Elektrický náboj se obvykle označuje písmeny q nebo Q.
Souhrn všech známých experimentálních faktů nám umožňuje vyvodit následující závěry:
- Existují dva typy elektrických nábojů, běžně nazývané kladné a záporné.
- Náboje lze přenášet (například přímým kontaktem) z jednoho těla na druhé. Na rozdíl od tělesné hmotnosti není elektrický náboj integrální charakteristikou daného tělesa. Stejné těleso za různých podmínek může mít různý náboj.
- Jako náboje odpuzují, na rozdíl od nábojů přitahují. To také odhaluje zásadní rozdíl mezi elektromagnetickými silami a gravitačními silami. Gravitační síly jsou vždy přitažlivé síly.
Jeden ze základních přírodních zákonů je experimentálně zjištěný zákon zachování elektrického náboje.
V izolované soustavě zůstává algebraický součet nábojů všech těles konstantní:
Zákon zachování elektrického náboje říká, že v uzavřené soustavě těles nelze pozorovat procesy vzniku nebo zániku nábojů pouze jednoho znaménka.
Bodový náboj je nabité těleso, jehož rozměry lze v podmínkách této úlohy zanedbat.
Interakční síly mezi stacionárními náboji jsou přímo úměrné součinu modulů náboje a nepřímo úměrné druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi:
Interakční síly se řídí třetím Newtonovým zákonem: Jsou to odpudivé síly se stejnými znaménky náboje a přitažlivé síly s různými znaménky (obr. 4.1.3). Interakce stacionárních elektrických nábojů se nazývá elektrostatický nebo Coulomb interakce. Obor elektrodynamiky, který studuje Coulombovu interakci, se nazývá elektrostatika.
Pro bodově nabitá tělesa platí Coulombův zákon. V praxi je Coulombův zákon dobře splněn, pokud jsou velikosti nabitých těles mnohem menší než vzdálenost mezi nimi.
Koeficient úměrnosti k v Coulombově zákoně závisí na volbě soustavy jednotek. V mezinárodní soustavě SI je jednotkou náboje coulomb (C).
Přívěsek je náboj procházející průřezem vodiče za 1 s při proudové síle 1 A. Jednotka proudové síly (ампер) v SI je spolu s jednotkami délky, času a hmotnosti základní jednotka měření.
Koeficient k v soustavě SI se obvykle zapisuje jako:
kde – elektrická konstanta.
Každé nabité těleso vytváří v okolním prostoru elektrické pole. Toto pole působí silou na jiná nabitá tělesa. Hlavní vlastností elektrického pole je působení na elektrické náboje určitou silou. Interakce nabitých těles se tedy neprovádí jejich přímým vzájemným vlivem, ale prostřednictvím elektrických polí obklopujících nabitá tělesa.
Pro kvantifikaci elektrického pole uvedeme Napájení charakterizace síla elektrického pole.
Síla elektrického pole je fyzikální veličina rovna poměru síly, kterou pole působí na kladný zkušební náboj umístěný v daném bodě prostoru, k velikosti tohoto náboje:
Síla elektrického pole je vektorová fyzikální veličina. Směr vektoru se v každém bodě prostoru shoduje se směrem síly působící na kladný zkušební náboj.
Elektrické pole stacionárních nábojů, které se v čase nemění, se nazývá elektrostatický.
Pokud je pomocí zkušebního náboje studováno elektrické pole vytvořené několika nabitými tělesy, pak se výsledná síla ukáže jako rovna geometrickému součtu sil působících na zkušební náboj od každého nabitého tělesa zvlášť. Proto, intenzita elektrického pole vytvořená systémem nábojů v daném bodě prostoru se rovná vektorovému součtu sil elektrického pole vytvořeného ve stejném bodě náboji samostatně:
Pro vizuální znázornění elektrického pole použijte elektrické vedení. Tyto čáry jsou nakresleny tak, aby směr vektoru v každém bodě souhlasil se směrem tečny k siločar (obr. 4.2.1). Při zobrazení elektrického pole pomocí siločar by jejich hustota měla být úměrná velikosti vektoru intenzity pole.
H Polní práce podél uzavřeného pole je 0
A=0, pak je pole potenciální.
Obsah
- Gaussova věta
- Historie objevů
- Teoretické informace
- V čem se měří?
- Vodiče, polovodiče a dielektrika
- Jaká je interakce?
- Metody měření
Gaussova věta
Experimentálně stanovený Coulombův zákon a princip superpozice umožňují plně popsat elektrostatické pole daného systému nábojů ve vakuu. Vlastnosti elektrostatického pole však lze vyjádřit jinou, obecnější formou, aniž bychom se uchýlili k myšlence Coulombova pole bodového náboje.
Představme si novou fyzikální veličinu charakterizující elektrické pole – tok Φ vektoru napětí elektrické pole. Pojem vektorového proudění je podobný konceptu rychlostního vektorového proudění v proudění nestlačitelné tekutiny. Nechť je v prostoru, kde se vytváří elektrické pole, nějaká poměrně malá oblast ΔS. Součin vektorového modulu plochou ΔS a kosinusem úhlu α mezi vektorem a normálou k ploše se nazývá elementární tok vektoru napětí přes podložku ΔS (obr. 4.3.1):
ΔΦ = EΔS cos α = EnΔS,
kde je modul normálové složky pole
K definici elementárního toku ΔΦ.
Uvažujme nyní nějakou libovolnou uzavřenou plochu S. Rozdělíme-li tuto plochu na malé oblasti ΔSi , určete elementární toky pole těmito malými oblastmi a poté je sečtěte, pak jako výsledek získáme vektorový tok Φ uzavřenou plochou S (obr. 4.3.2):
V případě uzavřené plochy vždy vyberte vnější normál.
Výpočet průtoku Ф libovolnou uzavřenou plochou S.
Gaussova věta říká:
Tok vektoru intenzity elektrostatického pole libovolným uzavřeným povrchem se rovná algebraickému součtu nábojů umístěných uvnitř tohoto povrchu dělenému elektrickou konstantou ε.
Uvažujme další příklad symetrického rozložení náboje – určení pole rovnoměrně nabité roviny (obr. 4.3.5).
Pole rovnoměrně nabité roviny. σ – hustota povrchového náboje. S je uzavřená Gaussova plocha.
V tomto případě je vhodné zvolit Gaussovu plochu S ve tvaru válce nějaké délky, uzavřeného na obou koncích. Osa válce směřuje kolmo k nabité rovině a její konce jsou umístěny ve stejné vzdálenosti od ní. Kvůli symetrii musí pole rovnoměrně nabité roviny směřovat všude podél normály. Aplikace Gaussovy věty dává:
kde σ – hustota povrchového náboje, tedy poplatek za jednotku plochy.
Výsledný výraz pro elektrické pole rovnoměrně nabité roviny je použitelný i v případě plochých nabitých oblastí konečné velikosti. V tomto případě by vzdálenost od bodu, ve kterém se určuje intenzita pole, k nabité oblasti, měla být podstatně menší než velikost oblasti.
V přírodě nelze vše vysvětlit z hlediska mechaniky, MCT a termodynamiky, existují i elektromagnetické jevy, které působí na tělo a nejsou závislé na jejich hmotnosti. Schopnost těles být zdrojem elektromagnetických polí je charakterizována fyzikální skalární veličinou – elektrickým nábojem. Poprvé byl zaveden do Coulombova zákona v roce 1785, ale pozornost byla upoutána na jeho existenci ještě před naším letopočtem. V tomto článku si jednoduše vysvětlíme, co je elektrický náboj a jak se měří.
Historie objevů
Dokonce i ve starověku bylo zjištěno, že pokud jantarem natřete hedvábný materiál, kámen začne přitahovat lehké předměty. William Gilbert studoval tyto experimenty až do konce XNUMX. století. Ve zprávě o vykonané práci označil předměty, které mohou přitahovat jiná těla, za elektrizované.
Následující objevy učinil v roce 1729 Charles Dufay, když pozoroval chování těles při jejich tření o různé materiály. Dokázal tak existenci dvou typů nábojů: první vznikly třením pryskyřice o vlnu a druhé třením skla o hedvábí. Podle logiky je nazval „pryskyřice“ a „sklo“. Benjamin Franklin také prozkoumal tento problém a představil koncepty pozitivního a negativního náboje. Na obrázku – B. Franklin chytá blesky.
Charles Coulomb, jehož portrét je zobrazen níže, objevil zákon, který byl později nazván Coulombův zákon. Popsal interakci dvou bodových nábojů. Dokázal také změřit hodnotu a vymyslel k tomu torzní vyvážení, o kterém si povíme později.
A již na začátku minulého století Robert Millikan v důsledku experimentů prokázal jejich diskrétnost. To znamená, že náboj každého tělesa je roven celočíselnému násobku elementárního elektrického náboje a elektron je elementární náboj.
Teoretické informace
Elektrický náboj je schopnost těles vytvářet elektromagnetické pole. Ve fyzice sekce elektrostatiky studuje interakce nábojů, které jsou stacionární vzhledem k vybranému inerciálnímu systému hlášení.
V čem se měří?
Jednotka měření v soustavě SI se nazývá „Coulomb“ – jedná se o elektrický náboj procházející průřezem vodiče 1 ampér za 1 sekundu.
Označení písmenem – Q nebo q. Může nabývat kladných i záporných hodnot. Název je pojmenován po fyzikovi Charlesi Coulombovi, který odvodil vzorec pro nalezení interakčních sil mezi nimi, nazývá se „Coulombův zákon“:
V něm jsou q1, q2 nábojové moduly, r je vzdálenost mezi nimi, k je koeficient úměrnosti.
Vzorec je podobný zákonu přitažlivosti, v principu takovou interakci popisuje. Má nejmenší hmotnost. Jeho elektrický náboj je záporný a rovná se:
-1.6*10^(-19) Cl
Pozitron je opačnou hodnotou elektronu a také se skládá z jednoho kladného elementárního náboje.
Kromě toho, že je diskrétní, kvantovaný nebo měřený po částech, pro něj platí i zákon zachování nábojů, který říká, že v uzavřeném systému mohou současně vznikat pouze náboje obou znamének. Jednoduše řečeno, algebraický (včetně znamének) součet nábojů částic a těles v uzavřené (izolované) soustavě zůstává vždy nezměněn. Nemění se s časem ani s pohybem částice, je konstantní po dobu její životnosti. Nejjednodušší nabité částice jsou konvenčně přirovnávány k elektrickým nábojům.
Zákon zachování elektrického náboje poprvé potvrdil Michael Faraday v roce 1843. To je jeden ze základních fyzikálních zákonů.
Vodiče, polovodiče a dielektrika
Ve vodičích je mnoho bezplatných poplatků. Pohybují se volně po celém objemu těla. V polovodičích nejsou téměř žádné volné nosiče, ale pokud se do těla přenese trochu energie, tak se vytvoří, v důsledku čehož tělo začne vést elektrický proud, tzn. elektrické náboje se začnou pohybovat. Dielektrika jsou látky, kde je počet volných nosičů minimální, takže jimi nemůže protékat proud nebo může za určitých podmínek např. velmi vysoké napětí.
Jaká je interakce?
Elektrické náboje se navzájem přitahují a odpuzují. To je podobné interakci magnetů. Každý ví, že když si potřete vlasy pravítkem nebo propiskou, zelektrizují. Pokud jej v tomto stavu přivedete na papír, přilepí se na zelektrizovaný plast. Při elektrifikaci dochází k přerozdělení nábojů, takže na jedné části těla je jich více a na druhé méně.
To je také důvod, proč jste někdy šokováni vlněnými svetry nebo jinými lidmi, když se jich dotknete.
Závěr: elektrické náboje se stejným znaménkem k sobě inklinují a s různými znaménky se odpuzují. Při vzájemném dotyku proudí z jednoho těla do druhého.
Metody měření
Existuje řada způsobů, jak měřit elektrický náboj, pojďme se podívat na některé z nich. Měřicí zařízení se nazývá torzní váha.
Coulombova rovnováha je torzní rovnováhou jeho vynálezu. Myšlenka spočívá v tom, že lehká tyč se dvěma kuličkami na koncích a jednou stacionárně nabitou kuličkou je zavěšena v nádobě na křemenné niti. Druhý konec závitu je připevněn k čepici. Stacionární koule se odstraní, aby se nabila, a poté ji musíte nainstalovat zpět do nádoby. Poté se díl zavěšený na závitu začne pohybovat. Na nádobu se aplikuje stupnice. Princip jeho fungování se odráží ve videu.
Dalším přístrojem pro měření elektrického náboje je elektroskop. Stejně jako předchozí je to skleněná nádoba s elektrodou, na které jsou připevněny dva plechy fólie. Nabité těleso je přivedeno k hornímu konci elektrody, kterým proudí náboj na fólii, v důsledku toho se oba listy podobně nabijí a začnou se odpuzovat. Výše poplatku je určena tím, jak moc se odchylují.
Dalším měřícím přístrojem je elektroměr. Skládá se z kovové tyče a otočného šípu. Když se nabité těleso dotkne elektrometru, náboje stékají po tyči k ukazateli, ukazatel se vychýlí a na stupnici ukazuje určitou hodnotu.
Na závěr doporučujeme zhlédnout další užitečné video na toto téma:
Uvažovali jsme o důležité fyzikální veličině. Učení o ní umožnilo výrazně rozšířit znalosti o elektřině obecně. Přínos pro vědu a techniku je poměrně významný a oblast aplikace těchto znalostí souvisí i s medicínou. Ionizátory vzduchu mají pozitivní vliv na lidský organismus: urychlují proces dodávání kyslíku ze vzduchu do buněk. Příkladem takového zařízení je Chizhevsky lustr. Nyní víte, co je elektrický náboj a jak se měří.
Související materiály:
Zveřejněno 16.05.2018 Aktualizováno 16.05.2018 Alexandrem (administrátorem)
