« Физика - 10 одделение“
Прво, да го разгледаме наједноставниот случај, кога електрично наелектризираните тела се во мирување.
Гранката на електродинамиката посветена на проучувањето на условите за рамнотежа на електрично наелектризираните тела се нарекува електростатика.
Што е електричен полнеж?
Какви обвиненија има?
Со зборови струја, електричен полнеж, електрична струјасте се сретнале многу пати и сте успеале да се навикнете на нив. Но, обидете се да одговорите на прашањето: „Што е електрично полнење? Самиот концепт наплаќаат- ова е основен, примарен концепт кој не може да се сведе на сегашното ниво на развој на нашето знаење на некои поедноставни, елементарни концепти.
Прво да се обидеме да откриеме што се подразбира под изјавата: „Ова тело или честичка има електричен полнеж“.
Сите тела се изградени од најмалите честички, кои се неделиви на поедноставни и затоа се нарекуваат елементарен.
Елементарните честички имаат маса и поради тоа се привлекуваат една кон друга според законот за универзална гравитација. Како што се зголемува растојанието помеѓу честичките, гравитационата сила се намалува во обратна пропорција на квадратот на ова растојание. Повеќето елементарни честички, иако не сите, исто така имаат способност да комуницираат едни со други со сила која исто така се намалува обратно пропорционално на квадратот на растојанието, но оваа сила е многу пати поголема од силата на гравитацијата.
Така, во атомот на водород, шематски прикажан на слика 14.1, електронот е привлечен кон јадрото (протон) со сила 10 39 пати поголема од силата на гравитациското привлекување.
Ако честичките меѓусебно комуницираат со сили кои се намалуваат со зголемувањето на растојанието на ист начин како силите на универзалната гравитација, но ги надминуваат гравитационите сили многу пати, тогаш се вели дека овие честички имаат електричен полнеж. Самите честички се нарекуваат обвинет.
Има честички без електричен полнеж, но нема електричен полнеж без честичка.
Интеракцијата на наелектризираните честички се нарекува електромагнетни.
Електричниот полнеж го одредува интензитетот на електромагнетните интеракции, исто како што масата го одредува интензитетот на гравитационите интеракции.
Електричниот полнеж на елементарната честичка не е посебен механизам во честичката што може да се отстрани од неа, да се распадне на нејзините составни делови и повторно да се состави. Присуството на електричен полнеж на електрон и други честички значи само постоење на одредени сили интеракции меѓу нив.
Ние, во суштина, не знаеме ништо за полнењето ако не ги знаеме законите на овие интеракции. Познавањето на законите на интеракциите треба да биде вклучено во нашите идеи за наплатата. Овие закони не се едноставни и невозможно е да се оцртаат со неколку зборови. Затоа, невозможно е да се даде доволно задоволителна кратка дефиниција на концептот Електрично полнење.
Два знаци на електрични полнежи.
Сите тела имаат маса и затоа се привлекуваат едни со други. Наполнетите тела можат и да се привлечат и да се одвратат едни со други. Овој најважен факт, познат за вас, значи дека во природата има честички со електрични полнежи со спротивни знаци; во случај на полнежи од ист знак, честичките се одбиваат, а во случај на различни знаци, тие се привлекуваат.
Полнење од елементарни честички - протони, кои се дел од сите атомски јадра, се нарекуваат позитивни, а полнежот електрони- негативен. Нема внатрешни разлики помеѓу позитивните и негативните полнежи. Ако знаците на полнежите на честичките беа обратни, тогаш природата на електромагнетните интеракции воопшто не би се променила.
Основно полнење.
Покрај електроните и протоните, постојат уште неколку видови наелектризирани елементарни честички. Но, само електроните и протоните можат да постојат во слободна состојба на неодредено време. Остатокот од наелектризираните честички живеат помалку од милионити дел од секундата. Тие се раѓаат за време на судири на брзи елементарни честички и, откако постоеле за незначително кратко време, се распаѓаат, претворајќи се во други честички. Ќе се запознаете со овие честички во 11-то одделение.
Честички кои немаат електричен полнеж вклучуваат неутрон. Неговата маса е само малку поголема од масата на протонот. Неутроните, заедно со протоните, се дел од атомското јадро. Ако елементарната честичка има полнеж, тогаш нејзината вредност е строго дефинирана.
Наполнети телаЕлектромагнетните сили во природата играат огромна улога поради фактот што сите тела содржат електрично наелектризирани честички. Составните делови на атомите - јадрата и електроните - имаат електричен полнеж.
Директното дејство на електромагнетните сили помеѓу телата не е откриено, бидејќи телата во нивната нормална состојба се електрично неутрални.
Атомот на која било супстанција е неутрален бидејќи бројот на електрони во него е еднаков на бројот на протони во јадрото. Позитивно и негативно наелектризираните честички се поврзани една со друга со електрични сили и формираат неутрални системи.
Макроскопското тело е електрично наполнето ако содржи вишок на елементарни честички со кој било знак на полнење. Така, негативниот полнеж на телото се должи на вишокот на електрони во споредба со бројот на протони, а позитивниот полнеж се должи на недостатокот на електрони.
За да се добие електрично наелектризирано макроскопско тело, односно да се наелектризира, потребно е да се одвои дел од негативниот полнеж од позитивниот полнеж поврзан со него или да се пренесе негативен полнеж на неутрално тело.
Ова може да се направи со помош на триење. Ако поминете со чешел низ сува коса, тогаш мал дел од најподвижните наелектризирани честички - електроните - ќе се преместат од косата до чешелот и ќе го наполнат негативно, а косата ќе се наполни позитивно.
Еднаквост на полнењата при електрификација
Со помош на експеримент може да се докаже дека кога се наелектризирани со триење, двете тела добиваат полнежи кои се спротивни по знак, но идентични по големина.
Да земеме електрометар, на чија шипка има метална сфера со дупка и две плочи на долги рачки: едната од тврда гума, а другата од плексиглас. При триење едни со други, плочите се наелектризираат.
Ајде да внесеме една од плочите во сферата без да ги допираме нејзините ѕидови. Ако плочата е позитивно наелектризирана, тогаш дел од електроните од иглата и прачката на електрометарот ќе бидат привлечени кон плочата и ќе се соберат на внатрешната површина на сферата. Во исто време, стрелката ќе се наполни позитивно и ќе се турка подалеку од шипката на електрометарот (сл. 14.2, а).
Ако внесете друга плоча во сферата, откако прво ја отстраните првата, тогаш електроните на сферата и шипката ќе бидат одбиени од плочата и ќе се акумулираат во вишок на стрелката. Ова ќе предизвика стрелката да отстапи од шипката и под ист агол како и во првиот експеримент.
Откако ги спуштивме двете плочи во сферата, воопшто нема да откриеме никакво отстапување на стрелката (сл. 14.2, б). Ова докажува дека полнежите на плочите се еднакви по големина и спротивни по знак.
Електрификација на телата и нејзините манифестации.Значајна електрификација се јавува при триење на синтетички ткаенини. Кога ќе соблечете кошула направена од синтетички материјал на сув воздух, можете да слушнете карактеристичен звук на крцкање. Помеѓу наполнетите површини на површините за триење скокаат мали искри.
Во печатарските куќи, хартијата се електрифицира за време на печатењето и листовите се лепат. За да се спречи тоа да се случи, се користат специјални уреди за испуштање на полнењето. Сепак, понекогаш се користи електрификација на тела во близок контакт, на пример, во различни инсталации за електрокопирање итн.
Закон за зачувување на електричен полнеж.
Искуството со електрификацијата на плочите докажува дека при електрификација со триење се јавува прераспределба на постоечките полнежи помеѓу телата кои претходно биле неутрални. Мал дел од електроните се движи од едно тело до друго. Во овој случај, новите честички не се појавуваат, а веќе постоечките не исчезнуваат.
Кога телата се наелектризирани, закон за зачувување на електричен полнеж. Овој закон важи за систем во кој наелектризираните честички не влегуваат однадвор и од кој не излегуваат, т.е. изолиран систем.
Во изолиран систем, алгебарскиот збир на полнежите на сите тела е зачуван.
q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = конст. (14.1)
каде q 1, q 2 итн. се обвиненијата на поединечни наелектризирани тела.
Законот за зачувување на полнежот има длабоко значење. Ако бројот на наелектризираните елементарни честички не се промени, тогаш очигледно е исполнувањето на законот за зачувување на полнежот. Но, елементарните честички можат да се трансформираат една во друга, да се раѓаат и исчезнат, давајќи им живот на нови честички.
Меѓутоа, во сите случаи, наелектризираните честички се раѓаат само во парови со полнежи со иста големина и со спротивен знак; Наелектризираните честички исто така исчезнуваат само во парови, претворајќи се во неутрални. И во сите овие случаи, алгебарскиот збир на обвиненијата останува ист.
Валидноста на законот за зачувување на полнежот е потврдена со набљудувања на огромен број трансформации на елементарни честички. Овој закон изразува едно од најфундаменталните својства на електричниот полнеж. Причината за задржување на обвинението се уште не е позната.
Многупати сте налетале на зборовите „струја“, „електрично полнење“, „електрична струја“ и сте успеале да се навикнете на нив. Но, обидете се да одговорите на прашањето: „Што е електрично полнење? - и ќе видите дека не е така едноставно. Факт е дека концептот на полнење е основен, примарен концепт кој не може да се сведе на сегашното ниво на развој на нашето знаење на некои поедноставни, елементарни концепти.
Прво, да се обидеме да откриеме што се подразбира под изјавата: дадено тело или честичка има електричен полнеж.
Знаете дека сите тела се изградени од ситни честички, неделиви на поедноставни (колку што сега знае науката) честички, кои затоа се нарекуваат елементарни. Сите елементарни честички имаат маса и поради тоа се привлекуваат една кон друга според законот за универзална гравитација со сила која релативно бавно се намалува како што се зголемува растојанието меѓу нив, обратно пропорционално на квадратот на растојанието. Повеќето елементарни честички, иако не сите, исто така имаат способност да комуницираат едни со други со сила која исто така се намалува обратно пропорционално на квадратот на растојанието, но оваа сила е огромен број пати поголема од силата на гравитацијата. Значи. во атомот на водород, шематски прикажан на слика 91, електронот е привлечен кон јадрото (протон) со сила 101" пати поголема од силата на гравитациското привлекување.
Ако честичките меѓусебно комуницираат со сили кои полека се намалуваат со зголемување на растојанието и се многу пати поголеми од силите на гравитацијата, тогаш се вели дека овие честички имаат електричен полнеж. Самите честички се нарекуваат наелектризирани. Има честички без електричен полнеж, но нема електричен полнеж без честичка.
Интеракциите помеѓу наелектризираните честички се нарекуваат електромагнетни. Електричниот полнеж е физичка големина што го одредува интензитетот на електромагнетните интеракции, исто како што масата го одредува интензитетот на гравитационите интеракции.
Електричниот полнеж на елементарната честичка не е посебен „механизам“ во честичката што може да се отстрани од неа, да се распадне на нејзините составни делови и повторно да се состави. Присуството на електричен полнеж на електрон и други честички значи само постоење
одредени сили интеракции меѓу нив. Но, ние, во суштина, не знаеме ништо за полнење ако не ги знаеме законите на овие интеракции. Познавањето на законите на интеракциите треба да биде вклучено во нашите идеи за наплатата. Овие закони не се едноставни, невозможно е да се наведат со неколку зборови. Затоа е невозможно да се даде доволно задоволителна кратка дефиниција за тоа што е електричен полнеж.
Два знаци на електрични полнежи.Сите тела имаат маса и затоа се привлекуваат едни со други. Наполнетите тела можат и да се привлечат и да се одвратат едни со други. Овој најважен факт, кој ви е познат од курсот по физика VII, значи дека во природата постојат честички со електрични полнежи со спротивни знаци. Ако знаците за полнење се исти, честичките се одбиваат, а ако се со различни знаци, тие се привлекуваат.
Полнежот на елементарните честички - протони, кои се дел од сите атомски јадра, се нарекува позитивен, а полнежот на електроните се нарекува негативен. Не постојат суштински разлики помеѓу позитивните и негативните полнежи. Ако знаците на полнежите на честичките беа обратни, тогаш природата на електромагнетните интеракции воопшто не би се променила.
Основно полнење.Покрај електроните и протоните, постојат уште неколку видови наелектризирани елементарни честички. Но, само електроните и протоните можат да постојат во слободна состојба на неодредено време. Остатокот од наелектризираните честички живеат помалку од милионити дел од секундата. Тие се раѓаат за време на судири на брзи елементарни честички и, откако постоеле за незначително кратко време, се распаѓаат, претворајќи се во други честички. Ќе се запознаете со овие честички во класата X.
Неутроните се честички кои немаат електричен полнеж. Неговата маса е само малку поголема од масата на протонот. Неутроните, заедно со протоните, се дел од атомското јадро.
Ако елементарната честичка има полнеж, тогаш нејзината вредност, како што покажаа бројни експерименти, е строго дефинитивна (еден од таквите експерименти - експериментот на Миликан и Јофе - беше опишан во учебник за VII одделение)
Постои минимално полнење, наречено елементарно, кое го поседуваат сите наелектризирани елементарни честички. Обвиненијата на елементарните честички се разликуваат само по знаци. Невозможно е да се одвои дел од полнежот, на пример од електрон.
Електричниот полнеж е својство на честички и физички тела што ја карактеризира нивната интеракција со надворешните и внатрешните електромагнетни полиња. Електроните се наједноставните наелектризирани честички. Како што е познато од физиката во основно училиште, секое физичко тело се состои од молекули, а тие, пак, од атоми. Секој атом се состои од позитивно наелектризирано јадро и негативно наелектризирани електрони кои ротираат околу јадрото во орбитите, слично на ротацијата на планетите околу Сонцето.
Наполнетите предмети се привлекуваат од други наелектризирани честички или предмети. Од истата училишна физика се сеќаваме на наједноставните практични експерименти со електрични полнежи. На пример, ако земете балон и брзо го триете на скокач, а потоа истрошената страна ја ставите до ѕидот, балонот ќе се залепи за него. Ова се случи затоа што го наполнивме балонот, а меѓу него и ѕидот се појави електрична сила на привлекување. (Иако ѕидот првично бил ненаполнет, на него се наполнило кога балонот се приближил.)
Електрично наелектризираните тела и честички доаѓаат во два вида: негативни и позитивни. Како обвиненијата се привлекуваат меѓусебно, а како обвиненијата се одбиваат. Добра аналогија за ова се обичните магнети, кои се привлекуваат еден кон друг со спротивни полови и се одбиваат со слични столбови. Како што веќе рековме, електроните имаат негативен полнеж, а атомските јадра имаат позитивен полнеж (јадрото содржи позитивно наелектризирани протони, како и неутрони кои немаат електричен полнеж). Во нуклеарната физика се сметаат и честичките - позитрони, кои по својства се слични на електроните, но имаат позитивен полнеж. Иако позитронот е само физичка и математичка апстракција, позитроните не се пронајдени во природата.
Ако немаме позитрони, тогаш како можеме позитивно да наполниме предмет? Да претпоставиме дека има објект кој бил негативно наелектризиран бидејќи на неговата површина има 2000 слободни (односно, не поврзани со јадрата на специфични атоми) електрони.
Со оглед на уште еден сличен објект кој има само 1000 слободни електрони на својата површина, можеме да кажеме дека првиот објект е понегативно наелектризиран од вториот. Но, можеме да кажеме и дека вториот објект е позитивно наелектризиран од првиот. Едноставно, се работи за тоа што е математички прифатено како потекло и од која гледна точка се гледа на обвиненијата.
За да го наполниме нашиот балон, треба да направиме некоја работа и да трошиме енергија. Треба да го надминете триењето на балонот на волнениот скокач. За време на триењето, електроните се движат од една до друга површина. Следствено, еден објект (балонот) доби вишок на слободни електрони и стана негативно наелектризиран, додека волнениот скокач изгуби ист број на слободни електрони и стана позитивно наелектризиран.
Електрична енергија. Електромоторна сила. Работа на електрична струја
Затоа, балонот треба да се залепи на скокачот. Или не? Се разбира, ќе биде привлечен кон скокачот, бидејќи овие две тела имаат електрични полнежи со спротивни знаци. Но, што се случува кога ќе се допрат? Балонот нема да се залепи! Ова се случува затоа што позитивно наелектризираните влакна на скокачот ќе ги допрат негативно наелектризираните области на балонот, а слободните електрони од површината на балонот ќе бидат привлечени од скокачот и ќе се вратат во него, со што ќе се неутрализира полнежот.
Кога топката дојде во контакт со скокачот, меѓу нив се појави проток на слободни електрони, кој секогаш ги придружува електричните појави. Од овој момент, можете да престанете со апстрактни разговори за топки и скокачи и да одите директно на електротехниката.
Електронот е многу мала честичка (и дали е воопшто честичка, или куп енергија - физичарите сè уште не дошле до консензус за ова прашање) и има мал полнеж, па затоа е попогодна единица за мерење на електрична потребно е полнење од бројот на слободни електрони на површината на наелектризираното тело. Таква погодна единица за мерење на електричен полнеж е кулонот (C). Сега можеме да кажеме дека ако разликата во електричните полнежи помеѓу две тела е 1 кулом, тогаш приближно 6.180.000.000.000.000.000 електрони ќе бидат поместени за време на нивната интеракција. Се разбира, мерењето во приврзоци е многу поудобно!
Морган Џонс
Засилувачи на цевки
Превод од англиски јазик под општа научна редакција на д-р. Доц. Иванјушкина Р Ју.