Распределение зарядов в проводнике: физические основы и применение
Распределение зарядов в проводнике является ключевым моментом для понимания того, как работают электрические цепи и как проводники передают электрический ток. В этой статье мы рассмотрим основы распределения зарядов в проводнике и то, как это свойство влияет на поведение электрических цепей.
Равновесное распределение зарядов в проводнике
Равновесное распределение зарядов в проводнике — это состояние, когда электрические заряды в проводнике распределены таким образом, что нет движения зарядов, и электростатическое поле внутри проводника равно нулю. В этом состоянии электростатические силы на заряды, вызываемые другими зарядами, компенсируются электрическими силами на заряды, вызываемыми на противоположной стороне проводника.
Заряды в проводнике распределяются по поверхности проводника, а не внутри него. Это происходит из-за того, что электростатические силы на заряды внутри проводника направлены во все стороны и взаимно уравновешиваются, что приводит к отсутствию движения зарядов. Таким образом, заряды на поверхности проводника находятся в состоянии равновесия.
Электростатическое поле внутри проводника также равно нулю в состоянии равновесия. Это происходит из-за того, что заряды в проводнике создают электрическое поле, которое компенсируется электрическим полем, вызываемым на противоположной стороне проводника. Это означает, что внутри проводника нет разности потенциалов, так как все заряды в равновесии.
Электростатическое поле внутри проводника
Электростатическое поле внутри проводника — это особое явление, которое происходит при наличии свободных зарядов в проводнике. Свободные заряды в проводнике образуют электростатическое поле, которое оказывает влияние на другие заряды в близлежащих точках.
При наличии свободных зарядов в проводнике, они распределяются равномерно по поверхности проводника, образуя так называемое «равновесное распределение зарядов». В этом случае электростатическое поле внутри проводника отсутствует, поскольку заряды находятся в равновесии.
Однако, если в проводнике появляются другие заряды, которые не могут свободно перемещаться по поверхности проводника, например, заряды, приложенные к проводу извне, то равновесие нарушается и начинается движение свободных зарядов в проводнике.
В этом случае возникает электростатическое поле внутри проводника, которое существует до тех пор, пока заряды в проводнике не перераспределятся таким образом, чтобы вновь установилось равновесное распределение зарядов.
Примеры применения равновесного распределения зарядов в проводниках
Равновесное распределение зарядов в проводнике играет важную роль в электротехнике и электронике, так как позволяет создавать электростатически устойчивые системы и устройства.
Например, экраны мониторов и телевизоров создаются с использованием проводников, на которых равномерно распределяются заряды для создания электростатических полей. Также равновесное распределение зарядов используется для создания защиты от электростатических разрядов в электронике и электротехнике.
Еще одним примером равновесного распределения зарядов для электростатической защиты является молниезащита зданий и сооружений.
Молниезащита состоит из металлических проводников, расположенных на крышах зданий и сооружений, и системы заземления, соединяющей эти проводники с землей. Когда молния ударяет в металлический проводник, заряд распределяется по всей его поверхности благодаря принципу равновесия электростатического поля внутри проводника.
Это позволяет уменьшить напряжение, которое возникает при разряде молнии, и предотвратить повреждение здания или сооружения.
Таким образом, равновесное распределение зарядов используется для создания безопасной пути для разрядки молнии, минимизации повреждений от разряда и обеспечения защиты людей и имущества.
Клетка Фарадея — это пример использования распределения зарядов для создания электростатического экрана, который защищает оборудование от внешних электромагнитных помех.
Клетка Фарадея состоит из проводящей сетки, которая образует сетку из мелких ячеек. Когда сетка заземляется, заряды свободных электронов перемещаются вдоль сетки и равномерно распределяются на ее поверхности, создавая электрическое поле, которое блокирует внешние электромагнитные поля. Это позволяет защитить оборудование внутри клетки Фарадея от помех и сохранить его работоспособность.
Электростатическое поле внутри проводника может использоваться для измерения различных параметров, например, для определения потенциала проводника. Это возможно благодаря тому, что напряженность электростатического поля пропорциональна потенциалу проводника.
Также электростатическое поле внутри проводника может быть использовано для измерения заряда проводника, поскольку заряд проводника пропорционален напряженности электростатического поля внутри проводника.
Распределение зарядов в неравновесном состоянии
Распределение зарядов в проводнике может изменяться при наличии других зарядов, что приводит к появлению электростатических сил и токов. Это происходит в том случае, когда на проводник подается электрический заряд или проводник находится в электрическом поле.
При подаче заряда на проводник заряды начинают перемещаться, чтобы достичь равновесия. В результате могут возникнуть токи и напряжения.
Распределение зарядов внутри проводника может изменяться в зависимости от формы проводника, его размеров, заряда и других параметров.
Распределение зарядов в неравновесном состоянии может иметь различные практические применения. Например, в электронике это используется для создания различных электронных устройств, таких как конденсаторы, диоды, транзисторы и другие.
Например, распределение зарядов в конденсаторе может происходить в неравновесном состоянии, когда на пластины конденсатора подается электрический заряд. В таком случае, заряды начинают накапливаться на поверхности пластин, и поляризация проводника вызывает перераспределение зарядов внутри проводника.
При подключении конденсатора к источнику постоянного тока и его зарядке, заряды будут двигаться от одной пластины к другой, пока на пластинах не установится разность потенциалов, равная напряжению источника. Если конденсатор разрядится, то произойдет обратный процесс и заряды начнут перемещаться обратно к первоначальной пластине.
Таким образом, в неравновесном состоянии распределение зарядов в конденсаторе будет зависеть от внешнего источника, который обеспечивает энергию для зарядки или разрядки конденсатора.
Кроме того, распределение зарядов может использоваться в научных исследованиях для изучения свойств проводников и электростатических полей. Также это может иметь практическое применение в области электростатической защиты, где изменение распределения зарядов может использоваться для снижения электростатического заряда и предотвращения возникновения дисперсных разрядов.
Использование распределения зарядов для измерения потенциала и заряда проводников
Одним из примеров практического применения распределения зарядов является использование эффекта Холла. Этот эффект возникает при прохождении электрического тока через полупроводниковый материал, находящийся в магнитном поле.
При этом заряды в полупроводнике начинают отклоняться в сторону, что приводит к накоплению зарядов на боковых гранях образца. Таким образом, распределение зарядов в полупроводнике может использоваться для измерения магнитного поля.
Другим примером практического применения распределения зарядов является использование электростатических сил для манипулирования частицами на микро- и наноуровне.
Например, в нанотехнологиях можно использовать электрические поля для управления движением наночастиц, создания узоров на поверхности материала и т.д.
Также распределение зарядов может быть использовано для измерения заряда молекул и атомов, а также для создания электронных компонентов, таких как конденсаторы и транзисторы.
В целом, распределение зарядов играет важную роль во многих областях науки и техники, и является одним из основных понятий электростатики.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Дополните текст недостающими словами Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных
Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.
решение вопроса
Связанных вопросов не найдено
Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.
- Все категории
- экономические 43,679
- гуманитарные 33,657
- юридические 17,917
- школьный раздел 612,713
- разное 16,911
Популярное на сайте:
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
- Обратная связь
- Правила сайта
Конденсатор
Рассмотрим водопроводную модель конденсатора. Ранее мы говорили о том, что ток может течь только в трубе, соединенной в кольцо в замкнутой цепи. Но можно представить пустую емкость, в которую можно заливать воду, пока емкость не заполнится. Это и есть конденсатор — емкость, в которую можно заливать заряд.
Для большей аналогии лучше представить себе водонапорную башню, в модели — трубу бесконечной длины поставленную вертикально. Вода насосом закачивается в эту трубу с нижнего торца и поднимается на высоту. Чем больше воды закачали и чем выше она поднялась — тем сильнее столб воды давит на днище и выше там давление. Так-то в эту бесконечную трубу можно сколько угодно воды (электрического заряда) закачать, но при этом противодавление столба воды будет расти. Если качать заряд генератором напряжения, то когда противодавление сравняется с давлением (напряжением), создаваемым генератором — закачка остановится.
Если характеристикой резистора является сопротивление, то электрической характеристикой конденсатора является емкость.
С=Q/U
Емкость говорит, сколько заряда можно в конденсатор закачать, чтобы напряжение там поднялось до величины U. Можно сказать, что емкость характеризует диаметр трубы. Чем ýже труба, тем быстрее поднимается уровень воды при закачке и растет давление на дне трубы. Давление же зависит только от высоты водяного столба, а не от массы закачанной воды.
В электрических терминах, чем меньше емкость конденсатора, тем быстрее растет напряжение при закачке туда заряда.
Напомню, что электрический ток I равен количеству протекающего заряда Q в секунду. То есть I=Q/T, где T — время. Это все равно, что поток воды исчисляемый кубометрами в секунду. Или килограммами в сек, потом проверим по размерности).
Поэтому конденсатор с маленькой емкостью заполняется зарядом быстро, а с большой емкостью — медленно.
Рассмотрим теперь электрические цепи с конденсатором.
Пусть конденсатор подключен к генератору напряжения.
«Главный инженер повернул рубильник» S1 и.. тыдыщ. Что произошло?
Идеальный генератор напряжения имеет бесконечную мощность и может выдавать бесконечный ток. Когда замкнули рубильник в нашу емкость хлынуло бесконечное количество заряда в секунду и она мгновенно заполнилась и напряжение на ней выросло до U.
Теперь рассмотрим более реальную цепь.
Это Вторая Главная Цепь в жизни инженера-электронщика (после делителя напряжения) —
RC–цепочка.
RC–цепочка
RC -цепочки бывают интегрирующего и дифференцирующего типа.
RC–цепочка интегрирующего типа
Что произойдет в этой схеме, если замкнуть выключатель S1?
Конденсатор С исходно разряжен и напряжение на нем рано 0. Поэтому ток в первый момент будет равен I=U/R. Затем конденсатор начнет заряжаться, напряжение на нем увеличивается, и ток через резистор начнет уменьшаться. I=(U-Uc)/R. Этот процесс будет продолжаться, конденсатор будет заряжаться уменьшающимся током до напряжения источника U. Напряжение на конденсаторе при этом будет расти по экспоненте.
Вопрос: А если запитать такую цепочку от генератора тока, как будет расти напряжение на конденсаторе?
Почему цепочка называется — «интегрирующего типа»?
Как выше было отмечено, ток в первый момент после подачи напряжение будет равен I=U/R, так как конденсатор разряжен, и напряжение на нем равно 0. И какое-то время, пока напряжение на конденсаторе Uc мало по сравнению с U, ток будет оставаться почти постоянным. А при заряде конденсатора постоянным током напряжение на нем растет линейно.
Uc=Q/C, а мы помним, что ток это количество заряда в секунду, то есть скорость протекания заряда. Другими словами, заряд это интеграл от тока.
Q = ∫ I * dt =∫ U/R * dt
Uc=1/RC * ∫ U * dt
Но все это близко к истине в начальный момент, пока напряжение на конденсаторе малó.
На самом деле все сводится к тому, что конденсатор заряжается постоянным током.
А постоянный ток выдает генератор тока. (См. вопрос выше)
Если источник напряжения выдает бесконечно большое напряжение и сопротивление R также имеет бесконечно большую величину, то по факту мы имеем уже идеальный генератор тока, и внешние цепи на величину этого тока влияния не оказывают.
RC–цепочка дифференцирующего типа
Ну тут все то же самое, что в интегрирующей цепочке, только наоборот.
Более подробно свойства RC цепей хорошо освещены в интернете.
Параллельное и последовательное соединение конденсаторов
Так же как резисторы, конденсаторы можно соединять последовательно и параллельно.
При параллельном соединении емкости складываются — ну это и понятно, это как заполнять сообщающиеся сосуды, общий объем получается равным сумме объемов. При последовательном же соединении получится так, что конденсатор с маленькой емкостью заполнится зарядом быстрее, чем конденсатор с большой емкостью. Напряжение на маленьком конденсаторе быстро вырастет почти до напряжения источника ( ну и остальные конденсаторы внесут свой вклад) , ток в общей цепи уменьшится до нуля, и процесс заряда конденсаторов прекратится. Таким образом емкость последовательно соединенных конденсаторов получается меньше емкости самого маленького из них.
Upd.
Рассмотрим более подробно процесс заряда конденсатора на схеме рис.10 (по мотивам учебника И.В.Савельева «Курс общей физики», том II. «Электричество» )
Как было сказано в предыдущей статье О природе электрического тока электрический ток — это движение заряженных частиц. В проводниках ( в отличие от диэлектриков-изоляторов) часть электронов является свободными и такие электроны могут перескакивать от одного атому к другому. В целом проводник электрически нейтрален — отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом ядер атомов. Чтобы заставить электроны двигаться нужно создать их избыток на одном конце проводника и недостаток на другом. Этот избыток электронов на одном полюсе создает батарейка вследствие протекающих в ней электрохимических реакций. Когда проводник присоединяется к полюсам батарейки электроны от полюса, где их избыток начинают двигаться к другому полюсу, потому что одноименные заряды отталкивают друг друга. Эти свободные электроны движутся внутри проводника по всему объему.
Движение электронов в RC цепи на рис. 3 имеет другой характер. Поскольку цепь не замкнута (обкладки конденсатора не соединены друг с другом) постоянный ток в цепи идти не может. Поэтому поступающий избыток электронов с полюса батарейки приводит к тому, что проводник теряет электрическую нейтральность. Избыточный заряд q, распределяется по поверхности проводника так, чтобы напряженность поля внутри проводника была равна нулю. Ну это понятно, одноименные заряды отталкиваются и стремятся расположиться подальше друг от друга, то есть на поверхности. Если бы не было резистора R, то перераспределение зарядов по поверхности происходило бы мгновенно. Однако резистор ограничивает ток ( движение зарядов) поэтому перераспределение происходит постепенно. По мере зарядки конденсатора напряжение на нем растет и ток через резистор уменьшается. Избыточные электроны концентрируются на одной обкладке и создают электрическое поле. Это поле отталкивает электроны, находящиеся на другой обкладке и «проталкивает» их дальше по проводнику к отрицательному полюсу батареи. (Знаки + и — в данном случае берем условно). Таким образом в незамкнутой цепи протекает ток заряда конденсатора. Этот ток не постоянный и уменьшается со временем. Однако, если в какой-то момент поменять полярность батареи, то ток потечет уже в обратную сторону. Если это переключение делать достаточно часто, так чтобы конденсатор не успевал полностью зарядиться, то в цепи все время будет течь ток, то в одну, то в другую сторону. Это и происходит, когда говорят, что «конденсатор проводит переменный ток».
Для плоского конденсатора емкость равна С=ε0*ε*S/d , где d – зазор между обкладками, ε – диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего зазор, S — площадь обкладок.
То есть на емкость влияет не только площадь обкладок и расстояние между ними, но и материал диэлектрика, который между обкладками помещен. Причем на емкость конденсатора материал диэлектрика может влиять достаточно сильно, с разными дополнительными эффектами, см. например статью «Поляризация диэлектрика»
Литература
«Драма идей в познании природы», Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю., 1988
«Курс общей физики», том II. «Электричество» И.В.Савельев
Википедия — статьи про электричество.
Электрический заряд — Electric charge
Электрический заряд — это физическое свойство вещества , которое заставляет его испытывать силу при помещении в электромагнитное поле. Существует два типа электрического заряда: положительный и отрицательный (обычно переносятся протонами и электронами соответственно). Одинаковые заряды отталкивают друг друга, а разные обвинения притягиваются. Объект, у которого нет нетто-заряда, обозначается как нейтральный. Ранние знания о том, как взаимодействуют заряженные вещества, теперь называются классической электродинамикой, и по-прежнему актуальны для задач, не требующих рассмотрения квантовых эффектов.
Электрический заряд является сохраняемым свойством ; чистый заряд изолированной системы, величина положительного заряда минус количество отрицательного заряда, не может измениться. Электрический заряд переносится субатомными частицами. В обычном веществе отрицательный заряд переносится электронами, а положительный заряд переносится протонами в ядрах атомов. Если в части материи больше электронов, чем протонов, она будет иметь отрицательный заряд, если их меньше, она будет иметь положительный заряд, а если их будет равно количеству, она будет нейтральной. Заряд квантован ; он представлен в виде целых кратных отдельных малых единиц, называемых элементарным зарядом, е, примерно 1,602 × 10 кулонов, который является наименьшим зарядом, который может существовать свободно (частицы, называемые кварками, имеют меньшие заряды, кратные 1 / 3e, но они встречаются только в комбинации и всегда объединяются, образуя частицы с целочисленным зарядом). Протон имеет заряд + e, а электрон имеет заряд -e.
Электрические заряды создают электрические поля. Движущийся заряд также создает магнитное поле. Взаимодействие электрических зарядов с электромагнитным полем (комбинация электрического и магнитного полей) является источником электромагнитной (или лоренцевой) силы, которая является одной из четырех фундаментальные силы в физике. Изучение фотонных -опосредованных взаимодействий между заряженными частицами называется квантовой электродинамикой.
. Производная единица СИ электрического заряда — это кулон (C) назван в честь французского физика Шарля-Огюстена де Кулон. В электротехнике также обычно используется ампер-час (Ач); в физике и химии обычно используется элементарный заряд (е как единица измерения). В химии также используется постоянная Фарадея в качестве заряда моля электронов. Символ q в нижнем регистре часто обозначает заряд.
- 1 Обзор
- 2 Единицы
- 3 История
- 4 Роль заряда в статическом электричестве
- 4.1 Электрификация трением
Обзор
Схема, показывающая силовые линии и эквипотенциалы вокруг электрон, отрицательно заряженная частица. В электрически нейтральном атоме количество электронов равно количеству протонов (которые заряжены положительно), в результате чего общий нулевой заряд
По соглашению, заряд электрона отрицательный, -e, а заряд протона положительный, + e. Заряженные частицы с одинаковыми знаками зарядов отталкиваются друг от друга, а частицы с разными знаками притягиваются. Закон Кулона количественно определяет электростатическую силу между двумя частицами, утверждая, что сила пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния. между ними. Заряд античастицы равен заряду соответствующей частицы, но с противоположным знаком.
Электрический заряд макроскопического объекта — это сумма электрических зарядов частиц, которые его составляют. Этот заряд часто невелик, потому что материя состоит из атомов, а атомы обычно имеют равное количество протонов и электронов, и в этом случае их заряды компенсируются, дает нулевой чистый заряд, что делает атом нейтральным.
ион — это атом (или группа атомов), который потерял один или несколько электронов, придав ему чистый положительный заряд (катион), или который получил один или несколько электронов, придавая ему чистый отрицательный заряд (анион). Одноатомные ионы образуются из отдельных атомов, в то время как многоатомные ионы образуются из двух или более атомов, которые были связаны вместе, в каждом случае давая ион с положительным или отрицательным суммарным зарядом.
Электрическое поле, индуцированное положительным электрическим зарядом (слева), и поле, индуцированное отрицательным электрическим зарядом (справа).
Во время образования макроскопических объектов составляющие атомы и ионы обычно объединяются, образуя структуры, состоящие из нейтральных ионных соединения, электрически связанные с нейтральными атомами. Таким образом, макроскопические объекты имеют тенденцию быть нейтральными в целом, но макроскопические объекты редко бывают совершенно нейтральными.
Иногда макроскопические объекты содержат ионы, распределенные по всему материалу, жестко связанные на месте, придающие объекту общий положительный или отрицательный заряд. Кроме того, макроскопические объекты, состоящие из проводящих элементов, могут более или менее легко (в зависимости от элемента) принимать или испускать электроны, а затем бесконечно поддерживать отрицательный или положительный заряд. Когда чистый электрический заряд объекта отличен от нуля и неподвижен, это явление известно как статическое электричество. Это можно легко получить, протерев два разнородных материала друг с другом, например натерев янтарь с мехом или стекло с шелком. Таким образом, непроводящие материалы могут быть заряжены в значительной степени положительно или отрицательно. Заряд, взятый из одного материала, перемещается в другой материал, оставляя за собой противоположный заряд такой же величины. Всегда применяется закон сохранения заряда, который дает объекту, с которого снимается отрицательный заряд, положительный заряд такой же величины, и наоборот.
Даже когда чистый заряд объекта равен нулю, заряд может быть распределен в объекте неравномерно (например, из-за внешнего электромагнитного поля или связанных полярных молекул). В таких случаях объект называется поляризованным. Заряд из-за поляризации известен как связанный заряд, в то время как заряд на объекте, произведенный электронами, полученными или потерянными извне объекта, называется свободным зарядом. Движение электронов в проводящих металлах в определенном направлении известно как электрический ток.
Единицы
Производные единицы SI величины . электрического заряда составляет кулон (символ: C). Кулон определяется как количество заряда, которое проходит через поперечное сечение электрического проводника, несущего один ампер за одну секунду. Эта единица была предложена в 1946 году и ратифицирована в 1948 году. В современной практике вместо слова «количество заряда» используется фраза «сумма заряда». Символ q в нижнем регистре часто используется для обозначения количества электричества или заряда. Количество электрического заряда может быть измерено непосредственно с помощью электрометра или косвенно с помощью баллистического гальванометра.
. Количество заряда в 1 электроне (элементарный заряд ) равно определяется как фундаментальная константа в системе единиц СИ (действует с 20 мая 2019 г.). Значение элементарного заряда, выраженное в единицах СИ для электрического заряда (кулон), равно точно 1,602176634 × 10 Кл.
После обнаружения квантованного символа заряда в 1891 г. Джордж Стони предложил единицу «электрон» для этой фундаментальной единицы электрического заряда. Это было до открытия частицы Дж. Дж. Томсон в 1897 г. Единица сегодня называется элементарный заряд, фундаментальная единица заряда или просто е. Мера заряда должна быть кратна элементарному заряду e, даже если при больших масштабах заряд, кажется, ведет себя как реальная величина. В некоторых контекстах имеет смысл говорить о долях заряда; например, при зарядке конденсатора или в дробном квантовом эффекте Холла.
Единица фарадея иногда используется в электрохимии. Один фарадей заряда — это величина заряда одного моля электронов, т.е. 96485,33289 (59) C.
В системах единиц, отличных от СИ, таких как cgs, электрический заряд выражается как комбинация только трех основных величин (длина, масса и время), а не четырех, как в СИ, где электрический заряд представляет собой комбинацию длины, массы, времени и электрического тока.
История
Торсионные весы Кулона
С древних времен люди были знакомы с четырьмя типами явлений, которые сегодня можно было бы объяснить с помощью концепции электрического заряда: (а) молния, (б) рыба-торпеда (или электрический скат), (c) Огонь Святого Эльма и (d) тот янтарь, натертый мехом, привлечет маленькие, легкие предметы. Первое сообщение об эффекте янтаря часто приписывают древнегреческому математику Фалесу Милетскому, который жил с ок. 624 — ок. 546 г. до н.э., но есть сомнения, оставил ли Фалес какие-либо писания; его рассказ о янтаре известен из отчета начала 200-х годов. Это мнение можно рассматривать как доказательство того, что это явление было известно, по крайней мере, с. 600 г. до н.э., но Фалес объяснил это явление свидетельством наличия души у неодушевленных предметов. Другими словами, не было никаких указаний на понятие электрического заряда. В более общем плане древние греки не понимали связи между этими четырьмя видами явлений. Греки заметили, что заряженные янтарные пуговицы могут притягивать легкие предметы, такие как волосы. Они также обнаружили, что если натирать янтарь достаточно долго, они могут даже получить электрическую искру, чтобы прыгнуть, но есть также утверждение, что никаких упоминаний об электрических искрах не появлялось до конца 17 века. Это свойство проистекает из трибоэлектрического эффекта. В конце 1100-х годов вещество jet, уплотненная форма угля, было замечено как имеющее янтарный эффект, а в середине 1500-х годов Джироламо Фракасторо обнаружил, что алмаз также показал этот эффект. Некоторые усилия были предприняты Фракасторо и другими, особенно Джероламо Кардано, чтобы найти объяснения этого явления.
В отличие от астрономии, механики, и оптика, количественно изучавшаяся с древних времен, начало продолжающихся качественных и количественных исследований электрических явлений можно отметить публикацией Де Магнете английским ученым Уильям Гилберт в 1600 году. В этой книге был небольшой раздел, в котором Гилберт вернулся к эффекту янтаря (как он его называл), обращаясь ко многим из более ранних теорий, и придумал слово Новой латыни электрическая (от λεκτρον (ēlektron), греческого слова, обозначающего янтарь). Латинское слово было переведено на английский как «электрика». Гилберту также приписывают термин «электричество», тогда как термин «электричество» появился позже, впервые он был приписан сэру Томасу Брауну в его Pseudodoxia Epidemica из 1646 года (дополнительные лингвистические подробности см. В Этимология электричества.) Гилберт предположил, что этот янтарный эффект можно объяснить истечением (небольшим потоком частиц, который течет от электрического объекта без уменьшения его объема или веса), который действует на другие объекты. Эта идея о материальном электрическом эффлювии была влиятельной в 17-18 веках. Он был предшественником идей, разработанных в 18 веке об «электрической жидкости» (Дюфай, Нолле, Франклин) и «электрическом заряде».
Около 1663 года Отто фон Герике изобрел то, что, вероятно, было первый электростатический генератор, но он не распознал его в первую очередь как электрическое устройство и провел с ним лишь минимальные электрические эксперименты. Другими европейскими пионерами были Роберт Бойль, который в 1675 году опубликовал первую книгу на английском языке, посвященную исключительно электрическим явлениям. Его работа была в значительной степени повторением исследований Гилберта, но он также обнаружил еще несколько «электриков» и отметил взаимное притяжение между двумя телами.
В 1729 году Стивен Грей экспериментировал с статическое электричество, которое он генерировал с помощью стеклянной трубки. Он заметил, что пробка, используемая для защиты трубки от пыли и влаги, также стала электрифицированной (заряженной). Дальнейшие эксперименты (например, расширение пробки, вставляя в нее тонкие палочки) впервые показали, что электрическая элиминация (как назвал ее Грей) может передаваться (проводиться) на расстоянии. Грею удалось передать заряд шпагатом (765 футов) и проволокой (865 футов). В ходе этих экспериментов Грей обнаружил важность различных материалов, которые облегчают или препятствуют проведению электрических выделений. Джон Теофил Дезагулерс, повторивший многие эксперименты Грея, приписывают введение терминов проводники и изоляторы для обозначения эффектов различных материалов в этих экспериментах. Грей также обнаружил электрическую индукцию (то есть, когда заряд может передаваться от одного объекта к другому без какого-либо прямого физического контакта). Например, он показал, что, поднося заряженную стеклянную трубку близко, но не касаясь куска свинца, поддерживаемого нитью, можно было заставить свинец наэлектризоваться (например, притягивать и отталкивать латунные опилки). Он попытался объяснить это явление с помощью идеи электрического истощения.
Открытия Грея внесли важный сдвиг в историческое развитие знаний об электрическом заряде. Тот факт, что электрические выделения могут передаваться от одного объекта к другому, открыл теоретическую возможность того, что это свойство не было неразрывно связано с телами, наэлектризованными при трении. В 1733 Шарль Франсуа де Систерне дю Фэ, вдохновленный работой Грея, провел серию экспериментов (описанных в Mémoires de l ‘Académie Royale des Sciences ), показывающих, что более или менее все вещества могут быть «наэлектризованы» трением, за исключением металлов и жидкостей, и предположил, что электричество бывает двух видов, которые нейтрализуют друг друга, что он выразил в терминах теории двух жидкостей. Когда стекло натирали шелком, дю Фэй сказал, что стекло было заряжено стекловидным электричеством, а когда янтарь натирали мехом, янтарь заряжался. с смолистым электричеством. В современном понимании положительный заряд теперь определяется как заряд стеклянного стержня после того, как его натерли шелковой тканью, но произвольно, какой тип заряда называется положительным, а какой — отрицательным. Другая важная теория двух жидкостей того времени была предложена Жан-Антуаном Нолле (1745).
Примерно до 1745 года основным объяснением электрического притяжения и отталкивания была идея, которая электрифицировала тела выделяли испарения. Бенджамин Франклин начал электрические эксперименты в конце 1746 года, а к 1750 году разработал одно- жидкую теорию электричества, основанную на эксперименте, который показал, что натертое стекло получил такую же, но противоположную силу заряда, как ткань, используемая для протирания стекла. Франклин представлял электричество как разновидность невидимой жидкости, присутствующей во всей материи; например, он полагал, что это стакан в лейденской банке, в котором хранится накопленный заряд. Он утверждал, что трение изолирующих поверхностей друг о друга заставило эту жидкость изменить местоположение, и что поток этой жидкости составляет электрический ток. Он также утверждал, что, когда вещество содержит слишком мало жидкости, оно заряжается отрицательно, а когда в нем есть избыток, оно заряжается положительно. Он идентифицировал термин «положительный» со стекловидным электричеством, а отрицательный — со смолистым электричеством после проведения эксперимента со стеклянной трубкой, которую он получил от своего зарубежного коллеги Питера Коллинсона. В эксперименте участник A заряжал стеклянную трубку, а участник B получил удар по суставу от заряженной трубки. Франклин определил, что у участника В был положительный заряд после того, как он был потрясен трубкой. Существует некоторая двусмысленность относительно того, пришел ли Уильям Ватсон независимо к тому же единому объяснению примерно в одно и то же время (1747 г.). Уотсон, увидев письмо Франклина Коллинсону, утверждает, что он представил то же объяснение, что и Франклин, весной 1747 года. Франклин изучил некоторые из работ Уотсона до того, как провести свои собственные эксперименты и анализ, что, вероятно, было значимым для теоретизирования самого Франклина. Один физик предполагает, что Уотсон первым предложил теорию одной жидкости, которую Франклин затем развил дальше и более влиятельно. Историк науки утверждает, что Ватсон упустил тонкую разницу между своими идеями и идеями Франклина, поэтому Ватсон неверно истолковал свои идеи как сходные с идеями Франклина. В любом случае между Ватсоном и Франклином не было вражды, и модель электрического действия Франклина, сформулированная в начале 1747 года, в конечном итоге стала широко распространенной в то время. После работы Франклина объяснения, основанные на эффлювии, выдвигались редко.
Теперь известно, что модель Франклина в основе своей верна. Существует только один вид электрического заряда, и только одна переменная требуется для отслеживания количества заряда.
До 1800 года было возможно изучать проводимость электрического заряда только с помощью электростатического разряда. В 1800 году Алессандро Вольта первым показал, что заряд может поддерживаться в непрерывном движении по замкнутому пути.
В 1833 году Майкл Фарадей попытался устранить любые сомнения это электричество идентично, независимо от источника, из которого оно произведено. Он обсудил множество известных форм, которые он охарактеризовал как обычное электричество (например, статическое электричество, пьезоэлектричество, магнитная индукция ), гальваническое электричество (например, электрический ток от гальванической батареи ) и животное электричество (например, биоэлектричество ).
В 1838 году Фарадей поднял вопрос о том, является ли электричество жидкостью или жидкостями или свойством материи, таким как гравитация. Он исследовал, может ли материя иметь один вид заряда независимо от другого. Он пришел к выводу, что электрический заряд был отношением между двумя или более телами, потому что он не мог заряжать одно тело, не имея противоположного заряда в другом теле.
В 1838 году Фарадей также выдвинул теоретическое объяснение электрическая сила, выражая нейтралитет относительно того, исходит ли она из одной, двух или никакой жидкости. Он сосредоточился на идее, что нормальное состояние частиц должно быть неполяризованным, и что при поляризации они стремятся вернуться в свое естественное неполяризованное состояние.
Развивая теоретико-полевой подход к электродинамике (начиная с середины 1850-х годов), Джеймс Клерк Максвелл перестает рассматривать электрический заряд как особую субстанцию, которая накапливается в объектах, и начинает понимать электрический заряд. заряд как следствие преобразования энергии в поле. Это доквантовое понимание рассматривало величину электрического заряда как непрерывную величину даже на микроскопическом уровне.
Роль заряда в статическом электричестве
Статическое электричество относится к электрическому заряду объект и связанный с ним электростатический разряд, когда два объекта сводятся вместе, которые не находятся в равновесии. Электростатический разряд вызывает изменение заряда каждого из двух объектов.
Электрификация трением
Когда кусок стекла и кусок смолы — ни один из которых не проявляет никаких электрических свойств — трются друг о друга и оставляют с соприкасающимися натертыми поверхностями, они все равно не проявляют электрические свойства. В разлуке они притягивают друг друга.
Второй кусок стекла, натертый вторым куском смолы, затем отделенный и подвешенный рядом с бывшими кусками стекла и смолы, вызывает следующие явления:
- Два куска стекла отталкиваются друг от друга.
- Каждый кусок стекла притягивает каждый кусок смолы.
- Два куска смолы отталкивают друг друга.
Это притяжение и отталкивание — это электрическое явление, и тела, которые их демонстрируют, называются электрифицирован, или электрически заряжен. Тела могут быть наэлектризованы многими другими способами, в том числе трением. Электрические свойства двух кусков стекла аналогичны друг другу, но противоположны свойствам двух кусков смолы: стекло притягивает то, что отталкивает смола, и отталкивает то, что притягивает смола.
Если тело, наэлектризованное каким-либо образом, ведет себя так же, как стекло, то есть если оно отталкивает стекло и притягивает смолу, то тело называется стекловидно наэлектризованным, и если оно притягивает стекло и отталкивает говорят, что смола наэлектризована смолой. Все наэлектризованные тела наэлектризованы либо стекловидно, либо смолисто.
Установленное в научном сообществе соглашение определяет электризацию стекловидного тела как положительную, а смолистую электризацию как отрицательную. Совершенно противоположные свойства двух видов электрификации оправдывают то, что мы обозначаем их противоположными знаками, но применение положительного знака к одному, а не к другому, должно рассматриваться как вопрос произвольного соглашения — точно так же, как это вопрос соглашение в математической диаграмме для расчета положительных расстояний по направлению к правой руке.
Между наэлектризованным телом и неэлектрифицированным телом не наблюдается силы притяжения или отталкивания.
Роль заряда в электрическом токе
Электрический ток представляет собой поток электрического заряда через объект, который не вызывает чистых потерь или увеличения электрического заряда. Наиболее распространенными носителями заряда являются положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон. Движение любой из этих заряженных частиц составляет электрический ток. Во многих ситуациях достаточно говорить об обычном токе независимо от того, переносятся ли он положительными зарядами, движущимися в направлении обычного тока, или отрицательными зарядами, движущимися в противоположном направлении. Эта макроскопическая точка зрения представляет собой приближение, упрощающее электромагнитные концепции и расчеты.
С другой стороны, если посмотреть на ситуацию под микроскопом, можно увидеть, что существует много способов проведения электрического тока, включая: поток электронов; поток электронных дырок, которые действуют как положительные частицы; и как отрицательные, так и положительные частицы (ионы или другие заряженные частицы) текут в противоположных направлениях в электролитическом растворе или плазме.
. Помните, что в общем и важном случае металлических проводов направление обычного тока противоположно скорости дрейфа реальных носителей заряда; т.е. электроны. Это источник путаницы для новичков.
Сохранение электрического заряда
Общий электрический заряд изолированной системы остается постоянным независимо от изменений в самой системе. Этот закон присущ всем процессам, известным физике, и может быть получен в локальной форме из калибровочной инвариантности волновой функции . Сохранение заряда приводит к уравнению неразрывности заряд-ток. В более общем смысле, скорость изменения плотности заряда ρ в объеме интегрирования V равна интегралу площадей по плотности тока Jчерез замкнутую поверхность S = ∂V, которая равна в свою очередь равняется чистому току I:
— ddt ∫ V ρ d V = > \ int _ \ rho \, \ mathrm V => ∂ V J ⋅ d S = ∫ J d S соз θ = I. \ cdot \ mathrm \ mathbf = \ int J \ mathrm S \ cos \ theta = I.>
Таким образом, сохранение электрического заряда, как выраженный уравнением неразрывности, дает результат:
Заряд, перенесенный между временами ti >> и tf >> получается путем интегрирования обеих сторон:
где I — чистый исходящий ток через замкнутую поверхность q — электрический заряд, содержащийся в объеме, определяемом поверхностью.
Релятивистская инвариантность
Помимо свойств, описанных в статьях о электромагнетизме, заряд является релятивистским инвариантом. Это означает, что любая частица с зарядом q имеет одинаковый заряд независимо от того, насколько быстро она движется. Это свойство было экспериментально подтверждено, показывая, что заряд одного гелия ядра (два протона и два нейтрона, связанных вместе в ядре и движущиеся с высокой скоростью) то же самое, что и два ядра дейтерия (один протон и один нейтрон связаны вместе, но движутся намного медленнее, чем если бы они были в ядре гелия).
См. Также
- Единицы электромагнетизма СИ
- Цветной заряд
- Частичный заряд
Ссылки
Внешние ссылки