Kas ir daļiņu lādiņš. Elektriskais lādiņš un elementārdaļiņas. Lādiņa nezūdamības likums. Elektriskā lādiņa nezūdamības likums

Ar vārdiem "elektrība", "elektriskais lādiņš", " elektrība Jūs esat tikušies daudzas reizes un pieraduši pie tiem. Bet mēģiniet atbildēt uz jautājumu: "Kas ir elektriskais lādiņš?" - un jūs redzēsiet, ka tas nav tik viegli. Fakts ir tāds, ka maksas jēdziens ir galvenais, primārais jēdziens, uz kuru nevar reducēt mūsdienīgs līmenis pilnveidot mūsu zināšanas līdz dažiem vienkāršākiem, elementāriem jēdzieniem

Vispirms mēģināsim noskaidrot, kas ir domāts ar apgalvojumu: dotajam ķermenim vai daļiņai ir elektriskais lādiņš.

Jūs zināt, ka visi ķermeņi ir veidoti no mazākajām, nedalāmām vienkāršākās (cik zinātne tagad ir zināma) daļiņās, kuras tāpēc sauc par elementārām. Visi elementārdaļiņas ir masa un tāpēc tiek piesaistīti viens otram saskaņā ar likumu smagums ar spēku, kas samazinās salīdzinoši lēni, palielinoties attālumam starp tiem, atpakaļ proporcionāls kvadrātam attālumos. Lielākajai daļai elementārdaļiņu, lai arī ne visām, ir arī spēja savstarpēji mijiedarboties ar spēku, kas arī samazinās apgriezti attāluma kvadrātam, taču šis spēks ir milzīgs skaits reižu lielāks nekā gravitācijas spēks. Tātad. ūdeņraža atomā, kas shematiski parādīts 91. attēlā, elektrons tiek piesaistīts kodolam (protonam) ar spēku, kas 101 collu pārsniedz gravitācijas pievilkšanas spēku.

Ja daļiņas mijiedarbojas viena ar otru ar spēkiem, kas lēnām samazinās līdz ar attālumu un ir daudzkārt lielāki par universālās gravitācijas spēkiem, tad šīm daļiņām ir elektriskais lādiņš. Pašas daļiņas sauc par lādētām. Ir daļiņas bez elektriskā lādiņa, bet nav elektriskā lādiņa bez daļiņas.

Mijiedarbība starp lādētām daļiņām tiek saukta par elektromagnētisko. Elektriskais lādiņš - fiziskais daudzums, kas nosaka elektromagnētiskās mijiedarbības intensitāti, tāpat kā masa nosaka gravitācijas mijiedarbības intensitāti.

Elementārdaļiņas elektriskais lādiņš nav īpašs "mehānisms" daļiņā, ko no tās varētu izņemt, sadalīt sastāvdaļās un atkal salikt. Elektriskā lādiņa klātbūtne uz elektrona un citām daļiņām nozīmē tikai esamību

noteikta spēka mijiedarbība starp tām. Bet mēs pēc būtības neko nezinām par lādiņu, ja nezinām šīs mijiedarbības likumus. Mūsu izpratnē par lādiņu ir jāiekļauj zināšanas par mijiedarbības likumiem. Šie likumi nav vienkārši, tos nav iespējams formulēt dažos vārdos. Tāpēc nav iespējams sniegt pietiekami apmierinošu īsu definīciju tam, kas ir elektriskais lādiņš.

Divas elektrisko lādiņu pazīmes. Visiem ķermeņiem ir masa, un tāpēc tie piesaista viens otru. Uzlādēti ķermeņi var viens otru gan piesaistīt, gan atgrūst. Šis svarīgākais fakts, kas tev pazīstams no 7. klases fizikas kursa, nozīmē, ka dabā ir daļiņas ar pretējas zīmes elektriskajiem lādiņiem. Daļiņas ar vienādu lādiņa zīmi atgrūž viena otru, un ar dažādām pazīmēm tās piesaista.

Elementārdaļiņu - protonu, kas ir daļa no visiem atomu kodoliem, lādiņu sauc par pozitīvu, bet elektronu lādiņu sauc par negatīvu. Starp pozitīvajiem un negatīvajiem lādiņiem nav būtisku atšķirību. Ja daļiņu lādiņu pazīmes būtu apgrieztas, tad elektromagnētiskās mijiedarbības raksturs nemaz nemainītos.

elementārais lādiņš. Papildus elektroniem un protoniem ir arī vairāki citi lādētu elementārdaļiņu veidi. Bet tikai elektroni un protoni var pastāvēt bezgalīgi brīvā stāvoklī. Pārējās lādētās daļiņas dzīvo mazāk nekā sekundes miljondaļas. Tie dzimst ātro elementārdaļiņu sadursmes laikā un, pastāvējuši niecīgu laiku, sadalās, pārvēršoties citās daļiņās. Ar šīm daļiņām iepazīsies X klasē.

Neitroni ir daļiņas, kurām nav elektriskā lādiņa. Tā masa tikai nedaudz pārsniedz protona masu. Neitroni kopā ar protoniem ir daļa no atoma kodols.

Ja elementārdaļiņai ir lādiņš, tad tās vērtība, kā liecina daudzi eksperimenti, ir stingri noteikta (viens no šiem eksperimentiem - Millikana un Joffe pieredze - tika aprakstīts VII klases mācību grāmatā)

Ir minimālais lādiņš, ko sauc par elementāru un kas piemīt visām uzlādētajām elementārdaļiņām. Elementārdaļiņu lādiņi atšķiras tikai pēc zīmēm. Nav iespējams atdalīt daļu lādiņa, piemēram, no elektrona.

Elektriskais lādiņš ir daļiņu un fizisko ķermeņu īpašība, kas raksturo to mijiedarbību ar ārējo un iekšējo elektromagnētiskie lauki. Elektroni ir vienkāršākās lādētās daļiņas. Kā zināms no pamatskolas fizikas, jebkurš fiziskais ķermenis sastāv no molekulām, savukārt tās sastāv no atomiem. Jebkurš atoms sastāv no pozitīvi lādēta kodola un negatīvi lādētiem elektroniem, kas griežas ap kodolu orbītā, piemēram, planētu rotācija ap Sauli.
Uzlādētus objektus piesaista citas uzlādētas daļiņas vai objekti. No tās pašas skolas fizikas atceramies arī vienkāršākos praktiskos eksperimentus ar elektriskajiem lādiņiem. Piemēram, ja paņemat balonu un ātri berzējat to pret džemperi un pēc tam ar nolietoto pusi piestiprināt pie sienas, balons pieķersies pie tā. Tas notika tāpēc, ka mēs uzlādējām balonu, un starp to un sienu bija elektrisks pievilkšanas spēks. (Lai gan siena sākotnēji nebija uzlādēta, tai tuvojoties tika izraisīts lādiņš balons.)
Elektriski lādēti ķermeņi un daļiņas ir divu veidu: negatīvas un pozitīvas. Pretēji lādiņi viens otru piesaista, un līdzīgi lādiņi viens otru atgrūž. Laba līdzība tam ir parastie magnēti, kurus viens otru pievelk pretējie poli un atgrūž līdzīgi. Kā jau teicām, elektroniem ir negatīvs lādiņš, un atomu kodoliem ir pozitīvs lādiņš (kodolā ir pozitīvi lādēti protoni, kā arī neitroni, kuriem nav elektriskā lādiņa). Kodolfizikā tiek aplūkotas arī daļiņas – pozitroni, kas pēc īpašībām ir līdzīgi elektroniem, bet kuriem piemīt pozitīvs lādiņš. Lai gan pozitrons ir tikai fiziska un matemātiska abstrakcija, pozitroni dabā nav atrasti.
Ja mums nav pozitronu, tad kā mēs varam pozitīvi uzlādēt objektu? Pieņemsim, ka ir objekts, kas bija negatīvi uzlādēts, jo uz tā virsmas atrodas 2000 brīvu (tas ir, kas nav saistīti ar konkrētu atomu kodoliem) elektroni.
Ņemot vērā citu līdzīgu objektu, kura virsmā ir tikai 1000 brīvo elektronu, mēs varam teikt, ka pirmais objekts ir negatīvāk lādēts nekā otrais. Bet var arī teikt, ka otrais objekts ir pozitīvāk uzlādēts nekā pirmais. Jautājums ir tikai par to, kas matemātiski tiek pieņemts kā izcelsme un no kāda viedokļa skatīties uz lādiņiem.
Lai uzlādētu mūsu balonu, jums ir jāpastrādā un jātērē enerģija. Ir nepieciešams pārvarēt balona berzi uz vilnas džempera. Berzes laikā elektroni pārvietojas no vienas virsmas uz otru. Tāpēc viens objekts (balons) ieguva brīvo elektronu pārpalikumu un kļuva negatīvi uzlādēts, savukārt vilnas džemperis zaudēja tādu pašu brīvo elektronu daudzumu un kļuva pozitīvi uzlādēts.
Elektrība. Elektromotora spēks. Elektriskās strāvas darbs

Tāpēc balonam vajadzētu pielipt pie džempera. Vai nē? Protams, tas tiks piesaistīts džemperim, jo ​​šiem diviem ķermeņiem ir pretējas zīmes elektriskie lādiņi. Bet kas notiek, kad viņi pieskaras? Gaisa balons nepielips! Tas notiek tāpēc, ka džempera pozitīvi lādētās šķiedras pieskarsies balona negatīvi lādētajām vietām, un brīvie elektroni no balona virsmas tiks piesaistīti džemperim un atgriezīsies tajā, tādējādi neitralizējot lādiņu.
Kad bumba saskārās ar džemperi, starp tiem radās brīvu elektronu plūsma, kas vienmēr pavada elektriskās parādības. No šī brīža jūs varat pārtraukt abstraktas sarunas par bumbiņām un džemperiem un doties tieši uz elektrotehniku.
Elektrons ir ļoti maza daļiņa (un vai tā vispār ir daļiņa, vai enerģijas ķekars - fiziķi joprojām nav nonākuši pie vienprātības šajā jautājumā) un tam ir mazs lādiņš, tāpēc ērtāka elektriskā lādiņa mērvienība ir nepieciešams nekā brīvo elektronu skaits uz lādēta ķermeņa virsmas. Šāda ērta elektriskā lādiņa mērīšanas vienība ir kulons (C). Tagad mēs varam teikt, ka, ja divu ķermeņu elektrisko lādiņu atšķirība ir 1 kulons, tad to mijiedarbības laikā tiks pārvietoti aptuveni 6 180 000 000 000 000 000 elektronu. Protams, mērīt kulonos ir daudz ērtāk!

Morgans Džonss
Cauruļu pastiprinātāji
Tulkojums no angļu valodas vispārējā zinātniskajā redakcijā Ph.D. Asoc. Ivanjuškina R Ju.

« Fizika — 10. klase

Vispirms apskatīsim vienkāršāko gadījumu, kad elektriski uzlādēti ķermeņi atrodas miera stāvoklī.

Tiek saukta elektrodinamikas sadaļa, kas veltīta elektriski lādētu ķermeņu līdzsvara apstākļu izpētei elektrostatika.

Kas ir elektriskais lādiņš?
Kādas ir maksas?

Ar vārdiem elektrība, elektriskais lādiņš, elektriskā strāva tu tikies daudzas reizes un spēji pie viņiem pierast. Bet mēģiniet atbildēt uz jautājumu: "Kas ir elektriskais lādiņš?" Pati koncepcija maksas- tas ir galvenais, primārais jēdziens, kuru mūsu zināšanu pašreizējā attīstības līmenī nevar reducēt uz vienkāršākiem, elementāriem jēdzieniem.

Vispirms mēģināsim noskaidrot, kas ir domāts ar apgalvojumu: "Dotajam ķermenim vai daļiņai ir elektriskais lādiņš."

Visi ķermeņi ir uzbūvēti no mazākajām daļiņām, kuras ir nedalāmas vienkāršākās un tāpēc tiek sauktas elementāri.

Elementārdaļiņām ir masa, un tāpēc tās tiek piesaistītas viena otrai saskaņā ar universālās gravitācijas likumu. Palielinoties attālumam starp daļiņām, gravitācijas spēks samazinās apgriezti proporcionāli šī attāluma kvadrātam. Lielākajai daļai elementārdaļiņu, lai gan ne visām, ir arī spēja savstarpēji mijiedarboties ar spēku, kas arī samazinās apgriezti attāluma kvadrātam, taču šis spēks ir daudzkārt lielāks par gravitācijas spēku.

Tātad ūdeņraža atomā, kas shematiski parādīts 14.1. attēlā, elektrons tiek piesaistīts kodolam (protonam) ar spēku, kas 10 39 reizes pārsniedz gravitācijas pievilkšanas spēku.

Ja daļiņas mijiedarbojas savā starpā ar spēkiem, kas, palielinoties attālumam, samazinās tāpat kā universālās gravitācijas spēki, bet daudzkārt pārsniedz gravitācijas spēkus, tad tiek uzskatīts, ka šīm daļiņām ir elektriskais lādiņš. Pašas daļiņas sauc uzlādēts.

Ir daļiņas bez elektriskā lādiņa, bet nav elektriskā lādiņa bez daļiņas.

Lādētu daļiņu mijiedarbību sauc elektromagnētiskais.

Elektriskais lādiņš nosaka elektromagnētiskās mijiedarbības intensitāti, tāpat kā masa nosaka gravitācijas mijiedarbības intensitāti.

Elementārdaļiņas elektriskais lādiņš nav īpašs mehānisms daļiņā, ko no tās varētu izņemt, sadalīt sastāvdaļās un atkal salikt. Elektriskā lādiņa klātbūtne elektronā un citās daļiņās nozīmē tikai noteiktu spēku mijiedarbības esamību starp tām.

Mēs būtībā neko nezinām par lādiņu, ja nezinām šīs mijiedarbības likumus. Mūsu izpratnē par lādiņu ir jāiekļauj zināšanas par mijiedarbības likumiem. Šie likumi nav vienkārši, un tos nav iespējams formulēt dažos vārdos. Tāpēc nav iespējams sniegt pietiekami apmierinošu īsa definīcija jēdziens elektriskais lādiņš.

Divas elektrisko lādiņu pazīmes.

Visiem ķermeņiem ir masa, un tāpēc tie piesaista viens otru. Uzlādēti ķermeņi var viens otru gan piesaistīt, gan atgrūst. Šis vissvarīgākais jums pazīstamais fakts nozīmē, ka dabā ir daļiņas ar pretēju zīmju elektriskajiem lādiņiem; Vienas zīmes lādiņu gadījumā daļiņas atgrūž, bet dažādu zīmju gadījumā – piesaista.

Elementārdaļiņu lādiņš - protoni, kas ir daļa no visiem atomu kodoliem, sauc par pozitīvu, un lādiņu elektroni- negatīvs. Nav iekšēju atšķirību starp pozitīvajiem un negatīvajiem lādiņiem. Ja daļiņu lādiņu pazīmes būtu apgrieztas, tad elektromagnētiskās mijiedarbības raksturs nemaz nemainītos.

elementārais lādiņš.

Papildus elektroniem un protoniem ir vēl vairāki lādētu elementārdaļiņu veidi. Bet tikai elektroni un protoni var pastāvēt bezgalīgi brīvā stāvoklī. Pārējās lādētās daļiņas dzīvo mazāk nekā sekundes miljondaļas. Tie dzimst ātro elementārdaļiņu sadursmes laikā un, pastāvējuši niecīgu laiku, sadalās, pārvēršoties citās daļiņās. Ar šīm daļiņām iepazīsies 11. klasē.

Daļiņas, kurām nav elektriskā lādiņa, ietver neitronu. Tā masa tikai nedaudz pārsniedz protona masu. Neitroni kopā ar protoniem ir daļa no atoma kodola. Ja elementārdaļiņai ir lādiņš, tad tā vērtība ir stingri noteikta.

uzlādēti ķermeņi Elektromagnētiskajiem spēkiem dabā ir milzīga loma, jo visu ķermeņu sastāvā ir elektriski lādētas daļiņas. Atomu veidojošajām daļām - kodoliem un elektroniem - ir elektriskais lādiņš.

Tieša elektromagnētisko spēku darbība starp ķermeņiem netiek atklāta, jo ķermeņi normālā stāvoklī ir elektriski neitrāli.

Jebkuras vielas atoms ir neitrāls, jo tajā esošo elektronu skaits ir vienāds ar protonu skaitu kodolā. Pozitīvi un negatīvi lādētas daļiņas ir savienotas viena ar otru ar elektriskiem spēkiem un veido neitrālas sistēmas.

Makroskopisks ķermenis ir elektriski uzlādēts, ja tajā ir pārmērīgs elementārdaļiņu skaits ar vienu lādiņa zīmi. Tātad ķermeņa negatīvais lādiņš ir saistīts ar elektronu skaita pārsniegumu salīdzinājumā ar protonu skaitu, un pozitīvais lādiņš ir saistīts ar elektronu trūkumu.

Lai iegūtu elektriski lādētu makroskopisku ķermeni, t.i., lai to elektrificētu, nepieciešams atdalīt daļu no negatīvā lādiņa no ar to saistītā pozitīvā lādiņa vai pārnest negatīvo lādiņu uz neitrālu ķermeni.

To var izdarīt ar berzi. Ja ar ķemmi palaidīsi sausus matus, tad neliela daļa no viskustīgāk lādētajām daļiņām - elektroni no matu pāries uz ķemmi un lādēs to negatīvi, un mati tiks uzlādēti pozitīvi.

Lādiņu vienlīdzība elektrifikācijas laikā

Ar pieredzes palīdzību var pierādīt, ka, elektrizējot ar berzi, abi ķermeņi iegūst lādiņus, kas pēc zīmes ir pretēji, bet pēc lieluma identiski.

Ņemsim elektrometru, uz kura stieņa ir piestiprināta metāla sfēra ar caurumu, un divas plāksnes uz gariem rokturiem: viena no ebonīta, otra no organiskā stikla. Berzējoties viena pret otru, plāksnes elektrizējas.

Ienesīsim vienu no plāksnēm sfēras iekšpusē, nepieskaroties tās sienām. Ja plāksne ir pozitīvi uzlādēta, tad daži elektroni no adatas un elektrometra stieņa tiks piesaistīti plāksnei un sakrājas uz sfēras iekšējās virsmas. Šajā gadījumā bultiņa būs pozitīvi uzlādēta un atgrūsta no elektrometra stieņa (14.2. att., a).

Ja sfēras iekšpusē tiek ievietota cita plāksne, iepriekš noņemot pirmo, tad sfēras un stieņa elektroni tiks atgrūsti no plāksnes un uz bultiņas uzkrājas pārpalikumā. Tādējādi bultiņa novirzīsies no stieņa, turklāt tādā pašā leņķī kā pirmajā eksperimentā.

Nolaižot abas plāksnes sfēras iekšpusē, mēs vispār neatradīsim nekādu bultas novirzi (14.2. att., b). Tas pierāda, ka plākšņu lādiņi ir vienādi pēc lieluma un pretēji zīmei.

Ķermeņu elektrifikācija un tās izpausmes. Sintētisko audumu berzes laikā notiek ievērojama elektrifikācija. Novelkot kreklu no sintētiska materiāla sausā gaisā, var dzirdēt raksturīgu sprakšķi. Mazas dzirksteles lēkā starp uzlādētajām berzes virsmu zonām.

Tipogrāfijās drukāšanas laikā papīrs elektrizējas, un loksnes salīp kopā. Lai tas nenotiktu, lādiņa iztukšošanai tiek izmantotas īpašas ierīces. Taču dažkārt ciešā saskarē esošo ķermeņu elektrifikāciju izmanto, piemēram, dažādās elektrokopēšanas iekārtās u.c.

Elektriskā lādiņa nezūdamības likums.

Pieredze ar plākšņu elektrifikāciju pierāda, ka, elektrificējot ar berzi, esošie lādiņi tiek pārdalīti starp ķermeņiem, kas iepriekš bija neitrāli. Neliela daļa elektronu pāriet no viena ķermeņa uz otru. Šajā gadījumā jaunas daļiņas neparādās, un iepriekš esošās nepazūd.

Elektrificējot ķermeņus, elektriskā lādiņa nezūdamības likums. Šis likums ir spēkā sistēmai, kas neienāk no ārpuses un no kuras neiziet lādētas daļiņas, t.i. izolēta sistēma.

Izolētā sistēmā algebriskā summa visu ķermeņu lādiņi ir saglabāti.

q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = konst. (14.1)

kur q 1, q 2 utt. ir atsevišķu lādētu ķermeņu lādiņi.

Lādiņa nezūdamības likums ir dziļa jēga. Ja uzlādēto elementārdaļiņu skaits nemainās, tad lādiņa nezūdamības likums ir acīmredzams. Bet elementārdaļiņas var pārveidoties viena par otru, piedzimt un izzust, dodot dzīvību jaunām daļiņām.

Tomēr visos gadījumos lādētas daļiņas rodas tikai pa pāriem ar vienāda moduļa lādiņiem un pretēju zīmi; lādētās daļiņas arī pazūd tikai pa pāriem, pārvēršoties neitrālos. Un visos šajos gadījumos lādiņu algebriskā summa paliek nemainīga.

Lādiņa nezūdamības likuma spēkā esamību apstiprina novērojumi par milzīgu skaitu elementārdaļiņu transformāciju. Šis likums izsaka vienu no svarīgākajām elektriskā lādiņa īpašībām. Lādiņu saglabāšanas iemesls joprojām nav zināms.