Stinët

në shtëpi

Rusia

Fizikë klasa e 8-të. DY LLOJE TARKESash

Ekzistojnë dy lloje të ngarkesave elektrike: pozitive dhe negative. NDËRVEPRIMI I TRUPAVE TË NGARKUAR Trupat e elektrizuar

ndërveprojnë
së bashku: Trupat me ngarkesë elektrike të së njëjtës shenjë sprapsin njëri-tjetrin. Dhe organet që kanë akuza

e kundërta

shenjë, tërheq reciprokisht.
ELEKTROSKOPI

Ekzistojnë dy lloje të ngjashme pajisjesh për zbulimin e ngarkesave elektrike:

elektroskop ose elektrometër. Një elektroskop përbëhet nga një shufër metalike e kaluar përmes një prize dielektrike dhe dy petale metalike të varura prej saj. Kur një trup i ngarkuar prek shufrën, gjethet rezultojnë të jenë të ngarkuara në mënyrë të ngjashme dhe devijojnë nga njëra-tjetra. Në një elektrometër, një gjilpërë metalike është e lidhur me një shufër metalike dhe mund të rrotullohet lirshëm. Kur një trup i ngarkuar prek shufrën, shigjeta merr një ngarkesë të së njëjtës shenjë dhe përpiqet të largohet nga shufra e ngarkuar në mënyrë të ngjashme, duke treguar

shkallë matëse shuma e tarifës.

Nga këndi i divergjencës së petaleve të elektroskopit ose nga këndi i devijimit të gjilpërës së elektrometrit, mund të gjykohet

për madhësinë e ngarkesës elektrike.

Një elektroskop i ngarkuar ju lejon të zbuloni ngarkesën e cilës shenje trupi është i elektrizuar. A E DINI?Çfarë
shkencëtari Robert Boyle lindi në Irlandë në 1627. Shkenca e shekullit të 17-të njihte dy manifestime fushe elektrike– tërheqja dhe zmbrapsja elektrike. Nëpërmjet eksperimenteve, Boyle e vërtetoi këtë në zbrazëti eksperimentet elektrike të ketë sukses në të njëjtën mënyrë si në kushte normale. Kjo është, me pikë moderne pikëpamje u arrit në përfundimin se
fushe elektrike

mund të ekzistojë në vakum.

Siç dihet, dizajni i parë i pranueshëm i një elektroskopi u propozua nga G.V Richman, i cili mati ngarkesën elektrike me devijimin e një fije liri nga një stendë e ngarkuar.
Një vizore hekuri ishte ngjitur në skajin e poshtëm të shtyllës dhe një fije mëndafshi ishte ngjitur në majë të tij. Kur u afrua një stuhi, shtylla metalike dhe sundimtari me fije u ngarkuan dhe filli, duke u larguar prej tij, u devijua në një kënd të caktuar. Kur pati një stuhi të ngushtë dhe të fortë, nga sunduesi nxirreshin shkëndija.

Pastaj, për të njëjtat qëllime, Abbot Nollet propozoi përdorimin e dy fijeve reciprokisht refuzuese.

Anëtar i Londrës Shoqëria Mbretërore John Canton në 1753 zhvilloi një dizajn në të cilin fijet nuk reagonin më me aq ndjeshmëri ndaj lëvizjes së ajrit ose frymëmarrjes së eksperimentuesit. Ai varej në skajet e fijeve topa tape ose plaku.
Kështu është projektuar elektroskopi i Kantonit: “Varni dy topa tape, secili me madhësinë e një bizele të vogël, nga tavani në fijet prej liri, në mënyrë që ato të prekin njëri-tjetrin. Sillni një tub qelqi të ngacmuar nga poshtë
"Atëherë topat do të shpërndahen."

Ngjashëm me konceptin masë gravitacionale trupat në mekanikën e Njutonit, koncepti i ngarkesës në elektrodinamikë është koncepti parësor, themelor.

Ngarkesa elektrike - Kjo sasi fizike, që karakterizon vetinë e grimcave ose trupave për të hyrë në ndërveprime të forcës elektromagnetike.

Ngarkesa elektrike zakonisht përfaqësohet me shkronja q ose P.

Tërësia e të gjitha fakteve të njohura eksperimentale na lejon të nxjerrim përfundimet e mëposhtme:

Ekzistojnë dy lloje të ngarkesave elektrike, të quajtura në mënyrë konvencionale pozitive dhe negative.

Ngarkesat mund të transferohen (për shembull, me kontakt të drejtpërdrejtë) nga një trup në tjetrin. Ndryshe nga masa e trupit, ngarkesa elektrike nuk është një karakteristikë integrale e një trupi të caktuar. I njëjti trup kushte të ndryshme mund të ketë një tarifë të ndryshme.

Ashtu si ngarkesat sprapsin, ndryshe nga ngarkesat tërheqin. Kjo tregon edhe dallimi themelor forcat elektromagnetike nga ato gravitacionale. Forcat gravitacionale janë gjithmonë forca tërheqëse.

Një nga ligjet themelore të natyrës është i vendosur në mënyrë eksperimentale ligji i ruajtjes së ngarkesës elektrike .

NË sistem i izoluar shuma algjebrike ngarkesat e të gjithë trupave mbeten konstante:

Ligji i ruajtjes së ngarkesës elektrike thotë se në sistem i mbyllur Në trupa nuk mund të vërehen proceset e krijimit ose zhdukjes së akuzave të vetëm një shenje.

Nga pikëpamja moderne, bartësit e ngarkesës janë grimca elementare. Të gjithë trupat e zakonshëm përbëhen nga atome, të cilat përfshijnë protone të ngarkuar pozitivisht, elektrone të ngarkuar negativisht dhe grimca neutrale - neutrone. Protonet dhe neutronet janë pjesë e bërthamave atomike, formohen elektronet shtresë elektronike atomet. Ngarkesat elektrike të një protoni dhe një elektroni janë saktësisht të njëjta në madhësi dhe të barabarta me ngarkesën elementare e.

Në një atom neutral, numri i protoneve në bërthamë është i barabartë me numrin e elektroneve në guaskë. Ky numër quhet numer atomik . Një atom i një substance të caktuar mund të humbasë një ose më shumë elektrone ose të fitojë një elektron shtesë. Në këto raste, atomi neutral shndërrohet në një jon të ngarkuar pozitivisht ose negativisht.

Ngarkesa mund të transferohet nga një trup në tjetrin vetëm në pjesë që përmbajnë një numër të plotë ngarkesash elementare. Kështu, ngarkesa elektrike e një trupi është një sasi diskrete:

Sasi fizike që mund të marrin vetëm seri diskrete quhen vlera të kuantizuara . Ngarkesa elementare eështë një kuantike (pjesa më e vogël) e ngarkesës elektrike. Duhet theksuar se në fizika moderne grimcat elementare supozohet ekzistenca e të ashtuquajturve kuarke - grimca me ngarkesë fraksionale dhe Megjithatë, kuarkët ende nuk janë vërejtur në gjendje të lirë.

Në eksperimentet e zakonshme laboratorike, a elektrometër ( ose elektroskop) - një instrument i përbërë nga një shufër metalike dhe një tregues që mund të rrotullohet rreth e rrotull boshti horizontal(Fig. 1.1.1). Shufra e shigjetës është e izoluar nga trupi metalik. Kur një trup i ngarkuar bie në kontakt me shufrën e elektrometrit, ngarkesat elektrike të së njëjtës shenjë shpërndahen mbi shufrën dhe treguesin. Forcat e zmbrapsjes elektrike bëjnë që gjilpëra të rrotullohet përmes një këndi të caktuar, me anë të të cilit mund të gjykohet ngarkesa e transferuar në shufrën e elektrometrit.

Elektrometri është një instrument mjaft i papërpunuar; nuk e lejon njeriun të studiojë forcat e ndërveprimit ndërmjet ngarkesave. Për herë të parë ligji i ndërveprimit tarifat stacionare u zbulua nga fizikani francez Charles Coulomb në 1785. Në eksperimentet e tij, Coulomb mati forcat e tërheqjes dhe zmbrapsjes së topave të ngarkuar duke përdorur një pajisje që ai projektoi - një ekuilibër rrotullimi (Fig. 1.1.2), i cili dallohej nga ndjeshmëria jashtëzakonisht e lartë . Për shembull, trau i ekuilibrit u rrotullua 1° nën ndikimin e një force të rendit prej 10 -9 N.

Ideja e matjeve u bazua në supozimin brilant të Kulombit se nëse një top i ngarkuar vihet në kontakt saktësisht me të njëjtin pa ngarkesë, atëherë ngarkesa e të parit do të ndahet në mënyrë të barabartë mes tyre. Kështu, u tregua një mënyrë për të ndryshuar karikimin e topit me dy, tre, etj. Në eksperimentet e Kulombit, u mat ndërveprimi midis topave, dimensionet e të cilëve ishin shumë më të vogla se distanca midis tyre. Trupa të tillë të ngarkuar zakonisht quhen tarifat me pikë.

Ngarkesa me pikë quhet trup i ngarkuar, përmasat e të cilit mund të neglizhohen në kushtet e këtij problemi.

Bazuar në eksperimente të shumta, Coulomb vendosi ligjin e mëposhtëm:

Forcat e ndërveprimit ndërmjet ngarkesave të palëvizshme janë drejtpërdrejt proporcionale me produktin e modulit të ngarkesës dhe në përpjesëtim të zhdrejtë me katrorin e distancës ndërmjet tyre:

Forcat e ndërveprimit i binden ligjit të tretë të Njutonit:

Janë forca refuzuese kur shenja identike ngarkesat dhe forcat tërheqëse në shenja të ndryshme(Fig. 1.1.3). Bashkëveprimi i ngarkesave elektrike stacionare quhet elektrostatike ose Kulombi ndërveprim. Dega e elektrodinamikës që studion ndërveprimin e Kulombit quhet elektrostatike .

Ligji i Kulombit është i vlefshëm për trupat e ngarkuar me pikë. Në praktikë, ligji i Kulombit plotësohet mirë nëse përmasat e trupave të ngarkuar janë shumë më të vogla se distanca ndërmjet tyre.

Faktori i proporcionalitetit k në ligjin e Kulombit varet nga zgjedhja e sistemit të njësive. NË Sistemi ndërkombëtarËshtë marrë njësia e ngarkesës SI varëse(Cl).

Varëse është ngarkesa që kalon nëpër seksion kryq përcjellës me një rrymë prej 1 A. Njësia e rrymës (Amper) në SI është, së bashku me njësitë e gjatësisë, kohës dhe masës njësia bazë e matjes.

Koeficient k në sistemin SI zakonisht shkruhet si:

Ku - konstante elektrike .

Në sistemin SI ngarkesë elementare e e barabartë me:

Përvoja tregon se forcat Ndërveprimi i Kulonit respektoni parimin e mbivendosjes:

Nëse një trup i ngarkuar ndërvepron njëkohësisht me disa trupa të ngarkuar, atëherë forca që rezulton që vepron në një trup të caktuar është e barabartë me shumën vektoriale të forcave që veprojnë në këtë trup nga të gjithë trupat e tjerë të ngarkuar.

Oriz. 1.1.4 shpjegon parimin e mbivendosjes duke përdorur shembullin e bashkëveprimit elektrostatik të tre trupave të ngarkuar.

Parimi i mbivendosjes është një ligj themelor i natyrës. Megjithatë, përdorimi i tij kërkon një kujdes kur po flasim për në lidhje me bashkëveprimin e trupave të ngarkuar me madhësi të fundme (për shembull, dy topa të ngarkuar përcjellës 1 dhe 2). Nëse një top i tretë i ngarkuar sillet në një sistem me dy topa të ngarkuar, atëherë ndërveprimi midis 1 dhe 2 do të ndryshojë për shkak të rishpërndarja e tarifës.

Parimi i mbivendosjes thotë se kur shpërndarje e ngarkesave të dhëna (fikse). në të gjithë trupat, forcat e bashkëveprimit elektrostatik midis dy trupave nuk varen nga prania e trupave të tjerë të ngarkuar.

Grey bëri një tjetër shumë zbulim i rëndësishëm, kuptimi i të cilit u kuptua më vonë. Të gjithë e dinin se nëse prekni një shufër qelqi të elektrizuar me një cilindër metalik të izoluar, energjia elektrike do të kalojë gjithashtu në cilindër. Megjithatë, doli se ishte e mundur të elektrizohej cilindri pa prekur shufrën e qelqit, por vetëm duke e afruar atë më afër tij. Për sa kohë që cilindri është afër shkopit të elektrizuar, në të zbulohet energji elektrike.

Eksperimentet e publikuara të Greit zgjuan interesin e fizikanit francez Charles Francois Dufay (1698–1739) dhe e shtynë atë të fillonte eksperimentet në fushën e studimit të energjisë elektrike. Eksperimentet me të parën lavjerrës elektrike, d.m.th. me një top druri të varur në një fije mëndafshi të hollë (Fig. 5.2), i realizuar rreth vitit 1730, tregoi se një top i tillë tërhiqet nga një shkop i fërkuar prej dylli vulosës. Por, sapo e prekni, topi largohet menjëherë nga shkopi i dyllit, sikur e shmang atë. Nëse tani i sillni topit një tub qelqi të fërkuar me lëkurë të përzier, topi do të tërhiqet nga tubi i xhamit dhe do të zmbrapset nga shkopi i dyllit. Ky ndryshim, i vërejtur fillimisht nga Charles Dufay, e çoi atë në zbulimin se trupat e elektrizuar tërheqin ata të paelektrizuar dhe sapo këta të fundit elektrizohen nga prekja, ata fillojnë të zmbrapsin njëri-tjetrin. Ai vërteton ekzistencën e dy llojeve të kundërta të energjisë elektrike, të cilat i quan elektricitet qelqi dhe rrëshirë. Ai gjithashtu vëren se e para gjendet në xhami, Gure te Cmuar, flokët, leshin etj., ndërsa e dyta shfaqet në qelibar, rrëshirë, mëndafsh etj. Hulumtimet e mëtejshme treguan se të gjithë trupat elektrizohen, ose si xhami i fërkuar me lëkurën ose si rrëshirë e fërkuar me gëzofin. Rrjedhimisht, ekzistojnë dy lloje të ngarkesave elektrike, dhe ngarkesat e ngjashme sprapsin njëra-tjetrën dhe ngarkesat e ndryshme tërhiqen. Forcat e ndërveprimit elektrik

ngarkesat që manifestohen në tërheqje ose zmbrapsje quhen elektrike. Kjo eshte forcat elektrike krijohen nga ngarkesat elektrike dhe veprojnë mbi trupa ose grimca të ngarkuara.

Teprica e ngarkesave të çdo lloji në një trup të caktuar quhet madhësia e ngarkesës së tij, ose, me fjalë të tjera, sasia e energjisë elektrike (q).

Charles Dufay ishte shkencëtari i parë që nxori shkëndija elektrike nga elektrizuar Trupi i njeriut, e vendosur në një stendë të izoluar. Kjo përvojë në atë kohë ishte aq e re dhe origjinale sa Abati Jean Nollet (1700–1770), i cili gjithashtu studioi dukuritë elektrike, u tmerrova kur e pashë për herë të parë.

Një emërtim shumë i suksesshëm i dy llojeve të energjisë elektrike, i cili ka mbijetuar deri më sot, u dha nga të shquarit fizikan amerikan Benjamin Franklin.

Elektriciteti "rrëshirë" u quajt negativ nga Franklin, dhe energjia elektrike "xhami" u quajt pozitive. Ai zgjodhi këta emra sepse "rrëshira" dhe "xhami" elektriciteti, si pozitive dhe vlerat negative, janë shkatërruar reciprokisht.

Dukuritë e elektrifikimit shpjegohen me veçoritë strukturore të atomeve dhe molekulave substanca të ndryshme. Në fund të fundit, të gjithë trupat janë ndërtuar nga atomet. Çdo atom përbëhet nga një bërthamë atomike e ngarkuar pozitivisht dhe grimca të ngarkuara negativisht që lëvizin rreth tij - elektrone. Bërthamat atomike të ndryshme elementet kimike nuk janë të njëjta, por ndryshojnë në ngarkesë dhe masë. Elektronet janë të gjitha plotësisht identike, por numri dhe vendndodhja e tyre brenda atome të ndryshme janë të ndryshme.

Për të marrë një ide të madhësisë së një ngarkese prej 1 C, le të llogarisim forcën e bashkëveprimit midis dy ngarkesave me nga një kulomb secila, të vendosura në një vakum në një distancë prej 1 m nga njëra-tjetra. Duke përdorur formulën e ligjit të Kulombit, gjejmë se F = 9·10 9 N, ose afërsisht 900,000 ton. Kështu, 1 C është një ngarkesë shumë e madhe. Në praktikë, tarifa të tilla nuk ndodhin.

Me ndihmën e tyre, Coulomb përcaktoi që dy topa të vegjël të elektrizuar ushtrojnë një forcë ndërveprimi tërheqëse ose refuzuese F mbi njëri-tjetrin në drejtim të linjës së lidhjes së tyre, në varësi të faktit nëse ato janë të elektrizuar në mënyrë të ngjashme apo të ndryshme. e barabartë me produktin ngarkesat e tyre elektrike me pikë (përkatësisht q 1 dhe q 2) pjesëtuar me katrorin e distancës r ndërmjet tyre. Kjo eshte

Charles Augustin de Coulon (1736-1806) - fizikan francez dhe një inxhinier - ai projektoi një ekuilibër rrotullimi për të matur forcën e tërheqjes magnetike dhe elektrike.

Në ne gjendje te mire atom ngarkesë pozitive thelbi i tij është i barabartë me totalin ngarkesë negative elektronet e atij atomi, kështu që çdo atom në gjendjen e tij normale është elektrikisht neutral. Por nën ndikimin ndikimet e jashtme atomet mund të humbasin disa nga elektronet e tyre, ndërsa ngarkesa e bërthamave të tyre mbetet e pandryshuar. Në këtë rast, atomet ngarkohen pozitivisht dhe thirren jone pozitive. Atomet gjithashtu mund të fitojnë elektrone shtesë dhe të ngarkohen negativisht. Atome të tilla quhen jone negative.

Ligji sipas të cilit dy trupa të elektrizuar veprojnë mbi njëri-tjetrin u formulua për herë të parë në 1785 nga Charles Coulomb në një eksperiment me një pajisje që ai e quajti peshore përdredhjeje(Fig. 5.3).

F = (q 1 q 2 )/4 π ε a r 2 ,

ku ε a – absolute konstanta dielektrike mjedisi në të cilin ndodhen tarifat; r është distanca ndërmjet ngarkesave.

Ky përfundim quhet ligji i Kulombit. Më pas, njësia u emërua pas Kulombit sasia e energjisë elektrike

, përdoret në praktikën e inxhinierisë elektrike.

Në sistemin SI, një kulomb (1 C) merret si njësi e energjisë elektrike - një ngarkesë që rrjedh nëpër seksionin kryq të një përcjellësi në një sekondë me një rrymë prej një amperi. Duke varur topa të lehta me fletë metalike në dy fije dhe duke prekur secilën prej tyre me një shufër qelqi të fërkuar në mëndafsh, mund të shihni se topat do të zmbrapsen njëri-tjetrin. Nëse më pas prekni një top me një shufër qelqi të fërkuar në mëndafsh, dhe tjetrin me një shufër ebonit të fërkuar në lesh, topat do të tërheqin njëri-tjetrin. Kjo do të thotë që shufrat e qelqit dhe ebonitit, kur fërkohen, fitojnë akuza të shenjave të ndryshme , d.m.th. ekzistojnë në natyrë dy lloje ngarkesash elektrike duke pasur shenja të kundërta : pozitive dhe negative. Ne ramë dakord të supozojmë se fiton një shufër xhami e fërkuar në mëndafsh ngarkesë pozitive , dhe një shkop ebonit, i fërkuar në lesh, fiton .

ngarkesë negative Nga eksperimenti i përshkruar rrjedh gjithashtu se trupat e ngarkuar ndërveprojnë me njëri-tjetrin . Ky ndërveprim i ngarkesave quhet elektrik. Ku akuza me të njëjtin emër, ato. akuza të së njëjtës shenjë

, sprapsin njëri-tjetrin, dhe ndryshe nga akuzat tërheqin njëri-tjetrin. Pajisja bazohet në fenomenin e zmbrapsjes së trupave të ngarkuar në mënyrë të ngjashme elektroskop - një pajisje që ju lejon të përcaktoni nëse një trup i caktuar është i ngarkuar, dhe elektrometër

Nëse prekni shufrën e një elektroskopi me një trup të ngarkuar, gjethet e elektroskopit do të shpërndahen, pasi ato do të fitojnë një ngarkesë të së njëjtës shenjë. E njëjta gjë do të ndodhë me gjilpërën e një elektrometri nëse prekni shufrën e tij me një trup të ngarkuar. Në të njëjtën kohë, se më shumë pagesë, kështu me radhë kënd më të madh shigjeta do të devijojë nga shufra.

Nga eksperimente të thjeshta rrjedh se forca e bashkëveprimit ndërmjet trupave të ngarkuar mund të jetë më e madhe ose më e vogël në varësi të sasisë së ngarkesës së fituar. Kështu, mund të themi se ngarkesa elektrike, nga njëra anë, karakterizon aftësinë e trupit për të ndërveprimin elektrik, dhe nga ana tjetër, është një sasi që përcakton intensitetin e këtij ndërveprimi.

Pagesa tregohet me shkronjë q , marrë si njësi ngarkese varëse: [q ] = 1 Cl.

Nëse prekni një elektrometër me një shufër të ngarkuar dhe më pas lidhni këtë elektrometër me një shufër metalike me një elektrometër tjetër, atëherë ngarkesa në elektrometrin e parë do të ndahet midis dy elektrometrave. Më pas mund ta lidhni elektrometrin me disa elektrometra të tjerë dhe ngarkesa do të ndahet mes tyre. Kështu, ngarkesa elektrike ka veti e pjesëtueshmërisë . Kufiri i pjesëtueshmërisë së ngarkesës, d.m.th. ngarkesa më e vogël që ekziston në natyrë është ngarkesa elektron. Ngarkesa e elektronit është negative dhe e barabartë me 1,6*10 -19 Cl. Çdo ngarkesë tjetër është një shumëfish i ngarkesës së elektronit.