>>Физика: Единица электрического заряда

Введена новая физическая величина - электрический заряд . Нужно выбрать единицу этой величины. Этот выбор, как и выбор единиц других физических величин, произволен. Дело здесь только в целесообразности того или иного выбора.
Создать макроскопический эталон единицы электрического заряда, подобный эталону массы - килограмму, невозможно из-за утечки заряда. Естественно было бы за единицу принять заряд электрона, что и сделано в атомной физике, но этот заряд слишком мал, и поэтому пользоваться им в качестве единицы заряда не всегда удобно.
Единица заряда - кулон. В Международной системе единиц (СИ) единица заряда является не основной, а производной и эталон для нее не вводится. Наряду с метром, секундой и килограммом в СИ введена основная единица для электрических величин - единица силы тока - ампер . Эталонное значение ампера устанавливается с помощью магнитных взаимодействий токов.
Единицу заряда в СИ - кулон устанавливают с помощью единицы силы тока. Один кулон (1 Кл) - это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.
Коэффициент k в законе Кулона при записи его в единицах СИ выражается в Н м 2 /Кл 2 , так как согласно формуле (14.2) имеем

где сила взаимодействия зарядов выражается в ньютонах, расстояние - в метрах, заряд - в кулонах. Числовое значение этого коэффициента можно определить экспериментально. Для этого надо измерить силу взаимодействия F между двумя известными зарядами |q 1 | и |q 2 | , находящимися на заданном расстоянии r , и эти значения подставить в формулу (14.3). Полученное значение к будет равно:

Заряд в 1 Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов, по 1 Кл каждый, расположенных на расстоянии 1 км друг от друга, чуть меньше силы, с которой земной шар притягивает груз массой 1 т. Поэтому сообщить небольшому телу (размером порядка нескольких метров) заряд в 1 Кл невозможно. Отталкиваясь друг от друга, заряженные частицы не могут удержаться на теле. Никаких других сил, способных в данных условиях компенсировать кулоновское отталкивание, в природе не существует. Но в проводнике, который в целом нейтрален, привести в движение заряд в 1 Кл не составляет большого труда. Ведь в обычной электрической лампочке мощностью 100 Вт при напряжении 127 В сила тока немного меньше 1 А. При этом за 1 с через поперечное сечение проводника проходит заряд, почти равный 1 Кл.
Минимальный заряд, существующий в природе, - это заряд элементарных частиц. В единицах СИ модуль этого заряда равен:

Заряд, который можно сообщить телу, всегда кратен минимальному заряду:

где N - целое число. Когда заряд тела существенно больше по модулю минимального заряда, то проверять кратность не имеет смысла, однако когда речь идет о заряде частиц ядер атомов, то заряд их должен быть всегда равен целому числу модулей заряда электрона.
В СИ единица заряда - кулон устанавливается с помощью единицы силы тока - ампер. Элементарный электрический заряд е = 1,6 10 19 Кл.

???
1. Как определяется единица заряда?
2. Чему равен заряд протона?

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

Введена, новая физическая - ве­личина - электрический заряд. Нуж­но выбрать единицу этой величины. Этот выбор, как и выбор единиц других физических величин, произволен. Дело здесь только в целе­сообразности того или иного выбора.

Создать макроскопический эталон единицы электрического за­ряда, подобный эталону массы -килограмму, невозможно из-за утечки заряда. Естественно было бы за единицу принять заряд электрона, что и сделано в атомной физике, но этот заряд слишком мал, и поэтому пользоваться им в качестве единицы заряда не всегда удобно.

Единица заряда - кулон. В Меж­дународной системе единиц (СИ) единица заряда является не основ­ной, а производной и эталон для нее не вводится. Наряду с метром, секундой и килограммом в СИ введена основная единица для электри­ческих величин - единица силы то­ка - ампер. Эталонное значение ам­пера устанавливается с, помощью магнитных взаимодействий токов. Об этом было сказано в учебнике физики для VIII класса.

Единицу заряда в СИ - кулон устанавливают с помощью единицы силы тока. Один кулон (1 Кл) - это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.

Коэффициент kв законе Кулона при записи его в единицах СИ вы­ражается в Н∙м 2 /Кл 2 , так как согласно формуле (1):

а сила взаимодействия зарядов выражается в ньютонах, расстояние – в метрах, заряд - в кулонах. Число­вое значение этого коэффициента можно определять эксперименталь­но. Для этого надо измерить силу взаимодействия F между двумя известными зарядами |q 1 |и|q 2 | , находящимися на заданном расстоя­нии r, и эти значения подставить в формулу (1). Полученное значе­ние k , будет равно

k=9·10 9 Н∙м 2 /Кл 2 .. (2)

Заряд в 1Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов, по 1 Кл каждый, располо­женных на расстоянии 1 км друг от друга, чуть меньше силы, с кото­рой земной шар притягивает груз массой 1 т. Поэтому сообщить не­большому телу (размером порядка несколько метров) заряд в 1 Кл невозможно. Отталкиваясь друг от друга, заряженные частицы не могут удержаться на теле. Никаких дру­гих сил, которые были бы способны в данных условиях компенсировать кулоновское отталкивание, в природе не существует. Но в проводнике, который в целом нейтрален, привести в движение заряд в 1 Кл не составляет большого труда. Ведь в обычной электрической лампе мощ­ностью 100 Вт при напряжении 127 В устанавливается ток, немного меньший 1 А. При этом за 1 с через поперечное сечение проводника проходит заряд, почти равный 1 Кл.

Минимальный заряд, существую­щий в природе, - это заряд элементарных частиц. В единицах СИ мо­дуль этого заряда равен:

e=1.6∙10 -19 Кл . (3)

Электрическая Постоянная. Коэф­фициент k в СИ принято запи­сывать в форме


Величину ε 0 (ε - греческая бук­ва «эпсилон») называют электриче­ской постоянной. Она равна:


В дальнейшем для простоты запи­си формул мы не будем, записывать коэффициент k, в виде выраже­ния (4), за исключением отдель­ных случаев.

В СИ единица. заряда - ку­лон устанавливается с помощью единицы силы тока - ампер. Эле­ментарный электрический заряд е= 1,6.10 -19 Кл.

К данному моменту нашего повествования сложилась парадоксальная ситуация − мы сформулировали закон взаимодействия заряженных тел, выразили его в виде формулы, но не определили величины зарядов этих тел. Для такого определения необходимо задать единицу измерения электрического заряда. Проще всего в качестве эталона заряда использовать некоторое, хорошо известное всем заряженное тело, например, электрон 1 . Как мы увидим в дальнейшем, заряд электрона является естественной единицей измерения заряда. Но, во-первых, электрон был открыт относительно недавно, каких-то сто лет назад, и примерно через сто лет после открытия закона Кулона. Во-вторых, этот заряд мал, поэтому его использование для определения зарядов макроскопических тел не удобно. Заметим, что в ядерной физике и физике элементарных частиц заряд электрона является единицей измерения зарядов других частиц.
 Для задания единиц измерения физических величин необходимо использовать физические законы. С этой точки зрения можно установить величину единицы заряда на основании закона Кулона. Для этого можно положить коэффициент пропорциональности в формулах (1) − (2) равным единице и дать следующее определение единицы заряда: два единичных заряда, находящихся на единичном расстоянии, взаимодействуют с единичной силой. Кстати именно так определяется величина заряда в одной из систем единиц измерения СГСЭ, которой до сих пор с удовольствием пользуются некоторые физики-теоретики. В общепринятой (и обязательной) системе единиц СИ принято другое определение единицы заряда, основанное на другом физическом законе − законе взаимодействия электрических токов Ампера, строгое определение этой единицы мы дадим при изучении взаимодействия токов. Основная причина такого определения заключается в том, что создать эталон силы тока технически намного проще, чем эталон электрического заряда. Поэтому в системе СИ в качестве основной электрической единицы выбрана единица силы тока − Ампер. Единица заряда в этой системе является производной. Эта единица носит название Кулон (сокращенно Кл), в честь автора основного закона электростатики. По определению 1 Кулон это заряд, который протекает через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 Ампер за 1 секунду :

Можно обратится к аналогии с законом всемирного тяготения − как мы упоминали, на основании этого закона можно было бы установить единицы гравитационной массы. Однако оказалось удобней установить эталон инерционной массы − килограмм. Поэтому в законе всемирного тяготения появился размерный коэффициент пропорциональности − гравитационная постоянная.
 Аналогично, так как единица заряда установлена на основании закона Ампера, в законе Кулона коэффициент пропорциональности должен иметь размерность, а его численное значение определяется экспериментально.
 Для упрощения многих формул электростатики коэффициент пропорциональности в системе СИ записывают в несколько непривычной форме

где константа ε o называется электрической постоянной. Поэтому формула закона Ш. Кулона в системе СИ имеет вид

 Экспериментально 2 определенное численное значение электрической постоянной равно

При расчетах удобно использовать значение константы

 Физический смысл коэффициента k очевиден − два заряда величиной в 1 Кл каждый, находящиеся на расстоянии в 1 метр взаимодействуют с силой 9 × 10 9 H . Обратите внимание громадность этой силы! Для электростатики заряд в 1 Кулон является очень большим − описанные нами стеклянные и эбонитовые палочки при электризации трением имеют заряды порядка 10 −10 Кл .

Электрический заряд – физическая величина, характеризующая способность тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Измеряется в Кулонах.

Элементарный электрический заряд – минимальный заряд, который имеют элементарные частицы (заряд протона и электрона).

Тело имеет заряд , значит имеет лишние или недостающий электроны. Такой заряд обозначаетсяq =ne . (он равен числу элементарных зарядов).

Наэлектризовать тело – создать избыток и недостаток электронов. Способы:электризация трением иэлектризация соприкосновением .

Точечный заря д – заряд тела, которое можно принять за материальную точку.

Пробный заряд () – точечный, малый по величине заряд, обязательно положительный – используется для исследования электрического поля.

Закон сохранения заряда :в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется постоянной при любых взаимодействиях этих тел между собой .

Закон Кулона :силы взаимодействия двух точечных зарядов пропорциональны произведению этих зарядов, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними, зависят от свойств среды и направлены вдоль прямой, соединяющей их центры .


, где

Ф/м, Кл 2 /нм 2 – диэлектр. пост. вакуума

- относит. диэлектрическая проницаемость (>1)


- абсолютная диэлектрическая прониц. среды

Электрическое поле – материальная среда, через которую происходит взаимодействие электрических зарядов.

Свойства электрического поля:



Характеристики электрического поля:

    Напряжённость (E ) – векторная величина, равная силе, действующей на единичный пробный заряд, помещённый в данную точку.


Измеряется в Н/Кл.

Направление – такое же, как и у действующей силы.

Напряжённость не зависит ни от силы, ни от величины пробного заряда.

Суперпозиция электрических полей : напряжённость поля, созданного несколькими зарядами, равна векторной сумме напряжённостей полей каждого заряда:


Графически электронное поле изображают с помощью линий напряжённости.

Линия напряжённости – линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряжённости.

Свойства линий напряжённости : они не пересекаются, через каждую точку можно провести лишь одну линию; они не замкнуты, выходят из положительного заряда и входят в отрицательный, либо рассеиваются в бесконечность.

Виды полей:

    Однородное электрическое поле – поле, вектор напряжённости которого в каждой точке одинаков по модулю и направлению.

    Неоднородное электрическое поле – поле, вектор напряжённости которого в каждой точке неодинаков по модулю и направлению.

    Постоянное электрическое поле – вектор напряжённости не изменяется.

    Непостоянное электрическое поле – вектор напряжённости изменяется.

    Работа электрического поля по перемещению заряда .


, гдеF– сила,S– перемещение,- угол междуFиS.

Для однородного поля: сила постоянна.

Работа не зависит от формы траектории; работа по перемещению по замкнутой траектории равна нулю.

Для неоднородного поля:


    Потенциал электрического поля – отношение работы, которое совершает поле, перемещая пробный электрический заряд в бесконечность, к величине этого заряда.


-потенциал – энергетическая характеристика поля. Измеряется в Вольтах


Разность потенциалов :

Если

, то


, значит



-градиент потенциала.

Для однородного поля: разность потенциалов – напряжение :


. Измеряется в Вольтах, приборы – вольтметры.

Электроёмкость – способность тел накапливать электрический заряд; отношение заряда к потенциалу, которое для данного проводника всегда постоянно.


.

Не зависит от заряда и не зависит от потенциала. Но зависит от размеров и формы проводника; от диэлектрических свойств среды.


, гдеr– размер,

- проницаемость среды вокруг тела.

Электроёмкость увеличивается, если рядом находятся любые тела – проводники или диэлектрики.

Конденсатор – устройство для накопления заряда. Электроёмкость:

Плоский конденсатор – две металлические пластины, между которыми находится диэлектрик. Электроёмкость плоского конденсатора:


, гдеS– площадь пластин,d– расстояние между пластинами.

Энергия заряженного конденсатора равна работе, которую совершает электрическое поле при переносе заряда с одной пластины на другую.

Перенос малого заряда

, напряжение измениться на

, совершится работа

. Так как

, а С =const,

. Тогда

. Интегрируем:


Энергия электрического поля :

, гдеV=Sl– объём, занимаемый электрическим полем

Для неоднородного поля :

.

Объёмная плотность электрического поля :

. Измеряется в Дж/м 3 .

Электрический диполь – система, состоящая из двух равных, но противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (плечо диполя -l).

Основная характеристика диполя – дипольный момент – вектор, равный произведению заряда на плечо диполя, направленный от отрицательного заряда к положительному. Обозначается

. Измеряется в Кулон-метрах.

Диполь в однородном электрическом поле.

На каждый из зарядов диполя действуют силы:

и

. Эти силы противоположно направлены и создают момент пары сил – вращающий момент:, где

М – вращающий момент F– силы, действующие на диполь

d– плечо силl– плечо диполя

p– дипольный моментE– напряжённость

- угол междуpи Еq– заряд

Под действием вращающего момента, диполь повернётся и установится по направлению линий напряжённости. Векторы pи Е будут параллельны и однонаправлены.

Диполь в неоднородном электрическом поле.

Вращающий момент есть, значит диполь повернётся. Но силы будут неравны, и диполь будет двигаться туда, где сила больше.


-градиент напряжённости . Чем выше градиент напряжённости, тем выше боковая сила, которая стаскивает диполь. Диполь ориентируется вдоль силовых линий.

Собственное поле диполя .

Но . Тогда:


.

Пусть диполь находится в точке О, а его плечо мало. Тогда:


.

Формула получена с учётом:

Таким образом разность потенциалов зависит от синуса половинного угла, под которым видны точки диполя, и проекции дипольного момента на прямую, соединяющие эти точки.

Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектрик – вещество, не имеющее свободных зарядов, а значит и не проводящее электрический ток. Однако на самом же деле проводимость существует, но она ничтожно мала.

Классы диэлектриков:

    с полярными молекулами (вода, нитробензол): молекулы не симметричны, центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают, а значит, они обладают дипольным моментом даже в случае, когда электрического поля нет.

    с неполярными молекулами (водород, кислород): молекулы симметричны, центры масс положительных и отрицательных зарядов совпадают, а значит, они не имеют дипольного момента при отсутствии электрического поля.

    кристаллические (хлорид натрия): совокупность двух подрешёток, одна из которых заряжен положительно, а другая – отрицательно; в отсутствии электрического поля суммарный дипольный момент равен нулю.

Поляризация – процесс пространственного разделения зарядов, появления связанных зарядов на поверхности диэлектрика, что приводит к ослаблению поля внутри диэлектрика.

Способы поляризации:

1 способ – электрохимическая поляризация :

На электродах – движение к ним катионов и анионов, нейтрализация веществ; образуются области положительных и отрицательных зарядов. Ток постепенно уменьшается. Скорость установления механизма нейтрализации характеризуется временем релаксации – это время, в течение которого ЭДС поляризации увеличится от 0 до максимума от момента наложения поля. = 10 -3 -10 -2 с.

2 способ – ориентационная поляризация:

На поверхности диэлектрика образуются некомпенсированные полярные, т.е. происходит явление поляризации. Напряжённость внутри диэлектрика меньше внешней напряжённости. Время релаксации: = 10 -13 -10 -7 с. Частота 10 МГц.

3 способ – электронная поляризация:

Характерна для неполярных молекул, которые становятся диполями. Время релаксации: = 10 -16 -10 -14 с. Частота 10 8 МГц.

4 способ – ионная поляризация:

Две решётки (NaиCl) смещаются относительно друг друга.

Время релаксации:

5 способ – микроструктурная поляризация:

Характерен для биологических структур, когда чередуются заряженные и незаряженные слои. Происходит перераспределение ионов на полупроницаемых или непроницаемых для ионов перегородках.

Время релаксации: =10 -8 -10 -3 с. Частота 1 КГц

Числовые характеристики степени поляризации:



Электрический ток – это упорядоченное движение свободных зарядов в веществе или в вакууме.

Условия существования электрического тока :

    наличие свободных зарядов

    наличие электрического поля, т.е. сил, действующих на эти заряды

Сила тока – величина, равная заряду, который проходит через любое поперечное сечение проводника за единицу времени (1 секунду)


Измеряется в Амперах.

n– концентрация зарядов

q– величина заряда

S– площадь поперечного сечения проводника

- скорость направленного движения частиц.

Скорость движения заряженных частиц в электрическом поле небольшая – 7*10 -5 м/с, скорость распространения электрического поля 3*10 8 м/с.

Плотность тока – величина заряда, проходящего за 1 секунду через сечение в 1 м 2 .


. Измеряется в А/м 2 .


- сила, действующая на ион со стороны эл поля равна силе трения


- подвижность ионов


- скорость направленного движения ионов =подвижность, напряжённость поля


Удельная проводимость электролита тем больше, чем больше концентрация ионов, их заряд и подвижность. При повышении температуры возрастает подвижность ионов и увеличивается электропроводность.