Понятие электрического заряда

Электрический заряд — это фундаментальное свойство материи, играющее важную роль в областях электричества и магнетизма. Он является строительным блоком, описывающим, как объекты взаимодействуют друг с другом электрически. Хотя мы не можем видеть электрический заряд, мы можем наблюдать его эффект на объектах. Давайте взглянем глубже на то, что такое электрический заряд и некоторые основные понятия, связанные с ним.

Что такое электрический заряд?

Электрический заряд — это свойство некоторых субатомных частиц, таких как электроны и протоны. Когда они помещены в электрическое поле, они оказывают на них силу. Существует два типа электрического заряда:

• Положительный заряд
• Отрицательный заряд

Простое правило заключается в том, что противоположные заряды притягиваются друг к другу, а одинаковые заряды отталкиваются друг от друга. Положительный заряд притянет отрицательный заряд, и отрицательный заряд притянет положительный заряд. Наоборот, положительный заряд оттолкнет другой положительный заряд, и отрицательный заряд оттолкнет другой отрицательный заряд.

Единицы и символы

СИ единица электрического заряда — кулон (Кл). Электрический заряд часто обозначается символом Q Малые заряды часто измеряются в микрокулонах (мкКл) или нанокулонах (нКл).

Например, заряд электрона составляет примерно -1,6 x 10^-19 кулонов, и выражается как:

    Заряд одного электрона = -1,6 x 10 -19 Кл
    

Субатомные частицы и заряд

Электрический заряд — это свойство, присущее некоторым субатомным частицам:

• Электроны: Имеют отрицательный заряд.
• Протоны: Имеют положительный заряд.
• Нейтроны: Не имеют заряда (нейтральные).

Баланс между протонами и электронами в атоме определяет его общий заряд. Если в атоме больше электронов, чем протонов, его общий заряд будет отрицательным. Наоборот, если в атоме больше протонов, чем электронов, его общий заряд будет положительным. Атомы, не имеющие суммарного заряда, являются электрически нейтральными, поскольку у них равное количество протонов и электронов.

Закон сохранения заряда

Закон сохранения заряда гласит, что общий заряд в изолированной системе остается постоянным. Заряд не может быть создан или уничтожен, а может только быть передан из одного тела в другое.

Рассмотрим простой пример трения шарика о волосы. Прежде чем тереть, и шарик, и волосы нейтральны. Трение их вместе вызывает перенос электронов с ваших волос на шарик, оставляя шарик отрицательно заряженным, а ваши волосы положительно заряженными. Хотя заряды были перенесены, общий объем заряда остается тем же.

Закон Кулона

Закон Кулона гласит, что электрическая сила между двумя заряженными объектами зависит от их зарядов и расстояния между ними. Этот закон может быть сформулирован как:

Сила, действующая между двумя точечными зарядами, пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Математическая форма закона Кулона:

    F = k * (|Q1 * Q2| / r^2)
    

Где:

• F — величина силы между зарядами.
• Q1 и Q2 — величины зарядов.
• r — расстояние между центрами двух зарядов.
• k — константа Кулона, приблизительно равна 8,99 x 10^9 Н м^2/Кл^2.

Примеры электрической силы

Чтобы понять, как работает закон Кулона, рассмотрим несколько примеров:

На картинке выше изображены два заряда: один отрицательный и один положительный. Согласно закону Кулона, между этими зарядами существует сила притяжения.

Электрическое поле

Электрическое поле формируется вокруг заряженного объекта. Оно представляет собой пространство вокруг заряженного объекта, где другие объекты с зарядом будут испытывать электрическую силу. Сила электрического поля определяется величиной заряда и расстоянием от заряда. Электрическое поле направлено вдаль от положительного заряда и к отрицательному заряду.

Электрическое поле E, создаваемое точечным зарядом, задается следующей формулой:

    E = k * |Q| / r²
    

Где Q — заряд, и r — расстояние от заряда.

На этой диаграмме показан положительный заряд с линиями электрического поля, направленными от него, что показывает, как положительный заряд оказывает внешнюю силу на другие заряды.

Проводники и изоляторы

Материалы можно классифицировать в зависимости от того, как они позволяют электрическому заряду протекать через них:

• Проводники: Эти материалы легко проводят электрический заряд. Общие проводники включают в себя металлы, такие как медь и алюминий.
• Изоляторы: Эти материалы не позволяют электрическому заряду легко протекать через них. Например, резина, дерево и пластик.

Понимание того, как материалы взаимодействуют с электрическими зарядами, важно при проектировании электрических схем и электронных устройств.

Вот простой пример, чтобы объяснить поведение проводников и изоляторов:

Если мы подключим металлический провод (проводник) между двумя клеммами батареи, заряд пройдет по проводу, завершая электрическую цепь. Однако, если мы заменим металлический провод на резиновый шланг (изолятор), заряд не пройдет, и цепь останется открытой.

Статическое электричество

Статическое электричество — это явление, при котором электрический заряд накапливается на поверхности материала. Оно обычно происходит, когда два материала приходят в контакт, а затем разделяются, вызывая перенос заряда между ними.

Рассмотрим следующий повседневный пример:

Когда вы идете по ковровому полу, а затем касаетесь металлической дверной ручки, вы можете испытать легкий удар током. Этот удар происходит потому, что электроны с ковра были перенесены на ваше тело. Ваше тело стало заряженным, и когда вы коснулись дверной ручки, которая является проводником, лишние электроны перемещаются, чтобы нейтрализовать разность зарядов.

Заключение

Электрический заряд — это фундаментальный аспект физики, который объясняет широкий спектр поведения в повседневной жизни и современной технологии. Принципы электрического заряда, электрических полей и сил являются необходимыми для понимания более сложных вопросов в физике и инженерии. Понимая эти фундаментальные понятия, учащиеся могут более глубоко исследовать увлекательные области электричества и магнетизма.

Комментарии