Как определяется единица заряда

Как определяется единица заряда

Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. Эти силы называют электромагнитными силами .

О существовании электромагнитных сил знали еще древние греки. Но систематическое, количественное изучение физических явлений, в которых проявляется электромагнитное взаимодействие тел, началось только в конце XVIII века. Трудами многих ученых в XIX веке завершилось создание стройной науки, изучающей электрические и магнитные явления. Эта наука, которая является одним из важнейших разделов физики, получила название электродинамики .

Основными объектами изучения в электродинамике являются электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами и токами.

Электрическое поле

1.1. Электрический заряд. Закон Кулона

Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.

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

Электрический заряд обычно обозначается буквами или .

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.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда .

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду .

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером . Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:

Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными . Элементарный заряд является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков – частиц с дробным зарядом и Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.

В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.

Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка .

Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами .

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). 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.

Коэффициент пропорциональности в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. 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 .

Коэффициент в системе СИ обычно записывают в виде:
где – электрическая постоянная .

В системе СИ элементарный заряд равен:

Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Рис. 1.1.4 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел.

Принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы. Однако, его применение требует определенной осторожности, в том случае, когда речь идет о взаимодействии заряженных тел конечных размеров (например, двух проводящих заряженных шаров 1 и 2). Если к системе из двух заряженных шаров поднсти третий заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 изменится из-за перераспределения зарядов .

Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном) распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.

Что такое единица измерения Кулон

Понятие электрического заряда является одним из основных при изучении электричества. Чтобы его измерять, необходима соответствующая единица измерения. Она называется кулон. Решение о введении такой единицы измерения было принято на Международном конгрессе электриков, прошедшем в Париже в 1881 году.

О единице измерения

Существует Международная система единиц измерения (СИ), в нее входят те из них, которые можно назвать основными. Это метр, секунда, килограмм и пр. Но есть и такие величины, которые выражают на основе базовых. Соответственно определяются и их единицы измерения. Кулон является одной из таких единиц, то есть, кулон — не основная единица измерения в системе (СИ).

Кулонами измеряют количество заряда. Единица получила свое название в честь французского ученого Шарля Кулона. Он в конце 19 века открыл закон, также названный его именем. Закон Кулона описывает взаимодействие двух неподвижных точечных зарядов. Он стал первым фундаментальным законом при изучении электричества и основой дальнейшего развития этой сферы науки.

Заряд и электрический ток

Об электричестве знали ещё в древние времена. Это явление обнаруживалось, например, при натирании стеклянной палочки шерстью. Но тогда нельзя было объяснить экспериментальные данные, так как не было известно об устройстве атомов, электронах, отсутствовали количественные физические законы в этой области знаний.

Учёные веками увлечённо исследовали явления, связанные с электричеством. Благодаря их научной изобретательности, большому количеству целенаправленных опытов удалось получить глубокое понимание природы электричества и точные формулировки физических законов.

Как известно, электрический ток является упорядоченным движением электрических зарядов. Сила тока представляет собой заряд, который проходит через определённое сечение за определенный отрезок времени.

Важно отметить, что любой заряд равен целому числу элементарных зарядов. В качестве последнего рассматривается заряд электрона. Если его выразить через единицы Международной системы измерений, то его величина будет равняться:

Наличие знаков плюс и минус указывает на то, что заряд может иметь положительное или отрицательное значение. В первом случае речь идёт о заряде протона — частице, входящей в состав атомного ядра. Со знаком минус указывается величина заряда электрона.

Обычно предполагается, что в каждом атоме имеется одинаковое количество протонов и электронов. Протоны являются частью ядра, а электроны вращаются вокруг него на различных орбитах. Те, которые расположены на последней, имеют непрочную связь со своим атомом и легко отрываются от него, совершая хаотичные движения.

Под действием электрического поля электроны начинают упорядоченно двигаться от отрицательной клеммы источника тока к положительной. Когда атом теряет электроны, он приобретает положительный заряд. Однако под действием электрополя атомы в твёрдом теле двигаться также энергично, как электроны не могут. В жидкости движение таких ионов может образовывать электрический ток.

Электрический заряд подчиняется закону сохранения. В замкнутой системе электрозаряд не может измениться количественно. Это правило действует практически всегда, но за одним исключением. Равные заряды противоположных знаков могут одновременно обнулиться. Однако при этом заряды просто будут перераспределены на микроуровне и никуда не исчезнут.

Определение

Кулон можно определить, исходя из понятия силы тока. Согласно формуле заряд равен произведению силы тока на время. Таким образом, можно получить определение кулона. Оно будет выглядеть следующим образом:

Для рассматриваемой единицы измерения на практике используются два обозначения: русское и международное. Первое — это «Кл», второе — «C».

Было выяснено, что в реальной жизни 1 Кулон представляет собой очень большую величину. Используя закон Кулона, можно утверждать, что два одноимённых заряда такой величины на расстоянии одного метра будут отталкиваться с силой 900 000 000 Ньютонов. Поэтому на практике обычно используют микрокулон, который представляет собой миллионную долю рассматриваемой величины. Также может применяться милликулон или другие дробные или кратные единицы, которые являются производными от рассматриваемой величины.

В Международную систему единиц измерений кулон был включён в 1960 году. Это решение было принято на 11 Генеральной конференции по мерам и весам. Чтобы знать, как правильно писать, необходимо помнить, что здесь применяются общие правила, относящиеся к единицам измерений, названным в честь выдающихся физиков. Если название встречается в тексте, то слово пишут, начиная с маленькой буквы (например, «кулон»). Если речь идёт о кратком обозначении, то используется заглавная (например, «Кл»).

Другие единицы измерения заряда

Кулон можно выразить как произведение ампера на секунду. На практике применяется похожая единица измерения — ампер-час.

Как известно, существует не только система измерений СИ, но и другие. В качестве примера можно привести СГС. В ней также имеется единица измерения заряда, которая называется франклин или статкулон. Их соотношение с кулоном можно выразить следующим образом:

Система СИ выглядит более привычно. Это связано с её большой распространённостью. СГС менее известна, однако она также применяется для проведения измерений. Поэтому важно знать, как определяется соотношение величин между ними.

Электростатика

Электростатика – раздел физики о свойствах и взаимодействиях электрических зарядов, неподвижных относительно избранной для их изучения инерциальной системы отсчёта.

Таким образом, мы должны определить понятие заряда. Заряд — физическая величина, свойство частиц или тел, обнаруживающееся при взаимодействии с другими заряженными телами и/или электромагнитными полями. Единица измерения заряда — Кл (кулон).

Заряды разделяют на 2 типа: положительные и отрицательные. Основная разница между ними в способах их получения. Показано, что существует элементарный заряд, т.е. заряд, меньше которого быть не может. Таким зарядом обладают две частицы, которые изучаются в школьной физике:

1. Электрон (отрицательно заряженная частица). Заряд электрона обозначается и равен Кл.
2. Протон (положительно заряженная частица). Заряд протона обозначается и равен Кл.

Данные частицы входят в состав атомов — структурных единиц вещества. Атом состоит из ядра (тяжёлое тело в центре, состоящее из протонов и нейтронов) и движущихся вокруг него на разных расстояниях и по различных траекториям электронов. В классической ситуации количество протонов численно равно количеству электронов, а т.к. заряды этих частиц по модулю равны, то и атом можно считать электронейтральным (не несущим заряда).

Таким образом, тела, состоящие из данных атомов, также обычно электронейтральны. Однако под воздействием ряда внешних и внутренних факторов, часть электронов имеет возможность вырваться из своих атомов и стать свободными частицами (термоэлектронная эмиссия, фотоэффект, механическое трение, электризация и т.д.). Также возможен выход протонов из ядра (ядерные реакции).

Т.е. существует возможность разделить заряды в теле. Если при этом часть свободных электронов одного электронейтрального тела перевести на другое изначально электронейтральное тело, мы получим отрицательно заряженное тело (с избытком электронов) и положительно заряженное тело (с недостатком электронов).

Более того, исходя из этой логики, можем найти образовавшийся в теле заряд:

• где
  • — заряд тела,
  • — количество пришедших/ушедших электронов,
  • — заряд электрона.

  Важно: в случае, если тело приобретает электроны, его заряд становится отрицательным, в случае ,если оно теряет электроны, то положительным. И в том, и в другом случае формула (1) срабатывает, только нужно следить за знаком ответа.

  Закон сохранения электрического заряда — алгебраическая сумма электрических зарядов в изолированной системе сохраняется постоянной. Фактически, это определение говорит о том, что заряд не может исчезнуть бесследно или появится из ниоткуда.

  Электрический заряд

  Электрический заряд замкнутой системы [1] сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду. Закон сохранения заряда — один из основополагающих законов физики. Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) – численная характеристика носителей заряда и заряженных тел, которая, может принимать положительные и отрицательные значения. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля, зависят от знака зарядов. Электрический заряд любой элементарной частицы присущ этой частице в течение всего времени ее жизни, поэтому элементарные заряженные частиц зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. Наиболее известные элементарные носители заряда – электроны, имеющие отрицательный заряд и протоны, имеющие такой же по величине положительный заряд. Заряд электрона −1,602176487(40)×10 −19 Кл. Электрический заряд любого заряженного тела кратен модулю заряда электрона, так называемому, элементарному заряду −1,602176487(40)×10 −19 Кл. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решеток твердых тел скомпенсированы.

  История [ ]

  Примечания [ ]

  1. ↑ Электрически замкнутая система — это система, у которой через ограничивающую её поверхность не могут проникать электрически заряженные частицы.

  См. также [ ]

  Точечный электрический заряд

  

  af:Elektriese lading cs:Elektrický náboj da:Elektrisk ladning es:Carga eléctrica gl:Carga eléctrica id:Muatan listrik ku:Barê karevayî lt:Elektros krūvis nn:Elektrisk ladning no:Elektrisk ladning sh:Naelektrisanje sk:Elektrický náboj tr:Elektriksel yük yo:Agbára iná