Elektrostatika - časť, ktorá študuje statické (pevné) náboje a s nimi spojené elektrické polia.

Pohyb nábojov buď chýba, alebo prebieha tak pomaly, že náboje vznikajú pri pohybe magnetické polia bezvýznamný. Sila interakcie medzi nábojmi je určená len ich vzájomným usporiadaním. Energia elektrostatickej interakcie je teda potenciálna energia.

Napriek hojnosti rôzne látky v prírode existujú iba dva druhy elektrických nábojov: náboje, ako sú tie, ktoré sa objavujú na skle otretom o hodváb, a náboje podobné tým, ktoré sa objavujú na jantáre otieranom o srsť. Prvé sa nazývali kladné, druhé záporné náboje. Pomenoval ho Benjamin Franklin v roku 1746.

Vo všeobecnosti je náboj atómu akejkoľvek látky rovný nule, pretože kladný náboj atómového jadra je kompenzovaný opačným nábojom elektrónových obalov atómu. Veľmi silná interakcia medzi nábojmi prakticky vylučuje spontánny výskyt nabitých makroskopických telies. Sila Coulombovej príťažlivosti medzi elektrónom a protónom v atóme vodíka je teda 1039-krát väčšia ako ich gravitačná interakcia.

Je známe, že podobné náboje sa navzájom odpudzujú a na rozdiel od nábojov sa priťahujú. Ďalej, ak privediete nabité telo (s akýmkoľvek nábojom) na svetlo - nenabité, potom medzi nimi bude príťažlivosť - jav elektrifikácia pľúcnym telom cez vplyv. Na konci najbližšie k nabitému telesu sa objavia náboje opačného znamienka (indukované náboje), tento jav sa nazýva elektrostatická indukcia.

Skúsenosti ukazujú, že objavenie sa náboja na akomkoľvek telese je sprevádzané objavením sa náboja rovnakej veľkosti, ale s opačným znamienkom, na inom telese. Napríklad, keď sa sklenená tyčinka otiera o hodváb, obe telá sa nabijú: tyčinka je záporná, hodváb je kladný.

Teda všetci proces nabíjania Existuje proces separácie náboja. Súčet poplatkov sa nemení, poplatky sa iba prerozdeľujú. to znamená zákon zachovania náboja - jeden zo základných prírodných zákonov, sformulovaný v roku 1747 B. Franklinom a potvrdený v roku 1843 M. Faradayom: algebraický súčet nábojov vznikajúcich pri akomkoľvek elektrickom procese na všetkých telesách, ktoré sa tohto procesu zúčastňujú, je vždy rovný nule . Alebo kratšie: celkový elektrický náboj uzavretý systém nemení .

(K dispozícii sú ukážky na témy „Zachovanie náboja“ a „Druhy náboja“.).

Elektrické náboje neexistujú samy o sebe, ale sú vnútornými vlastnosťami elementárnych častíc - elektrónov, protónov atď.

Empiricky v roku 1914 ukázal americký fyzik R. Milliken že elektrický náboj je diskrétny . Náboj akéhokoľvek telesa je celočíselným násobkom elementárne nabíjačka .

,

Kde n je celé číslo. Electron A protón sú nositeľmi elementárnych záporných a kladných nábojov.

Napríklad naša Zem má záporný náboj C, ten sa zistí meraním sily elektrostatického poľa v zemskej atmosfére.

Veľký prínos k štúdiu javov elektrostatiky priniesol slávny francúzsky vedec C. Coulomb. V roku 1785 experimentálne stanovil zákon interakcie pevný bod elektrické náboje.

Pri elektrizovaní telies, zákon zachovania elektrického náboja. Tento zákon platí pre uzavretý systém. V uzavretom systéme zostáva algebraický súčet nábojov všetkých častíc nezmenený . Ak sú náboje častíc označené q 1 , q 2 atď., potom

q 1 + q 2 + q 3 + … + q n= konšt.

Základným zákonom elektrostatiky je Coulombov zákon

Ak je vzdialenosť medzi telesami mnohonásobne väčšia ako ich veľkosť, potom ani tvar, ani veľkosť nabitých telies výrazne neovplyvňujú interakcie medzi nimi. V tomto prípade možno tieto telesá považovať za bodové telesá.

Sila vzájomného pôsobenia nabitých telies závisí od vlastností prostredia medzi nabitými telesami.

Sila interakcie dvoch bodových nehybných nabitých telies vo vákuu je priamo úmerná súčinu nábojových modulov a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi. Táto sila sa nazýva Coulombova sila.

|q 1 | a | q 2 | - moduly náloží tiel,

r- vzdialenosť medzi nimi,

k- koeficient proporcionality.

F- interakčná sila

Interakčné sily dvoch nehybných bodovo nabitých telies smerujú pozdĺž priamky spájajúcej tieto telesá.

Jednotka elektrického náboja

Jednotkou prúdu je ampér.

Jeden prívesok(1 Cl) - je to náboj, ktorý prejde za 1 s prierezom vodiča pri sile prúdu 1 A

g [Coulomb=Cl]

e=1,610-19 °C

- elektrická konštanta

AKCIA NA ZBLÍZKA A VZDIALENOSŤ

Predpoklad, že interakcia medzi telesami vzdialenými od seba sa vždy vykonáva pomocou medzičlánky(alebo médiá), ktoré prenášajú interakciu z bodu do bodu podstata teórie pôsobenia na krátku vzdialenosť. Distribúcia s konečnou rýchlosťou.

Teória priamej akcie vo vzdialenosti priamo cez prázdnotu. Podľa tejto teórie sa akcia prenáša okamžite na ľubovoľne dlhé vzdialenosti.

Obe teórie sú vo vzájomnom protiklade. Podľa teórie pôsobenia na diaľku jedno telo pôsobí na druhé priamo cez prázdnotu a táto činnosť sa prenáša okamžite.

Teória krátkeho dosahu uvádza, že akákoľvek interakcia sa uskutočňuje pomocou medzičlánkov a šíri sa konečnou rýchlosťou.

Existencia určitého procesu v priestore medzi interagujúcimi telesami, ktorý trvá konečný čas, je hlavná vec, ktorá odlišuje teóriu akcie krátkeho dosahu z teórie pôsobenia na diaľku.

Podľa Faradayovej predstavy elektrické náboje nepôsobia priamo na seba. Každý z nich vytvára v okolitom priestore elektrické pole. Pole jedného náboja pôsobí na iný náboj a naopak. Keď sa vzdialite od náboja, pole slabne.

Elektromagnetické interakcie sa musia šíriť v priestore konečnou rýchlosťou.

Elektrické pole v skutočnosti existuje, jeho vlastnosti sa dajú empiricky študovať, ale nevieme povedať, z čoho toto pole pozostáva.

O povahe elektrického poľa môžeme povedať, že pole je hmotné; je to podstatné meno. nezávisle od nás, od nášho poznania;

Pole má určité vlastnosti, ktoré neumožňujú zameniť ho s ničím iným v okolitom svete;

Hlavnou vlastnosťou elektrického poľa je jeho pôsobenie na elektrické náboje určitou silou;

Elektrické pole stacionárnych nábojov je tzv elektrostatické. Časom sa to nemení. Elektrostatické pole je tvorené iba elektrickými nábojmi. Existuje v priestore obklopujúcom tieto náboje a je s ním neoddeliteľne spojený.

Intenzita elektrického poľa.

Pomer sily pôsobiacej na náboj umiestnený v danom bode poľa k tomuto náboju pre každý bod poľa nezávisí od náboja a možno ho považovať za charakteristiku poľa.

Intenzita poľa sa rovná pomeru sily, ktorou pole pôsobí na bodový náboj, k tomuto náboju.

Sila poľa bodového náboja.

.

Modul intenzity poľa bodového náboja q o na diaľku r z toho sa rovná:

.

Ak v danom bode priestoru vytvárajú rôzne nabité častice elektrické polia, ktorých sily atď., potom je výsledná intenzita poľa v tomto bode:

ELEKTRICKÉ VEDENIE ELEKTRICKEJ POL.

SILA POLE NABITEJ LOPTY

Elektrické pole, ktorého intenzita je vo všetkých bodoch priestoru rovnaká, sa nazýva homogénne.

Hustota siločiar je väčšia v blízkosti nabitých telies, kde je väčšia aj intenzita poľa.

- intenzita poľa bodového náboja.

Vo vnútri vodivej gule (r > R) je intenzita poľa nulová.

VODIČ V ELEKTRICKEJ OBLASTI.

Vodiče obsahujú nabité častice, ktoré sa môžu pohybovať vo vnútri vodiča vplyvom elektrického poľa. Náboje týchto častíc sa nazývajú bezplatné poplatky.

Vo vnútri vodiča nie je žiadne elektrostatické pole. Celý statický náboj vodiča je sústredený na jeho povrchu. Náboje vo vodiči môžu byť umiestnené iba na jeho povrchu.

Zákon zachovania náboja

Nie všetky prírodné javy možno pochopiť a vysvetliť na základe pojmov a zákonov mechaniky, molekulárno-kinetickej teórie štruktúry hmoty a termodynamiky. Tieto vedy nehovoria nič o povahe síl, ktoré viažu jednotlivé atómy a molekuly, držia atómy a molekuly hmoty v pevnom stave v určitej vzdialenosti od seba. Zákony vzájomného pôsobenia atómov a molekúl možno pochopiť a vysvetliť na základe myšlienky, že v prírode existujú elektrické náboje.

Najjednoduchším a najbežnejším javom, pri ktorom skutočnosť existencie elektrických nábojov v prírode, je elektrizácia telies pri kontakte. Interakcia telies detekovaná počas elektrifikácie sa nazýva elektromagnetická interakcia, a fyzikálne množstvo, ktorý určuje elektromagnetickú interakciu, - elektrický náboj. Schopnosť elektrických nábojov priťahovať a odpudzovať naznačuje prítomnosť dvoch rôzne druhy poplatky: kladné a záporné.

Elektrické náboje sa môžu objaviť nielen v dôsledku elektrifikácie pri kontakte telies, ale aj pri iných interakciách, napríklad pod vplyvom sily (piezoelektrický efekt). Ale vždy v uzavretom systéme, ktorý nezahŕňa náboje, pre akékoľvek interakcie telies zostáva algebraický (tj s prihliadnutím na znamienko) súčet elektrických nábojov všetkých telies konštantný. Tento experimentálne zistený fakt sa nazýva zákon zachovania elektrického náboja.

Nikde a nikdy v prírode nevznikajú a nezanikajú elektrické náboje rovnakého znamenia. Objavenie sa kladného náboja je vždy sprevádzané objavením sa rovnakého absolútna hodnota, ale s opačným záporným nábojom. Ani kladné, ani záporné náboje nemôžu zmiznúť oddelene od seba, ak sú rovnaké v absolútnej hodnote.

Vznik a zánik elektrických nábojov na telesách sa vo väčšine prípadov vysvetľuje prechodmi elementárnych nabitých častíc – elektrónov – z jedného telesa do druhého. Ako viete, zloženie akéhokoľvek atómu zahŕňa kladne nabité jadro a záporne nabité elektróny. V neutrálnom atóme sa celkový náboj elektrónov presne rovná náboju atómové jadro. Teleso pozostávajúce z neutrálnych atómov a molekúl má celkový elektrický náboj rovný nule.

Ak v dôsledku akejkoľvek interakcie časť elektrónov prechádza z jedného tela do druhého, potom jedno telo dostane záporný elektrický náboj a druhý kladný náboj rovný absolútnej hodnote. Keď sa dve opačne nabité telesá dostanú do kontaktu, elektrické náboje zvyčajne nezmiznú bez stopy a nadmerný počet elektrónov prechádza zo záporne nabitého telesa do telesa, v ktorom niektoré atómy majú na svojich obaloch neúplnú sadu elektrónov.

Špeciálnym prípadom je stretnutie elementárnych nabitých antičastíc, napríklad elektrónu a pozitrónu. V tomto prípade kladné a záporné elektrické náboje skutočne zmiznú, anihilujú, ale úplne v súlade so zákonom zachovania elektrického náboja, pretože algebraický súčet nábojov elektrónu a pozitrónu je rovný nule.

Zákon zachovania elektrického náboja uvádza, že algebraický súčet nábojov elektricky uzavretého systému je zachovaný.

Zákon zachovania náboja je úplne pravdivý. Zapnuté tento moment jeho vznik sa vysvetľuje ako dôsledok princípu invariantnosti meradla. Požiadavka relativistickej invariantnosti vedie k tomu, že zákon zachovania náboja má miestne charakter: zmena náboja v akomkoľvek vopred určenom objeme sa rovná toku náboja cez jeho hranicu. V pôvodnej formulácii by to bolo možné ďalší proces: náboj zmizne v jednom bode priestoru a okamžite vznikne v inom. Takýto proces by však bol relativisticky neinvariantný: v dôsledku relativity simultánnosti by sa v niektorých referenčných rámcoch objavil náboj na novom mieste predtým, ako by zmizol v predchádzajúcom, a v niektorých by sa náboj objavil v nové miesto nejaký čas po zmiznutí v tom predchádzajúcom. To znamená, že by existoval čas, počas ktorého by sa náboj nešetril. Požiadavka lokality nám umožňuje zapísať zákon zachovania náboja v diferenciálnom a integrálnom tvare.

Zákon zachovania náboja a meracej invariantnosti

Symetria vo fyzike
transformácia	Relevantné invariantnosť	Zodpovedajúce zákona zachovanie
↕ Čas vysielania	Jednotnosť čas	…energie
⊠ C, P, CP a T-symetrie	Izotropia čas	... parita
↔ Vysielací priestor	Jednotnosť priestor	...impulz
↺ Rotácia priestoru	Izotropia priestor	… moment spád
⇆ Lorentzova skupina	Relativita Lorentzova invariancia	…4 pulzy
~ Transformácia meradla	Invariantnosť meradla	... poplatok

Fyzikálna teória tvrdí, že každý zákon zachovania je založený na zodpovedajúcom základnom princípe symetrie. Zákony zachovania energie, hybnosti a momentu hybnosti sú spojené s vlastnosťami časopriestorových symetrií. Zákony zachovania elektrických, baryónových a leptónových nábojov nesúvisia s vlastnosťami časopriestoru, ale so symetriou fyzikálnych zákonov vzhľadom na fázové transformácie v abstraktnom priestore kvantových mechanických operátorov a stavových vektorov. Nabité polia v kvantovej teórii poľa sú opísané komplexnou vlnovou funkciou, kde x je súradnica časopriestoru. Častice s opačným nábojom zodpovedajú funkciám poľa, ktoré sa líšia znamienkom fázy , čo možno považovať za uhlovú súradnicu v nejakom fiktívnom dvojrozmernom "priestore náboja". Zákon zachovania náboja je dôsledkom invariantnosti Lagrangianu vzhľadom na globálnu kalibračnú transformáciu typu , kde Q je náboj častice opísaný poľom , a je ľubovoľné reálne číslo, ktoré je parametrom a nezávisí od časopriestorových súradníc častice. Takéto transformácie nemenia modul funkcie, preto sa nazývajú unitárne U(1).

Zákon zachovania náboja v integrálnom tvare

Pripomeňme, že hustota toku elektrického náboja je jednoducho hustota prúdu. Skutočnosť, že zmena náboja v objeme sa rovná celkovému prúdu cez povrch, môže byť zapísaná v matematickej forme:

Tu - nejaká ľubovoľná oblasť v trojrozmernom priestore, - hranica tejto oblasti, - hustota náboja, - hustota prúdu (hustota toku elektrického náboja) cez hranicu.

Zákon zachovania náboja v diferenciálnej forme

Prechodom na nekonečne malý objem a podľa potreby pomocou Stokesovej vety môžeme prepísať zákon zachovania náboja do lokálneho diferenciálneho tvaru (rovnica kontinuity)

Zákon zachovania náboja v elektronike

Kirchhoffove pravidlá pre prúdy vyplývajú priamo zo zákona zachovania náboja. Kombinácia vodičov a rádioelektronických komponentov je reprezentovaná ako otvorený systém. Celkový prílev poplatkov v tento systém sa rovná celkovému výkonu poplatkov zo systému. Kirchhoffove pravidlá predpokladajú, že elektronický systém nemôže výrazne zmeniť svoj celkový náboj.

Experimentálne overenie

Najlepším experimentálnym overením zákona zachovania elektrického náboja je hľadanie takých rozpadov elementárnych častíc, ktoré by boli povolené v prípade neprísneho zachovania náboja. Takéto rozpady neboli nikdy pozorované. Najlepšia experimentálna hranica pravdepodobnosti porušenia zákona zachovania elektrického náboja pochádza z hľadania fotónu s energiou mec 2/2 ≈ 255 keV, vznikajúce pri hypotetickom rozpade elektrónu na neutríno a fotón:

existujú však teoretické argumenty, že takýto jednofotónový rozpad nemôže nastať, aj keď náboj nie je zachovaný. Ďalším neobvyklým procesom, ktorý nešetrí náboj, je spontánna premena elektrónu na pozitrón a zmiznutie náboja (prechod do extra dimenzií, tunelovanie z brány atď.). Najlepšie experimentálne obmedzenia na zmiznutie elektrónu spolu s elektrickým nábojom a na beta rozpad neutrónu bez emisie elektrónov.

Zákon zachovania náboja hovorí, že pri interakcii určitého uzavretého systému s okolitým priestorom sa množstvo náboja, ktoré opustí systém jeho povrchom, rovná množstvu náboja, ktoré do systému vstúpi. Inými slovami, algebraický súčet všetkých poplatkov v systéme je nula.

Formula 1 - Zákon zachovania náboja

Ako viete, v prírode existujú dva typy poplatkov. Tieto sú pozitívne a negatívne. Veľkosť náboja je tiež diskrétna, to znamená, že sa môže meniť len po častiach. Elementárny náboj je náboj elektrónu. Ak sa k atómu pridá jeden elektrón, stane sa z neho záporne nabitý ión. A ak si to odnesiete, tak pozitívne.

Základnou myšlienkou zákona zachovania náboja je, že náboj nevzniká odnikiaľ a nikam nezaniká. Keď vznikne náboj jedného znamienka, okamžite sa objaví náboj opačného znamienka rovnakej veľkosti.

Na potvrdenie tohto zákona vykonáme experiment. Pre neho potrebujeme dva elektromery. Sú to zariadenia, ktoré vykazujú elektrický náboj. Skladá sa z tyče, na ktorej je upevnená os. Na osi je šípka. To všetko je umiestnené v cylindrickom puzdre, uzavretom z oboch strán sklom.

Na tyči prvého elektromera je kovový kotúč. Na ktorý umiestnime ďalší takýto disk. Medzi disky je potrebné položiť nejaký izolátor. Napríklad plátno. Horný disk má dielektrickú rukoväť. Držaním tejto rukoväte budeme disky trieť o seba. Takto ich elektrizujeme.

Obrázok 1 - Elektromery s pripojenými diskami

Po odstránení horného disku elektromer ukáže prítomnosť náboja. Jeho šíp sa vychýli. Ďalej vezmeme disk a dotkneme sa ho tyče druhého elektromera. Tiež odchýli šípku, čo naznačuje prítomnosť náboja. Aj keď náboj bude opačného znamienka. Ďalej, ak spojíme tyče elektromerov, šípky sa vrátia do svojej pôvodnej polohy. To znamená, že poplatky sa navzájom rušia.

Obrázok 2 - kompenzácia nabitia disku

Čo sa stalo v tomto experimente. Keď sme disky o seba treli, došlo k oddeleniu nábojov v kove diskov. Spočiatku bol každý disk elektricky neutrálny. Jeden z nich dostal nadbytok elektrónov, to znamená záporný náboj. Ďalší dostal nedostatok elektrónov, to znamená, že sa nabil kladne.

Obvinenia sa v tomto prípade neobjavili z ničoho nič. Boli už vo vnútri vodivých diskov. Len oni boli odškodnení medzi sebou. Len sme ich oddelili. Po umiestnení súčasne na rôzne disky. Keď sme spojili tyče elektromerov, náboje sa opäť navzájom kompenzovali. Čo ukazovali šípky.

Ak považujeme elektromery a disky za jednotný systém. Potom, napriek všetkým našim manipuláciám, celkový náboj tohto systému bol po celý čas konštantný. IN počiatočný moment disky boli elektricky neutrálne. Po oddelení sa objavili veľké kladné a záporné náboje. Len mali rovnakú veľkosť. To znamená, že náboj v systéme zostáva rovnaký. Po spojení tyčí sa systém vrátil do pôvodného stavu.