« Physik - 10. Klasse"
Betrachten wir zunächst den einfachsten Fall, wenn elektrisch geladene Körper ruhen.
Der Zweig der Elektrodynamik, der sich der Untersuchung der Gleichgewichtsbedingungen elektrisch geladener Körper widmet, wird genannt Elektrostatik.
Was ist eine elektrische Ladung?
Welche Gebühren gibt es?
Mit Worten Elektrizität, elektrische Ladung, elektrischer Strom Sie haben sich schon oft getroffen und es geschafft, sich an sie zu gewöhnen. Aber versuchen Sie, die Frage zu beantworten: „Was ist eine elektrische Ladung?“ Das Konzept selbst Aufladung- Dies ist ein grundlegendes, primäres Konzept, das beim gegenwärtigen Entwicklungsstand unseres Wissens nicht auf einfachere, elementare Konzepte reduziert werden kann.
Versuchen wir zunächst herauszufinden, was mit der Aussage gemeint ist: „Dieser Körper oder dieses Teilchen hat eine elektrische Ladung.“
Alle Körper sind aus kleinsten Teilchen aufgebaut, die unteilbar in einfachere sind und daher genannt werden elementar.
Elementarteilchen haben eine Masse und werden daher gemäß dem Gesetz der universellen Gravitation voneinander angezogen. Mit zunehmendem Abstand zwischen den Teilchen nimmt die Gravitationskraft umgekehrt proportional zum Quadrat dieses Abstands ab. Die meisten Elementarteilchen, wenn auch nicht alle, haben auch die Fähigkeit, mit einer Kraft miteinander zu interagieren, die ebenfalls umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands abnimmt, aber diese Kraft ist um ein Vielfaches größer als die Schwerkraft.
Im Wasserstoffatom, schematisch dargestellt in Abbildung 14.1, wird das Elektron mit einer Kraft vom Kern (Proton) angezogen, die 10 39-mal größer ist als die Kraft der Gravitationsanziehung.
Wenn Teilchen mit Kräften miteinander interagieren, die mit zunehmender Entfernung ähnlich wie die Kräfte der universellen Schwerkraft abnehmen, die Gravitationskräfte aber um ein Vielfaches übertreffen, dann spricht man von einer elektrischen Ladung dieser Teilchen. Die Teilchen selbst werden aufgerufen aufgeladen.
Es gibt Teilchen ohne elektrische Ladung, aber ohne Teilchen gibt es keine elektrische Ladung.
Die Wechselwirkung geladener Teilchen nennt man elektromagnetisch.
Elektrische Ladung bestimmt die Intensität elektromagnetischer Wechselwirkungen, ebenso wie die Masse die Intensität gravitativer Wechselwirkungen bestimmt.
Die elektrische Ladung eines Elementarteilchens ist kein spezieller Mechanismus im Teilchen, der aus ihm entfernt, in seine Bestandteile zerlegt und wieder zusammengesetzt werden könnte. Das Vorhandensein einer elektrischen Ladung auf einem Elektron und anderen Teilchen bedeutet lediglich das Vorhandensein bestimmter Kraftwechselwirkungen zwischen ihnen.
Wir wissen im Wesentlichen nichts über Ladung, wenn wir die Gesetze dieser Wechselwirkungen nicht kennen. Die Kenntnis der Wechselwirkungsgesetze sollte in unsere Vorstellungen über Ladung einbezogen werden. Diese Gesetze sind nicht einfach und es ist unmöglich, sie in wenigen Worten zu beschreiben. Daher ist es unmöglich, eine ausreichend zufriedenstellende Kurzdefinition des Konzepts zu geben elektrische Ladung.
Zwei Anzeichen elektrischer Ladung.
Alle Körper haben Masse und ziehen sich daher gegenseitig an. Geladene Körper können sich gegenseitig anziehen und abstoßen. Diese wichtigste, Ihnen bekannte Tatsache bedeutet, dass es in der Natur Teilchen mit elektrischen Ladungen entgegengesetzten Vorzeichens gibt; Bei Ladungen gleichen Vorzeichens stoßen sich die Teilchen ab, bei unterschiedlichem Vorzeichen ziehen sie sich an.
Ladung von Elementarteilchen - Protonen, die Teil aller Atomkerne sind, nennt man positiv, und die Ladung Elektronen- negativ. Es gibt keine internen Unterschiede zwischen positiven und negativen Ladungen. Wenn die Vorzeichen der Teilchenladungen umgekehrt würden, würde sich die Natur der elektromagnetischen Wechselwirkungen überhaupt nicht ändern.
Grundgebühr.
Neben Elektronen und Protonen gibt es noch mehrere andere Arten geladener Elementarteilchen. Aber nur Elektronen und Protonen können auf unbestimmte Zeit in einem freien Zustand existieren. Der Rest der geladenen Teilchen lebt weniger als eine Millionstel Sekunde. Sie entstehen bei Kollisionen schneller Elementarteilchen und zerfallen nach unbedeutender kurzer Zeit in andere Teilchen. Mit diesen Partikeln werden Sie in der 11. Klasse vertraut gemacht.
Zu den Partikeln, die keine elektrische Ladung besitzen, gehören Neutron. Seine Masse ist nur geringfügig größer als die Masse eines Protons. Neutronen sind zusammen mit Protonen Teil des Atomkerns. Wenn ein Elementarteilchen eine Ladung hat, ist sein Wert genau definiert.
Aufgeladene Körper Elektromagnetische Kräfte spielen in der Natur eine große Rolle, da alle Körper elektrisch geladene Teilchen enthalten. Die Bestandteile der Atome – Kerne und Elektronen – sind elektrisch geladen.
Die direkte Wirkung elektromagnetischer Kräfte zwischen Körpern wird nicht nachgewiesen, da die Körper im Normalzustand elektrisch neutral sind.
Ein Atom einer beliebigen Substanz ist neutral, weil die Anzahl der darin enthaltenen Elektronen der Anzahl der Protonen im Kern entspricht. Positiv und negativ geladene Teilchen werden durch elektrische Kräfte miteinander verbunden und bilden neutrale Systeme.
Ein makroskopischer Körper ist elektrisch geladen, wenn er eine überschüssige Menge an Elementarteilchen mit einem beliebigen Ladungszeichen enthält. Die negative Ladung eines Körpers ist also auf die im Vergleich zur Protonenzahl überschüssige Elektronenzahl zurückzuführen, die positive Ladung auf den Elektronenmangel.
Um einen elektrisch geladenen makroskopischen Körper zu erhalten, also zu elektrisieren, ist es notwendig, einen Teil der negativen Ladung von der damit verbundenen positiven Ladung zu trennen oder eine negative Ladung auf einen neutralen Körper zu übertragen.
Dies kann durch Reibung erfolgen. Wenn Sie mit einem Kamm durch trockenes Haar fahren, wandert ein kleiner Teil der beweglichsten geladenen Teilchen – Elektronen – vom Haar zum Kamm und lädt ihn negativ auf, und das Haar lädt sich positiv auf.
Ladungsgleichheit bei der Elektrifizierung
Mit Hilfe von Experimenten kann nachgewiesen werden, dass beide Körper bei der Elektrifizierung durch Reibung Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen, aber gleicher Größe erhalten.
Nehmen wir ein Elektrometer, auf dessen Stab sich eine Metallkugel mit Loch befindet, und zwei Platten an langen Griffen: eine aus Hartgummi und die andere aus Plexiglas. Beim Aneinanderreiben werden die Platten elektrifiziert.
Bringen wir eine der Platten in die Kugel, ohne deren Wände zu berühren. Wenn die Platte positiv geladen ist, werden einige der Elektronen von der Nadel und dem Stab des Elektrometers von der Platte angezogen und auf der Innenfläche der Kugel gesammelt. Gleichzeitig wird der Pfeil positiv geladen und vom Elektrometerstab weggedrückt (Abb. 14.2, a).
Wenn Sie eine weitere Platte in die Kugel einbringen, nachdem Sie zuvor die erste entfernt haben, werden die Elektronen der Kugel und des Stabes von der Platte abgestoßen und sammeln sich im Überschuss auf dem Pfeil an. Dadurch wird der Pfeil von der Stange abgelenkt, und zwar im gleichen Winkel wie im ersten Experiment.
Nachdem wir beide Platten in die Kugel abgesenkt haben, werden wir überhaupt keine Abweichung des Pfeils feststellen (Abb. 14.2, b). Dies beweist, dass die Ladungen der Platten gleich groß und entgegengesetztes Vorzeichen haben.
Elektrifizierung von Körpern und ihre Erscheinungsformen. Bei der Reibung von synthetischen Stoffen kommt es zu einer erheblichen Elektrifizierung. Wenn man ein Hemd aus synthetischem Material in trockener Luft auszieht, ist ein charakteristisches Knistern zu hören. Zwischen den aufgeladenen Bereichen der Reibflächen springen kleine Funken über.
In Druckereien steht das Papier beim Drucken unter Strom und die Blätter kleben zusammen. Um dies zu verhindern, werden spezielle Vorrichtungen zum Entladen der Ladung eingesetzt. Die Elektrifizierung von Körpern in engem Kontakt wird jedoch manchmal verwendet, beispielsweise in verschiedenen Elektrokopieranlagen usw.
Gesetz zur Erhaltung der elektrischen Ladung.
Erfahrungen mit der Elektrifizierung von Platten belegen, dass es bei der Elektrifizierung durch Reibung zu einer Umverteilung vorhandener Ladungen zwischen zuvor neutralen Körpern kommt. Ein kleiner Teil der Elektronen bewegt sich von einem Körper zum anderen. In diesem Fall erscheinen keine neuen Partikel und bereits vorhandene verschwinden nicht.
Wenn Körper elektrisiert werden, Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung. Dieses Gesetz gilt für ein System, in das geladene Teilchen nicht von außen eindringen und aus dem sie nicht austreten, also für isoliertes System.
In einem isolierten System bleibt die algebraische Summe der Ladungen aller Körper erhalten.
q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = const. (14.1)
wobei q 1, q 2 usw. die Ladungen einzelner geladener Körper sind.
Das Gesetz der Ladungserhaltung hat eine tiefe Bedeutung. Ändert sich die Zahl der geladenen Elementarteilchen nicht, liegt die Erfüllung des Ladungserhaltungssatzes auf der Hand. Aber Elementarteilchen können sich ineinander verwandeln, geboren werden und verschwinden und so neue Teilchen zum Leben erwecken.
Allerdings entstehen geladene Teilchen in allen Fällen nur paarweise mit Ladungen gleicher Größe und entgegengesetztem Vorzeichen; Auch geladene Teilchen verschwinden nur paarweise und werden zu neutralen. Und in all diesen Fällen bleibt die algebraische Summe der Ladungen gleich.
Die Gültigkeit des Ladungserhaltungssatzes wird durch Beobachtungen einer Vielzahl von Transformationen von Elementarteilchen bestätigt. Dieses Gesetz drückt eine der grundlegendsten Eigenschaften der elektrischen Ladung aus. Der Grund für die Ladungserhaltung ist noch unbekannt.
Jeder Mensch kennt die Situation, wenn er beim Berühren eines Gegenstandes mit der Hand ein leichtes Kribbeln verspürt, manchmal sogar ein leises Knacken hört. Es wird oft gesagt, dass ein Objekt „schockiert“ wird; Es liegt alles an der elektrischen Ladung.
Gebühr – was ist das?
Elektrische Ladung ist eine physikalische Größe. Ein elektrisch geladener Körper ist in der Lage, ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, um mit anderen Körpern (Objekten) zu interagieren.
Q= 1 C bedeutet, dass sich eine elektrische Ladung in einer Sekunde mit einer Stromstärke von 1 Ampere durch den Querschnitt eines Leiters bewegt.
Aus der Geschichte
- Die alten Griechen bemerkten das seltsame Verhalten von Bernstein: Wenn er an Wolle gerieben wurde, begann er plötzlich, leichte Gegenstände anzuziehen.
- Der Engländer William Gilbert gab Körpern, die Objekte anziehen, den Namen „elektrifiziert“. Seine Experimente mit Magneten und den elektromagnetischen Eigenschaften von Körpern beschrieb er ausführlich im Buch „Über den Magneten, die magnetischen Körper und den großen Magneten Erde“ („De magnete, magnetisque corparibus et magne magnete tellure“, 1600).
- Der französische Physiker C. Dufay (1698 - 1739) beobachtete die Unterschiede in der Ladung, die Glas auf Seide und Harz beim Reiben auf Wolle erhält, und klassifizierte sie in „Glas“ und „Harz“. Später wurden in Bezug auf Gebühren die Begriffe „positiv“ bzw. „negativ“ verwendet. Während seiner Experimente entdeckte Du Fay eine merkwürdige Eigenschaft geladener Körper: Objekte mit gleicher Ladung divergieren im Raum (stoßen sich gegenseitig ab), während Objekte mit entgegengesetzter Ladung einander anziehen.
Ein bisschen Physik
Im Jahr 1843 führte der Engländer Michael Faraday eine Reihe von Experimenten durch, durch die das Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung experimentell bestätigt wurde.
Nach dieser Bestimmung werden positive und negative Ladungen summiert, wobei diese algebraische Summe unverändert bleibt, sofern das System geschlossen ist.
Im Ruhezustand ist der Körper elektrisch neutral. Es zeichnet sich durch das Vorhandensein von sich gegenseitig kompensierenden entgegengesetzten Ladungen gleicher Größe aus. Durch die gegenseitige Elektrifizierung von Körpern kommt es zu einem Ladungsaustausch, deren Gesamtwert sich jedoch nicht ändert.
Elektrische Ladung ist eines der Grundkonzepte der Physik, und das Gesetz ihrer Erhaltung ist das Grundgesetz des modernen Universums.
Das Wort „Elektrizität“ ist altgriechischen Ursprungs (altgriechisch ἤλεκτρον – „Bernstein“).
Die Fähigkeit von Bernstein, Gegenstände zu elektrisieren, wurde bereits in der Antike von den Griechen erkannt.
In Russland wurde Bernstein „ilektr“ genannt, und das Wort „Bernstein“ selbst kam ins Russische, vermutlich aus dem Litauischen (gintaras), denn es ist Litauen, das diese „gefrorenen Kieferntränen“ als sein Symbol betrachtet.
Hier finden sich überall Hinweise auf Bernstein: vom Namen des Hotels bis zum Bieretikett.
Elektrische Ladung ist eine physikalische Skalargröße, die die Fähigkeit von Körpern bestimmt, eine Quelle elektromagnetischer Felder zu sein und an elektromagnetischen Wechselwirkungen teilzunehmen. Die elektrische Ladung wurde erstmals 1785 im Coulombschen Gesetz eingeführt.
Die SI-Einheit zur Messung der Ladung ist das Coulomb – eine elektrische Ladung, die bei einer Stromstärke von 1 A für eine Zeit von 1 s durch den Querschnitt eines Leiters fließt. Die Ladung eines Anhängers ist sehr groß. Würde man zwei Ladungsträger (q1 = q2 = 1 C) in einem Abstand von 1 m in ein Vakuum bringen, dann würden sie mit einer Kraft von 9·109 N interagieren, d. h. mit der Kraft, mit der die Schwerkraft der Erde ein Objekt mit einer Masse von etwa 1 Million Tonnen anziehen würde.
Die elektrische Ladung eines beliebigen Körpersystems besteht aus einer ganzzahligen Anzahl von Elementarladungen, die im SI-System etwa 1,6 · 10 −19 C oder 4,8 · 10 −10 Einheiten entspricht. SGSE. Elektrische Ladungsträger sind elektrisch geladene Elementarteilchen. Das massemäßig kleinste Teilchen, das im freien Zustand stabil ist und eine negative elektrische Elementarladung aufweist, ist das Elektron (seine Masse beträgt 9,11·10−31 kg).
Die elektrische Ladung eines geschlossenen Systems ist zeitlich konserviert und quantisiert – sie ändert sich in Anteilen, die ein Vielfaches der elektrischen Elementarladung sind, also der algebraischen Summe der elektrischen Ladungen von Körpern oder Teilchen, die ein elektrisches Element bilden Das isolierte System ändert sich während der in diesem System ablaufenden Prozesse nicht.
Eine Punktladung ist eine Idealisierung, die eingeführt wurde, um die Beschreibung des Feldes eines geladenen Körpers oder Körpersystems zu vereinfachen. Manchmal auch als elektrisch geladener materieller Punkt definiert.
Einfacher ausgedrückt ist eine Punktladung eine Ladung, deren Trägerabmessungen im Vergleich zum Abstand, bei dem die elektrostatische Wechselwirkung berücksichtigt wird, vernachlässigt werden können.
Für Punktladungen wurde das Coulombsche Gesetz formuliert.
Coulombsches Gesetz ist ein Gesetz, das die Wechselwirkungskräfte zwischen elektrischen Punktladungen beschreibt.
Es wurde 1785 von Charles Coulomb entdeckt. Nach zahlreichen Experimenten mit Metallkugeln formulierte Charles Coulomb das Gesetz wie folgt:
Der Modul der Wechselwirkungskraft zwischen zwei Punktladungen im Vakuum ist direkt proportional zum Produkt der Module dieser Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen.
Es ist wichtig zu beachten, dass für die Gültigkeit des Gesetzes Folgendes erforderlich ist:
Der Punktcharakter von Ladungen – das heißt der Abstand zwischen geladenen Körpern ist viel größer als ihre Größe – lässt sich jedoch nachweisen, dass die Wechselwirkungskraft zweier volumetrisch verteilter Ladungen mit sphärisch symmetrischen, sich nicht überschneidenden räumlichen Verteilungen gleich der Kraft ist der Wechselwirkung zweier äquivalenter Punktladungen, die sich in Zentren sphärischer Symmetrie befinden;
Ihre Unbeweglichkeit. Andernfalls treten zusätzliche Effekte in Kraft: das Magnetfeld einer bewegten Ladung und die entsprechende zusätzliche Lorentzkraft, die auf eine andere bewegte Ladung einwirkt;
Interaktion im Vakuum.
In Vektorform in der Formulierung von C. Coulomb lautet das Gesetz wie folgt:
Wo ist die Kraft, mit der Ladung 1 auf Ladung 2 einwirkt? - Höhe der Gebühren; – Radiusvektor (Vektor, der von Ladung 1 zu Ladung 2 gerichtet ist und im absoluten Wert dem Abstand zwischen den Ladungen entspricht – ); — Proportionalitätskoeffizient. Das Gesetz besagt also, dass sich gleiche Ladungen abstoßen (und ungleiche Ladungen anziehen).
Im Internationalen Einheitensystem (SI) ist eine der Grundeinheiten die Einheit des elektrischen Stroms, das Ampere, und die Ladungseinheit, das Coulomb, ist eine Ableitung davon. Der Amperewert ist so definiert k= c 2 · 10 -7 H/m = 8,9875517873681764 · 10 9 N · m 2 /Cl 2 (oder F −1 · m).
SI-Koeffizient k wird geschrieben als:
wobei ≈ 8,854187817 · 10 −12 F/m die elektrische Konstante ist.
Elektrische Ladung ist eine physikalische Größe, die die Intensität der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Körpern charakterisiert. Elektrische Ladung selbst existiert nicht; ihr Träger kann nur ein Materieteilchen sein.
Grundlegende Eigenschaften
1. Dualität: In der Natur gibt es Ladungen mit zwei Vorzeichen, so wie sich Ladungen abstoßen, entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an. Dabei werden die bedingten Gebühren in positive und negative unterteilt.
Die Ladung, die ein an Seide oder Papier geriebener Glasstab besitzt, wird als positiv bezeichnet.
Negativ – die Ladung, die ein Bernstein- oder Ebonitstab besitzt, der an Fell oder Wolle gerieben wird.
2. Quantisierung: Wenn eine physikalische Größe nur bestimmte diskrete Werte annimmt, spricht man von einer Quantisierung (diskret). Die Erfahrung zeigt, dass jede elektrische Ladung quantisiert ist, d.h. besteht aus einer ganzen Zahl von Elementarladungen.
wobei =1,2,...Ganzzahl; e =1,6·1 -19 C - Elementarladung.
Das Elektron hat die kleinste (elementare) negative Ladung, das Proton die positive Ladung.
1 Coulomb ist die Ladung, die in einer Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters fließt, wenn ein Gleichstrom von einem Ampere durch den Leiter fließt.
3. Ladungserhaltung.
Elektrische Ladungen können nur paarweise verschwinden und wieder auftauchen. In jedem solchen Paar sind die Ladungen gleich groß und haben entgegengesetztes Vorzeichen. Beispielsweise vernichten ein Elektron und ein Positron, wenn sie aufeinander treffen, d. h. verwandeln sich in neutrale g - Photonen und die Ladungen –e und +e verschwinden. Während eines Prozesses, der als Paarbildung bezeichnet wird, verwandelt sich ein g-Photon, das in das Feld eines Atomkerns eintritt, in ein Teilchenpaar, ein Elektron und ein Positron, und es entstehen die Ladungen +e und –e.
Ladungserhaltungsgesetz: In einem isolierten System bleibt die algebraische Ladungssumme bei allen Änderungen innerhalb des Systems konstant.
Isoliert ist ein System von Körpern, das keine Ladungen mit der äußeren Umgebung austauscht.
4. Invarianz Ladung auf verschiedene Trägheitsbezugssysteme.
Die Erfahrung zeigt, dass die Größe der Ladung nicht von der Bewegungsgeschwindigkeit des geladenen Körpers abhängt. Die gleiche Ladung, die in verschiedenen Trägheitsmessrahmen gemessen wird, ist gleich.
5. Additivität: .
Klassifizierung der Gebühren.
Abhängig von der Größe des geladenen Körpers werden die Ladungen in Punkt- und Verlängerungsladungen unterteilt.
· Eine Punktladung ist ein geladener Körper, dessen Abmessungen unter den Bedingungen dieses Problems vernachlässigt werden können.
· Erweitert ist die Ladung eines Körpers, dessen Abmessungen unter den Bedingungen dieses Problems nicht vernachlässigt werden können. Erweiterte Ladungen werden in lineare, Oberflächen- und Volumenladungen unterteilt.
Durch die Fähigkeit, sich unter dem Einfluss äußerer Elektrizität relativ zur Gleichgewichtslage zu verschieben. Felder, Ladungen werden herkömmlicherweise in freie, gebundene und fremde Ladungen unterteilt.
Frei nennt man Ladungen, die sich unter dem Einfluss äußerer Elektrizität in einem Körper frei bewegen können. Felder.
Verwandt werden die Ladungen genannt, die Teil der dielektrischen Moleküle sind, die unter dem Einfluss von Elektrizität stehen. Felder können ihre Gleichgewichtslage nur verschieben, das Molekül jedoch nicht verlassen.
Dritte Seite werden Ladungen genannt, die sich auf dem Dielektrikum befinden, aber nicht Teil seiner Moleküle sind.
Das Gesetz zur Wechselwirkungskraft zwischen Punktladungen wurde 1785 experimentell festgestellt. Anhänger.
Coulombsches Gesetz: Die Wechselwirkungskraft zwischen zwei stationären Punktladungen ist direkt proportional zu den Ladungen, umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen, gerichtet entlang der geraden Linie, die die Ladungen verbindet, und hängt von der Umgebung ab, in der sie sich befinden.
wo q 1, q 2 - Ladungswerte; r ist der Abstand zwischen den Ladungen;
8,85 1 -12 C 2 / (N m 2) - elektrische Konstante,
e ist die Dielektrizitätskonstante des Mediums.
Die Dielektrizitätskonstante einer Substanz gibt an, wie oft die Wechselwirkungskraft zwischen Ladungen in einem bestimmten Dielektrikum geringer ist als im Vakuum. Vakuum = 1 ist eine dimensionslose Größe.
Lassen Sie uns den Grund für diese Schwächung erklären, indem wir eine geladene Kugel betrachten, die von einem Dielektrikum umgeben ist. Das Feld der Kugel richtet die Moleküle des Dielektrikums aus und auf der an die Kugel angrenzenden Oberfläche des Dielektrikums erscheinen negativ gebundene Ladungen.
Das Feld an jedem Punkt des Dielektrikums wird durch zwei entgegengesetzt geladene Kugeln erzeugt: die positiv geladene Oberfläche der Kugel und die angrenzende negativ geladene dielektrische Oberfläche, während das Feld der gebundenen Ladungen vom Feld der freien Ladungen abgezogen wird, und Das Gesamtfeld wird schwächer sein als das Feld eines Balls.
1. Elektrostatische Feldstärke. Das Prinzip der Überlagerung elektrischer Felder. Vektorfluss.
Jede Ladung verändert die Eigenschaften des umgebenden Raums – sie erzeugt darin ein elektrisches Feld.
Ein elektrisches Feld ist eine der Existenzformen der Materie, die elektrische Ladungen umgibt. Dieses Feld äußert sich darin, dass eine an einem beliebigen Punkt platzierte elektrische Ladung unter dem Einfluss von Kraft steht.
Das Konzept eines elektrischen Feldes wurde in den 30er Jahren des 19. Jahrhunderts vom englischen Wissenschaftler Michael Faraday in die Wissenschaft eingeführt.
Laut Faraday ist jede elektrische Ladung von dem von ihr erzeugten elektrischen Feld umgeben, daher wird eine solche Ladung manchmal als Quellladung bezeichnet. Die Ladung, mit der das Quellladungsfeld untersucht wird, wird Testladung genannt.
Damit die auf die Testladung wirkende Kraft das Feld an einem bestimmten Punkt charakterisiert; Bei der Testladung muss es sich um eine Punktladung handeln.
Punktgebühr ein geladener Körper genannt, dessen Abmessungen unter den Bedingungen dieses Problems vernachlässigt werden können, d.h. dessen Abmessungen klein sind im Vergleich zu den Abständen zu anderen Körpern, mit denen es interagiert. In diesem Fall muss das eigene elektrische Feld der Testladung so klein sein, dass es das Feld der Quellladung nicht verändert. Je kleiner der geladene Körper ist und je schwächer sein eigenes Feld im Vergleich zum Feld der Quellladung ist, desto genauer erfüllt dieser geladene Körper die Testladungsbedingung.
Das elektrische Feld breitet sich im Vakuum mit der Geschwindigkeit c = 3·1 8 aus.
Das Feld stationärer elektrischer Ladungen ist elektrostatisch.
Mit einer Testladung untersuchen wir das von einer stationären Ladung erzeugte Feld – die Quelle.
Die Kraft, die an einem bestimmten Punkt im Feld auf die Testladung wirkt, hängt von der Größe der Testladung ab. Wenn wir unterschiedliche Testladungen nehmen, ist die Kraft, die an einem bestimmten Punkt im Feld auf sie einwirkt, unterschiedlich.
Das Verhältnis der Kraft zur Größe der Prüfladung bleibt jedoch konstant und charakterisiert das Feld selbst. Dieses Verhältnis wird als elektrische Feldstärke an einem bestimmten Punkt bezeichnet.
Elektrische Feldstärke ist eine Vektorgröße, die numerisch der Kraft entspricht, mit der das Feld auf eine positive Einheitstestladung an einem bestimmten Punkt im Feld einwirkt und mit dieser Kraft gleichgerichtet ist.
Die Intensität ist das Hauptmerkmal des Feldes und charakterisiert das Feld an jedem seiner Punkte vollständig in Größe und Richtung.
Feldstärke einer Punktladung.
Nach dem Coulombschen Gesetz
= 
ist die elektrische Feldstärke einer Punktladung im Abstand r von dieser Ladung.
Es ist praktisch, das elektrische Feld anhand eines Bildes der sogenannten Kraftlinien oder Spannungslinien grafisch darzustellen.
Spannungslinie ist eine Linie, deren Tangente an jedem Punkt in der Richtung mit dem Spannungsvektor an diesem Punkt übereinstimmt.
Die durch stationäre Ladungen erzeugten Feldstärkelinien beginnen und enden immer an den Ladungen (oder im Unendlichen) und sind niemals geschlossen. Ein stärkeres Feld wird durch dichter beieinander liegende Spannungslinien dargestellt. Die Dichte der Linien wird so gewählt, dass die Anzahl der Linien, die eine Einheitsfläche des Standorts senkrecht zu den Linien durchdringen, gleich dem numerischen Wert des Vektors ist. Spannungslinien kreuzen sich nie, denn... Ihr Schnittpunkt würde zwei unterschiedliche Richtungen des Feldstärkevektors am selben Punkt bedeuten, was keinen Sinn ergibt.
Ein Feld, in dem die Intensität an allen Punkten den gleichen Betrag und die gleiche Richtung hat, heißt homogen. In einem solchen Feld verlaufen die Kraftlinien parallel und ihre Dichte ist überall gleich, d. h. sie liegen im gleichen Abstand voneinander.
Superpositionsprinzip.
Wenn das elektrische Feld an einem bestimmten Punkt durch mehrere Ladungen erzeugt wird, ist die Stärke des resultierenden Feldes gleich der Vektorsumme der Feldstärken, die von jeder Ladung einzeln erzeugt werden.
Das Superpositionsprinzip ist eine experimentelle Tatsache, die bis zu sehr starken Feldern gilt. Nach dem gleichen Gesetz entstehen nicht nur statische, sondern auch sich schnell ändernde elektromagnetische Felder
Wählen wir im Vektorfeld ein bestimmtes Volumen aus, das durch die Fläche S begrenzt wird. Teilen wir diese Fläche in elementare Größenbereiche auf .
In Betracht kommt ein gerichtetes Flächenelement. Ein gerichtetes Element einer Oberfläche ist ein Vektor, dessen Länge gleich der Fläche des Elements ist und dessen Richtung mit der Richtung der Normalen zu diesem Element übereinstimmt. Bei einer geschlossenen Fläche wird die äußere Flächennormale genommen. Da die Wahl der Richtung willkürlich (bedingt) ist, kann sie vom Standort aus entweder in die eine oder in die andere Richtung gerichtet werden. Es handelt sich nicht um einen echten Vektor, sondern um einen Pseudovektor.
Richtungsflächenelement,
Elementare Oberfläche.
Der Fluss des Spannungsvektors durch eine Elementarfläche dS wird als Skalarprodukt bezeichnet
wobei a der Winkel zwischen Vektoren und ist,
E n - Projektion auf die Normalenrichtung.
Nachdem wir die Flüsse durch alle Elementarbereiche, in die die Oberfläche S unterteilt wurde, summiert haben, erhalten wir den Vektorfluss durch die Oberfläche S.
Der Fluss eines Vektors durch die Oberfläche S ist das Integral
Für eine geschlossene Oberfläche.
Der Vektorfluss ist eine algebraische Größe:
Für ein einheitliches Feld
 |
Der Verlauf des Spannungsvektors lässt sich klar geometrisch interpretieren: Er ist numerisch gleich der Anzahl der Spannungslinien, die eine gegebene Oberfläche kreuzen.
2. Der Satz von Gauß für den Vektorfluss und seine Anwendung zur Berechnung der Felder ausgedehnter Ladungen im Vakuum.
Wenn man die Feldstärke einer Punktladung kennt und das Superpositionsprinzip nutzt, ist es möglich, die Feldstärke mehrerer Punktladungen zu berechnen. Bei längeren Ladungen ist die Anwendung des Superpositionsprinzips jedoch schwierig. Eine Methode zur Berechnung der durch ausgedehnte Ladungen erzeugten Felder wurde vom deutschen Wissenschaftler Gauß zu Beginn des 19. Jahrhunderts vorgeschlagen.
Gaußscher Satz für das elektrostatische Feld im Vakuum.
Betrachten wir das Feld einer Punktladung im Vakuum und berechnen wir den Radius der Kugel durch die Oberfläche
Feldstärke an jedem Punkt der Kugeloberfläche
Themen des Einheitlichen Staatsexamen-Kodifikators: Elektrifizierung von Körpern, Wechselwirkung von Ladungen, zwei Arten von Ladungen, Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung.
Elektromagnetische Wechselwirkungen gehören zu den grundlegendsten Wechselwirkungen in der Natur. Die Kräfte der Elastizität und Reibung, des Gasdrucks und vieles mehr lassen sich auf elektromagnetische Kräfte zwischen Materieteilchen reduzieren. Elektromagnetische Wechselwirkungen selbst werden nicht mehr auf andere, tiefer liegende Arten von Wechselwirkungen reduziert.
Eine ebenso grundlegende Art der Wechselwirkung ist die Schwerkraft – die Anziehungskraft zweier beliebiger Körper. Es gibt jedoch mehrere wichtige Unterschiede zwischen elektromagnetischen und gravitativen Wechselwirkungen.
1. Nicht jeder kann an elektromagnetischen Wechselwirkungen teilnehmen, sondern nur aufgeladen Körper (mit elektrische Ladung).
2. Gravitationswechselwirkung ist immer die Anziehung eines Körpers zu einem anderen. Elektromagnetische Wechselwirkungen können entweder anziehend oder abstoßend sein.
3. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist viel intensiver als die Gravitationswechselwirkung. Beispielsweise ist die Kraft der elektrischen Abstoßung zwischen zwei Elektronen um ein Vielfaches größer als die Kraft ihrer gravitativen Anziehung zueinander.
Jeder geladene Körper hat eine bestimmte elektrische Ladung. Elektrische Ladung ist eine physikalische Größe, die die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen natürlichen Objekten bestimmt. Die Gebühreneinheit ist Anhänger(Cl).
Zwei Arten von Gebühren
Da die Gravitationswechselwirkung immer eine Anziehung ist, sind die Massen aller Körper nicht negativ. Dies gilt jedoch nicht für Gebühren. Es ist zweckmäßig, zwei Arten elektromagnetischer Wechselwirkungen – Anziehung und Abstoßung – zu beschreiben, indem man zwei Arten elektrischer Ladungen einführt: positiv Und Negativ.
Ladungen unterschiedlicher Vorzeichen ziehen sich gegenseitig an und Ladungen unterschiedlicher Vorzeichen stoßen sich gegenseitig ab. Dies ist in Abb. dargestellt. 1 ; Die an Fäden aufgehängten Kugeln erhalten Ladungen mit dem einen oder anderen Zeichen.
Reis. 1. Wechselwirkung zweier Ladungsarten
Die weit verbreitete Manifestation elektromagnetischer Kräfte erklärt sich aus der Tatsache, dass die Atome jeder Substanz geladene Teilchen enthalten: Der Atomkern enthält positiv geladene Protonen und negativ geladene Elektronen bewegen sich auf Bahnen um den Kern.
Die Ladungen eines Protons und eines Elektrons sind gleich groß, und die Anzahl der Protonen im Kern ist gleich der Anzahl der Elektronen in Umlaufbahnen, und daher stellt sich heraus, dass das Atom als Ganzes elektrisch neutral ist. Aus diesem Grund bemerken wir unter normalen Bedingungen den elektromagnetischen Einfluss der umgebenden Körper nicht: Die Gesamtladung jedes einzelnen von ihnen ist Null und geladene Teilchen sind gleichmäßig im gesamten Körpervolumen verteilt. Wenn jedoch die elektrische Neutralität verletzt wird (z. B. dadurch Elektrifizierung) beginnt der Körper sofort, auf die umgebenden geladenen Teilchen einzuwirken.
Warum es genau zwei Arten elektrischer Ladungen gibt und nicht eine andere Zahl, ist derzeit nicht bekannt. Wir können nur behaupten, dass die Annahme dieser Tatsache als primär eine angemessene Beschreibung elektromagnetischer Wechselwirkungen liefert.
Die Ladung eines Protons ist Cl. Die Ladung eines Elektrons hat das entgegengesetzte Vorzeichen und ist gleich Cl. Größe
angerufen Elementarladung. Dies ist die minimal mögliche Ladung: Freie Teilchen mit geringerer Ladung wurden in Experimenten nicht nachgewiesen. Die Physik kann noch nicht erklären, warum die Natur die kleinste Ladung hat und warum sie genau diese Größe hat.
Die Ladung eines Körpers besteht immer aus das Ganze Anzahl der Elementarladungen:
Wenn , dann hat der Körper eine überschüssige Anzahl an Elektronen (im Vergleich zur Anzahl an Protonen). Fehlen dem Körper hingegen Elektronen, gibt es mehr Protonen.
Elektrifizierung von Körpern
Damit ein makroskopischer Körper einen elektrischen Einfluss auf andere Körper ausüben kann, muss er elektrifiziert werden. Elektrifizierung ist eine Verletzung der elektrischen Neutralität des Körpers oder seiner Teile. Durch die Elektrifizierung wird der Körper zu elektromagnetischen Wechselwirkungen fähig.
Eine Möglichkeit, einen Körper zu elektrisieren, besteht darin, ihm eine elektrische Ladung zu verleihen, also einen Überschuss an Ladungen desselben Vorzeichens in einem bestimmten Körper zu erreichen. Das geht ganz einfach durch Reibung.
Wenn also ein Glasstab mit Seide gerieben wird, geht ein Teil seiner negativen Ladungen an die Seide. Dadurch wird der Stab positiv und die Seide negativ aufgeladen. Wenn man jedoch einen Ebonitstab mit Wolle reibt, wird ein Teil der negativen Ladungen von der Wolle auf den Stab übertragen: Der Stab wird negativ geladen, und die Wolle wird positiv geladen.
Diese Methode zur Elektrifizierung von Körpern nennt man Elektrifizierung durch Reibung. Jedes Mal, wenn du einen Pullover über deinen Kopf ausziehst, erlebst du elektrifizierte Reibung ;-)
Eine andere Art der Elektrifizierung heißt elektrostatische Induktion, oder Elektrifizierung durch Einfluss. In diesem Fall bleibt die Gesamtladung des Körpers gleich Null, wird jedoch umverteilt, sodass sich in einigen Körperteilen positive Ladungen und in anderen negative Ladungen ansammeln.
Reis. 2. Elektrostatische Induktion
Schauen wir uns Abb. an. 2. In einiger Entfernung vom Metallkörper herrscht eine positive Ladung. Es zieht negative Metallladungen (freie Elektronen) an, die sich an den der Ladung am nächsten gelegenen Bereichen der Körperoberfläche ansammeln. Unkompensierte positive Ladungen verbleiben in entfernten Gebieten.
Obwohl die Gesamtladung des Metallkörpers gleich Null blieb, kam es im Körper zu einer räumlichen Ladungstrennung. Teilen wir nun den Körper entlang der gestrichelten Linie, dann ist die rechte Hälfte negativ und die linke Hälfte positiv geladen.
Mit einem Elektroskop können Sie die Elektrifizierung des Körpers beobachten. Ein einfaches Elektroskop ist in Abb. dargestellt. 3 (Bild von en.wikipedia.org).
Reis. 3. Elektroskop
Was passiert in diesem Fall? Ein positiv geladener Stab (z. B. zuvor gerieben) wird an die Elektroskopscheibe herangeführt und sammelt dort eine negative Ladung. Unten, auf den beweglichen Blättern des Elektroskops, verbleiben unkompensierte positive Ladungen; Die Blätter bewegen sich voneinander weg und bewegen sich in verschiedene Richtungen. Wenn Sie den Stab entfernen, kehren die Ladungen an ihren Platz zurück und die Blätter fallen zurück.
Das Phänomen der elektrostatischen Induktion im großen Stil wird bei einem Gewitter beobachtet. In Abb. 4 sehen wir eine Gewitterwolke, die über die Erde zieht.
Reis. 4. Elektrifizierung der Erde durch eine Gewitterwolke
Im Inneren der Wolke befinden sich Eisstücke unterschiedlicher Größe, die durch aufsteigende Luftströmungen vermischt werden, miteinander kollidieren und elektrisiert werden. Es stellt sich heraus, dass sich im unteren Teil der Wolke eine negative Ladung und im oberen Teil eine positive Ladung ansammelt.
Der negativ geladene untere Teil der Wolke induziert darunter positive Ladungen auf der Erdoberfläche. Ein riesiger Kondensator entsteht mit einer enormen Spannung zwischen der Wolke und der Erde. Reicht diese Spannung aus, um den Luftspalt zu durchbrechen, kommt es zu einer Entladung – dem bekannten Blitz.
Gesetz der Ladungserhaltung
Kehren wir zum Beispiel der Elektrifizierung durch Reibung zurück – dem Reiben eines Stocks mit einem Tuch. In diesem Fall erhalten der Stab und das Stück Stoff Ladungen gleicher Größe und entgegengesetzten Vorzeichens. Ihre Gesamtladung war vor der Wechselwirkung gleich Null und bleibt nach der Wechselwirkung gleich Null.
Wir sehen hier Gesetz der Ladungserhaltung, der lautet: In einem geschlossenen Körpersystem bleibt die algebraische Ladungssumme bei allen mit diesen Körpern ablaufenden Prozessen unverändert:
Die Geschlossenheit eines Systems von Körpern bedeutet, dass diese Körper nur untereinander Ladungen austauschen können, nicht jedoch mit anderen Objekten außerhalb dieses Systems.
Wenn man einen Stab elektrisiert, ist die Ladungserhaltung nicht überraschend: Wie viele geladene Teilchen den Stab verlassen haben, ist die gleiche Menge auf das Stoffstück gelangt (oder umgekehrt). Überraschend ist, dass bei komplexeren Prozessen damit einhergeht gegenseitige Transformationen Elementarteilchen und die Nummer ändern Auch wenn sich geladene Teilchen im System befinden, bleibt die Gesamtladung erhalten!
Zum Beispiel in Abb. Abbildung 5 zeigt den Prozess, bei dem ein Teil der elektromagnetischen Strahlung (die sogenannte Photon) verwandelt sich in zwei geladene Teilchen – ein Elektron und ein Positron. Ein solcher Vorgang erweist sich unter bestimmten Bedingungen als möglich – beispielsweise im elektrischen Feld des Atomkerns.
Reis. 5. Geburt eines Elektron-Positron-Paares
Die Ladung eines Positrons ist gleich groß wie die Ladung eines Elektrons und hat ein entgegengesetztes Vorzeichen. Der Ladungserhaltungssatz ist erfüllt! Tatsächlich hatten wir am Anfang des Prozesses ein Photon, dessen Ladung Null war, und am Ende bekamen wir zwei Teilchen mit einer Gesamtladung von Null.
Das Gesetz der Ladungserhaltung (zusammen mit der Existenz der kleinsten Elementarladung) ist heute eine primäre wissenschaftliche Tatsache. Warum sich die Natur so verhält und nicht anders, konnten Physiker bislang nicht erklären. Wir können nur feststellen, dass diese Tatsachen durch zahlreiche physikalische Experimente bestätigt werden.
