручки, как показано на Рисунке 18.5 (б). Если лента изгибается вверх и прилипает к руке, попробуйте использовать более короткий кусок ленты или просто встряхните ленту, чтобы она больше не прилипала к руке.
  4. Теперь медленно соедините два куска ленты вместе, как показано на Рисунке 18.5 (c). Что происходит?

Рисунок 18.5

Процедура для части (b)

  1. Наклейте один кусок ленты на неметаллическую поверхность и приклейте второй кусок ленты поверх первого, как показано на рисунке 18.6 (a).
  2. Медленно отделите две части, потянув за ручку нижней части.
  3. Осторожно проведите пальцем по верхней части второго отрезка ленты (т. Е. По нелипкой стороне), как показано на Рисунке 18.6 (b).
  4. Отделите два куска ленты, потянув за их ручки, как показано на Рисунке 18.6 (c).
  5. Медленно соедините два куска ленты. Что происходит?

Рисунок 18.6

Проверка захвата

Почему на шаге 4 два куска ленты отталкивались друг от друга? На шаге 9, почему они привлекли друг друга?

  1. Подобные заряды притягиваются, а разные заряды отталкивают друг друга.
  2. Подобные заряды отталкиваются, а разные заряды притягиваются друг к другу.
  3. Ленты с положительным зарядом отталкиваются, а ленты с отрицательным зарядом притягиваются друг к другу.
  4. Ленты с отрицательным зарядом отталкиваются, а ленты с положительным зарядом притягиваются друг к другу.

Сохранение заряда

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] Обсудите, что означает сохранение в физическом смысле. Укажите, как законы сохранения служат правилами бухгалтерского учета, которые позволяют нам отслеживать определенные количества.Это похоже на то, как узнать, сколько студентов сейчас на экскурсии, и использовать эту информацию, чтобы убедиться, что ни один из студентов не пропадет. Поскольку ученики не могут раствориться в воздухе, подсчет учеников позволяет учителю узнать, нет ли учеников. Если их нет, значит, они должны быть где-то еще, и можно начинать поиск.

[AL] Спросите, с какими еще законами сохранения они сталкивались в физике, и обсудите, как эти законы используются.

Поскольку основные положительные и отрицательные единицы заряда переносятся протонами и электронами, мы могли бы ожидать, что общий заряд не может измениться ни в какой системе, которую мы определяем.Другими словами, хотя мы можем перемещать заряд, мы не можем создавать или уничтожать его. Это должно быть правдой при условии, что мы не создаем и не уничтожаем протоны или электроны в нашей системе. Однако в двадцатом веке ученые узнали, как создавать и уничтожать электроны и протоны, но они обнаружили, что заряд все еще сохраняется. Многие эксперименты и веские теоретические аргументы подняли эту идею до статуса закона. Закон сохранения заряда гласит, что электрический заряд не может быть создан или разрушен.

Очень полезен закон сохранения заряда. Это говорит нам о том, что чистая плата в системе одинакова до и после любого взаимодействия в системе. Конечно, мы должны гарантировать, что никакой внешний заряд не входит в систему во время взаимодействия и что никакой внутренний заряд не покидает систему. Математически сохранение заряда можно выразить как

. qinitial = qfinal.qinitial = qfinal.

18.2

где qinitialqinitial — это чистый заряд системы до взаимодействия, а qfinal, qfinal, это чистый заряд после взаимодействия.

Рабочий пример

Какой недостающий заряд?

На рис. 18.7 показаны две сферы, изначально имеющие заряд +4 C и +8 C. После взаимодействия (которое может просто касаться друг друга) синяя сфера имеет заряд +10 Кл, а красная сфера имеет неизвестное количество заряда. Используйте закон сохранения заряда, чтобы найти последний заряд на красной сфере.

Стратегия

Чистый начальный заряд системы qinitial = + 4C + 8C = + 12Cqinitial = + 4C + 8C = + 12C.Чистый окончательный заряд системы равен qfinal = + 10C + qredqfinal = + 10C + qred, где qredqred — последний заряд на красной сфере. Сохранение заряда говорит нам, что qinitial = qfinalqinitial = qfinal, поэтому мы можем найти qredqred.

Решение

Приравнивание qinitialqinitial и qfinalqfinal и решение для qredqred дает

qinitial = qfinal + 12C = + 10C + qred. + 2C = qred.qinitial = qfinal + 12C = + 10C + qred. + 2C = qred.

18,3

Красная сфера имеет заряд +2 C.

Рис. 18.7 Две сферы, одна синяя и одна красная, изначально имеют заряд +4 C и +8 C соответственно. После взаимодействия двух сфер синяя сфера имеет заряд +10 C. Закон сохранения заряда позволяет нам найти окончательный заряд qredqred на красной сфере.

Обсуждение

Как и все законы сохранения, сохранение заряда — это схема учета, которая помогает нам отслеживать электрический заряд.

Практические задачи

1.

Какое уравнение описывает сохранение заряда?

  1. q начальный = q конечный = постоянный
  2. q начальный = q конечный = 0
  3. q начальный q конечный = 0
  4. q начальный / q конечный = постоянный
2.

Изолированная система содержит два объекта с зарядами q_ {1} и q_ {2}. Если объект 1 теряет половину своего заряда, каков последний заряд объекта 2?

  1. \ frac {q_2} {2}

  2. \ frac {3q_2} {2}

  3. q_2 — \ frac {q_1} {2}

  4. q_2 + \ frac {q_1} {2}

Проводники и изоляторы

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] Попросите учащихся определить значение проводника , и изолятора . Объясните, как эти термины используются в физике для обозначения материалов, которые позволяют количеству проходить, а те, которые нет.

[OL] Спросите студентов, встречались ли они в повседневной жизни с проводниками и изоляторами. Каковы свойства этих материалов? Будьте готовы обсуждать и различать теплопроводники и изоляторы.

[AL] Спросите, помнят ли студенты другие проводники и изоляторы в физике. Обсудите, как термоизоляторы и проводники влияют на тепловую энергию.

Материалы можно классифицировать в зависимости от того, позволяют ли они перемещаться заряду. Если заряд может легко перемещаться через материал, такой как металлы, то эти материалы называются проводниками. Это означает, что заряд может проводиться (т.е. перемещаться) через материал довольно легко. Если заряд не может проходить через материал, например резину, то этот материал называют изолятором.

Большинство материалов — изоляторы. Их атомы и молекулы крепче держатся за свои электроны, поэтому электронам трудно перемещаться между атомами.Однако это не невозможно. Имея достаточно энергии, можно заставить электроны двигаться через изолятор. Однако при этом изолятор часто физически разрушается. В металлах внешние электроны слабо связаны со своими атомами, поэтому для движения электронов через металл требуется не так много энергии. Такие металлы, как медь, серебро и алюминий, являются хорошими проводниками. Изоляционные материалы включают пластик, стекло, керамику и дерево.

Электропроводность некоторых материалов является промежуточной между проводниками и изоляторами.Они называются полупроводниками . Их можно сделать проводящими при правильных условиях, которые могут включать температуру, чистоту материала и силу, применяемую для проталкивания электронов через них. Поскольку мы можем контролировать, являются ли полупроводники проводниками или изоляторами, эти материалы широко используются в компьютерных микросхемах. Наиболее часто используемый полупроводник — кремний. На рисунке 18.8 показаны различные материалы, расположенные в зависимости от их способности проводить электроны.

Рисунок 18.8 Материалы могут быть расположены в зависимости от их способности проводить электрический заряд. Косые черты на стрелке означают, что существует очень большой разрыв в проводящей способности между проводниками, полупроводниками и изоляторами, но рисунок сжат, чтобы поместиться на странице. Цифры под материалами указывают на их удельное сопротивление в Ом • м (о котором вы узнаете ниже). Удельное сопротивление — это мера того, насколько сложно заставить заряд двигаться через данный материал.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Обратите внимание на то, что шкала нелинейная, а это означает, что проводимость изоляторов намного меньше проводимости проводов.Также отметьте, что полупроводники часто используются как изоляторы или проводники, но не как материалы с проводимостью, которая находится между изоляторами и проводниками.

Что произойдет, если на проводящий объект поместить избыточный отрицательный заряд? Поскольку одинаковые заряды отталкивают друг друга, они будут давить друг на друга, пока не окажутся как можно дальше друг от друга. Поскольку заряд может перемещаться в проводнике, он перемещается к внешним поверхностям объекта. На рисунке 18.9 (а) схематично показано, как избыточный отрицательный заряд равномерно распространяется по внешней поверхности металлической сферы.

Что произойдет, если то же самое сделать с изолирующим предметом? Электроны по-прежнему отталкиваются друг от друга, но они не могут двигаться, потому что материал является изолятором. Таким образом, избыточный заряд остается на месте и не распределяется по объекту. Рисунок 18.9 (b) показывает эту ситуацию.

Рисунок 18.9 (a) Проводящая сфера с избыточным отрицательным зарядом (т. Е. Электронами). Электроны отталкиваются друг от друга и распространяются, покрывая внешнюю поверхность сферы. (б) Изолирующий шар с избыточным отрицательным зарядом.Электроны не могут двигаться, поэтому они остаются в исходном положении.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Обратите внимание на то, что накопление статического электричества не сохраняется на объекте навсегда. Спросите учащихся, как статический заряд может выходить из объекта. Обратите внимание на то, что это накопление статического электричества быстрее рассеивается во влажные дни, чем в засушливые дни.

Передача и разделение заряда

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] [OL] Спросите, как концепция статического электричества может быть совместима с передачей заряда.Разве передача заряда не является движением заряда, которое противоречит статичности?

[AL] Попросите учащихся определить разделение обязанностей. Приготовьтесь объяснить, почему это не означает расщепление электронов на части.

Большинство объектов, с которыми мы имеем дело, электрически нейтральны, что означает, что они имеют одинаковое количество положительного и отрицательного заряда. Однако передать отрицательный заряд от одного объекта к другому довольно просто. Когда отрицательный заряд передается от одного объекта к другому, остается избыток положительного заряда.Как мы узнаем, что отрицательный заряд — это мобильный заряд? Положительный заряд переносится протоном, который прочно застревает в ядре атомов, а атомы застревают на своих местах в твердых материалах. Электроны, несущие отрицательный заряд, гораздо легче удалить из своих атомов или молекул и, следовательно, легче переносятся.

Электрический заряд может передаваться несколькими способами. Один из простейших способов передачи заряда — это контактная зарядка, при которой поверхности двух объектов, изготовленных из разных материалов, находятся в тесном контакте.Если один из материалов удерживает электроны сильнее, чем другой, то при разделении материалов он уносит с собой несколько электронов. Трение двух поверхностей друг к другу увеличивает перенос электронов, потому что это создает более тесный контакт между материалами. Он также служит для представления свежего материала с полной подачей электронов к другому материалу. Таким образом, когда вы идете по ковру в сухой день, ваша обувь трутся о ковер, и некоторые электроны удаляются с ковра вашей обувью.В результате на вашей обуви появляется избыток отрицательного заряда. Когда вы затем дотрагиваетесь до дверной ручки, часть вашего избытка электронов переходит на нейтральную дверную ручку, создавая небольшую искру.

Прикосновение руки к дверной ручке демонстрирует второй способ передачи электрического заряда — заряд за счет проводимости. Этот перенос происходит потому, что одинаковые заряды отталкиваются, и поэтому избыточные электроны, которые вы подобрали с ковра, хотят быть как можно дальше друг от друга. Некоторые из них перемещаются к дверной ручке, где они распределяются по внешней поверхности металла.Другой пример зарядки по проводимости показан в верхнем ряду рисунка 18.10. Металлическая сфера со 100 избыточными электронами касается металлической сферы с 50 избыточными электронами, поэтому 25 электронов из первой сферы переходят во вторую сферу. Каждая сфера заканчивается 75 лишними электронами.

То же самое относится и к передаче положительного заряда. Однако, поскольку положительный заряд по существу не может перемещаться в твердых телах, он передается путем перемещения отрицательного заряда в противоположном направлении.Например, рассмотрим нижний ряд рисунка 18.10. Первая металлическая сфера имеет 100 избыточных протонов и касается металлической сферы с 50 избыточными протонами, поэтому вторая сфера передает 25 электронов первой сфере. Эти 25 дополнительных электронов электрически нейтрализуют 25 протонов, так что в первой металлической сфере останется 75 избыточных протонов. Это показано в нижнем ряду рисунка 18.10. Вторая металлическая сфера потеряла 25 электронов, поэтому у нее есть еще 25 избыточных протонов, всего 75 избыточных протонов. Конечный результат будет таким же, если учесть, что первый шар передал первому шару чистый положительный заряд, равный 25 протонам.

Рисунок 18.10 В верхнем ряду металлическая сфера со 100 избыточными электронами переносит 25 электронов на металлическую сферу с избытком в 50 электронов. После переноса обе сферы имеют 75 лишних электронов. В нижнем ряду металлическая сфера со 100 избыточными протонами получает 25 электронов от шара с 50 избыточными протонами. После переноса в обеих сферах остается 75 лишних протонов.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Укажите, как общая сумма заряда в каждый момент времени одинакова.Обсудите, как движение электронов вправо эквивалентно перемещению положительного заряда той же величины влево, но не забудьте прояснить, что в большинстве ситуаций в твердых телах на самом деле движутся только отрицательные заряды.

[BL] [OL] Обсудите значение поляризации на повседневном языке. Например, обсудите, что имеется в виду под поляризованными дебатами или поляризованным Конгрессом. Сравните и сопоставьте повседневный смысл со смыслом физики.

[AL] Спросите, какие еще примеры поляризации они могут придумать из повседневной жизни.

В этом обсуждении вы можете задаться вопросом, как избыточные электроны изначально попали из вашей обуви в вашу руку, чтобы создать искру, когда вы коснулись дверной ручки. Ответ заключается в том, что — это не электронов, которые действительно прошли от вашей обуви к вашим рукам. Вместо этого, поскольку одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, избыточные электроны на вашей обуви просто отталкивают часть электронов в ваших ногах. Электроны, выброшенные таким образом из ваших ног, переместились вверх в вашу ногу и, в свою очередь, оттолкнули некоторые электроны в вашей ноге.Этот процесс продолжался по всему вашему телу, пока избыток электронов не покрывал конечности вашего тела. Таким образом, ваша голова, ваши руки, кончик вашего носа и так далее получили свои дозы избыточных электронов, которые были вытолкнуты из своего нормального положения. Все это было результатом того, что электроны выталкивали электроны из ваших ног избыточными электронами на вашей обуви.

Этот тип разделения зарядов называется поляризацией. Как только избыточные электроны покидают вашу обувь (они стираются об пол или уносятся влажным воздухом), распределение электронов в вашем теле возвращается к нормальному.Каждая часть вашего тела снова электрически нейтральна (т. Е. Нулевой избыточный заряд).

Явление поляризации показано на рисунке 18.1. Ребенок накопил лишний положительный заряд, скользя по горке. Этот избыточный заряд отталкивается и распространяется по конечностям тела ребенка, особенно по его волосам. В результате волосы встают дыбом, потому что избыточный отрицательный заряд на каждой пряди отталкивает избыточный положительный заряд на соседних прядях.

Поляризацию можно использовать для зарядки объектов.Рассмотрим две металлические сферы, показанные на рис. 18.11. Сферы электрически нейтральны, поэтому они несут одинаковое количество положительного и отрицательного заряда. На верхнем рисунке (рис. 18.11 (а)) две сферы соприкасаются, и положительный и отрицательный заряд равномерно распределены по двум сферам. Затем мы приближаемся к стеклянному стержню, несущему избыточный положительный заряд, что можно сделать, натерев стеклянный стержень шелком, как показано на рис. 18.11 (b). Поскольку противоположные заряды притягиваются друг к другу, отрицательный заряд притягивается к стеклянному стержню, оставляя избыточный положительный заряд на противоположной стороне правой сферы.Это пример индукционной зарядки, при которой заряд создается путем приближения к заряженному объекту вторым объектом, чтобы создать несбалансированный заряд во втором объекте. Если затем разделить две сферы, как показано на рис. 18.11 (c), избыточный заряд останется на каждой сфере. Левая сфера теперь имеет избыточный отрицательный заряд, а правая сфера имеет избыточный положительный заряд. Наконец, на нижнем рисунке стержень удален, и противоположные заряды притягиваются друг к другу, поэтому они перемещаются как можно ближе друг к другу.

Рис. 18.11 (a) Две нейтральные проводящие сферы касаются друг друга, поэтому заряд равномерно распределяется по обеим сферам. (б) Приближается положительно заряженный стержень, который притягивает отрицательные заряды, оставляя избыточный положительный заряд на правой сфере. (c) Сферы разделены. Каждая сфера теперь несет равную величину избыточного заряда. (d) Когда положительно заряженный стержень удаляется, избыточный отрицательный заряд на левой сфере притягивается к избыточному положительному заряду на правой сфере.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Обсудите аналогичную ситуацию с изолирующими сферами. Обратите внимание на то, что сферы остаются нейтральными, несмотря на поляризацию на панелях (b) и (c).

Развлечение в физике

Создайте искру на научной ярмарке

Генераторы Ван де Граафа — это устройства, которые используются не только для серьезных физических исследований, но и для демонстрации физики статического электричества на научных ярмарках и в классах. Поскольку они обеспечивают относительно небольшой электрический ток, их можно сделать безопасными для использования в таких условиях.Первый такой генератор был построен Робертом Ван де Граафом в 1931 году для использования в исследованиях ядерной физики. На рисунке 18.12 показан упрощенный эскиз генератора Ван де Граафа.

В генераторах

Ван де Граафа используются гладкие и заостренные поверхности, а также проводники и изоляторы для создания больших статических зарядов. В версии, показанной на рис. 18.12, электроны «распыляются» с концов нижней гребенки на движущуюся ленту, которая сделана из изоляционного материала, такого как резина. Этот метод зарядки ремня похож на зарядку вашей обуви электронами при ходьбе по ковру.Ремень поднимает заряды вверх к верхнему гребню, где они снова переносятся, подобно тому, как вы касаетесь дверной ручки и переносите на нее свой заряд. Поскольку одинаковые заряды отталкиваются, избыточные электроны устремляются к внешней поверхности земного шара, который сделан из металла (проводника). Таким образом, сама гребенка никогда не накапливает слишком много заряда, потому что любой заряд, который она получает, быстро истощается за счет движения заряда к внешней поверхности земного шара.

Рис. 18.12. Генераторы Ван де Граафа переносят электроны на металлическую сферу, где электроны равномерно распределяются по внешней поверхности.

Генераторы Ван де Граафа используются для демонстрации многих интересных эффектов, вызываемых статическим электричеством. Прикоснувшись к земному шару, человек получает избыточный заряд, поэтому его волосы встают дыбом, как показано на рис. 18.13. Вы также можете создавать мини-молнии, перемещая нейтральный проводник к земному шару. Другой любимый вариант — сложить алюминиевые формы для маффинов на незаряженный шар, а затем включить генератор. В банках, сделанных из токопроводящего материала, накапливается избыточный заряд. Затем они отталкиваются друг от друга и один за другим улетают с земного шара.Быстрый поиск в Интернете покажет множество примеров того, что вы можете сделать с генератором Ван де Граафа.

Рис. 18.13 Человек, касающийся генератора Ван де Граафа, имеет избыточный заряд, который распространяется по его волосам и отталкивает пряди волос от его соседей. (кредит: Джон «ShakataGaNai» Дэвис)

Grasp Check

Почему электроны не остаются на резиновой ленте, когда достигают верхнего гребня?

  1. Верхняя гребенка не имеет лишних электронов, а избыточные электроны в резиновой ленте передаются гребенке посредством контакта.
  2. Верхний гребень не имеет лишних электронов, а избыточные электроны в резиновой ленте передаются гребне за счет проводимости.
  3. Верхний гребень имеет избыточные электроны, а избыточные электроны в резиновой ленте передаются гребне за счет проводимости.
  4. Верхний гребень содержит избыточные электроны, и избыточные электроны в резиновой ленте передаются гребне посредством контакта.

Виртуальная физика

Воздушные шары и статическое электричество

Эта симуляция позволяет вам наблюдать, как на воздушном шаре накапливается отрицательный заряд, когда вы трут его о свитер.Затем вы можете наблюдать, как взаимодействуют два заряженных шара и как они вызывают поляризацию стены.

Проверка захвата

Нажмите кнопку сброса и начните с двух выносков. Зарядите первый воздушный шар, потерев им о свитер, а затем переместите его ко второму воздушному шарику. Почему не двигается второй воздушный шарик?

  1. Второй воздушный шарик имеет равное количество положительных и отрицательных зарядов.
  2. Второй воздушный шар имеет больше положительных зарядов, чем отрицательных.
  3. Второй воздушный шар имеет больше отрицательных зарядов, чем положительных.
  4. Второй воздушный шар заряжен положительно и имеет поляризацию.

Snap Lab

Поляризация водопроводной воды

Эта лаборатория продемонстрирует, как молекулы воды могут легко поляризоваться.

  • Пластиковый предмет небольших размеров, например гребень или пластиковая мешалка
  • Источник водопроводной воды

Инструкции

Процедура

  1. Тщательно протрите пластиковый предмет сухой тканью.
  2. Откройте кран ровно настолько, чтобы из крана стекала гладкая струйка воды.
  3. Переместите край заряженного пластикового предмета в сторону струи проточной воды.

Что вы наблюдаете? Что происходит, когда пластиковый предмет касается водяной нити? Вы можете объяснить свои наблюдения?

Проверка захвата

Почему вода изгибается вокруг заряженного объекта?

  1. Заряженный объект наводит однородный положительный заряд на молекулы воды.
  2. Заряженный объект наводит однородный отрицательный заряд на молекулы воды.
  3. Заряженный объект притягивает поляризованные молекулы воды и ионы, растворенные в воде.
  4. Заряженный объект деполяризует молекулы воды и ионы, растворенные в воде.

Рабочий пример

Зарядка капель чернил

Электрически нейтральные капли чернил в струйном принтере проходят через электронный луч, создаваемый электронной пушкой, как показано на рисунке 18.14. Некоторые электроны захватываются каплей чернил, так что она становится заряженной. После прохождения электронного луча чистый заряд капли чернил составляет qinkdrop = −1 × 10−10Cqinkdrop = −1 × 10−10C. Сколько электронов захватывает капля чернил?

Рис. 18.14 Электроны из электронной пушки заряжают проходящую каплю чернил.

Стратегия

Один электрон несет заряд qe — = — 1.602 × 10−19Cqe — = — 1.602 × 10−19C. Разделив чистый заряд капли чернил на заряд qe − qe− одного электрона, мы получим количество электронов, захваченных каплей чернил.

Решение

Число n электронов, захваченных каплей чернил, равно

n = qinkdropqe — = — 1 × 10−10C − 1,602 × 10−19C = 6 × 108. n = qinkdropqe — = — 1 × 10−10C − 1,602 × 10−19C = 6 × 108.

18,4

Обсуждение

Это почти миллиард электронов! Кажется, много, но это довольно мало по сравнению с числом атомов в капле чернил, которое составляет около 1016 · 1016. Таким образом, каждый лишний электрон распределяется примерно на 1016 / (6 × 108) ≈107 · 1016 / (6 × 108) ≈107 атомов.

Практические задачи

3.

Сколько протонов нужно, чтобы зарядить 1 нКл? 1 нКл = 10-9 Кл

  1. 1,6 × 10 −28
  2. 1,6 × 10 −10
  3. 3 × 10 9
  4. 6 × 10 9
4.

В физической лаборатории вы заряжаете три металлических сферы, две с + 3 \, \ text {nC} и одну с -5 \, \ text {nC}. Когда вы соединяете все три сферы вместе, так что все они соприкасаются друг с другом, каков общий заряд этих трех сфер?

  1. + 1 \, \ text {nC}
  2. + 3 \, \ text {nC}

  3. + 5 \, \ text {nC}

  4. + 6 \, \ text {nC}

Проверьте свое понимание

5.

Сколько существует видов электрического заряда?

  1. один тип
  2. два типа
  3. три типа
  4. четыре типа
6.

Какие две основные электрические классификации материалов основаны на том, насколько легко заряды могут проходить через них?

  1. проводник и изолятор
  2. Полупроводник и изолятор
  3. проводник и сверхпроводник
  4. проводник и полупроводник
7.

Верно или неверно. Поляризованный материал должен иметь ненулевой чистый электрический заряд.

  1. правда
  2. ложь
8.

Опишите силу между двумя взаимодействующими положительными точечными зарядами.

  1. Сила притягивает и действует вдоль линии, соединяющей два точечных заряда.
  2. Сила притяжения и действует по касательной к линии, соединяющей два точечных заряда.
  3. Сила отталкивающая и действует вдоль линии, соединяющей два точечных заряда.
  4. Сила отталкивающая и действует по касательной к линии, соединяющей два точечных заряда.
9.

Чем отличается проводник от изолятора?

  1. Электрические заряды легко перемещаются в изоляторе, но не в проводящем материале.
  2. Электрические заряды легко перемещаются в проводнике, но не в изоляторе.
  3. Проводник имеет большое количество электронов.
  4. В изоляторе больше зарядов, чем в проводнике.
10.

Верно или нет. Для зарядки объекта за счет поляризации необходимо прикоснуться к нему предметом, несущим избыточный заряд.

  1. правда
  2. ложь

Какова формула плотности поверхностного заряда?

В электромагнетизме плотность заряда — это количество электрического заряда на единицу длины, площади поверхности или объема. Объемная плотность заряда (обозначается греческой буквой ρ) — это количество заряда на единицу объема, измеряемое в системе СИ в кулонах на кубический метр (Кл • м −3 ) в любой точке объема. Плотность поверхностного заряда (σ) — это количество заряда на единицу площади, измеряемое в кулонах на квадратный метр (К · м −2 ), в любой точке распределения поверхностного заряда на двумерной поверхности.Линейная плотность заряда (λ) — это количество заряда на единицу длины, измеряемое в кулонах на метр (К · м -1 ), в любой точке линейного распределения заряда. Плотность заряда может быть как положительной, так и отрицательной, поскольку электрический заряд может быть положительным или отрицательным.

Как и плотность массы, плотность заряда может изменяться в зависимости от положения. В классической электромагнитной теории плотность заряда идеализируется как непрерывная скалярная функция положения x как жидкость, а ρ (x), σ (x) и λ (x) обычно рассматриваются как непрерывные распределения заряда, даже если все реальные заряды распределения состоят из дискретных заряженных частиц.Из-за сохранения электрического заряда плотность заряда в любом объеме может измениться только в том случае, если электрический ток заряда течет в объем или из него. Он выражается уравнением неразрывности, которое связывает скорость изменения плотности заряда ρ (x) и плотность тока. J (х)

Поскольку весь заряд переносится субатомными частицами, которые можно идеализировать как точки, концепция непрерывного распределения заряда является приближением, которое становится неточным на малых масштабах длины.Распределение заряда в конечном итоге состоит из отдельных заряженных частиц, разделенных областями, не содержащими заряда. Например, заряд в электрически заряженном металлическом объекте состоит из электронов проводимости, беспорядочно движущихся в кристаллической решетке металла. Статическое электричество вызывается поверхностными зарядами, состоящими из ионов на поверхности объектов, а объемный заряд в вакуумной трубке состоит из облака свободных электронов, беспорядочно движущихся в пространстве. Плотность носителей заряда в проводнике равна количеству подвижных носителей заряда (электронов, ионов и т. Д.).) на единицу объема. Плотность заряда в любой точке равна плотности носителей заряда, умноженной на элементарный заряд частиц. Однако из-за того, что элементарный заряд на электроне очень мал (1,6 · 10 −19 Кл) и их так много в макроскопическом объеме (в кубическом сантиметре меди содержится около 10 22 электронов проводимости) непрерывное приближение очень точное при применении к макроскопическим объемам и даже микроскопическим объемам выше нанометрового уровня.

Следовательно, формула поверхностной плотности заряда имеет вид,

\ (\ sigma = \ frac {q} {A} \)

Где,

q = заряд и

A = площадь поверхности.

Электрическое поле относительно формулы поверхностной плотности заряда определяется по формуле,

\ (\ sigma = -2 \ epsilon_ {0} E \)

Где,

Є 0 = диэлектрическая проницаемость свободного пространства,

E = электрическое поле.

Раздел 4. Формула ионного соединения — ChemistryLearningByDoing

Формула ионного соединения

Катионы и анионы всегда образуют ионные соединения с нулевым общим зарядом.

Ионные соединения записываются сначала с катионом, а затем с анионом с нижним индексом, чтобы показать, сколько каждого из них необходимо, чтобы иметь нулевой чистый заряд. Ионные соединения всегда записываются с наименьшим возможным соотношением атомов для образования нейтрального соединения.

Короче говоря, когда заряды неравны и противоположны, ионное соединение образуется путем переключения противоположных зарядов. Когда заряды равны и противоположны, ионные соединения образуются простым написанием металла с последующим знаком неметалла.

Пример: Mg 2+ + S 2- → MgS

Al 3+ + Cl → AlCl 3

Pb 2+ + N 3 — → Pb 3 N 2

Катионы и анионы всегда образуют ионные соединения с нулевым общим зарядом.

Ионные соединения записываются сначала с катионом, а затем с анионом с нижним индексом, чтобы показать, сколько каждого из них необходимо, чтобы иметь нулевой чистый заряд.Я

онных соединения всегда записываются с наименьшим возможным соотношением атомов для образования нейтрального соединения.

Короче говоря, когда заряды неравны и противоположны, ионное соединение образуется путем переключения противоположных зарядов. Когда заряды равны и противоположны, ионные соединения образуются простым написанием металла с последующим знаком неметалла.

Пример: Mg 2+ + S 2- → MgS

Al 3+ + Cl → AlCl 3

Pb 2+ + N 3 — → Pb 3 N 2

Катионы и анионы всегда образуют ионные соединения с нулевым общим зарядом.

Ионные соединения записываются сначала с катионом, а затем с анионом с нижним индексом, чтобы показать, сколько каждого из них необходимо, чтобы иметь нулевой чистый заряд. Я

онных соединения всегда записываются с наименьшим возможным соотношением атомов для образования нейтрального соединения.

https://www.youtube.com/watch?v=URc75hoKGLY&t=4s

Вопросы

Напишите формулу ионного соединения, образованного из каждой пары элементов а) бария и брома б) алюминия и серы в) цинка и серы г) магния и фтора

Ответ: а) BaBr 2 б) Al 2 S 3, в) ZnS, г) MgF 2

.
Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.