Закон збереження електричного заряду

Це – один із фундаментальних законів фізики.

Він полягає в тому, що повний заряд (алгебраїчна сума зарядів) ізольованої замкнутої фізичної системи тіл лишається незмінною при будь-яких процесах, які відбуваються в середині цієї системи.

Закон ґрунтується на численних дослідах, які доводять, що виникнення заряду одного знаку обов’язково супроводжується появою рівного за величиною заряду протилежного знаку. Вперше це було встановлено ще в середині 18 – го сторіччя.

Закон збереження заряду не порушується на рівні елементарних частинок, де він має особливо велике значення. Не існує способу відібрати заряд у мікрочастинок, або змінити його. Він може зникнути, але при зникненні самого носія заряду. Однак і в останньому випадку закон виконується. Наприклад, анігіляція електрона – е і позитрона + е приводить до зникнення цих двох частинок і відповідно двох зарядів.

Однак закон збереження матерії виконується, бо в результаті анігіляції народжується квант γ – випромінювання, який являється іншою формою існування матерії. Алгебраїчна сума зарядів в цьому випадку теж зберігається

Відомий експериментальний факт – генерація пари електронн – позитрон у вакуумі в сильних електричних полях.

Е

3. Носії електричних зарядів.

Атоми і молекули оточуючих тіл склюються з електронів, протонів та нейтронів.

Електрон – едина стабільна, негативно заряджена елементарна частинка, що входить до складу всіх атомів. Атоми чи молекули, які втратили один або кілька електронів, мають позитивний заряд і називаються позитивними іонами. Коли атом захопить додатковий електрон, то стане негативним іоном.

Маса нерухомого електрона (маса спокою) дорівнює 9.1095·10^-31кг і 1836 разів менше від маси протона. Відношення е/т (питомий заряд) у електрона теж у 1836 разів більше, ніж у протона. Це відношення надзвичайно впливає на поведінку носія заряду при дії на нього електричного і гравітаційного полів. Якщо уявити випадок, коли на електрон діють одночасно електричне і гравітаційне поле одиничних напруженостей, тоді дія електричного поля буде у разів більшою.

Тобто електрон можна вважати “безмасовою частинкою” і його рух буде визначатись напрямком і величиною електричного поля. Якщо напрямок поля миттєво зміниться на протилежний, то і електрон миттєво змінить напрямок руху. Вся сучасна електроніка базується на керуванні рухом електронів змінним електричним полем. Якщо частота зміни напрямку електричного поля буде 10⁶ Гц
(1 МГц), 10⁹ Гц (1 ГГц), 10¹², 10¹⁵, все одно і електрон буде з такою же частотою змінювати свій напрямок руху.

Теорія, що пояснює різноманітні властивості тіл: електризацію, струм, магнетизм, наявністю в них електронів та їх рухом називається електронною теорією.

Електрон – загадкова частинка, оскільки невідомі його розміри, форма та внутрішня структура. Він має аномально великий спін (момент кількості руху при обертанні навколо власної осі) і зв’язаний з цим магнітний момент. Механічне обертання навколо осі не може пояснити таку величину спіну.

Обов’язково треба пам᾿ятати і про хвильові властивості електрону.

Протон – єдина стабільна частинка з позитивним зарядом + е. Ядра всіх без виключення відомих елементів мають в своєму складі протони, котрі і зумовлюють позитивний заряд ядер. Протон надзвичайно важко відділити від ядра, щоб отримати вільні протони. Значно легше отримати вільні протони шляхом відділення від атому водню електронів (іонізація атомів водню). Таким чином можна отримати вільні носії позитивного заряду.

Атом водню, що втратив електрон, стає позитивним іоном.

Атом водню, що придбав електрон, стає негативним іоном.

Іонами бувають також атоми інших елементів. Протони та іони внаслідок великого значення маси мають мале значення е/т, порівняно з електронами. Тому електричне поле діє на них значно слабше ніж на електрони. Кажуть:”Іони мають набагато меншу рухливість у електронному полі ”().

Раніше вважалося, що протони, як і електрони, елементарні частинки, що не мають внутрішньої структури.

Однак сучасні дослідження показують, що протон являє собою дуже складну систему, а складові частинки мають унікальні характеристики.

Складові частинки називаються “кварки”. Їх у протоні три. Що вражає найбільше, що вони мають не цілий ряд е:

два мають заряд 2´(+2/3 е)

один 1´(- 1/3 е)

(2/3 е +2/3 е)- 1/3 е= +1 е

Взаємодія між кварками має ще мало визначену природу. Але відомо, що ПРИ ЗБІЛЬШЕННІ ВІДСТАНІ між кварками СИЛА ВЗАЄМОДІЇ НЕ ЗМЕНШУЄТЬСЯ.

Для прикладу, сила Кулона – зменшується: .

Ця обставина не дозволяє відділити кварк від протона і отримати його у вільному стані, тому поки що не вдалося отримати частинку із зарядом 1/3 е, 2/3 е.

Вважають, що взаємодія між кварками здійснюється шляхом обміну глюонами різних сортів. Глюони ще мало досліджені, їх існування підтверджено в основному теоретично.

Нейтрон – входить до складу ядра. Це нейтральні частинки, але їх нейтральність зумовлюється тим, що до їх складу входить однакова кількість позитивних і негативних зарядів. Вважається, що і нейтрон складається із кварків.

Маса нейтрона трохи більша за масу протону, але приблизно можна вважати їх рівними. Стабільний нейтрон лише в складі ядра. У вільному стані розпадається на більш стійкі нейтральні частинки.

4. Закон Кулона – закон взаємодії нерухомих точкових зарядів.

Французький військовий інженер Шарль Кулон виготовив чутливі крутильні терези для перевірки припущення, щодо закону взаємодії зарядів.

Це питання хвилювало всіх фізиків впродовж усіх 2 тисяч років. Але вирішення його утруднювалося тим, що електричні заряди надзвичайно малі, щоб з ним проводити досліди. А досліджувати треба саме малі заряди (мікрочастки), бо на силу взаємодії зарядів може впливати гравітаційна сила, якщо електрично взаємодіючі тіла будуть великої маси.

Таким чином:

- з одного боку з малими частками експериментувати важко;

- з другого боку з макротілами експериментувати можна, але електрична взаємодія вуалюється гравітаційною взаємодією як між самими тілами, так і між ними та Землею.

Такі причини, що не дозволили протягом довгого часу встановити закон взаємодії.

Винахід Кулона дозволив проводити досліди із надзвичайно малими зарядами, буквально е, 2 е і т.д.. З іншого боку, крутильні терези дозволили знехтувати гравітацією. До Кулона були зроблені припущення, що взаємодія точкових зарядів може бути аналогічною до взаємодії точкових мас, що встановив Ньютон

.

Досліди Кулона закінчились у 1795 році, коли він остаточно переконався, що

два точкових заряди q₁ і q₂ діють один на другий з однаковими і протилежними силами F₁₂ і F₂₁. Модулі сил рівні добутку зарядів q₁ q₂, розділеному на квадрат відстані r між ними. Направленні сили вздовж лінії, що проходять крізь них.

.

Оскільки з малюнка видно, що у різних напрямках сила взаємодії буде різною, то важливо вміти записувати закон Кулона у векторній формі

, або

,

де - коефіцієнт пропорційності.

У системі СГС ,

СІ Н м²/Кл²

- електрична стала (діелектрична проникність вакууму 8.85 10^-12 Кл²/Н м²

Якщо взаємодія між зарядами відбувається у якомусь середовищі, що має діелектричні властивості, то сила взаємодії зменшується на певну величину. Такою величиною є відома характеристика діелектриків – відносна діелектрична проникність .

.

Виходить, що середовище “екранує” один заряд від одного і це дійсно так. Це ми доведемо пізніше.

Дата добавления: 2014-01-11