I processi fisici che si verificano in natura non sono sempre spiegati dalle leggi della teoria cinetica molecolare, della meccanica o della termodinamica. Esistono anche forze elettromagnetiche che agiscono a distanza e sono indipendenti dal peso corporeo.

Le loro manifestazioni furono descritte per la prima volta nelle opere di antichi studiosi greci, quando, con l'ambra, strofinavano la lana, attiravano luce, piccole particelle di singole sostanze.

Il contributo storico degli scienziati allo sviluppo dell'elettrodinamica

Gli esperimenti con l'ambra sono stati studiati in dettaglio da un ricercatore inglese. William Hilbert. Negli ultimi anni del XVI secolo, fece un resoconto del suo lavoro e designò oggetti capaci di attrarre altri corpi a distanza con il termine "elettrificato".

Il fisico francese Charles Dufet determinò l'esistenza di accuse con segni opposti: alcuni erano formati dall'attrito di oggetti di vetro su tessuto di seta e altri - resine su lana. Li ha chiamati: vetro e resina. Dopo il completamento della ricerca Benjamin Franklin  è stato introdotto il concetto di oneri negativi e positivi.

Charles Coulomb si rese conto della possibilità di misurare la forza delle cariche con il disegno di scale di torsione della sua stessa invenzione.

Basato su una serie di esperimenti, Robert Milliken ha stabilito la natura discreta delle cariche elettriche di qualsiasi sostanza, dimostrando che sono costituite da un certo numero di particelle elementari. (Da non confondere con un altro concetto di questo termine: frammentazione, discontinuità.)

Le opere di questi scienziati sono servite da base per la conoscenza moderna dei processi e dei fenomeni che si verificano nei campi elettrici e magnetici creati dalle cariche elettriche e dal loro movimento, studiati dall'elettrodinamica.

Determinazione delle cariche e dei principi della loro interazione

Una carica elettrica caratterizza le proprietà delle sostanze che consentono loro di creare campi elettrici e interagire nei processi elettromagnetici. Si chiama anche la quantità di elettricità ed è definita come una quantità fisica scalare. I simboli "q" o "Q" sono usati per indicare la carica, e l'unità "Pendente", che prende il nome dallo scienziato francese che ha sviluppato una tecnica unica, viene utilizzata per le misurazioni.

Ha creato un dispositivo nel corpo del quale sono state utilizzate palline sospese su un sottile filo di quarzo. Erano orientati nello spazio in un certo modo e la loro posizione era registrata rispetto a una scala graduata con divisioni uguali.

Attraverso uno speciale foro nel coperchio, un'altra palla con una carica aggiuntiva è stata portata a queste palle. Le forze nascenti dell'interazione hanno costretto le palle a deviare e hanno girato il loro bilanciere. L'entità della differenza nelle letture sulla scala prima e dopo l'introduzione della carica ha permesso di stimare la quantità di elettricità nei campioni di prova.

Una carica di 1 pendente è caratterizzata nel sistema SI da una corrente di 1 ampere che attraversa la sezione trasversale del conduttore in un tempo pari a 1 secondo.

Tutte le moderne elettrodinamiche di tutte le cariche elettriche si dividono in:

positiva;

negativo.

Quando interagiscono tra loro, sorgono forze in esse, la cui direzione dipende dalla polarità esistente.

Lo stesso tipo di cariche, positive o negative, spingono sempre in direzioni opposte, cercando di allontanarsi il più possibile l'una dall'altra. E a carico di segni opposti, le forze agiscono, sforzandosi di avvicinarle e unirle in un tutto.

Principio di sovrapposizione

Quando diverse accuse sono in un determinato volume, il principio di sovrapposizione agisce per esse.

Il suo significato è che, in un certo senso, ogni carica interagisce con tutti gli altri in un certo modo, essendo attratta da persone diverse e iniziando dallo stesso tipo. Ad esempio, la carica positiva q1 è influenzata dalla forza di attrazione F31 per la carica negativa q3 e la repulsione F21 da q2.

La forza risultante F1 che agisce su q1 è determinata dall'aggiunta geometrica dei vettori F31 e F21. (F1 \u003d F31 + F21).

Utilizzando lo stesso metodo, vengono determinate le forze risultanti F2 e F3 risultanti sulle cariche q2 e q3, rispettivamente.

Utilizzando il principio di sovrapposizione, si è concluso che per un certo numero di cariche in un sistema chiuso, le forze elettrostatiche allo stato stazionario agiscono tra tutti i suoi corpi e il potenziale in qualsiasi punto specifico in questo spazio è uguale alla somma dei potenziali di tutte le cariche applicate separatamente.

L'effetto di queste leggi è confermato dai dispositivi creati, un elettroscopio e un elettrometro, che hanno un principio generale di funzionamento.

Un elettroscopio è costituito da due petali identici di una sottile lamina sospesa in uno spazio isolato su un filo conduttivo attaccato a una sfera di metallo. Nello stato normale, le cariche non agiscono su questa palla, quindi i petali pendono liberamente nello spazio all'interno del bulbo del dispositivo.

Come si può trasferire la carica tra i corpi

Se un corpo carico, ad esempio una bacchetta, viene portato sulla sfera dell'elettroscopio, la carica passerà attraverso la sfera lungo il filo conduttivo verso i petali. Riceveranno la carica con lo stesso nome e si allontaneranno l'uno dall'altro di un angolo proporzionale alla quantità di elettricità applicata.

L'elettrometro ha la stessa struttura di base, ma presenta lievi differenze: un petalo è fissato in modo permanente e il secondo si allontana da esso ed è dotato di una freccia che consente di calcolare un conteggio da una scala graduata.

Per trasferire la carica da un corpo stazionario remoto a un elettrometro, è possibile utilizzare supporti intermedi.

Le misurazioni effettuate dall'elettrometro non hanno una classe di precisione elevata e sulla base è difficile analizzare le forze che agiscono tra le cariche. Le scale di torsione di Coulomb sono più adatte alla loro ricerca. Hanno usato sfere con diametri molto più piccoli della loro rimozione l'uno dall'altro. Hanno le proprietà delle cariche puntuali: corpi carichi le cui dimensioni non influiscono sulla precisione del dispositivo.

Le misurazioni effettuate da Coulomb hanno confermato il suo sospetto che una carica puntiforme viene trasferita da un corpo carico allo stesso in termini di proprietà e massa, ma scarica in modo tale da distribuirsi uniformemente tra loro, diminuendo di 2 volte alla fonte. In questo modo, è stato possibile ridurre la quantità di carica in due, tre e un numero diverso di volte.

Le forze esistenti tra cariche elettriche stazionarie sono chiamate Coulomb o interazione statica. Sono studiati dall'elettrostatica, che è uno dei rami dell'elettrodinamica.

Tipi di portatori di addebiti

La scienza moderna considera la più piccola particella caricata negativamente come un elettrone e il positrone come positivo. Hanno lo stesso peso di 9,1 · 10-31 kg. Un protone di particelle elementare ha solo una carica positiva e una massa di 1,7 · 10-27 kg. In natura, il numero di cariche positive e negative è bilanciato.

Nei metalli, il movimento degli elettroni crea, e nei semiconduttori, i portatori delle sue cariche sono elettroni e lacune.

Nei gas, la corrente è generata dal movimento di ioni - particelle non elementari cariche (atomi o molecole) con cariche positive, chiamate cationi o anioni negativi.

Gli ioni sono formati da particelle neutre.

Viene creata una carica positiva per una particella che ha perso un elettrone a causa di una potente scarica elettrica, radiazione luminosa o radioattiva, flusso del vento, movimento delle masse d'acqua o altri motivi.

Gli ioni negativi sono formati da particelle neutre che ricevono inoltre un elettrone.

L'uso della ionizzazione a scopi medici e nella vita di tutti i giorni

I ricercatori hanno da tempo notato la capacità degli ioni negativi di influenzare il corpo umano, migliorare il consumo di ossigeno nell'aria, erogarlo più rapidamente a tessuti e cellule e accelerare il processo di ossidazione della serotonina. Tutto questo in un complesso migliora significativamente l'immunità, migliora l'umore e allevia il dolore.

Si chiama il primo ionizzatore usato per trattare le persone lampadari Chizhevsky, in onore dello scienziato sovietico che ha creato il dispositivo, che ha un effetto benefico sulla salute umana.

Negli apparecchi moderni per uso domestico, puoi trovare ionizzatori integrati in aspirapolvere, umidificatori, asciugacapelli, asciugacapelli ...

Gli ionizzatori d'aria speciali purificano la sua composizione, riducono la quantità di polvere e le impurità dannose.

Gli ionizzatori d'acqua possono ridurre la quantità di sostanze chimiche nella sua composizione. Sono usati per pulire piscine e stagni, saturando l'acqua con ioni rame o argento, che riducono la crescita di alghe, distruggono virus e batteri.

Estratto di fisica

secondo §1-6

Wittenbeck Mary

Carica elettrica

Carica elettrica  è una proprietà associata al corpo che gli consente di essere una fonte di un campo elettrico e di partecipare alle interazioni elettromagnetiche. La carica è una caratteristica quantitativa. L'unità di carica in SI è il pendente - una carica elettrica che attraversa la sezione trasversale di un conduttore con una forza di corrente di 1A per 1 s. La prima carica elettrica fu introdotta nella legge di Coulomb nel 1785. La carica in un pendente è molto grande. Se due portatori di carica (q1 \u003d q2 \u003d 1 C) fossero posti nel vuoto a una distanza di 1 m, interagirebbero con una forza di 9 × 10 9 H.

La storia

Franklin conduce il suo famoso esperimento di aquiloni volanti, che dimostra che i fulmini sono elettricità.

Anche nei tempi antichi, si sapeva che l'ambra, indossata sulla lana, attira oggetti leggeri. E già alla fine del XVI secolo, il medico inglese William Hilbert chiamò i corpi in grado di attrarre oggetti leggeri elettrificati dopo lo sfregamento.

Nel 1729, Charles Dufe scoprì che ci sono due tipi di accuse. Uno è formato sfregando il vetro sulla seta e l'altro - resina sulla lana. Pertanto, Dufe ha definito le accuse "vetro" e "catrame". Il concetto di carica positiva e negativa è stato introdotto da Benjamin Franklin.

All'inizio del XX secolo, il fisico americano Robert Milliken dimostrò sperimentalmente che una carica elettrica distinto, cioè, la carica di qualsiasi corpo è un multiplo intero della carica elettrica elementare

elettrostatica

elettrostatica  Chiamano la sezione della dottrina dell'elettricità, in cui vengono studiate le interazioni e le proprietà dei sistemi di cariche elettriche stazionarie rispetto al quadro di riferimento inerziale selezionato.

L'entità della carica elettrica (altrimenti, solo una carica elettrica) è una caratteristica numerica dei portatori di carica e dei corpi caricati, che può assumere valori positivi e negativi. Questo valore è determinato in modo tale che l'interazione della forza portata dal campo tra le cariche sia direttamente proporzionale all'entità delle cariche che interagiscono con le altre particelle o corpi, e le direzioni delle forze che agiscono su di esse dal lato del campo elettromagnetico dipendono dal segno delle cariche.

La carica elettrica di qualsiasi sistema di corpi è costituita da un numero intero di cariche elementari pari a 1,6 × 10 −19 C (o, più precisamente, 1.602176487 (40) × 10 −19). I portatori di carica elettrica sono particelle elementari caricate elettricamente. La più piccola massa stabile di una particella con una carica elettrica elementare negativa è un elettrone (la sua massa di riposo è 9,11 × 10 −31 kg). L'antiparticella di massa stabile più piccola con una carica elementare positiva è un positrone, che ha la stessa massa di un elettrone ] . Esiste anche una particella stabile con una carica elementare positiva: un protone (la massa di riposo è 1,67 × 10 −27 kg) e altre particelle, meno comuni.

La carica elettrica di qualsiasi particella elementare è una quantità relativisticamente invariante. Non dipende dal quadro di riferimento, il che significa che non dipende dal fatto che questa carica si muova o si riposi; è inerente a questa particella per tutta la sua vita, quindi le particelle cariche elementari sono spesso identificate con le loro cariche elettriche. In generale, in natura ci sono tante cariche negative quante sono positive. Le cariche elettriche di atomi e molecole sono uguali a zero e le cariche di ioni positivi e negativi in \u200b\u200bciascuna cellula dei reticoli cristallini dei solidi sono compensate.

Interazione carica

Interazione di carica: come i corpi carichi si respingono, attratti in modo opposto l'uno dall'altro

Il fenomeno più semplice e quotidiano in cui viene rilevato il fatto dell'esistenza di cariche elettriche in natura è l'elettrificazione dei corpi al contatto. La capacità delle cariche elettriche di attrarre reciprocamente e repulsione reciproca è spiegata dall'ipotesi dell'esistenza di due diversi tipi di cariche. Un tipo di carica elettrica è chiamato positivo e l'altro è chiamato negativo. I corpi caricati in modo opposto si attraggono e quelli caricati si respingono a vicenda.

Quando due corpi elettricamente neutri entrano in contatto a causa dell'attrito, le cariche passano da un corpo all'altro. In ciascuno di essi viene violata l'uguaglianza della somma delle cariche positive e negative e i corpi vengono caricati diversamente.

Quando il corpo viene elettrificato attraverso l'influenza, la distribuzione uniforme delle cariche viene violata in esso. Sono ridistribuiti in modo che in una parte del corpo vi sia un eccesso di cariche positive, e nell'altra - quelle negative. Se queste due parti vengono disconnesse, verranno addebitate diversamente.

La legge di conservazione della carica elettrica

La carica elettrica di un sistema chiuso viene preservata nel tempo e quantizzata - cambia in porzioni che sono multipli della carica elettrica elementare, ovvero la somma algebrica delle cariche elettriche di corpi o particelle che formano un sistema isolato elettricamente non cambia durante alcun processo che si verifica in questo sistema.

Nel sistema in esame, nuove particelle cariche elettricamente possono formare, ad esempio, elettroni dovuti al fenomeno della ionizzazione di atomi o molecole, ioni dovuti al fenomeno della dissociazione elettrolitica, ecc. Tuttavia, se il sistema è isolato elettricamente, allora la somma algebrica delle cariche di tutte le particelle, anche di nuovo apparire in un tale sistema è sempre zero.

La legge di conservazione della carica è una delle leggi fondamentali della fisica. La legge di conservazione della carica fu confermata sperimentalmente nel 1843 dal grande scienziato inglese Michael Faraday ed è attualmente considerata una delle leggi fondamentali della conservazione in fisica (come le leggi della conservazione della quantità di moto e dell'energia).

Spese gratuite

A seconda della concentrazione di cariche libere, i corpi sono divisi in conduttori, dielettrici e semiconduttori.

Guide  - si tratta di corpi in cui una carica elettrica può muoversi attraverso il suo volume. I conduttori sono divisi in due gruppi: 1) conduttori del primo tipo(metalli) in cui il trasferimento di cariche (elettroni liberi) non è accompagnato da trasformazioni chimiche; 2) conduttori del secondo tipo  (ad esempio sali fusi, soluzioni acide), in cui il trasferimento di carica (ioni positivi e negativi) porta a cambiamenti chimici.

dielettrici  (ad es. vetro, plastica) - corpi in cui non ci sono praticamente cariche gratuite.

semiconduttori  (ad esempio germanio, silicio) occupano una posizione intermedia tra conduttori e dielettrici.

misurazione

L'elettroscopio più semplice

Per rilevare e misurare cariche elettriche, viene utilizzato un elettroscopio, costituito da un'asta di metallo - un elettrodo e due fogli di lamina sospesi da esso. Quando un oggetto carico tocca l'elettrodo, le cariche fluiscono attraverso l'elettrodo sui fogli di alluminio, i fogli risultano essere della stessa carica e quindi si discostano l'uno dall'altro.

È inoltre possibile utilizzare un elettrometro costituito da un'asta di metallo e una freccia, che può ruotare attorno ad un asse orizzontale. Quando un corpo carico entra in contatto con l'asta di un elettrometro, le cariche elettriche vengono distribuite lungo l'asta e la freccia e le forze repulsive che agiscono tra le stesse cariche sull'asta e sulla freccia lo fanno ruotare

Argomenti del codificatore di esame di stato unificato: elettrificazione di corpi, interazione di cariche, due tipi di carica, legge di conservazione della carica elettrica.

Interazioni elettromagnetiche  sono tra le interazioni più fondamentali in natura. Le forze elastiche e di attrito, la pressione del gas e molto altro possono essere ridotte a forze elettromagnetiche tra particelle di materia. Le interazioni elettromagnetiche stesse non si riducono più ad altri tipi di interazioni più profondi.

Un tipo di interazione altrettanto fondamentale è la gravità - l'attrazione gravitazionale di due corpi qualsiasi. Tuttavia, ci sono diverse differenze importanti tra le interazioni elettromagnetiche e gravitazionali.

1. Non tutti possono partecipare alle interazioni elettromagnetiche, ma solo carico  corpi (avendo carica elettrica).

2. L'interazione gravitazionale è sempre l'attrazione di un corpo verso un altro. Le interazioni elettromagnetiche possono essere sia attrazione che repulsione.

3. L'interazione elettromagnetica è molto più intensa di quella gravitazionale. Ad esempio, la forza della repulsione elettrica di due elettroni è più volte maggiore della forza della loro attrazione gravitazionale l'una verso l'altra.

Ogni corpo carico ha una certa quantità di carica elettrica. Una carica elettrica è una quantità fisica che determina la forza dell'interazione elettromagnetica tra oggetti della natura. L'unità di carico è ciondolo  (Cl).

Due tipi di carica

Poiché l'interazione gravitazionale è sempre un'attrazione, le masse di tutti i corpi sono non negative. Ma per accuse non è così. Due tipi di interazione elettromagnetica - attrazione e repulsione - sono convenientemente descritti introducendo due tipi di cariche elettriche: positivo  e negativo.

Le accuse di segni diversi sono attratte l'una dall'altra e le accuse di segni diversi sono respinte l'una dall'altra. Questo è illustrato in fig. 1; le palle sospese sui fili sono informate delle accuse di uno o di un altro segno.

Fig. 1. L'interazione di due tipi di accuse

La manifestazione diffusa delle forze elettromagnetiche è spiegata dal fatto che particelle di carica sono presenti negli atomi di qualsiasi sostanza: protoni caricati positivamente entrano nel nucleo atomico e elettroni caricati negativamente si muovono in orbite attorno al nucleo.

Le cariche di protoni ed elettroni sono uguali in valore assoluto, e il numero di protoni nel nucleo è uguale al numero di elettroni in orbita, e quindi risulta che l'atomo nel suo insieme è elettricamente neutro. Ecco perché, in condizioni normali, non notiamo l'effetto elettromagnetico dei corpi circostanti: la carica totale di ciascuno di essi è zero e le particelle cariche sono distribuite uniformemente sul volume del corpo. Ma in violazione dell'elettroneutralità (ad esempio, a seguito di elettrificazione) il corpo inizia immediatamente ad agire sulle particelle cariche circostanti.

Perché al momento non sono noti esattamente due tipi di cariche elettriche e non un altro numero di esse. Possiamo solo affermare che l'adozione di questo fatto come primario fornisce una descrizione adeguata delle interazioni elettromagnetiche.

La carica del protone è uguale a Cl. La carica dell'elettrone è di segno opposto ed è uguale a Cl. valore

si chiama carica elementare. Questa è la carica più piccola possibile: durante gli esperimenti non sono state rilevate particelle libere con una carica più piccola. La fisica non può ancora spiegare perché in natura vi sia la carica più piccola e perché il suo valore sia proprio quello.

La carica di qualsiasi organismo consiste sempre l'intero  numero di cariche elementari:

Se, allora il corpo ha un eccesso di elettroni (rispetto al numero di protoni). Se, tuttavia,   style \u003d "vertical-align: -20%;" class \u003d "tex" alt \u003d ""\u003eal contrario, manca il corpo di elettroni: più protoni.

Elettrificazione del corpo

Affinché un corpo macroscopico eserciti un effetto elettrico su altri corpi, deve essere elettrificato. elettrificazione  - Questa è una violazione della neutralità elettrica del corpo o delle sue parti. Come risultato dell'elettrificazione, il corpo diventa capace di interazioni elettromagnetiche.

Un modo per elettrificare il corpo è informarlo di una carica elettrica, cioè ottenere un eccesso di cariche dello stesso segno in questo corpo. Questo è facile da fare con l'attrito.

Quindi, quando si strofina una bacchetta di vetro con la seta, parte delle sue cariche negative vanno alla seta. Di conseguenza, la bacchetta viene caricata positivamente e la seta - negativamente. Ma quando si strofina il bastoncino di ebanite con la lana, alcune delle cariche negative passano dalla lana al bastoncino: il bastoncino si carica negativamente e la lana positivamente.

Questo metodo di corpi elettrificanti è chiamato elettrificazione per attrito. Incontri l'elettrificazione per attrito ogni volta che ti togli il maglione sopra la testa ;-)

Viene chiamato un altro tipo di elettrificazione induzione elettrostaticao elettrificazione per influenza. In questo caso, la carica totale del corpo rimane uguale a zero, ma viene ridistribuita in modo che in alcune parti del corpo si accumulino cariche positive, in altre - negative.

Fig. 2. Induzione elettrostatica

Diamo un'occhiata all'immagine. 2. Ad una certa distanza dal corpo metallico è una carica positiva. Attrae cariche metalliche negative (elettroni liberi), che si accumulano nelle sezioni della superficie corporea più vicine alla carica. Nelle sezioni più lontane rimangono cariche positive non compensate.

Nonostante il fatto che la carica totale del corpo metallico sia rimasta uguale a zero, nel corpo si è verificata una separazione spaziale delle cariche. Se ora dividiamo il corpo lungo la linea tratteggiata, la metà destra verrà caricata negativamente e la metà sinistra - positivamente.

Puoi osservare l'elettrificazione del corpo usando un elettroscopio. Un semplice elettroscopio è mostrato in Fig. 3 (immagine da en.wikipedia.org).

Fig. 3. Elettroscopio

Cosa succede in questo caso? Uno stick caricato positivamente (ad esempio, pre-grattugiato) viene portato sul disco dell'elettroscopio e raccoglie una carica negativa su di esso. Sotto, sulle foglie mobili dell'elettroscopio, rimangono cariche positive non compensate; respingendosi l'uno dall'altro, le foglie divergono in direzioni diverse. Se rimuovi la bacchetta, le cariche torneranno al loro posto e le foglie ricadranno.

Il fenomeno dell'induzione elettrostatica su scala grandiosa è osservato durante un temporale. In fig. 4 vediamo un temporale sopra la terra.

Fig. 4. Nuvola temporalesca di elettrificazione della terra

All'interno della nuvola ci sono banchi di ghiaccio di varie dimensioni, che si mescolano con correnti d'aria ascendenti, si scontrano tra loro e sono elettrificati. Si scopre che una carica negativa si accumula nella parte inferiore del cloud e una carica positiva nella parte superiore.

La parte inferiore della nuvola caricata negativamente induce cariche positive sotto la superficie della terra. C'è un condensatore gigante con una tensione tremenda tra la nuvola e il terreno. Se questa tensione è sufficiente per la rottura del traferro, si verificherà una scarica - fulmine, ben nota a te.

Carica legge sulla conservazione

Ritorniamo all'esempio dell'elettrificazione per attrito: strofinando un bastoncino con un panno. In questo caso, il bastoncino e il pezzo di tessuto acquisiscono uguale intensità e opposto nelle cariche dei segni. La loro carica totale, poiché era uguale a zero prima dell'interazione, rimane uguale a zero dopo l'interazione.

Vediamo qui addebitare la legge sulla conservazioneche dice: in un sistema chiuso di corpi, la somma algebrica delle cariche rimane invariata per tutti i processi che si verificano con questi corpi:

La vicinanza del sistema dei corpi significa che questi corpi possono scambiare cariche solo tra loro, ma non con altri oggetti esterni al sistema dato.

Quando elettrizza un bastoncino, non c'è nulla di sorprendente nel preservare la carica: quante particelle cariche hanno lasciato il bastoncino - la stessa quantità è arrivata su un pezzo di tessuto (o viceversa). Sorprendentemente, in processi più complessi che coinvolgono trasformazioni reciproche particelle elementari e cambio di numero  particelle cariche nel sistema, la carica totale è ancora preservata!