Elektrilaengud, nende koostoime. Mis on tasu? Laengute liigid ja nende koostoime
1. Kui klaaspulka hõõruda siidile või paberile, omandab see võime meelitada ligi kergeid esemeid, näiteks paberitükke, juukseid jne. Sama efekti võib täheldada ka siis, kui karusnahale hõõrutud eboniitvarras tuuakse valgusobjektide juurde. Kehi, mis hõõrdumise tulemusena omandavad võime teisi kehasid ligi tõmmata, nimetatakse elektriseerituteks või laetud ning kehade omandamise nähtuseks. elektrilaeng nimetatakse elektrifitseerimiseks.
Kahele niidile kergeid fooliumikuulikesi riputades ja siidile hõõrutud klaaspulgaga katsudes on näha, et pallid tõrjuvad üksteist. Kui puudutate seejärel üht palli siidile hõõrutud klaaspulgaga ja teist karusnahale hõõrutud eboniidist vardaga, tõmbavad pallid üksteist ligi. See tähendab, et klaasist ja eboniidist vardad omandavad hõõrumisel erineva märgiga laenguid, s.t. Looduses on kahte tüüpi elektrilaenguid, millel on vastupidised märgid: positiivne ja negatiivne. Leppisime kokku oletama, et siidile hõõrutud klaaspulk omandab positiivse laengu ja karusnahale hõõrutud eboniidist varras negatiivse laengu.
Kirjeldatud kogemusest järeldub ka, et laetud kehad suhtlevad üksteisega. Seda interaktsiooni nimetatakse elektriline. Sel juhul tuleb kanda samanimelised tasud, s.o. sama märgi laengud tõrjuvad üksteist ja vastupidiste märkide laengud tõmbavad teineteist.
Sarnaselt laetud kehade tõrjumise nähtus põhineb elektroskoobi konstruktsioonil – seadmel, mis võimaldab määrata, kas antud keha on laetud (joonis 77), ja elektromeetril, seadmel, mis võimaldab hinnata keha väärtust. elektrilaeng (joonis 78).
Kui puudutate laetud kehaga elektroskoobi varda, hajuvad elektroskoobi lehed laiali, kuna omandavad sama märgi laengu. Sama juhtub elektromeetri nõelaga, kui puudutate selle varda laetud kehaga. Sel juhul, mida suurem on laeng, seda suurema nurga all kaldub nool vardast kõrvale.
2. Alates lihtsad katsed sellest järeldub, et laetud kehade vastasmõju jõud võib olenevalt omandatud laengu hulgast olla suurem või väiksem. Seega võime öelda, et elektrilaeng ühelt poolt iseloomustab keha võimet elektriliselt suhelda, teisalt aga suurus, mis määrab selle vastasmõju intensiivsuse.
Laengut tähistatakse tähega \(q \) , laengu ühikuks on ripats: \([q] \) = 1 C.
Kui puudutate ühte elektromeetrit laetud vardaga ja seejärel ühendate selle metallvardaga teise elektromeetriga, jagatakse esimese elektromeetri laeng kahe elektromeetri vahel. Seejärel saate ühendada elektromeetri veel mitme elektromeetriga ja laeng jaguneb nende vahel. Seega on elektrilaengul jaguvuse omadus. Laengu jaguvuse piir, s.o. Väikseim looduses eksisteeriv laeng on elektroni laeng. Elektroni laeng on negatiivne ja võrdne 1,6·10 -19 C. Iga muu laeng on elektroni laengu kordne.
3. Elektron on osake, mis on aatomi osa. Füüsika ajaloos on aatomi ehituse mudeleid olnud mitmeid. Ühe neist, mis võimaldab selgitada mitmeid eksperimentaalseid fakte, sealhulgas elektrifitseerimise fenomeni, pakkus välja E. Rutherford. Oma katsete põhjal järeldas ta, et aatomi keskmes on positiivselt laetud tuum, mille ümber liiguvad orbiitidel negatiivselt laetud elektronid. Neutraalses aatomis on tuuma positiivne laeng võrdne elektronide kogu negatiivse laenguga. Aatomi tuum koosneb positiivselt laetud prootonitest ja neutraalsetest osakestest, neutronitest. Prootoni laeng on absoluutväärtuselt võrdne elektroni laenguga. Kui neutraalselt aatomilt eemaldada üks või mitu elektroni, muutub see positiivselt laetud iooniks; Kui aatomile lisada elektronid, muutub see negatiivselt laetud iooniks.
Teadmised aatomi ehitusest võimaldavad seletada hõõrdumise teel elektriseerumise nähtust. Tuumaga lõdvalt seotud elektronid võivad ühest aatomist lahti murda ja teise külge kinnituda. See seletab, miks ühel kehal võib tekkida elektronide puudus ja teises kehas nende liig. Sel juhul saab esimene keha positiivselt laetud ja teine - negatiivselt.
4. Kui hõõruda laenguta klaas- ja eboniitplaate üksteise vastu ning seejärel sisestada need ükshaaval elektromeetri vardale asetatud õõnsasse kuuli, fikseerib elektromeeter laengu olemasolu nii klaas- kui ka eboniitplaadil. Sel juhul saab näidata, et plaatidel on vastupidiste märkide laeng. Kui mõlemad plaadid sisestatakse kuuli, jääb elektromeetri nõel nulli. Sarnase asja võib leida, kui hõõruda eboniitpulka karusnahale: karusnahk, nagu pulkgi, on laetud, kuid vastupidise märgi laenguga.
Hõõrdumise tulemusena liikusid elektronid klaasplaadilt eboniitplaadile ning klaasplaat osutus positiivselt laetuks (elektronide puudus), eboniitplaat negatiivselt (elektronide ülejääk). Seega toimub elektrifitseerimisel laengu ümberjaotumine; mõlemad kehad elektriseeritakse, omandades võrdse suurusega laenguid ja vastupidiseid märke.
Kus elektrilaengute algebraline summa enne ja pärast elektrifitseerimist jääb konstantseks: \(q_1+q_2+…+q_n=konst \) .
Kirjeldatud katses \(q_n \) on plaatide laengute algebraline summa enne ja pärast elektrifitseerimist võrdne nulliga.
Kirjalik võrdsus väljendab põhilist loodusseadust - elektrilaengu jäävuse seadus. Nagu igaüks füüsiline seadus, sellel on teatud rakenduspiirid: see kehtib suletud kehade süsteemi, s.o. teistest objektidest eraldatud kehade kogumi jaoks.
1. osa
1. Kui asetada isolaatorplaadile massiivne raskus ja ühendada see elektromeetriga ning seejärel mitu korda karusnahaga lüüa, omandab raskus negatiivse laengu ja elektromeetri nõel kaldub kõrvale. Sel juhul omandab karusnahatükk laengu
1) võrdne nulliga
2) positiivne, suuruselt võrdne raskuse laenguga
3) negatiivne, võrdne raskuse laenguga
4) positiivne, raskuse laengu mooduliga suurem
2. Kaks punktlaengut tõmbavad teineteist, kui laengud
1) märgilt identne ja absoluutväärtuses mis tahes
2) märgilt identne ja absoluutväärtuselt tingimata identne
3) märgilt erinev, kuid absoluutväärtuselt tingimata identne
4) märgilt erinev ja absoluutväärtuses ükskõik milline
3. Piltidel on kolm paari ühesuguseid kerge laenguga kuule, mis on riputatud siidniitidele. Ühe palli laeng on näidatud joonistel. Millistel juhtudel võib teise kuuli laeng olla negatiivne?
1) ainult A
2) A ja B
3) ainult B
4) A ja B
4. Üliõpilane, kes uuris eksperimendi käigus siidniidile riputatud metallkuuli ja isoleeralusel paikneva positiivse laenguga plastkuuli vastastikmõju, visandas oma märkmikusse vaadeldud nähtuse: kuuliga niit kaldus vertikaalist kõrvale. nurk \(\alpha \) . Joonise põhjal võib väita, et metallkuul
1) on positiivse laenguga
2) on negatiivse laenguga
3) ei võeta
4) kas pole laetud või on negatiivse laenguga
5. Negatiivselt laetud keha tõrjub niidile riputatud alumiiniumfooliumist kerget palli. Palli laeng:
A. positiivne
B. negatiivne
B. võrdne nulliga
Järgmised väited vastavad tõele:
1) ainult B
2) B ja C
3) A ja B
4) ainult B
6. Metallist kuul 1, mis on paigaldatud pikale isoleerivale käepidemele ja millel on laeng \(+q\) , viiakse vaheldumisi kontakti kahe sarnaselt isoleeritud laenguta kuuliga 2 ja 3, mis asuvad isoleerivatel alustel.
Millise laengu pall 2 selle tulemusel omandab?
1) 0
2) \(\frac(q)(4) \)
3) \(\frac(q)(3)\)
4) \(\frac(q)(2)\)
7. Tilk, mille laeng \(+e \) on eraldatud tilgast, millel on elektrilaeng \(-2e \) . Kui suur on tilga ülejäänud osa elektrilaeng?
1) \(-e\)
2) \(-3e\)
3) \(+e\)
4) \(+3e\)
8. Metallplaat, millel oli negatiivne laeng \(-10e\), kaotas valgustamisel neli elektroni. Mis laeng taldrikul oli?
1) \(+6e\)
2) \(+14e\)
3) \(-6e\)
4)\(-14e\)
9. Veetilgale, millel oli elektrilaeng \(+5e\), liitus kiil laenguga \(-6e\) . Kui suur on kombineeritud languse tasu?
1) \(+e\)
2) \(-e\)
3) \(+11e\)
4) \(-11e\)
10. Joonisel on kujutatud punktlaenguga kehasid. Kehal A ja B on sama negatiivne laeng ja kehal B on võrdne positiivne laeng. Kui suur ja suund on laengule B mõjuva resultantjõu suurus ja suund laengutelt A ja B?
1) \(F=F_A+A_B \) ; suund 2
2) \(F=F_A-A_B\) ; suund 2
3) \(F=F_A+A_B\) ; suund 1
4) \(F=F_A-A_B\) ; suund 1
11. Valige allolevast väidete loendist kaks õiget väidet ja kirjutage nende numbrid tabelisse.
1) Mida suurem on nendevaheline kaugus, seda suurem on elektrilaengute vastastikmõju jõud.
2) Kahe keha hõõrdumisel elektrifitseerimisel on nende kogulaeng null.
3) Elektrilaengute vastastikmõju jõud on seda suurem, mida suuremad on laengud.
4) Kui kaks laetud keha on ühendatud, on nende kogulaeng väiksem kui nende laengute algebraline summa enne ühendamist.
5) Kui eboniitpulk hõõrub vastu karva, omandab laengu ainult eboniitpulk.
12. Vastu siidi hõõrudes omandas klaasist joonlaud positiivse laengu. Kuidas muutus laetud osakeste arv joonlaual ja siidil eeldusel, et hõõrdumise ajal aatomite vahetust ei toimunud? Looge vastavus füüsikaliste suuruste ja nende vahel võimalikud muudatused kus. Kirjutage valitud numbrid tabelisse vastavate tähtede alla. Vastuses olevad numbrid võivad korduda.
FÜÜSIKALINE KOGUS
A) prootonite arv siidil
B) prootonite arv klaasjoonlaual
B) elektronide arv siidil
MUUTUSE OLEMUS
1) suurenenud
2) vähenenud
3) ei ole muutunud
Vastused
Looduses esinev füüsikalised protsessid ei ole alati seletatavad molekulaarkineetilise teooria, mehaanika või termodünaamika seadustega. On ka elektromagnetilisi jõude, mis toimivad eemal ja ei sõltu keha massist.
Nende ilminguid kirjeldati esmakordselt Vana-Kreeka teadlaste töödes, kui nad tõmbasid villale hõõrutud merevaiguga kergeid, üksikute ainete väikeseid osakesi.
Teadlaste ajalooline panus elektrodünaamika arengusse
Merevaiguga tehtud katseid uuris üksikasjalikult üks inglise teadlane William Gilbert. IN Viimastel aastatel 16. sajandil koostas ta oma töö kohta aruande ja tähistas terminiga "elektrifitseeritud" objekte, mis suudavad eemalt meelitada teisi kehasid.
Prantsuse füüsik Charles Dufay tegi kindlaks laengute olemasolu vastupidised märgid: ühed tekkisid klaasesemete hõõrumisel siidkangale, teised aga vaikude villale hõõrumisel. Nii ta neid nimetas: klaas ja vaik. Pärast uuringu lõpetamist Benjamin Franklin Tutvustati negatiivsete ja positiivsete laengute mõistega.
Charles Coulomb mõistis võimalust mõõta laengute jõudu oma väljamõeldud torsioonkaalude konstruktsiooniga.
Robert Millikan tegi mitmete katsete põhjal kindlaks mis tahes aine elektrilaengute diskreetsuse, tõestades, et need koosnevad teatud arvust elementaarosakestest. (Mitte segi ajada selle mõiste teise mõistega – killustatus, katkestus.)
Nende teadlaste tööd olid aluseks kaasaegsetele teadmistele elektri- ja elektrienergias toimuvate protsesside ja nähtuste kohta magnetväljad, mis on loodud elektrilaengute ja nende liikumise tõttu, mida uurib elektrodünaamika.
Laengute määratlus ja nende koostoime põhimõtted
Elektrilaeng iseloomustab ainete omadusi, mis annavad neile võime tekitada elektrivälju ja interakteeruda elektromagnetilistes protsessides. Seda nimetatakse ka elektrienergia koguseks ja see on defineeritud kui füüsiline skalaarsuurus. Laengu tähistamiseks kasutatakse sümboleid "q" või "Q" ja mõõtmisel kasutatakse "Coulomb" ühikut, mis on nime saanud ainulaadse tehnika välja töötanud prantsuse teadlase järgi.
Ta lõi seadme, mille kehas kasutati õhukesel kvartsiliidil riputatud kuule. Need olid teatud viisil ruumis orienteeritud ja nende asukoht registreeriti võrdsete jaotustega astmelise skaala suhtes.
Läbi kaanes oleva spetsiaalse augu toodi nende pallide juurde veel üks lisalaenguga pall. Tekkivad vastasmõjujõud panid kuulid kõrvale kalduma ja oma nookurvart pöörama. Skaala näitude erinevuse suurus enne ja pärast laengu kasutuselevõttu võimaldas hinnata elektri kogust katseproovides.
1 kuloni laengut iseloomustab SI-süsteemis 1 amprine vool, mis läbib juhi ristlõike ajaga, mis on võrdne 1 sekundiga.
Kaasaegne elektrodünaamika jagab kõik elektrilaengud järgmisteks osadeks:
positiivne;
negatiivne.
Omavahel suheldes tekivad neil jõud, mille suund sõltub olemasolevast polaarsusest.
Sama tüüpi, positiivsed või negatiivsed laengud tõrjuvad alati vastassuundades, püüdes liikuda üksteisest võimalikult kaugele. Ja vastandmärkide laengutel on jõud, mis kipuvad neid üksteisele lähemale tooma ja üheks tervikuks ühendama.
Superpositsiooni põhimõte
Kui teatud mahus on mitu laengut, kehtib nende suhtes superpositsiooni põhimõte.
Selle tähendus seisneb selles, et iga laeng teatud viisil, vastavalt ülalkirjeldatud meetodile, interakteerub kõigi teistega, olles meelitatud erinevat tüüpi laengute poole ja tõrjudes sama tüüpi laenguid. Näiteks positiivset laengut q1 mõjutab tõmbejõud F31 negatiivsele laengule q3 ja tõukejõud F21 q2-st.
Tekkiv q1-le mõjuv jõud F1 määratakse vektorite F31 ja F21 geomeetrilise liitmise teel. (F1 = F31+ F21).
Sama meetodit kasutatakse laengutel q2 ja q3 tekkivate jõudude F2 ja F3 määramiseks.
Superpositsiooni põhimõtet kasutades jõuti järeldusele, et suletud süsteemis teatud arvu laengute korral toimivad selle kõigi kehade vahel püsivad elektrostaatilised jõud ja potentsiaal selles ruumis mis tahes konkreetses punktis on võrdne kõigist laengutest pärinevate potentsiaalide summaga. individuaalselt kohaldatavad tasud.
Nende seaduste mõju kinnitavad loodud seadmed elektroskoop ja elektromeeter, millel on üldpõhimõte tööd.
Elektroskoop koosneb kahest identsest õhukesest fooliumist labast, mis on riputatud isoleeritud ruumis metallkuuli külge kinnitatud juhtiva niidiga. Tavalises olekus laengud sellele kuulile ei mõju, nii et kroonlehed ripuvad vabalt seadme pirni sees olevasse ruumi.
Kuidas saab laengut kehade vahel üle kanda?
Kui tuua elektroskoobi kuuli külge laetud keha, näiteks pulk, siis laeng läbib kuuli mööda juhtivat niiti kroonlehtedeni. Nad saavad sama laengu ja hakkavad üksteisest eemalduma nurga võrra, mis on võrdeline rakendatud elektrihulgaga.
Elektromeetril on sama põhiseade, kuid sellel on väikesed erinevused: üks kroonleht on fikseeritud paigal ja teine ulatub sellest välja ning on varustatud noolega, mis võimaldab teil mõõta gradueeritud skaalat.
Laengu ülekandmiseks kaug-, statsionaarselt ja laetud kehalt elektromeetrile saate kasutada vahekandjaid.
Elektromeetriga tehtud mõõtmised ei oma kõrget täpsusklassi ja nende alusel on raske analüüsida laengute vahel mõjuvaid jõude. Nende uurimiseks sobivad paremini Coulombi torsioonkaalud. Nad kasutavad palle, mille läbimõõt on oluliselt väiksem kui nende kaugus üksteisest. Neil on punktlaengute omadused – laetud kehad, mille mõõtmed ei mõjuta seadme täpsust.
Coulombi tehtud mõõtmised kinnitasid tema oletust, et punktlaeng kandub laetud kehalt samade omaduste ja massiga, kuid laenguta kehale üle nii, et see jaguneb nende vahel ühtlaselt, vähenedes 2 korda. allikas. Nii oli võimalik tasu suurust kaks, kolm või muul viisil vähendada.
Statsionaarsete elektrilaengute vahel eksisteerivaid jõude nimetatakse Coulombiks või staatiliseks interaktsiooniks. Neid uurib elektrostaatika, mis on üks elektrodünaamika harudest.
Elektrilaengukandjate tüübid
Tänapäeva teadus peab väikseimaks negatiivselt laetud osakeseks elektroni ja positroni väikseimaks positiivselt laetud osakeseks. Nende mass on sama 9,1·10-31 kg. Elementaarosakese prootonil on ainult üks positiivne laeng ja mass on 1,7·10-27 kg. Looduses on positiivsete ja negatiivsete laengute arv tasakaalus.
Metallides tekitab elektronide liikumine ja pooljuhtides on selle laengute kandjateks elektronid ja augud.
Gaasides tekib vool ioonide – positiivse laenguga laetud mitteelementaarosakeste (aatomite või molekulide) liikumisel, mida nimetatakse katioonideks või negatiivseteks laenguteks – anioonideks.
Ioonid moodustuvad neutraalsetest osakestest.
Positiivse laengu tekitab osake, mis on kaotanud elektroni võimsa mõjul elektrilahendus, valguse või radioaktiivse kiirguse, tuulevoolu, veemasside liikumise või mitmete muude põhjuste tõttu.
Negatiivsed ioonid tekivad neutraalsetest osakestest, mis on lisaks saanud elektroni.
Ionisatsiooni kasutamine meditsiinilistel eesmärkidel ja igapäevaelu
Teadlased on juba ammu märganud negatiivsete ioonide võimet mõjutada inimkeha, parandada õhuhapniku tarbimist, toimetada seda kiiremini kudedesse ja rakkudesse ning kiirendada serotoniini oksüdatsiooni. Kõik see kokku parandab oluliselt immuunsust, parandab meeleolu ja leevendab valu.
Esimene ionisaator, mida inimeste raviks kasutati, nimetati Chizhevsky lühtrid, Nõukogude teadlase auks, kes lõi seadme, millel on inimeste tervisele kasulik mõju.
Kaasaegsetest koduelektriseadmetest leiate sisseehitatud ionisaatorid tolmuimejates, õhuniisutites, föönides, kuivatites...
Spetsiaalsed õhuionisaatorid puhastavad õhku ning vähendavad tolmu ja kahjulike lisandite hulka.
Vee ionisaatorid võivad vähendada keemiliste reaktiivide hulka selle koostises. Neid kasutatakse basseinide ja tiikide puhastamiseks, küllastades vett vase või hõbeda ioonidega, mis vähendavad vetikate kasvu ning hävitavad viiruseid ja baktereid.
8.1. Kahte tüüpi elektrilaenguid
Kui mõnel osakesel (või kehal) on võime osaleda elektrilistes interaktsioonides, on mõttekas omistada neile mõni omadus, mis seda omadust näitab. Seda omadust nimetatakse elektrilaeng. Elektrilistes vastasmõjudes osalevaid kehasid nimetatakse laetud. Seega on mõiste "elektriliselt laetud" sünonüüm väljendiga "osaleb elektrilistes interaktsioonides". Miks mõned elementaarosakesed neil on elektrilaeng, teistel aga mitte - keegi ei tea!
Eksperimentaalsetel andmetel põhinev edasine arutluskäik on mõeldud selle tunnuse täpsustamiseks ja võimaluse korral kvantitatiivseks muutmiseks.
Elektrinähtuste uurimise ajalugu on pikk ja täis draamat,...
Järgmisena kirjeldame mitmeid lihtsaid katseid, mida saab teha kodus “köögis” või koolilaboris. Nende selgitamisel kasutame teadmisi, mida paljud teadlased on saanud mitmesaja aasta jooksul arvukate ja mitmekülgsete katsete tulemusena.
Nüüd esitame väga lihtsustatud kujul mõned eksperimentaalse uurimistöö etapid, mille järeldused olid aluseks kaasaegne teooria elektrilised vastasmõjud.
Eksperimentide läbiviimiseks peaksite kõigepealt õppima laetud kehade hankimist. Lihtsaim meetod selle eesmärgi saavutamine - elektrifitseerimine hõõrdumise teel. Näiteks klaas elektriseerub hästi (st omandab elektrilaengu), kui seda siidiga hõõruda. Elektrilaengu ilmumine väljendub selles, et selline pulk hakkab ligi tõmbama paberitükke, karvu, tolmuosakesi jne.
Samuti saab kindlaks teha, et paljud teised ained elektristuvad ka hõõrdumise kaudu. Tulemust ette teades valime teiseks elektri “allikaks” villaga hõõrutud eboniitpulga. Nimetagem klaasil tekkivat elektrilaengut “klaasiks” ja eboniidi laengut “vaiguks”.
Järgmiseks vajame "seadet", mis reageeriks elektrilaengu olemasolule. Selleks riputa niidile fooliumitükist keeratud hele klaas. Lihtne on kontrollida, et see tass ei oleks laetud - ükskõik kui palju me sinna pliiatsit, kätt, füüsikaõpikut vms kaasa tooksime, ei teki tassile mingit efekti.
Toome laetud klaasist elektripulga laadimata klaasi juurde (joon. 141). Klaas tõmbab teda nagu teisedki väikesed kehad. Keerme läbipaindenurga põhjal (teadaoleva topsi massi ja keerme pikkusega) saab arvutada isegi tõmbejõu. Kui klaas laetud pulgaga kokku ei puutu, jääb see laadimata, mida on lihtne katseliselt kontrollida. Kui klaas puudutab laetud pulka, tõukab see sellest järsult eemale. Kui nüüd pulk eemaldada, laetakse klaas, mida saab kontrollida, tuues sinna juurde veel ühe laadimata keha. Näiteks tõmbab seda üles tõstetud käsi.
Sarnased tulemused saadakse, kui asendada siidile hõõrutud klaaspulk villale hõõrutud eboniidist vardaga.
Seega nendes katsetes ei ilmne erinevus "klaasi" ja "vaigu" elektri vahel.
Praegu me ei arutle, miks laadimata klaas tõmbab laetud pulga külge ja laetud klaas tõmbab laadimata käe poole. Ainus järeldus, mida saame katsest teha, on see, et kontakti tulemusena omandas tass elektrilaengu. Seetõttu elektrilaeng saab edastadaühest kehast teise.
Võtame kaks ühesugust fooliumtopsi ja riputame need kõrvuti sama pikkusega niitide külge. Kui tassid on võrdselt laetud (kas klaasi või eboniitpulga abil), siis tassid tõrjuvad üksteist (joon. 142). Kui tassid on laetud erinevate laengutega, siis nad tõmbavad.
Seega tõestame, et on vähemalt kahte tüüpi elektrilaenguid.
Edasiste katsete jaoks asendame “mõõtetopsid” täiustatud seadmega, mida nimetatakse elektromeetriks (joonis 143). Instrument koosneb metallvardast ja kergmetallist nõelast, mida saab ümber pöörata horisontaaltelg. See seade on paigutatud klaaskatetega kaetud metallkorpusesse. Nõela paindenurka saab mõõta skaala abil. Noolevarras kinnitatakse korpusesse pleksiklaasist hülsi abil. Noolega varras mängib sama rolli kui eelmiste katsete fooliumtopsid - kui laetud keha puudutab varda, voolab laeng vardale ja noolele, mis viib selle kõrvalekaldumiseni. Pealegi ei sõltu noole läbipainde suund teatatud laengu tüübist.
Edasisteks katseteks kasutame kahte identset elektroskoopi. Laadime ühte neist näiteks klaaspulka kasutades. Järgmisena hakkame elektromeetri vardaid ühendama erinevate materjalide abil. Varraste ühendamisel puidust, laadimata klaasist, eboniidist, plastist pulgad; tekstiilniidid, muudatusi ei toimu - üks elektromeeter jääb laetuks, teine laadimata. Kui ühendate vardad metalltraadiga, laetakse mõlemad elektromeetrid. Veelgi enam, algselt laetud elektromeetri nõela läbipaine väheneb (joonis 144).
Selle katse tulemustest saab teha kaks olulist järeldust: esiteks, mõned materjalid (metallid) suudavad elektrilaengut edasi anda, teised (klaas, plast, puit) mitte; teiseks, laeng võib muutuda, olla rohkem või vähem. Samu katseid saab korrata teist tüüpi ("vaigu") elektriga. Tulemused on samad - materjalid, mis juhivad "klaasist" elektrit, juhivad ka "vaigust" elektrit. Kui “klaasi” laeng jaotatakse ümber elektromeetrite vahel, siis käitub ka “vaigulaeng”.
Seega saame materjalid jagada kahte rühma - need, mis edastavad elektrilaengut (neid materjale nimetatakse dirigendid) ja need, mis ei edasta elektrilaengut (neid kutsuti isolaatorid). Muide, elektromeetri varras eraldatakse korpusest isolaatorpuksi abil nii, et elektrilaeng ei “laiali” üle keha, vaid jääb vardale ja osutile.
Elektromeetri nõela erinevad kõrvalekalded näitavad selgelt, et laetud kehade vastasmõju jõud võib olla erinev ja seetõttu võib laengute suurus olla erinev. Järelikult saab laengut iseloomustada teatud arvväärtusega (ja mitte nii, nagu me varem ütlesime - "kas see on või mitte").
Huvitav tulemus on ka see, et kui laetud elektromeetri varda käega puudutada, siis elektromeeter tühjeneb – laeng kaob. Isegi nende kvalitatiivsete vaatluste põhjal on võimalik selgitada, kuhu käega puudutamisel laeng kaob. Inimkeha on juht, seega võib laeng inimkehasse voolata.
Selle idee kinnitamiseks laengu kvantitatiivse olemuse kohta saab läbi viia järgmise katse. Laadime ühe elektromeetri ja paneme tähele nõela paindenurka. Ühendame selle teise elektromeetriga - nõela läbipaindenurk väheneb märgatavalt. Eemaldame seadmete ja käe kontakti, tühjendame teise elektromeetri, misjärel ühendame uuesti elektromeetrid - nõela kõrvalekalle väheneb uuesti. Seega saab elektrilaengu jagada osadeks. Võite läbi viia ka vastupidise katse - lisades elektromeetrile järk-järgult laengu.
"Segame" nüüd kaks saadaolevat elektritüüpi. Selleks laadime ühe elektromeetri “klaasi” ja teise “vaigu” elektriga, püüdes tagada, et mõlema elektromeetri nõelte esialgsed kõrvalekalded oleksid ligikaudu ühesugused. Pärast seda ühendame elektromeetri vardad metalltraadiga (isoleeriva käepideme külge, et laengud välja ei pääseks). Selle katse tulemus võib olla üllatav - mõlemad elektroskoobid tühjenesid või "klaasi" ja "vaigu" elekter neutraliseeriti ja kompenseeriti üksteist (joonis 145). Seetõttu osutub võimalikuks omistada erinevat tüüpi laengu erinevaid algebralisi märke – nimeta üht laengut positiivseks, teist negatiivseks. On mõistlik eeldada, et interaktsiooni tugevus sõltub netolaengust. Kui elektromeetrid olid algselt laetud erinevat tüüpi elektriga, kuid erineval määral(noolte kõrvalekalded on erinevad) ja seejärel ühendage need, siis toimub laengute osaline kompenseerimine - nooled kalduvad kõrvale, kuid palju vähemal määral.
Ajalooliselt nimetati "klaasi" laengut positiivseks ja "vaigu" laengut muutus negatiivseks.
Meie poolt kirjeldatud seade, elektromeeter, võimaldab vaid kvalitatiivselt hinnata laengute suurust, sellega on võimatu kvantitatiivseid mõõtmisi teha. Proovige näiteks tuua oma käsi laetud elektromeetri juurde (varrast puudutamata) - nõela läbipaine suureneb! Tooge laetud pulk laadimata varda juurde, ilma varda puudutamata – nool kaldub kõrvale, kuigi elektromeeter ei ole laetud. Nende faktide selgitamise juurde tuleme hiljem tagasi.
ajal see õppetund jätkame tutvumist elektrodünaamika "sammastega" - elektrilaengutega. Uurime elektrifitseerimise protsessi, kaalume, mis põhimõttel see protsess põhineb. Räägime kahest laengutüübist ja sõnastame nende laengute jäävuse seaduse.
Viimases õppetükis mainisime juba varaseid elektrostaatika katseid. Kõik need põhinesid ühe aine hõõrumisel teise vastu ja nende kehade edasisel koostoimel väikeste objektidega (tolmukilbid, paberitükid...). Kõik need katsed põhinevad elektrifitseerimisprotsessil.
Definitsioon.Elektrifitseerimine– elektrilaengute eraldamine. See tähendab, et elektronid liiguvad ühest kehast teise (joon. 1).
Riis. 1. Elektrilaengute eraldamine
Kuni kahe põhimõtteliselt erineva laengu ja elektroni elementaarlaengu teooria avastamiseni arvati, et laeng on mingi nähtamatu ülikerge vedelik ja kui see on kehal, siis on kehal laeng ja vastupidi.
Esimesed tõsised katsed erinevate kehade elektrifitseerimisel, nagu juba eelmises õppetükis mainitud, viis läbi inglise teadlane ja arst William Gilbert (1544-1603), kuid tal ei õnnestunud metallkehi elektrifitseerida ning ta leidis, et metallide elektrifitseerimine oli võimatu. See osutus aga valeks, mida hiljem tõestas vene teadlane Petrov. Järgmine on aga rohkem oluline samm elektrodünaamika uurimisel (nimelt erinevate laengute avastamisel) tegi prantsuse teadlane Charles Dufay (1698-1739). Oma katsete tulemusena tuvastas ta, nagu ta neid nimetas, klaasi (klaasi hõõrdumine siidil) ja vaigu (merevaik karusnahal) laengu olemasolu.
Mõne aja pärast formuleeriti järgmised seadused (joonis 2):
1) sarnased laengud tõrjuvad üksteist;
2) erinevalt laengud tõmbavad üksteist.
Riis. 2. Laengute koostoime
Positiivsete (+) ja negatiivsete (–) laengute tähistused võttis kasutusele Ameerika teadlane Benjamin Franklin (1706-1790).
Kokkuleppel on tavaks nimetada positiivseks paberi või siidiga hõõrudes tekkivat laengut (joonis 3) klaaspulgal, karusnahaga hõõrudes aga negatiivset laengut eboniidil või merevaigust vardal (joon. 4).
Riis. 3. Positiivne laeng
Riis. 4. Negatiivne laeng
Thomsoni elektroni avastamine tegi lõpuks teadlastele selgeks, et elektrifitseerimisel ei satu kehasse elektrilist vedelikku ega laeku väljastpoolt. Toimub elektronide kui negatiivse laengu väikseimate kandjate ümberjaotumine. Piirkonnas, kuhu nad saabuvad, on nende arv suurem kui positiivsete prootonite arv. Seega ilmub kompenseerimata negatiivne laeng. Vastupidiselt tundub, et piirkonnas, kust nad lahkuvad, puuduvad negatiivsed laengud, mis on vajalikud positiivsete kompenseerimiseks. Seega saab piirkond positiivselt laetud.
See tuvastati mitte ainult kahe inimese olemasolu erinevad tüübid laenguid, vaid ka nende vastastikuse mõju kahte erinevat põhimõtet: kahe sarnase laenguga (sama märgiga) laetud keha vastastikune tõrjumine ja vastavalt sellele ka vastupidiselt laetud kehade külgetõmbejõud.
Elektrifitseerimist saab teha mitmel viisil:
- hõõrdumine;
- puudutusega;
- löök;
- juhendamine (mõjutamise kaudu);
- kiiritamine;
- keemiline koostoime.
Elektrifitseerimine hõõrdumise teel ja elektrifitseerimine kontakti teel
Kui klaaspulka hõõruda vastu paberit, saab varras positiivse laengu. Metallist alusega kokkupuutel kannab pulk paberisambale positiivse laengu ja selle kroonlehed tõrjuvad üksteist (joon. 5). See katse viitab sellele, et sarnased laengud tõrjuvad üksteist.
Riis. 5. Elektrifitseeriv puudutus
Karusnahaga hõõrdumise tagajärjel omandab eboniit negatiivse laengu. Viies selle pulga paberisamba juurde, näeme, kuidas kroonlehed selle külge tõmbavad (vt joonis 6).
Riis. 6. Erinevate laengute külgetõmbejõud
Elektrifitseerimine mõju kaudu (juhendamine)
Asetame joonlaua statiivile koos ploomiga. Pärast klaasvarda elektrifitseerimist viige see joonlauale lähemale. Joonlaua ja aluse vaheline hõõrdumine on väike, nii et saate jälgida laetud keha (pulga) ja laenguta keha (joonlaud) vastasmõju.
Iga katse ajal laengud eraldati, uusi laenguid ei tekkinud (joonis 7).
Riis. 7. Tasude ümberjagamine
Seega, kui oleme edastanud kehale elektrilaengu mõne ülaltoodud meetodi abil, peame loomulikult selle laengu suurust kuidagi hindama. Selleks kasutatakse elektromeetri seadet, mille leiutas vene teadlane M.V. Lomonossov (joon. 8).
Riis. 8. M.V. Lomonosov (1711-1765)
Elektromeeter (joonis 9) koosneb ümmargusest purgist, metallvardast ja valgusvardast, mis suudab pöörata ümber horisontaaltelje.
Riis. 9. Elektromeeter
Andes elektromeetrile laengu, laeme igal juhul (nii positiivsete kui negatiivsete laengute puhul) nii varda kui noole samade laengutega, mille tulemusena nool kaldub kõrvale. Laengu hindamiseks kasutatakse läbipaindenurka (joonis 10).
Riis. 10. Elektromeeter. Läbipainde nurk
Kui võtate elektrifitseeritud klaaspulga ja puudutate seda elektromeetriga, kaldub nõel kõrvale. See näitab, et elektromeetrile on antud elektrilaeng. Sama katse ajal eboniitpulgaga see laeng kompenseeritakse (joon. 11).
Riis. 11. Elektromeetri laengu kompenseerimine
Kuna juba on viidatud, et laengu teket ei toimu, vaid toimub ainult ümberjaotumine, on mõttekas sõnastada laengu jäävuse seadus:
Suletud süsteemis jääb elektrilaengute algebraline summa konstantseks(joonis 12). Suletud süsteem on kehade süsteem, millest laengud ei välju ja kuhu laetud kehad või laetud osakesed ei sisene.
Riis. 13. Laengu jäävuse seadus
See seadus meenutab massi jäävuse seadust, kuna laengud eksisteerivad ainult koos osakestega. Väga sageli nimetatakse tasusid analoogia põhjal elektri kogus.
Laengute jäävuse seadust pole lõpuni selgitatud, kuna laengud tekivad ja kaovad ainult paarikaupa. Ehk kui laengud sünnivad, siis korraga ainult positiivsed ja negatiivsed ning suuruselt võrdsed.
Järgmises tunnis vaatleme lähemalt elektrodünaamika kvantitatiivseid hinnanguid.
Bibliograafia
- Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Füüsika (algtase) - M.: Mnemosyne, 2012.
- Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Füüsika 10. klass. - M.: Ilexa, 2005.
- Kasjanov V.A. Füüsika 10. klass. - M.: Bustard, 2010.
- Interneti-portaal "youtube.com" ()
- Interneti-portaal “abcport.ru” ()
- Interneti-portaal "planeta.edu.tomsk.ru" ()
Kodutöö
- Lehekülg 356: nr 1-5. Kasjanov V.A. Füüsika 10. klass. - M.: Bustar. 2010. aasta.
- Miks elektroskoobi nõel kaldub kõrvale, kui seda puudutab laetud keha?
- Üks pall on positiivselt laetud, teine on negatiivselt laetud. Kuidas muutub pallide mass nende kokkupuutel?
- *Too laetud metallvarras laetud elektroskoobi kuuli külge seda puudutamata. Kuidas muutub nõela läbipaine?
1. Elementaarne elektrilaeng; kahte tüüpi elektrilaenguid; elektrilaengu jäävuse seadus; Coulombi seadus; elektriväli: elektrivälja tugevus; elektrivälja tugevusjooned; elektriväljade superpositsiooni põhimõte.
Aatomite ja molekulide vastastikmõju seadusi saab mõista ja selgitada aatomi ehitust puudutavate teadmiste põhjal, kasutades selle struktuuri planetaarset mudelit. Aatomi keskmes on positiivselt laetud tuum, mille ümber teatud orbiitidel pöörlevad negatiivselt laetud osakesed. Laetud osakeste vahelist vastasmõju nimetatakse elektromagnetiliseks. Elektromagnetilise interaktsiooni intensiivsuse määrab füüsikaline suurus - elektrilaeng, mis on tähistatud q-ga.
Elektrilaengu ühik on kulon (C).
1 ripats- see on elektrilaeng, mis läbides juhi ristlõike 1 sekundiga, tekitab selles voolu 1 A.
Elektrilaengute võime nii vastastikku meelitada kui ka tõrjuda on seletatav kahte tüüpi laengute olemasoluga. Ühte tüüpi laenguid nimetatakse positiivseks, elementaarse positiivse laengu kandjaks on prooton. Teist tüüpi laengut nimetatakse negatiivseks, selle kandjaks on elektron. Elementaarlaeng on Nagu laengud tõrjuvad ja erinevalt laengud tõmbavad
Osakeste laeng on alati esindatud arvuga, mis on elementaarlaengu kordne.
Elektrilaengu jäävuse seadus
:
Suletud süsteemi kogulaeng (mis ei sisalda välislaenguid), s.o kõigi kehade laengute algebraline summa, jääb konstantseks: q 1 + q 2 + ... + q n = konst.
Elektrilaeng ei teki ega hävi, vaid ainult kandub ühest kehast teise.
Elektrifitseerimine- see on sõnum elektrilaengu kehale. Elektrifitseerimine võib toimuda näiteks erinevate ainete kokkupuutel (hõõrdumisel) ja kiiritamise ajal. Kui kehas toimub elektrifitseerimine, tekib elektronide liig või puudus.
Kui elektrone on üle, omandab keha negatiivse laengu, puudujäägi korral aga positiivse laengu.
Coulombi seadus: kahe punktilise statsionaarse elektrilaengu vastastikmõju jõu moodul vaakumis on võrdeline nende laengute suuruste korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga. r on nendevaheline kaugus, k on proportsionaalsuskoefitsient, olenevalt ühikusüsteemi valikust SI-s
Suurust, mis näitab, mitu korda on laengute vastastikmõju vaakumis suurem kui keskkonnas, nimetatakse keskkonna dielektriliseks konstandiks ε. Dielektrilise konstandiga e kandja jaoks on Coulombi seadus kirjutatud järgmiselt:
SI-s kirjutatakse koefitsient k tavaliselt järgmiselt:
- elektriline konstant, arvuliselt võrdne
2. Päikesesüsteem. Tähed ja nende energiaallikad. Kaasaegsed esindused Päikese ja tähtede tekke ja arengu kohta.
1.Päike -lõõmav tulekera, on see kas äärmiselt aktiivne või suhteliselt rahulik. Päikese pinnatemperatuur on umbes 6000 kraadi: sellel temperatuuril muutuvad kõik meile teadaolevad ained auruks. Päikese keskpunktis on temperatuur palju kõrgem: umbes 15 miljonit kraadi.
Päikese spektrist on leitud üle kuuekümne keemilise elemendi. Eeldatakse, et Päikese väliskihtidel on sama keemiline koostis kui selle tekke ajal: umbes 71% vesinikku, 27% heeliumi ja 2% muid elemente.
Päike jaguneb tavapäraselt neljaks piirkonnaks:
- tuum,
- särav tsoon,
- konvektsiooni tsoon
- õhkkond.
Päikese tuumaks on tuumaelektrijaam, kus päikeseenergia tekivad reaktsioonides tuumasünteesi. Päikese energia allikaks on termotuumasünteesi reaktsioonid. Päikese sügavustes muutuvad vesiniku tuumad heeliumi tuumadeks: kolme järjestikuse reaktsiooni ahela tulemusena muudetakse neli vesiniku tuuma üheks heeliumi tuumaks. Kiirgusvöönd on tsoon, kus üksikud kvantid rändavad sadu tuhandeid aastaid, kuni jõuavad fotosfääri. Konvektsioonitsoonis suunavad ringlevad gaasivood soojust kuumast sisemusest väljapoole. Atmosfäär jaguneb tinglikult fotosfääriks, kromosfääriks ja päikesekorooniks.
Maapealsed planeedidNeli Päikesele kõige lähemal asuvat planeeti on nimetatud: Merkuur, Veenus, Maa ja Marss.
Neid planeete iseloomustavad suhteliselt väikesed suurused ja massid ning üsna kõrge keskmine tihedus. Ühisvara Ka maapealseid planeete võib satelliitide poolest väga vaeseks pidada.
Merkuur (Päikesele lähim planeet). Merkuur sai oma nime Vana-Rooma käskjala jumala auks. See tiirleb ümber Päikese kiiremini kui kõik planeedid kiirusega 47,9 km/s. Merkuur sarnaneb Kuule oma paljude kraatrite, mägede ja meredega. Temperatuur Merkuuri ekvaatoril kõigub 700 K keskpäeval kuni 90 K keskööl.
Merkuuril on atmosfääri jälgi: tuvastatud on heeliumi, argooni, hapnikku, süsinikku ja ksenooni, kuid atmosfääri pole.
Veenus (Päikesest teine)sellel on atmosfäär ja väga tihe: rõhk Veenuse pinnal on 90 korda kõrgem kui rõhk Maa pinnal. Veenuse atmosfäär koosneb peamiselt süsinikdioksiid,
Veenuse pind on kuiv ja kivine, ligikaudu 60% pinnast hõivavad suhteliselt tasased künklikud tasandikud, millel on selgelt nähtavad kraatrid. Umbes 16% pinnast moodustavad veevabad nõod ja orud.
Veenus on veelgi kuumem planeet kui Merkuur ja selle tiheda atmosfääri tõttu ei esine praktiliselt mingeid igapäevaseid ega aastaseid temperatuurikõikumisi – tema pinna lähedal on temperatuur alati umbes 450 0 C.
Veenuse eripära seisneb selles, et oma igapäevase pöörlemise ajal pöörleb ta kõigi teiste planeetide, välja arvatud Uraani, igapäevase pöörlemissuunaga vastupidises suunas. See pöörleb aeglasemalt kui kõik teised planeedid, tehes ühe pöörde ümber oma telje vaid 243 Maa päevaga.
Maa (3 Päikesest)- ainus planeet, mille atmosfääris on palju hapnikku: see ilmus tänu taimede elutegevusele.
Maa eripäraks teiste maapealsete planeetide seas on suure loodusliku satelliidi olemasolu - Kuud.
Kuu on Merkuuriga väga sarnane selle poolest, et sellel (ja samadel põhjustel) puudub atmosfäär ja seetõttu on selle pind kaetud tohutute põrkekraatritega. Kuu huvitav omadus on see, et see on Maa poole alati ühe küljega.
Marss (4 Päikesest) sellel on kaks Maaga sarnast tunnust: esiteks on selle tiirlemise periood ümber oma telje veidi üle 24 tunni, see tähendab peaaegu ühtib Maa ööpäevaga ja teiseks on pöörlemistelg kallutatud telje tasandi suhtes. oma orbiidil ligikaudu samal viisil. nagu Maa, mille tulemusena on Marsil, nagu ka Maal, neli aastaaega.
Marsi atmosfäär on liiga õhuke, et blokeerida päikese kahjulikke ultraviolettkiire. Selle koostis on ligikaudu järgmine: 95% süsinikdioksiidi, 2-3% lämmastikku, 1-2% argooni, 0,1-0,4% hapnikku, samuti veeauru ja
Planeedi punakas välimus (sellepärast sai see sõjajumala järgi nimeks Mars) on tingitud suure hulga raudoksiidide olemasolust Marsi maakoores.
Hiiglaslikud planeedid.
Hiidplaneetidel pole tahket pinda, sest keemiline koostis ja nende tihedus meenutab tähti ja nende suur mass põhjustab tuumade kuumenemise temperatuurini üle 10 000 C. Kõigil hiidplaneetidel on satelliidid (loendatakse kümnetes) ja mõned neist ületavad Kuu suurust.
Jupiter (5. kohal Päikesest) sai nime mütoloogilise Rooma jumalate kuninga ja universumi valitseja järgi.Jupiter on tohutu, kiiresti pöörlev vedel pall, mida ümbritseb paks atmosfäär, mis koosneb peamiselt vesinikust ja heeliumist. Jupiter on energiaallikas: ta kiirgab peaaegu kaks korda rohkem energiat, kui saab Päikeselt. Jupiteri energia allikas on selle pidev kokkusurumine gravitatsiooni mõjul. Nii et Jupiter on teatud mõttes ebaõnnestunud täht (oma liiga "madala" massi tõttu).
Saturn (6 Päikesest) Eripäraks on selle luksuslik sõrmus, mille avastas Galileo. Saturn on järk-järgult vedelikult gaasile üleminekuga mitmekihiline pall, mis koosneb peamiselt vesinikust ja heeliumist. Lähedalt ülempiir Pilvedes on temperatuur umbes 86 K ja ekvatoriaalvööndi keskel ulatub 92 K. Seal sähvatab välk ja sädelevad aurorad.
Uraan (7 Päikesest)omab kõiki hiidplaneetide omadusi, selle erinevus seisneb selles, et Uraani teljesuunaline pöörlemine toimub kõigi teiste planeetide pöörlemissuunale vastupidises suunas. Uraan pöörleb "küljeli lamades", nii et kogu aasta jooksul on planeedi valgustingimustes oluline muutus.
Neptuun (8. kohal Päikesest)hiidplaneetidest Päikesest kõige kaugemal, seetõttu on temperatuur väga madal (alla – 200 0 C). Neptuunil on 3 satelliiti.