Потенциал электрического поля. Разность потенциалов
Потенциал – скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда.
Обозначение – \( \varphi \), единица измерения в СИ – вольт (В).
Потенциал \( \varphi \) является энергетической характеристикой электростатического поля.
Разность потенциалов численно равна работе, которую совершает электрическая сила при перемещении единичного положительного заряда между двумя точками поля:
Обозначение – \( \Delta\varphi \), единица измерения в СИ – вольт (В).
Иногда разность потенциалов обозначают буквой \( U \) и называют напряжением.
Важно!
Разность потенциалов \( \Delta\varphi=\varphi_1-\varphi_2 \), а не изменение потенциала \( \Delta\varphi=\varphi_2-\varphi_1 \). Тогда работа электростатического поля равна:
Важно!
Эта формула позволяет вычислить работу электростатических сил в любом поле. В электростатике часто вычисляют потенциал относительно бесконечно удаленной точки
В этом случае потенциал поля в данной точке равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность
В электростатике часто вычисляют потенциал относительно бесконечно удаленной точки. В этом случае потенциал поля в данной точке равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.
Потенциал поля точечного заряда \( q \) в точке, удаленной от него на расстояние \( r \), вычисляется по формуле:
Для наглядного представления электрического поля используют эквипотенциальные поверхности.
Важно!
Внутри проводящего шара потенциал всех точек внутри шара равен потенциалу поверхности шара и вычисляется по формуле потенциала точечного заряда (\( r =R \), где \( R \) – радиус шара). Напряженность поля внутри шара равна нулю
Эквипотенциальной поверхностью, или поверхностью равного потенциала, называется поверхность, во всех точках которой потенциал имеет одинаковое значение.
Свойства эквипотенциальных поверхностей
- Вектор напряженности перпендикулярен эквипотенциальным поверхностям и направлен в сторону убывания потенциала.
- Работа по перемещению заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю.
В случае однородного поля эквипотенциальные поверхности представляют собой систему параллельных плоскостей. Для точечного заряда эквипотенциальные поверхности представляют собой концентрические окружности.
Разность потенциалов и напряженность связаны формулой:
Из принципа суперпозиции полей следует принцип суперпозиции потенциалов:
Потенциал результирующего поля равен сумме потенциалов полей отдельных зарядов.
Важно!
Потенциалы складываются алгебраически, а напряженности – по правилу сложения векторов. Решение задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним, основано на применении законов сохранения, теоремы об изменении кинетической энергии заряда с учетом работы электростатических сил
Решение задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним, основано на применении законов сохранения, теоремы об изменении кинетической энергии заряда с учетом работы электростатических сил.
Алгоритм решения таких задач:
- установить характер и особенности электростатических взаимодействий объектов системы;
- ввести характеристики (силовые и энергетические) этих взаимодействий, сделать рисунок;
- записать законы сохранения и движения для объектов;
- выразить энергию электростатического взаимодействия через заряды, потенциалы, напряженности;
- составить систему уравнений и решить ее относительно искомой величины;
- проверить решение.
Электрический заряд и его свойства.
Электрический заряд это физическая величина, характеризующая способность частиц или тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q. В системе СИ электрический заряд измеряется в Кулонах (Кл).
Свободный заряд в 1 Кл – это гигантская величина заряда, практически не встречающаяся в природе. Как правило, Вам придется иметь дело с микрокулонами (1 мкКл = 10–6 Кл), нанокулонами (1 нКл = 10–9 Кл) и пикокулонами (1 пКл = 10–12 Кл).
Электрический заряд обладает следующими свойствами:.
1. Электрический заряд является видом материи.
2. Электрический заряд не зависит от движения частицы и от ее скорости.
3. Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
4. Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
5. Все заряды взаимодействуют друг с другом. При этом одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Силы взаимодействия зарядов являются центральными, то есть лежат на прямой, соединяющей центры зарядов.
6. Существует минимально возможный (по модулю) электрический заряд, называемый элементарным зарядом. Его значение:
e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.
Электрический заряд любого тела всегда кратен элементарному заряду:
где: N – целое число
Обратите внимание, невозможно существование заряда, равного 0,5е; 1,7е; 22,7е и так далее. Физические величины, которые могут принимать только дискретный (не непрерывный) ряд значений, называются квантованными
Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда.
7. Закон сохранения электрического заряда. В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:
Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака
Из закона сохранения заряда так же следует, если два тела одного размера и формы, обладающие зарядами q1 и q2
(совершенно не важно какого знака заряды), привести в соприкосновение, а затем обратно развести, то заряд каждого из тел станет равным:
С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны.
Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному (то есть минимально возможному) заряду e.
В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов, или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или
отрицательно заряженный ион
Обратите внимание, что положительные протоны входят в состав ядра атома, поэтому их число может изменяться только при ядерных реакциях. Очевидно, что при электризации тел ядерных реакций не происходит
Поэтому в любых электрических явлениях число протонов не меняется, изменяется только число электронов. Так, сообщение телу отрицательного заряда означает передачу ему лишних электронов. А сообщение положительного заряда, вопреки частой ошибке, означает не добавление протонов, а отнимание электронов.
Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число электронов.
Иногда в задачах электрический заряд распределен по некоторому телу. Для описания этого распределения вводятся следующие величины:
1. Линейная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по нити:
где: L – длина нити. Измеряется в Кл/м.
2. Поверхностная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по поверхности тела:
где: S – площадь поверхности тела. Измеряется в Кл/м2.
3. Объемная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по объему тела:
где: V – объем тела. Измеряется в Кл/м3.
Обратите внимание на то, что масса электрона равна:
me = 9,11∙10–31 кг.
Электрический заряд — закон сохранения заряда
Разумеется, тогда и приблизительно не могли представить, сколько таких электрических «корпускул» может оказаться хотя бы в совсем небольшом заряженном теле. Но практическая единица электрического заряда была всё-таки нужна. И её стали придумывать. Кулон, в честь кого такую единицу потом назвали, видимо измерял величины зарядов с помощью металлических шариков, с которыми проводил опыты, но как-то относительно. Открыл свой знаменитый закон Кулона, в котором алгебраически записал, что сила, действующая между двумя, разнесёнными на расстояние R зарядами q1 и q2, пропорциональна их произведению и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Коэффициент k зависит от среды, в которой происходит взаимодействие, в вакууме же он равен единице.
Вероятно, после Кеплера и Ньютона такие вещи делать было не так уж и сложно. Расстояние измерить легко. Заряды он делил физически, прикасаясь одними шариками к другим. Получалось, что на двух одинаковых шариках, если один заряжен, а другой нет, при соприкосновении заряд делится пополам — разбегается по обоим шарикам. Так, он получал дробные значения исходной неизвестной величины q.
Изучая взаимодействие электрических зарядов, он делал замеры при разных расстояниях между шариками, фиксировал отклонения на своих крутильных весах, которое при этом получаются, когда заряженные шарики отталкиваются друг от друга. Видимо, его закон — то была чистая победа алгебры, так как единицы измерения заряда «кулон» сам Кулон не знал и знать просто не мог.
Другой победой было открытие того факта, что общее количество этой самой величины q в шариках, которые он сумел зарядить таким способом, оставалось всегда неизменным. За что открытый закон он и назвал законом сохранения заряда.
Q = q 1 + q 2 + q 3 + … + q n
Надо отдать должное аккуратности и терпению учёного, а также отваге, с которой он провозгласил свои законы, не имея единицы количества того, что изучал.
Частица электричества — минимальный заряд
Это уже потом догадались, что элементарным, то есть самым маленьким, электрическим зарядом является… электрон. Только не маленький кусочек янтаря, а невыразимо малая частица даже уже не вещества (почти), но которая обязательно есть в любом вещественном теле. И даже в каждом атоме любого вещества. И не только в атомах, но и вокруг них. И те:
- что находятся в атомах, называются связанные электроны.
- а которые вокруг — свободные электроны.
Связанными в атоме электроны бывают потому, что атомное ядро тоже содержит частицы заряда — протоны, и каждый протон обязательно притянет к себе электрон. Как раз по закону Кулона.
А заряд, который вы можем видеть или чувствовать получается в результате:
- трения,
- накопления,
- химической реакции,
- электромагнитной индукции,
составляют только свободные электроны, которые были выброшены из атомов по причине разных недоразумений:
- от удара другого атома (тепловая эмиссия)
- кванта ли света (фотоэмиссия) и по другим причинам
и бродящие внутри огромных макроскопических тел (например, волосинок).
Для электронов тела наших предметов действительно огромны. В одной единице заряда (кулоне) — электронов содержится примерно вот сколько: 624 150 912 514 351 000 с небольшим. Звучит это так: 624 квадриллиона 150 триллионов 912 миллиардов 514 миллионов 351 тысяча электронов в одном кулоне электрического заряда.
А кулон, это величина совсем простая и нам близкая. Кулон, это тот самый заряд, который протекает в одну секунду через сечение проводника, если ток в нём имеет силу в один ампер. То есть при 1 ампере за каждую секунду через поперечное сечение проволочки будут мелькать как раз вот эти 624 квадриллиона … электронов.
Электроны настолько подвижны, и так быстро передвигаются внутри физических тел, что включают нам электрическую лампочку в одно мгновение, как только мы нажмём на выключатель. И поэтому электрическое взаимодействие у нас такое быстрое, что каждую секунду происходят события, называемые «рекомбинация». Сбежавший электрон находит атом, из которого электрон как раз убежал, и занимает в нём свободное место.
Количество таких событий в секунду тоже порядка…, ну, все это себе уже представляют. И эти события непрерывно повторяются, когда электроны покидают атомы, потом в атомы возвращаются. Убегают — возвращаются. Такова их жизнь, без этого они просто не могут существовать. И только благодаря этому существует электричество — та система, которая стала частью нашей жизни, нашего комфорта, нашего питания и сохранения.
Закон Кулона и связь с гравитацией
Мы уже упоминали Шарля Кулона. В честь него названа единица измерения заряда — Кулон. Он придумал закон о взаимодействии зарядом.
Мы уже знаем, что заряды бывают положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Это значит, что сила направлена туда же, куда заряд будет стремиться двигаться.
Например, у положительного заряда сила будет направлена в сторону отрицательного, если он есть где-то поблизости, и от положительного, так как одноименные заряды отталкиваются.
Согласно третьему закону Ньютона, силы одной природы возникают попарно, равны по величине, противоположны по направлению. Если взаимодействуют два неодинаковых заряда, сила, с которой больший заряд действует на меньший (В на А) равна силе, с которой меньший действует на больший (А на В).
Интересно, что у различных законов физики есть некоторые общие черты. Вспомним закон тяготения. Сила гравитации также обратно пропорциональны квадрату расстояния, но уже между массами. И невольно возникает мысль, что в этой закономерности таится глубокий смысл. До сих пор никому не удалось представить тяготение и электричество, как два разных проявления одной и той же сущности.
Сила и тут изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, но разница в величине электрических сил и сил тяготения поразительна. Пытаясь установить общую природу тяготения и электричества, мы обнаруживаем такое превосходство электрических сил над силами тяготения, что трудно поверить, будто у тех и у других один и тот же источник. Нельзя говорить, что одно действует сильнее другого, ведь все зависит от того, какова масса и каков заряд.
Рассуждая о том, насколько сильно действует тяготение, мы не вправе говорить: «Возьмем массу такой-то величины», потому что мы выбираем ее сами. Но если мы возьмем то, что предлагает нам сама Природа: ее собственные числа и меры, которые не имеют ничего общего с нашими дюймами, годами — с любыми нашими мерами, вот тогда мы можем сравнивать.
Мы возьмем элементарную заряженную частицу, например, электрон. Две элементарные частицы, два электрона, за счет электрического заряда отталкивают друг друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, а за счет гравитации притягиваются друг к другу опять-таки с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния.
Тяготение относится к электрическому отталкиванию, как единица к числу с 42 нулями. Да, это огромное число! Исследователи перебирали все большие числа, чтобы понять — откуда это взялось. Одно из таких больших чисел — это отношение диаметра Вселенной к диаметру протона — как ни удивительно, это тоже число с 42 нулями. Нормально так перебрали.
Если вы смотрели Рика и Морти, то знаете о теории параллельных вселенных и о том, что эти вселенные расширяются. Из-за расширения вселенной постоянная сила тяготения меняется. Хотя эта гипотеза еще не опровергнута, у нас нет никаких свидетельств в ее пользу. Наоборот, некоторые данные говорят о том, что постоянная сила тяготения не менялась таким образом. Это громадное число по сей день остается загадкой.
От расширяющихся вселенных и мультиков перейдем к чему-то более приземленному — к задачам.
Задачка раз
Расстояние между двумя точечными электрическими зарядами уменьшили в 3 раза, каждый из зарядов увеличили в 3 раза. Во сколько раз увеличился модуль сил электростатического взаимодействия между ними?
Решение:
Возьмем закон Кулона.
F = k*(q₁*q₂/r²)
Если расстояние уменьшилось в 3 раза, то знаменатель уменьшился в 9 раз. Каждый из зарядов увеличился в три раза, значит числитель увеличился в 9 раз. Уменьшаем знаменатель в 9 раз, тем самым увеличивая всю дробь в 9 раз, увеличиваем числитель в 9 раз, получаем, что вся дробь увеличилась в 81 раз. И это ответ.
Ответ: модуль сил электростатического взаимодействия увеличится в 81 раз.
Задачка два (последняя!)
Два одинаковых маленьких отрицательно заряженных металлических шарика находятся в вакууме на достаточно большом расстоянии друг от друга. Модуль силы их кулоновского взаимодействия равен F₁. Модули зарядов шариков отличаются в 5 раз.
Если эти шарики привести в соприкосновение, а затем расположить на прежнем расстоянии друг от друга, то модуль силы их кулоновского взаимодействия станет равным F₂. Определите отношение F₂ к F₁.
Решение:
Для начала найдем заряд шариков после соприкосновения.
(q₁ + q₂)/2= (5q + q)/2= 3q
Теперь по закону кулона найдем силу F2
F = k * (q₁*q₂/r²) = (9kq²)/r²
И находим отношение сил
F₂/F₁ = 1,8
Ответ: отношение сил равно 1,8
История возникновения
Много лет назад люди наблюдали за природными явлениями, имеющими электрическую природу. В 600 г. до н.э. в Греции экспериментально установили, что потертая шерстью окаменелая смола притягивает предметы.
В 30-е гг. ХХ веке археологи нашли горшки, внутри которых находились медные листы. Эти своеобразные батареи для освещения были обнаружены в Багдаде, что дает основания предположить, что разработка принадлежит древним персам.
В 1600 году слово electricus использовалось Уильямом Гилбертом для описания статической энергии, возникающей при механическом взаимодействии веществ. Томас Браун в ряде исследовательских трудов использовал категорию «электричество» («янтарность»). С этого времени началась эра экспериментов с целью разгадки природы явления. Дата каждого из них вписана в историю.
Период ранних открытий подготовил базис для развития науки, проведения исследований, разработки оборудования для транспортирования электричества.
Приборы для измерения и обнаружения электрического заряда.
Урок 18. Электростатика. Свойства электрических зарядов. Приборы для измерения электрического заряда.
Электростатика изучает неподвижные заряды.
Электризация
– процесс, в результате которого тело приобретает электрический заряд.
Электрический заряд q (Кл)
— количественная мера взаимодействия заряженных тел является. Заряд скалярная величина.
Основные свойства электрических зарядов:
· Двойственность.
· Сохранение
· Квантование
· Аддитивность
· Инвариантность к разным системам отсчета.
Отметим, что способностью к электризации при натирании друг об друга обладают разные вещества. Например, эбонит электризуется при трении о мех, а стекло при трении о шелк. Электрический заряд, который получает стеклянная палочка при трении о шелк называют положительным. Электрический заряд, который получает эбонитовая палочка при трении о мех называют отрицательным.
Двойственность
электрических зарядов состоит в том, что в природе существуют заряды двух знаков: положительные и отрицательные.
Чтобы дать объяснение электрическим явлениям необходимо рассмотреть строение атома.
Наименьшая частица вещества –атом
состоит из отрицательно заряженной электронной оболочки и положительно заряженного ядра, которое в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Число отрицательно заряженных электронов в электронной оболочке равно числу положительно заряженных протонов в ядре атома, поэтому атом электрически нейтрален.
Если атом лишится части электронов, то превратиться в положительно заряженный ион
, а если к нему добавятся лишние электроны – то вотрицательный ион .
Замечание
: В процессе электризации от одного тела к другому переходить могут только электроны! Протоны не могут.
Заряд электрона e
равен по модулю заряду протона и называется элементарным зарядом.
Замечание:
Заряженные тела притягивают к себе нейтральные тела и тела с противоположным знаком. Отталкивание наблюдается только между одноименно заряженными телами.
Закон сохранения зарядов
Общий заряд замкнутой системы сохраняется при всех изменениях внутри системы.
Квантование
зарядов состоит в том, что любой заряд содержит в себе целое число элементарных зарядов :
Аддитивность
зарядов состоит в том, что заряд системы тел равен алгебраической сумме зарядов, составляющих эту систему.
Инвариантность
зарядов к разным системам отсчета состоит в том, что заряд тела не зависит от скорости его движения.
Свободные заряды
– это заряды способные перемещаться по всему заряженному телу под действием электрического поля.
Связанные заряды
– это заряды, которые могут лишь смещаться внутри молекулы или атома, но не способны перемещаться по всему телу под действием электрического поля.
Приборы для измерения и обнаружения электрического заряда.
Электроскоп
– это прибор для обнаружения электрических зарядов. Электроскоп состоит из металлического стержня, к которому подвешены две полоски бумаги или алюминиевой фольги. Стержень укреплен при помощи эбонитовой пробки внутри металлического корпуса цилиндрической формы, закрытого стеклянными крышками.
Устройство электроскопа основано на явлении электрического отталкивания заряженных тел. При соприкосновении заряженного тела, например, натертой стеклянной палочки, со стержнем электроскопа электрические заряды распределяются по стержню и листочкам. Так как одноименно заряженные тела отталкиваются, то под действием силы отталкивания листочки электроскопа разойдутся на некоторый угол. Причем чем больше величина заряда электроскопа, тем больше сила отталкивания листочков и тем на больший угол они разойдутся. Следовательно, по углу расхождения листочков электроскопа можно судить о величине заряда, находящегося на электроскопе.
Если к заряженному электроскопу поднести тело, заряженное противоположным знаком, например, отрицательно, то угол между его листочками начнет уменьшаться. Следовательно, электроскоп позволяет определить знак заряда наэлектризованного тела.
Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется также электрометр
. Его принцип действия существенно не отличается от электроскопа. Основной частью электрометра является легкая алюминиевая стрелка, которая может вращаться вокруг вертикальной оси. По углу отклонения стрелки электрометра можно судить о величине заряда, переданного стержню электрометра.
Проградуированным прибором можно определять значения электрического заряда.
Рекомендуемые страницы:
Воспользуйтесь поиском по сайту:
Литература
- Буров Л.И., Стрельченя В.М. Физика от А до Я: учащимся, абитуриентам, репетиторам. – Мн.: Парадокс, 2000. – 560 с.
- Мякишев Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 кл.: учеб. Для углубленного изучения физики /Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. – М.Ж Дрофа, 2005. – 476 с.
- Физика: Учеб. пособие для 10 кл. шк. и классов с углубл. изуч. физики/ О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, Э. Е. Эвенчик и др.; Под ред. А. А. Пинского. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 1995. – 415 с.
- Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3 т./ Под ред. Г.С. Ландсберга: Т. 2. Электричество и магнетизм. – М: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 480 с.
Общие сведения
Две с половиной тысячи лет назад учёный Фалес Милетский обнаружил, что если янтарь натереть об шёлк, он начинает притягивать к себе лёгкие тела. Например, пушинки, пёрышки. С греческого языка «янтарь переводится как «электрон, поэтому в дальнейшем явление получило название электризация. Учёные установили, что при её появлении возникает какое-то новое свойство на телах, которое и получило название электрический заряд.
С его помощью физические тела могут действовать друг на друга, при этом сила этого взаимодействия будет в 1042 раз сильнее притяжения Земли. Во время опытов физики и философы могли наблюдать, что влияние было двух видов:
- притягивающее;
- отталкивающее.
Таким образом, было установлено, что электрический заряд — фундаментальное свойство природы, присутствие которого у предмета вызывает электрическое взаимодействие с другими электризованными телами.
В XIX веке, когда наиболее интенсивно изучалось электричество, единого мнения о механизме влияния зарядов не существовало. Было 2 теории: дальнодействия и близкодействия. Первая оказалась ошибочная. Экспериментально было подтверждено, что любой заряд распространяет силу — электрическое поле. Её значение хоть и большое, но всегда конечное. Основная же идея была предложена Фарадеем. Согласно ему, любой из зарядов является источником материи. Электрическая сила определяется характеристиками поля там, где находится заряд.
Строение твёрдого тела было открыто Резерфордом. Кратко оно заключается в следующем: ключевым элементом тела является атом. Вокруг него находятся заряды. Притяжение их к центру отсутствует, так как частицы вращаются на орбиталях. Они могут быть положительными, отрицательными, нейтральными. Эти микрочастицы и являются носителями зарядов, то есть сама по себе энергия существовать не может.
Накопление электричества и знаний о нём
Зримое накопление электричества происходило и когда надевали на себя поделки из янтаря: янтарные бусы, янтарные заколки для волос. Тут уж объяснений, кроме как явной магии, не могло быть никаких. Ведь, чтобы фокус удавался, перебирать бусы надо было исключительно чистыми сухими руками и сидя в чистой одежде. И чистые волосы, хорошо потёртые заколкой, дают нечто красивое и устрашающее: нимб торчащей кверху шевелюры. Да ещё потрескивание. Да ещё в темноте вспышки. Это же действие духа, требовательного и капризного, равно как и страшного и непонятного. Но настала пора, и электрические явления перестали быть территорией духа.
Стали всё что угодно называть просто — «взаимодействие». Вот уж тогда и начали экспериментировать. Придумали специальную машину для этого (электрофорная машина), и банку для накопления электричества (лейденская банка). И прибор, который уже мог показывать некоторое «равно-больше-меньше» в отношении электричества (электроскоп). Осталось только всё это объяснить с помощью набиравшего силу языка формул.
Так, человечество додумалось до необходимости осознания наличия в природе некоего электрического заряда. Собственно, в названии никакого открытия не содержится. Электрический — значит, связанный с явлениями, изучение которых началось с магии янтаря. Слово «заряд» говорит только о неясных возможностях, заложенных в предмет, как ядро в пушку. Просто ясно, что электричество можно как-то добывать и как-то накапливать. И как-то ого должно измеряться. Равно как и обычное вещество, например, масло.
И, по аналогии с веществами, о мельчайших частицах которых (атомах), говорили уверенно ещё со времён Демокрита, и решили, что заряд должен непременно состоять из аналогичных очень маленьких «корпускул» — телец. Количество которых в большом заряженном теле и даст величину электрического заряда.
Диэлектрики в электрическом поле
Диэлектриками называют вещества, не проводящие электрический ток. Диэлектриками являются стекло, фарфор, резина, дистиллированная вода, газы.
В диэлектриках нет свободных зарядов, все заряды связаны. В молекуле диэлектрика суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Различают полярные и неполярные диэлектрики.
В молекулах полярных диэлектриков ядра и электроны расположены так, что центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга. То есть молекулы представляют собой диполи независимо от наличия внешнего электрического поля. В отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул диполи расположены хаотично, поэтому суммарная напряженность поля всех диполей диэлектрика равна нулю.
Если в отсутствие внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов в молекуле диэлектрика совпадают, то он называется неполярным. Пример такого диэлектрика – молекула водорода. Если такой диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то направления векторов сил, действующих на положительные и отрицательные заряды, будут противоположными. В результате молекула деформируется и превращается в диполь. При внесении диэлектрика в электрическое поле происходит его поляризация.
Поляризация диэлектрика – процесс смещения в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества в электрическом поле.
Если диэлектрик неполярный, то в его молекулах происходит смещение положительных и отрицательных зарядов. На поверхности диэлектрика появятся поверхностные связанные заряды. Связанными эти заряды называют потому, что они не могут свободно перемещаться отдельно друг от друга.
Внутри диэлектрика суммарный заряд равен нулю, а на поверхностях заряды не скомпенсированы и создают внутри диэлектрика поле, вектор напряженности которого направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля. Это значит, что внутри диэлектрика поле имеет меньшую напряженность, чем в вакууме.
Физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля в вакууме к модулю напряженности электрического поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества:
В полярном диэлектрике во внешнем электрическом поле происходит поворот диполей, и они выстраиваются вдоль линий напряженности.
Если внесенный в электрическое поле диэлектрик разрезать, то его части будут электрически нейтральны.
Закон сохранения электрического заряда
Основная статья: Закон сохранения электрического заряда
Совокупный электрический заряд замкнутой системы сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.
В рассматриваемой системе могут образовываться новые электрически заряженные частицы, например, электроны — вследствие явления ионизации атомов или молекул, ионы — за счёт явления электролитической диссоциации и др. Однако, если система электрически изолирована, то алгебраическая сумма зарядов всех частиц, в том числе и вновь появившихся в такой системе, всегда сохраняется.
Закон сохранения электрического заряда — один из основополагающих законов физики. Он был впервые экспериментально подтверждён в 1843 году английским учёным Майклом Фарадеем и считается на настоящее время одним из фундаментальных законов сохранения в физике (подобно законам сохранения импульса и энергии). Всё более чувствительные экспериментальные проверки закона сохранения заряда, продолжающиеся и поныне, пока не выявили отклонений от этого закона.
