Большая энциклопедия нефти и газа.

Электрический заряд – это способность тел быть источником электромагнитных полей. Так выглядит энциклопедическое определение важной электротехнической величины. Основными законами, связанными с ним, являются Закон Кулона и сохранения заряда. В этой статье мы рассмотрим закон сохранения электрического заряда, постараемся простыми словами дать определение и предоставить все необходимые формулы.

Понятие « » впервые введено в 1875 году в этом. Формулировка утверждает, что сила, которая действует между двумя заряженными частицами направленная по прямой прямо пропорциональна заряду и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

Это значит, что, отдалив заряды в 2 раза, сила их взаимодействия уменьшится в четыре раза. А вот так это выглядит в векторном виде:

Граница применимости вышесказанного:

• точечные заряды;
• равномерно заряженные тела;
• его действие справедливо на больших и малых расстояниях.

Заслуги Шарля Кулона в развитии современной электротехники велики, но перейдём к основной теме статьи – закону сохранения заряда. Он утверждает, что сумма всех заряженных частиц в замкнутой системе неизменна. Простыми словами заряды не могут возникнуть или исчезнуть просто так. При этом во времени он не изменяется и его можно измерить (или разделить, квантовать) частями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть электрону.

Но помните, что в изолированной системе новые заряженные частицы возникают только под воздействием определенных сил или в результате каких-либо процессов. Так ионы возникают в результате ионизации газов, например.

Если вас заботит вопрос, кем и когда открыт закон сохранения заряда? Он был подтвержден в 1843 году великим учёным — Майклом Фарадеем. В опытах, подтверждающих закон сохранения, количество зарядов измеряется электрометрами, его внешний вид изображен на рисунке ниже:

Но подтвердим свои слова практикой. Возьмем два электрометра, на стержень одного кладем металлический диск, накрываем его сукном. Теперь нам нужен еще один металлический диск на диэлектрической ручке. Его трём о диск, лежащий на электрометре, и они электризуются. Когда диск с диэлектрической ручкой уберут – электрометр покажет насколько заряженным он стал, диском с диэлектрической ручкой касаемся второго электрометра. Его стрелка также отклонится. Если теперь замкнуть два электрометра стержнем на диэлектрические рукоятки – их стрелки вернуться в исходное положение. Это говорит о том, что общий или результирующий электрический заряд равен нулю, и его величина в системе осталась прежней.

Отсюда следует формула, описывающая закон сохранения электрического заряда:

Следующая формула говорит о том, что изменение электрического заряда в объеме равносильно полному току через поверхность. Это также называется «уравнение непрерывности».

А если перейти к очень малому объему получится закон сохранения заряда в дифференциальной форме.

Важно также рассказать, как связаны заряд и массовое число. При разговоре о строении веществ часто звучат такие слова как молекулы, атомы, протоны и подобное. Так вот массовым числом называется общее количество протонов и нейтронов, а число протонов и электронов в ядре называют зарядовым числом. Другими словами, зарядовым числом называют заряд ядра, и он всегда зависит от его состава. Ну а масса элемента зависит от числа его частиц.

Таким образом мы кратко рассмотрели вопросы, связанные с законом сохранения электрического заряда. Он является одним из фундаментальных законов физики наряду с законами сохранения импульса и энергии. Его действие безупречно и с течением времени и развитием техники не удаётся опровергнуть его справедливость. Надеемся, после прочтения нашего объяснения вам стали понятны все ключевые моменты этого закона!

Материалы

Хендрик Антон Лоренц. Закон Био-Савара-Лапласа. Ампер Андре-Мари. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Инструкция к просмотру. Линии магнитной индукции полей. Ханс Эрстед. Графическое изображение полей. Индукция магнитного поля прямолинейного тока. Направление вектора магнитной индукции. Масс-спектрограф. Опыт Эрстеда. Применение. Ампер присутствовал на заседании Академии. Модуль вектора магнитной индукции.

«Программа энергосбережения» - С уважением к энергосбережению. Щели в оконных рамах. Программа повышения энергетической эффективности. Кран. Работа в творческих мастерских. Цветной телевизор. Экономические задачи. Заседание дискуссионного клуба. Умное потребление. Энергосбережение. Час Земли. Энергопотребление и его последствия. Энергетические проблемы человечества. Рациональное использование энергии. Холодильник. Острова. Анкета.

««Законы Ньютона» 10 класс» - Скорость лыжника. Силы, с которыми тела действуют друг на друга. Проверь себя. Принцип относительности Галилея. Неинерциальные системы отсчета. Яблоко и Земля. Законы Ньютона. Найдите построением равнодействующую сил. Заполнить обобщающую таблицу. Ускорение тела. Системы отсчета. Динамика. Лебедь. Особенности III закона. Принцип суперпозиции сил. Направления скорости. Инерция. Скорость тела. Ускорение тела прямо пропорционально силе.

«МАГАТЭ» - Конфликт. Сферы деятельности. Дуайт Эйзенхауэр. Атом для мира. Состав и организационная структура. Агентство по атомной энергии. Штаб-квартира МАГАТЭ. Широкий спектр услуг. Контрольные функции. Участники. Создание МАГАТЭ. МАГАТЭ. Межправительственная организация. Нераспространение ядерного оружия. Мохаммед аль-Барадеи.

««Тепловые двигатели» 10 класс» - Двухтактный двигатель. Основные компоненты двигателя. Степень сжатия. Иван Ползунов. Охрана природы. Виды двигателей. Паровая турбина. Двигатель работает по четырехтактному циклу. Томас Ньюкомен. Опасность. Дизельные двигатели. Этапы развития ДВС. КПД двигателя. Огненное сердце. Немного истории. Пионеры ракетно-космической техники. Автомобили на ДВС завоевали мир. Профилактические меры. Решение выше перечисленных проблем жизненно важно для человека.

«Электролиз растворов электролитов» - Электрический ток в электролитах. Получение химически чистых веществ. Электрический ток. Распад нейтральных молекул. Первый закон электролиза. Заряд. Применение электролиза. Гальванопластика. Гальваностегия. Электролитическая диссоциация. Получение алюминия. Источник тока. Законы электролиза. Гальванотехника. Применение. Электролиз. Электрический ток в жидкостях. Анод. Катод. NaCl.

В основе всего разнообразия явлений природы лежат 4 фундаментальных взаимодействия между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Каждый вид взаимодействия связывается с определенной характеристикой частиц: например – электромагнитное – с электрическим зарядом. Электрический заряд является неотъемлемым свойством некоторых элементарных частиц. Элементарными частицами будем называть мельчайшие известные в настоящее время частицы материи. Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Электрический заряд частицы - основная ее характеристика. Он обладает тремя фундаментальными свойствами:

Самая маленькая частица электрического заряда - называется элементарным зарядом.

Заряд всех элементарных частиц (если он не равен нулю) одинаков по абсолютной величине.

Положительный элементарный заряд будем обозначать символом (+е), отрицательный – (-е).

Из протонов, электронов и нейтронов построены атомы и молекулы любого вещества. Известны также частицы, называемые резонансами, заряд которых равен 2е.

2) Всякий заряд q образуется совокупностью элементарных зарядов, и является целым кратным е.

Электрический элементарный заряд очень мал, поэтому можно считать возможную величину макроскопических зарядов изменяющейся непрерывно.

3) Если физическая величина может принимать только определенные, дискретные значения, то говорят, что эта величина квантуется. Электрический заряд квантуется.

Величина заряда, измеряемая в различных инерциальных системах отсчета, оказывается одинаковой. Его величина не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется он или покоится.

Электрический заряд является релятивистски инвариантным. Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь. Но всегда возникают или исчезают 2 электрических заряда противоположных знаков. Электрон и позитрон при встрече аннигилируют , т.е. превращаются в нейтральные гамма-фотоны, при этом исчезают заряды +е и -е. Если гамма-фотон попадает в поле атомного ядра, то рождается пара частиц – электрон и позитрон, при этом возникают заряды +е и -е.

Закон сохранения электрического заряда . Он был установлен из обобщения опытных данных и экспериментально подтвержден в 1843 г. физиком М. Фарадеем.

Электрически изолированной системой будем называть систему, если между ней и внешними телами нет обмена электрическими зарядами. В такой системе могут возникать новые электрически заряженные частицы, но всегда рождаются частицы, суммарный электрический заряд которых равен нулю.

Алгебраическая сумма электрических зарядов любой электрически замкнутой системы остается неизменной, какие бы процессы не происходили внутри этой системы .

где- q 1 и q 2 -заряды тел системы до взаимодействия, а q 1 ¢ и q 2 ¢ - после взаимодействия.

Закон сохранения электрического заряда связан с релятивистской инвариантностью заряда. Действительно, если бы величина заряда зависела от его скорости, то, приведя в движение заряды одного какого-то знака, мы изменили бы суммарный заряд изолированной системы.

В нашей стране с 1982 введена система единиц СИ. Обозначается электрический заряд буквами - q или Q . Единицей измерения электрического заряда в СИ является Кулон, ([q] = 1 Кл), кулон – производная единица измерения.

1 Кулон - это электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1А за время 1 сек.

- [м], - [кг], -[сек], [ I ]-, - K ,

1Кл = 2,998 ·10 9 СГСЭ единиц заряда; или 1СГСз = 1/3·10 -9 Кл, e = +1,6·10 -19 Кл.

СГСЭ система - (см, г, с и СГСЭ единица заряда) называется абсолютной электростатической системой единиц.

СГСЭ единица заряда это такой заряд, который взаимодействует в вакууме с равным ему и находящимся на расстоянии 1 см зарядом с силой в 1 дину.

Элементарный заряд равен: e =+1,6·10 -19 Кл = 4,80·10 -10 СГСЭ - единиц заряда.

В СИ единицей силы служит ньютон (Н), 1Н= 10 5 дин .

z:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\content\chapter1\section\paragraph2\theory.htmlz:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\content\chapter1\section\paragraph2\theory.htmlz:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images\ring_h.gifq 1 +q 2 +q 3 + +q n = const. (1.1)

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака. Наличие носителей зарядов является условием того, что тело проводит электрический ток. В зависимости от способности проводить электрический ток, тела делятся на: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводники – тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму. Проводники делятся на две группы:

1) проводники первого рода (металлы) – перенос в них электрических зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями;

2) проводники второго рода (расплавы солей, растворы солей и кислот и другие) – перенос в них зарядов (положительно и отрицательно заряженных ионов) ведёт к химическим изменениям.

Диэлектрики (стекло, пластмасса) – тела, которые не проводят электрический ток и в них практически отсутствуют свободные заряды.

Полупроводники – занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их проводимость сильно зависит от внешних условий (температура, ионизирующее излучение и т.д.). В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл)

Электрический заряд, проходящий через попереч­ное сечение

проводника при силе тока 1 А за время 1 с.

z:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\content\chapter1\section\paragraph2\theory.html z:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\content\chapter1\section\paragraph2\theory.htmlz:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\content\chapter1\section\paragraph2\theory.htmlz:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images\ring_h.gif 1.2. ЗАКОН КУЛОНА.

Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные раз­меры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряжен­ных тел, с которыми он взаимодействует. Понятие точечного заряда, как и материаль­ной точки, является физической абстракцией.

Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними: F = (1/4πεε 0)(q 1 q 2 /r 2), (1.2)

где ε 0 = 8,85 10 -12 (Кл 2 /Н.м 2) –электрическая постоянная.

Величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называетсядиэлектрической проницаемостью среды ε .

Кулоновские силы - центральные, т.е. они направлены по линии соединения центра зарядов. Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона:F 1 = -F 2 . (1.3)

Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках. Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ.

НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ.

По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела. Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется не непосредственным их воздействием друг на друга, а через электрические поля, окружающие заряженные тела.

Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда:

E = F/q. (1.4).

Рис. 2. Силовые линии кулоновских полей.

Направление вектора напряженности совпадает с направлением Кулоновской силы, действующей на положительный заряд.

Графически электростатическое поле изображают с помощью линий напряженности - линий, касательные к которым в каждой точке пространства совпадают с направлением напряженности.

Величина dФ E = E n dS (1.5)

называется потоком вектора напряженности через площадку dS. Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектораE через эту поверхность: Ф E = ò S E n dS, (1.6.)

где интеграл берется по замкнутой поверхности S.

Поток вектора Е является алгебраической величиной и зависит не только от конфигурации поля Е , но и от выбора направления.

1.z:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images\Fwd_h.gifz:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images\Bwd_h.gifz:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images\Fwd_h.gifz:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images\Bwd_h.gif4. ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦИИ. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ.

E = S E i . (1.7.)

Согласно принципу суперпозиции электростатических полей, напряженность результирующего поля, создаваемого системой зарядов, равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности E = S E i . (1.7.)

ЗАДАЧИ ЭЛЕКТРОСТАТИКИ.

Задачи сводятся к нахождению характеристик поля по заданному pасположению заpядов в пpостpанстве на основании закона Кулона и пpинципа супеpпозиции полей. В случае непpеpывного pаспpеделения заpядов по телам, их можно свести к системе точечных заpядов. Для этого достаточно заpяженные тела pазбить на бесконечно малые части.

ПОЛЕ ДИПОЛЯ.

Рис. 6. Поле диполя.

Электрический диполь - система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов. Вектор, направленный по оси диполя, от отрицательного заряда к положительному и равный расстоянию между ними, называют плечом диполяl. Вектор p = |q|.l (1.8)

совпадающий, по направлению с плечом диполя и равный произведению заряда на плечо, называется электрическим моментом диполя или дипольным моментом.

1) Напряженность поля на продолжении оси диполя в точке А . равна

E A = E + - E - Обозначив расстояние от точки А до середины диполя через r , на основании формулы Кулона для вакуума, получим:

E = 1/(4pe 0) =

= q/(4pe 0){[(r + l/2) 2 - (r - l/2) 2 ]/ [(r - l/2) 2 (r + l/2) 2 ]} (1.9.)

согласно определению диполя, l/2 << r, поэтому

E = 1/(4pe 0).(2ql/r 3) = 1/(4pe 0)(p/r 3). (1.10.)

2) Напряженность поля на перпендикуляре, восстановленном к оси диполя из его середины, в точке В . Точка В равноудалена от зарядов, поэтому

E + = E - = 1/(4pe 0)}