Física 8vo grado. DOS TIPOS DE CARGOS
Hay dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas.
INTERACCIÓN DE CUERPOS CARGADOS
Cuerpos electrificados interactuar juntos:
Los cuerpos con cargas eléctricas del mismo signo se repelen.
Y cuerpos que tienen cargos. lo contrario firmar, atraerse mutuamente.
ELECTROSCOPIO
Existen dos tipos similares de dispositivos para detectar cargas eléctricas:
electroscopio o electrómetro.
Un electroscopio consta de una varilla de metal que pasa a través de un tapón dieléctrico y dos pétalos de lámina metálica suspendidos de ella. Cuando un cuerpo cargado toca la varilla, las hojas resultan tener la misma carga y se desvían entre sí.
En un electrómetro, una aguja de metal está conectada a una varilla de metal y puede girar libremente. Cuando un cuerpo cargado toca la varilla, la flecha recibe una carga del mismo signo e intenta empujarse desde la varilla con carga similar, apuntando hacia escala de medición cantidad de carga.
Por el valor del ángulo de divergencia de los pétalos del electroscopio o por el ángulo de desviación de la aguja del electrómetro, se puede juzgar sobre la magnitud de la carga eléctrica.
Un electroscopio cargado le permite detectar la carga de qué signo está electrificado el cuerpo.
¿SABES?
Qué científico roberto Boyle nació en Irlanda en 1627.
La ciencia del siglo XVII conoció dos manifestaciones. campo eléctrico– atracción y repulsión eléctrica. Mediante experimentos, Boyle demostró que en el vacío experimentos electricos tener éxito de la misma manera que en condiciones normales. Es decir, con punto moderno vista se concluyó que campo eléctrico puede existir en el vacío.
Boyle hizo una serie de observaciones sobre las propiedades de los cuerpos electrificados. Por ejemplo, que el humo también es atraído por los cuerpos electrificados y que no sólo un cuerpo electrizado atrae a uno no electrificado, sino también viceversa, el primero es atraído por el segundo.
¿CÓMO SE INVENTÓ EL ELECTROSCOPIO?
Como se sabe, el primer diseño aceptable de un electroscopio fue propuesto por G.V. Richman, quien midió la carga eléctrica mediante la desviación de un hilo de lino de un soporte cargado.
Se colocó una regla de hierro en el extremo inferior del poste y se pegó un hilo de seda en la parte superior. Cuando se acercaba una tormenta, el poste de metal y la regla con el hilo se cargaban y el hilo, al alejarse de él, se desviaba en cierto ángulo. Cuando hubo una tormenta fuerte y cercana, se extrajeron chispas de la regla.
Luego, para los mismos fines, el abad Nollet propuso utilizar dos hilos que se repelen entre sí.
Miembro de Londres Sociedad de la realeza John Canton desarrolló en 1753 un diseño en el que los hilos ya no respondían tan sensiblemente al movimiento del aire o a la respiración del experimentador. Colgó de los extremos de los hilos. bolitas de corcho o saúco.
Así se diseñó el electroscopio de Canton: “Cuelgue del techo dos bolas de corcho, cada una del tamaño de un guisante pequeño, de modo que se toquen entre sí. Acerque un tubo de vidrio excitado eléctricamente a las bolas desde abajo.
"Entonces las bolas se dispersarán".
Similar al concepto masa gravitacional cuerpo en la mecánica newtoniana, el concepto de carga en electrodinámica es el concepto básico primario.
Carga eléctrica - Este cantidad física, que caracteriza la propiedad de partículas o cuerpos de entrar en interacciones de fuerzas electromagnéticas.
La carga eléctrica suele estar representada por las letras q o q.
La totalidad de todos los hechos experimentales conocidos nos permite sacar las siguientes conclusiones:
Existen dos tipos de cargas eléctricas, convencionalmente llamadas positivas y negativas.
Las cargas pueden transferirse (por ejemplo, por contacto directo) de un organismo a otro. A diferencia de la masa corporal, la carga eléctrica no es una característica integral de un cuerpo determinado. el mismo cuerpo diferentes condiciones puede tener un cargo diferente.
Las cargas iguales se repelen, las cargas diferentes se atraen. Esto también muestra diferencia fundamental fuerzas electromagnéticas de las gravitacionales. Fuerzas gravitacionales Siempre son fuerzas de atracción.
Una de las leyes fundamentales de la naturaleza es la establecida experimentalmente. ley de conservación de la carga eléctrica .
EN sistema aislado suma algebraica las cargas de todos los cuerpos permanecen constantes:
|
q 1 + q 2 + q 3 + ... +qnorte= constante |
La ley de conservación de la carga eléctrica establece que en sistema cerrado En los cuerpos no se pueden observar procesos de creación o desaparición de cargas de un solo signo.
Desde un punto de vista moderno, los portadores de carga son partículas elementales. Todos los cuerpos ordinarios están formados por átomos, que incluyen protones cargados positivamente, electrones cargados negativamente y partículas neutras: neutrones. Los protones y neutrones forman parte de los núcleos atómicos, se forman electrones. capa electrónicaátomos. Las cargas eléctricas de un protón y un electrón son exactamente iguales en magnitud e iguales a la carga elemental. mi.
En un átomo neutro, el número de protones en el núcleo es igual al número de electrones en la capa. este numero se llama número atómico . Un átomo de una sustancia determinada puede perder uno o más electrones o ganar un electrón extra. En estos casos, el átomo neutro se convierte en un ion con carga positiva o negativa.
La carga puede transferirse de un cuerpo a otro sólo en porciones que contengan un número entero de cargas elementales. Por tanto, la carga eléctrica de un cuerpo es una cantidad discreta:
Cantidades físicas que sólo pueden tomar serie discreta los valores se llaman cuantificado . Carga elemental mi es un cuanto (porción más pequeña) de carga eléctrica. Cabe señalar que en física moderna partículas elementales Se supone la existencia de los llamados quarks, partículas con carga fraccionaria. Sin embargo, todavía no se han observado quarks en estado libre.
En experimentos de laboratorio comunes, un electrómetro ( o electroscopio) - un instrumento que consta de una varilla de metal y un puntero que puede girar eje horizontal(Figura 1.1.1). La varilla de la flecha está aislada del cuerpo metálico. Cuando un cuerpo cargado entra en contacto con la varilla del electrómetro, se distribuyen cargas eléctricas del mismo signo sobre la varilla y el puntero. Las fuerzas de repulsión eléctrica hacen que la aguja gire un cierto ángulo, mediante el cual se puede juzgar la carga transferida a la varilla del electrómetro.
El electrómetro es un instrumento bastante tosco; no permite estudiar las fuerzas de interacción entre cargas. Por primera vez la ley de interacción. cargas estacionarias fue descubierto por el físico francés Charles Coulomb en 1785. En sus experimentos, Coulomb midió las fuerzas de atracción y repulsión de bolas cargadas utilizando un dispositivo que diseñó: una balanza de torsión (Fig. 1.1.2), que se distinguía por una sensibilidad extremadamente alta. . Por ejemplo, la barra de equilibrio se giró 1° bajo la influencia de una fuerza del orden de 10 -9 N.
La idea de las mediciones se basó en la brillante suposición de Coulomb de que si una bola cargada entra en contacto exactamente con la misma sin carga, la carga de la primera se dividirá en partes iguales entre ellas. Así, se indicó una forma de cambiar la carga de la pelota dos, tres, etc. En los experimentos de Coulomb se midió la interacción entre bolas cuyas dimensiones eran mucho menores que la distancia entre ellas. Estos cuerpos cargados suelen denominarse cargos puntuales.
Cargo por puntos llamado cuerpo cargado, cuyas dimensiones pueden despreciarse en las condiciones de este problema.
Basándose en numerosos experimentos, Coulomb estableció la siguiente ley:
Las fuerzas de interacción entre cargas estacionarias son directamente proporcionales al producto de los módulos de carga e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre ellas:
Las fuerzas de interacción obedecen a la tercera ley de Newton:
Son fuerzas repulsivas cuando signos idénticos cargas y fuerzas de atracción en diferentes signos(Figura 1.1.3). La interacción de cargas eléctricas estacionarias se llama electrostático o Culombio interacción. La rama de la electrodinámica que estudia la interacción de Coulomb se llama electrostática .
La ley de Coulomb es válida para cuerpos con carga puntual. En la práctica, la ley de Coulomb se cumple si los tamaños de los cuerpos cargados son mucho menores que la distancia entre ellos.
Factor de proporcionalidad k En la ley de Coulomb depende de la elección del sistema de unidades. EN Sistema internacional Se toma la unidad de carga SI colgante(Cl).
Colgante es la carga que pasa por el sección transversal conductor a una corriente de 1 A. La unidad de corriente (amperio) en el SI es, junto con las unidades de longitud, tiempo y masa unidad básica de medida.
Coeficiente k En el sistema SI se suele escribir como:
Dónde 
- constante electrica
.
En el sistema SI carga elemental mi es igual a:
La experiencia demuestra que las fuerzas Interacción de Coulomb obedecer el principio de superposición:
Si un cuerpo cargado interactúa simultáneamente con varios cuerpos cargados, entonces la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo dado es igual a la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre este cuerpo desde todos los demás cuerpos cargados.
Arroz. 1.1.4 explica el principio de superposición utilizando el ejemplo de la interacción electrostática de tres cuerpos cargados.
El principio de superposición es una ley fundamental de la naturaleza. Sin embargo, su uso requiere cierta precaución cuando estamos hablando acerca de sobre la interacción de cuerpos cargados de tamaños finitos (por ejemplo, dos bolas conductoras cargadas 1 y 2). Si se lleva una tercera bola cargada a un sistema de dos bolas cargadas, entonces la interacción entre 1 y 2 cambiará debido a redistribución de carga.
El principio de superposición establece que cuando distribución de carga dada (fija) En todos los cuerpos, las fuerzas de interacción electrostática entre dos cuerpos cualesquiera no dependen de la presencia de otros cuerpos cargados.
Gray hizo otro muy descubrimiento importante, cuyo significado se entendió más tarde. Todo el mundo sabía que si tocas una varilla de vidrio electrificada con un cilindro metálico aislado, la electricidad también se transferirá al cilindro. Sin embargo, resultó que era posible electrificar el cilindro sin tocar la varilla de vidrio, sino sólo acercándolo a ella. Mientras el cilindro esté cerca del palo electrificado, se detectará electricidad en él.
Los experimentos publicados por Gray despertaron el interés del físico francés Charles Francois Dufay (1698-1739) y lo impulsaron a iniciar experimentos en el campo del estudio de la electricidad. Experimentos con el primero. péndulo eléctrico, es decir. con una bola de madera suspendida de un fino hilo de seda (Fig. 5.2), realizada hacia 1730, demostró que dicha bola es atraída por una barra de lacre frotada. Pero tan pronto como la tocas, la bola inmediatamente se aleja de la barra de cera, como si la evitara. Si ahora acerca a la bola un tubo de vidrio frotado contra la piel amalgamada, la bola será atraída por el tubo de vidrio y repelida por la barra de cera. Esta diferencia, notada por primera vez por Charles Dufay, lo llevó al descubrimiento de que los cuerpos electrizados atraen a los no electrificados y, tan pronto como estos últimos se electrifican al tacto, comienzan a repelerse entre sí. Establece la existencia de dos tipos opuestos de electricidad, a los que llama electricidad del vidrio y de la resina. También nota que el primero se encuentra en el cristal, piedras preciosas, cabello, lana, etc., mientras que el segundo se produce sobre el ámbar, la resina, la seda, etc. Investigaciones posteriores demostraron que todos los cuerpos se electrifican, ya sea como vidrio frotado contra la piel o como resina frotada contra la piel. En consecuencia, existen dos tipos de cargas eléctricas: las cargas similares se repelen y las cargas diferentes se atraen. Fuerzas de interacción eléctricas
Las cargas que se manifiestan en atracción o repulsión se llaman eléctricas. Eso es fuerzas electricas Son creados por cargas eléctricas y actúan sobre cuerpos o partículas cargados.
Un exceso de cargas de cualquier tipo en un cuerpo determinado se denomina magnitud de su carga o, en otras palabras, cantidad de electricidad (q).
Charles Dufay fue el primer científico en extraer chispas electricas de electrificado cuerpo humano, ubicado sobre un soporte aislado. Esta experiencia fue en aquella época tan nueva y original que el abad Jean Nollet (1700-1770), que también estudió fenómenos eléctricos, se horrorizó cuando lo vi por primera vez.
Una designación muy exitosa de los dos tipos de electricidad, que ha sobrevivido hasta el día de hoy, la dio el destacado físico americano Benjamin Franklin.
Franklin llamó negativa a la electricidad de "resina" y positiva a la electricidad de "vidrio". Eligió estos nombres porque la electricidad de “resina” y “vidrio”, como la electricidad positiva y la valores negativos, se destruyen mutuamente.
Los fenómenos de electrificación se explican por las características estructurales de átomos y moléculas. varias sustancias. Después de todo, todos los cuerpos están formados por átomos. Cada átomo consta de un núcleo atómico cargado positivamente y partículas cargadas negativamente que se mueven a su alrededor: los electrones. Núcleos atómicos varios elementos químicos no son iguales, pero difieren en carga y masa. Los electrones son todos completamente idénticos, pero su número y ubicación en diferentes átomos son diferentes.
Para tener una idea de la magnitud de una carga de 1 culombio, calculemos la fuerza de interacción entre dos cargas de un culombio cada una, colocadas en el vacío a una distancia de 1 m entre sí. Usando la fórmula de la ley de Coulomb, encontramos que F = 9·10 9 N, o aproximadamente 900 000 toneladas. Por tanto, 1 C es una carga muy grande. En la práctica, tales cargos no ocurren.
Con su ayuda, Coulomb determinó que dos pequeñas bolas electrificadas ejercen una fuerza de interacción F atractiva o repulsiva entre sí en la dirección de la línea de conexión, dependiendo de si están electrificadas de manera similar o diferente. igual al producto sus cargas eléctricas puntuales (q 1 y q 2, respectivamente) divididas por el cuadrado de la distancia r entre ellas. Eso es
Carlos Agustín de Coulon (1736–1806) – físico francés e ingeniero: diseñó una balanza de torsión para medir la fuerza de atracción magnética y eléctrica.
En en buena condiciónátomo Carga positiva su núcleo es igual al total carga negativa electrones de ese átomo, de modo que cualquier átomo en su estado normal es eléctricamente neutro. Pero bajo la influencia Influencias externas Los átomos pueden perder algunos de sus electrones, mientras que la carga de sus núcleos permanece sin cambios. En este caso, los átomos quedan cargados positivamente y se llaman iones positivos. Los átomos también pueden ganar electrones adicionales y quedar cargados negativamente. Estos átomos se denominan iones negativos.
La ley según la cual dos cuerpos electrificados actúan entre sí fue formulada por primera vez en 1785 por Charles Coulomb en un experimento con un dispositivo al que llamó escalas de torsión(Figura 5.3).
F = (q 1 q 2 )/4 π ε a r 2 ,
donde ε а – absoluto la constante dieléctrica el entorno en el que se encuentran las cargas; r es la distancia entre cargas.
Esta conclusión se llama ley de Coulomb. Posteriormente, la unidad recibió el nombre de Coulomb. cantidad de electricidad, utilizado en la práctica de la ingeniería eléctrica.
En el sistema SI, se toma como unidad de electricidad un culombio (1 C): una carga que fluye a través de la sección transversal de un conductor en un segundo con una corriente de un amperio.
Al colgar bolas ligeras de papel de aluminio en dos hilos y tocar cada una de ellas con una varilla de vidrio frotada sobre seda, se puede ver que las bolas se repelen entre sí. Si luego tocas una bola con una varilla de vidrio frotada sobre seda y la otra con una varilla de ebonita frotada sobre piel, las bolas se atraerán entre sí. Esto significa que las varillas de vidrio y ebonita, al frotarlas, adquieren cargas de diferentes signos , es decir. existir en la naturaleza dos tipos de cargas eléctricas teniendo signos opuestos: positivo y negativo. Acordamos suponer que una varilla de vidrio frotada sobre seda adquiere Carga positiva , y una barra de ebonita, frotada sobre la piel, adquiere carga negativa .
Del experimento descrito también se deduce que los cuerpos cargados Interactuar el uno con el otro. Esta interacción de cargas se llama eléctrica. Donde cargos del mismo nombre, aquellos. cargos del mismo signo , se repelen y las cargas diferentes se atraen.
El dispositivo se basa en el fenómeno de repulsión de cuerpos con carga similar. electroscopio- un dispositivo que permite determinar si un cuerpo determinado está cargado, y electrómetro, un dispositivo que permite estimar el valor de la carga eléctrica.
Si tocas la varilla de un electroscopio con un cuerpo cargado, las hojas del electroscopio se dispersarán, ya que adquirirán una carga del mismo signo. Lo mismo le sucederá a la aguja de un electrómetro si tocas su varilla con un cuerpo cargado. Al mismo tiempo, que más carga, pronto ángulo más grande la flecha se desviará de la varilla.
De experimentos simples de ello se deduce que la fuerza de interacción entre cuerpos cargados puede ser mayor o menor dependiendo de la cantidad de carga adquirida. Así, podemos decir que la carga eléctrica, por un lado, caracteriza la capacidad del cuerpo para interacción eléctrica, y por otro lado, es una cantidad que determina la intensidad de esta interacción.
El cargo está indicado por la letra. q , tomado como unidad de carga colgante: [q ] = 1cl.
Si toca un electrómetro con una varilla cargada y luego conecta este electrómetro con una varilla de metal a otro electrómetro, la carga del primer electrómetro se dividirá entre los dos electrómetros. Luego puedes conectar el electrómetro a varios electrómetros más y la carga se dividirá entre ellos. Por tanto, la carga eléctrica tiene propiedad de divisibilidad . El límite de divisibilidad de la carga, es decir la carga más pequeña que existe en la naturaleza es la carga electrón. La carga del electrón es negativa e igual a 1,6*10 -19Cl. Cualquier otra carga es múltiplo de la carga del electrón.
