Otevřete fyziku. Elektrický náboj. Coulombův zákon

Stejně jako koncept gravitační hmotnosti tělesa v newtonovské mechanice, koncept náboje v elektrodynamice je primární, základní koncept.

Elektrický náboj – je fyzikální veličina, která charakterizuje vlastnost částic nebo těles vstupovat do elektromagnetických silových interakcí.

Elektrický náboj je obvykle reprezentován písmeny q nebo Q.

Souhrn všech známých experimentálních faktů nám umožňuje vyvodit následující závěry:

• Existují dva typy elektrických nábojů, běžně nazývané kladné a záporné.
• Náboje lze přenášet (například přímým kontaktem) z jednoho těla na druhé. Na rozdíl od tělesné hmotnosti není elektrický náboj integrální charakteristikou daného tělesa. Stejné těleso za různých podmínek může mít různý náboj.
• Jako náboje odpuzují, na rozdíl od nábojů přitahují. To také odhaluje zásadní rozdíl mezi elektromagnetickými silami a gravitačními silami. Gravitační síly jsou vždy přitažlivé síly.

Jedním ze základních přírodních zákonů je experimentálně stanovený zákon zachování elektrického náboje.

V izolované soustavě zůstává algebraický součet nábojů všech těles konstantní: q₁ +q₂ +q₃ + . +q_n = konst.

Zákon zachování elektrického náboje říká, že v uzavřené soustavě těles nelze pozorovat procesy vzniku nebo zániku nábojů pouze jednoho znaménka.

Z moderního pohledu jsou nosiče náboje elementární částice. Všechna běžná tělesa se skládají z atomů, které obsahují kladně nabité protony, záporně nabité elektrony a neutrální částice – neutrony. Protony a neutrony jsou součástí atomových jader, elektrony tvoří elektronový obal atomů. Elektrické náboje protonu a elektronu jsou co do velikosti přesně stejné a rovnají se elementárnímu náboji e.

V neutrálním atomu se počet protonů v jádře rovná počtu elektronů v obalu. Toto číslo se nazývá atomové číslo. Atom dané látky může ztratit jeden nebo více elektronů nebo získat elektron navíc. V těchto případech je neutrální atom přeměněn na kladně nebo záporně nabitý iont.

Náboj lze přenášet z jednoho tělesa do druhého pouze po částech obsahujících celý počet elementárních nábojů. Elektrický náboj tělesa je tedy diskrétní veličina: q = ± ne ( n = 0, 1, 2, . ).

Fyzikální veličiny, které mohou nabývat pouze diskrétní řady hodnot, se nazývají kvantované. Základní poplatek e je kvantum (nejmenší část) elektrického náboje. Je třeba poznamenat, že v moderní fyzice elementárních částic se předpokládá existence tzv. kvarků – částic s zlomkovým nábojem ± 1 3 e a ± 2 3 e . Kvarky však zatím nebyly pozorovány ve volném stavu.

V běžných laboratorních experimentech se k detekci a měření elektrických nábojů používá elektrometr – zařízení skládající se z kovové tyče a ukazovátka, které se může otáčet kolem vodorovné osy (obr. 1.1.1). Tyč se šípem je izolována od kovového těla. Když se nabité těleso dostane do kontaktu s tyčí elektroměru, elektrické náboje stejného znaménka se rozloží podél tyče a šipky. Síly elektrického odpuzování způsobují, že se šipka otáčí pod určitým úhlem, který lze použít k posouzení náboje přeneseného na tyč elektroměru.

Elektrometr je poněkud hrubý přístroj; neumožňuje nám studovat interakční síly nábojů. Zákon vzájemného působení stacionárních nábojů poprvé objevil francouzský fyzik C. Coulomb v roce 1785. Coulomb při svých pokusech měřil síly přitahování a odpuzování nabitých kuliček pomocí zařízení, které zkonstruoval – torzní váhy (obr. 1.1.2), která se vyznačovala extrémně vysokou citlivostí. Například kladina se působením síly řádu pootočila o 1° 10–9 N.

Myšlenka měření byla založena na Coulombově brilantním odhadu, že pokud se nabitý míček dostane do kontaktu s identickým nenabitým, náboj prvního se mezi ně rozdělí rovným dílem. Byl tedy indikován způsob změny náboje koule dvakrát, třikrát atd. krát. V Coulombových experimentech byla měřena interakce mezi míčky, jejichž rozměry byly mnohem menší než vzdálenost mezi nimi. Takto nabitá tělesa se obvykle nazývají bodové poplatky.

Bodový poplatek se nazývá nabité těleso, jehož rozměry lze v podmínkách daného problému zanedbat.

Na základě četných experimentů Coulomb stanovil následující zákon:

Interakční síly mezi stacionárními náboji jsou přímo úměrné součinu nábojových modulů a nepřímo úměrné druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi: F = k | q 1 | ċ | q 2 | r 2.

Síly interakce se řídí třetím Newtonovým zákonem: F → 1 = — F → 2 . Jsou to síly odpudivé, když mají náboje stejná znaménka, a přitažlivé síly, když mají náboje různá znaménka (obr. 1.1.3). Interakce stacionárních elektrických nábojů se nazývá elektrostatická nebo Coulombova interakce. Část elektrodynamiky, která studuje Coulombovu interakci, se nazývá elektrostatika.

Pro bodově nabitá tělesa platí Coulombův zákon. V praxi je Coulombův zákon dobře splněn, pokud jsou velikosti nabitých těles mnohem menší než vzdálenost mezi nimi.

Faktor proporcionality k v Coulombově zákoně závisí na volbě systému jednotek. V mezinárodní soustavě jednotek (SI) je jednotkou poplatku přívěsek (Kl).

Coulomb je náboj, který projde průřezem vodiče za 1 s proudem 1 A. Jednotka proudu (ampér) v SI je spolu s jednotkami délky, času a hmotnosti základní měrnou jednotkou.

Koeficient k v soustavě SI se obvykle zapisuje jako: k = 1 4 π ε 0 , kde ε 0 = 8,85 ċ 10 — 12 C 2 H ċ m 2 je elektrická konstanta.

V soustavě SI je elementární náboj e rovná se:

e = 1,602177ċ10 –19 C ≈ 1,6ċ10 –19 C.

Zkušenosti ukazují, že síly Coulombovy interakce se řídí principem superpozice.

Pokud nabité těleso interaguje současně s několika nabitými tělesy, pak je výsledná síla působící na dané těleso rovna vektorovému součtu sil působících na toto těleso od všech ostatních nabitých těles.

Interakce bodových poplatků —>

Rýže. 1.1.4 vysvětluje princip superpozice na příkladu elektrostatické interakce tří nabitých těles.

Interakce bodových poplatků

Princip superpozice je základním přírodním zákonem. Jeho aplikace však vyžaduje určitou opatrnost, pokud jde o interakci nabitých těles konečných rozměrů (například dvou vodivých nabitých koulí 1 a 2). Pokud je třetí nabitá koule přivedena do systému dvou nabitých koulí, interakce mezi 1 a 2 se změní v důsledku přerozdělení poplatků.

Princip superpozice říká, že když dané (pevné) rozdělení poplatků na všech tělesech, síly elektrostatické interakce mezi libovolnými dvěma tělesy nezávisí na přítomnosti jiných nabitých těles.