Электрический заряд – это физическая величина, которая определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий. Электромагнитные взаимодействия – это взаимодействия между заряженными частицами или телами.

Электрические заряды делятся на положительные и отрицательные. Положительным зарядом обладают стабильные элементарные частицы – протоны и позитроны , а также ионы атомов металлов и т.д. Стабильными носителями отрицательного заряда являются электрон и антипротон .

Существуют электрически незаряженные частицы, то есть нейтральные: нейтрон , нейтрино . В электрических взаимодействиях эти частицы не участвуют, так как их электрический заряд равен нулю. Бывают частицы без электрического заряда, но электрический заряд не существует без частицы.

На стекле, потёртом о шёлк, возникают положительные заряды. На эбоните, потёртом о мех – отрицательные заряды. Частицы отталкиваются при зарядах одинаковых знаков (одноимённые заряды ), а при разных знаках (разноимённые заряды ) частицы притягиваются.

Все тела состоят из атомов. Атомы состоят из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые движутся вокруг ядра атома. Атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных частиц – нейтронов. Заряды в атоме распределены таким образом, что атом в целом является нейтральным, то есть сумма положительных и отрицательных зарядов в атоме равна нулю.

Электроны и протоны входят в состав любого вещества и являются наименьшими устойчивыми элементарными частицами. Эти частицы могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Электрический заряд электрона и протона называется элементарным зарядом.

Элементарный заряд – это минимальный заряд, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Электрический заряд протона равен по абсолютной величине заряду электрона:

Е = 1,6021892(46) * 10 -19 Кл

Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой .

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.

Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).

Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения .

Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:

Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.

Подвесив на двух нитях лёгкие шарики из фольги и коснувшись каждого из них стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, можно увидеть, что шарики оттолкнутся дpуг от друга. Если потом коснуться одного шарика стеклянной палочкой, потёpтой о шёлк, а другого эбонитовой палочкой, потёpтoй о мех, то шарики притянутся дpуг к другу. Это означает, что стеклянная и эбонитовая палочки при трении приобретают заряды разных знаков , т.е. в природе существуют два рода электрических зарядов , имеющих противоположные знаки: положительный и отрицательный. Условились считать, что стеклянная палочка, потёртая о шёлк, приобретает положительный заряд , а эбонитовая палочка, потёртая о мех, приобретает отрицательный заряд .

Из описанного опыта также следует, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом . Такое взаимодействие зарядов называют электрическим. При этом одноимённые заряды, т.е. заряды одного знака, отталкиваются друг от друга, а разноимённые заряды притягиваются друг к другу.

На явлении отталкивания одноимённо заряженных тел основано устройство электроскопа - прибора, позволяющего определить, заряжено ли данное тело, и электрометра , прибора, позволяющего оценить значение электрического заряда.

Если заряженным телом коснуться стержня электроскопа, то листочки электроскопа разойдутся, поскольку они приобретут заряд одного знака. То же произойдёт со стрелкой электрометра, если коснуться заряженным телом его стержня. При этом, чем больше заряд, тем на больший угол отклонится стрелка от стержня.

Из простых опытов следует, что сила взаимодействия между заряженными телами может быть больше или меньше в зависимости от величины приобретённого заряда. Таким образом, можно сказать, что электрический заряд, с одной стороны, характеризует способность тела к электрическому взаимодействию, а с другой стороны, является величиной, определяющей интенсивность этого взаимодействия.

Заряд обозначают буквой q , за единицу заряда принят кулон : [q ] = 1 Кл .

Если коснуться заряженной палочкой одного электрометра, а затем этот электрометр соединить металлическим стержнем с другим электрометром, то заряд, находящийся на первом электрометре, поделится между двумя электрометрами. Можно затем соединить электрометр с ещё несколькими электрометрами, и заряд будет делиться между ними. Таким образом, электрический заряд обладает свойством делимости . Пределом делимости заряда, т.е. наименьшим зарядом, существующим в природе, является заряд электрона . Заряд электрона отрицателен и равен 1,6*10 -19 Кл . Любой другой заряд кратен заряду электрона.

Простые опыты по электризации различных тел иллюстрируют следующие положения.

1. Существуют заряды двух видов: положительные (+) и отрицательные (-). Положительный заряд возникает при трении стекла о кожу или шелк, а отрицательный — при трении янтаря (или эбонита) о шерсть.

2. Заряды (или заряженные тела ) взаимодействуют друг с другом. Одноименные заряды оттал-киваются, а разноименные заряды притягиваются.

3. Состояние электризации можно передать от одного тела к другому, что связано с переносом электрического заряда . При этом телу можно передать больший или меньший заряд, т. е. заряд имеет величину. При электризации трением заряд приобретают оба тела, причем одно — поло-жительный, а другое — отрицательный. Следует подчеркнуть, что абсолютные величины зарядов наэлектризованных трением тел равны, что подтверждается многочисленными измерениями заря-дов с помощью электрометров.

Объяснить, почему тела электризуются (т. е. заряжаются) при трении, стало возможным после открытия электрона и изучения строения атома. Как известно, все вещества состоят из атомов; атомы , в свою очередь, состоят из элементарных частиц — отрицательно заряженных электронов , положительно заряженных протонов и нейтральных частиц - нейтронов . Электроны и протоны являются носителями элементарных (минимальных) электрических зарядов.

Элементарный электрический заряд (е ) — это наименьший электрический заряд, положи-тельный или отрицательный, равный величине заряда электрона:

е = 1,6021892(46) · 10 -19 Кл .

Заряженных элементарных частиц существует много, и почти все они обладают зарядом +e или -e , однако эти частицы весьма недолговечны. Они живут меньше миллионной доли се-кунды. Только электроны и протоны существуют в свободном состоянии неограниченно долго.

Протоны и нейтроны (нуклоны) составляют положительно заряженное ядро атома , вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны, число которых равно числу протонов, так что атом в целом электроцентралей.

В обычных условиях тела, состоящие из атомов (или молекул), электрически нейтральны. Однако в процессе трения часть электронов, покинувших свои атомы, может перейти с одного тела на другое. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний. Но если тела после трения разъединить, то они окажутся заряженными; тело, которое отдало часть своих электронов, будет заряжено положительно, а тело, которое их приобрело, — отрицательно.

Итак, тела электризуются, т. е. получают электрический заряд, когда они теряют или приоб-ретают электроны. В некоторых случаях электризация обусловлена перемещением ионов. Новые электрические заряды при этом не возникают. Происходит лишь разделение имеющихся заря-дов между электризующимися телами: часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое.

Определение заряда.

Следует особо подчеркнуть, что заряд является неотъемлемым свойством частицы. Частицу без заряда представить себе можно, но заряд без частицы — нельзя.

Проявляют себя заряженные частицы в притяжении (разноименные заряды) либо в отталкивании (одноименные заряды) с силами, на много порядков превышающими гравитационные. Так, сила электрического притяжения электрона к ядру в атоме водорода в 10 39 раз больше силы гра-витационного притяжения этих частиц. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным взаимодействием , а электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.

В современной физике так определяют заряд:

Электрический заряд — это физическая величина , являющаяся источником электрического поля, посредством которого осуществляется взаимодействие частиц, обладающих зарядом.

1. Элементарный электрический заряд; два вида электрических зарядов; закон сохранения электри­ческого заряда; закон Кулона; электрическое поле: напряжённость электрического поля; линии напря­жённости электрического поля; принцип суперпози­ции электрических полей.

Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным. Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной - электрическим зарядом , который обозначается q.

Единица электрического заряда - кулон (Кл).

1 кулон - это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А.

Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. Один вид заряда назвали положительным, носителем элементарного положительного заряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые - притягиваются

Заряд частиц всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда.
Закон сохранения электрического заряда :
Полный заряд замкнутой системы (в которую не входят заряды извне), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел, остается постоянной: q 1 + q 2 + ... + q n = const.

Электрический заряд не создается и не исчезает, а только переходит от одного тела к другому.
Электризация - это сообщение телу электрического заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разнородных веществ и при облучении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.
В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка - положительный.
Закон Кулона: модуль силы взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними. r- расстояние между ними, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц, в СИ

Величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды ε. Для среды с диэлектрической проницаемостью е закон Кулона записывается следующим образом:
В СИ коэффициент k принято записывать следующим образом:
- электрическая постоянная, численно равная

2. Солнечная система. Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхож­дении и эволюции Солнца и звёзд.

1.Солнце - пылающий огненный шар, оно то чрезвычайно активно, то относительно спокойно. Температура поверхности Солнца около 6 000 градусов: при такой темпера­туре все известные нам вещества обращаются в пар. Темпера­тура же в центре Солнца значительно больше: около 15 мил­лионов градусов.

В солнечном спектре было найдено более шестидесяти хими­ческих элементов. Предполагается, что внешние слои Солнца имеют тот же химический состав, что и в момент его образова­ния: около 71% водорода, 27% гелия и 2% других элементов

Солнце условно разделяют на четыре области:

1. ядро,
2. лучи­стая зона,
3. зона конвекции
4. атмосфера.

Солнечное ядро представляет собой атомную электростан­цию, где солнечная энергия генерируется в реакциях ядерного синтеза. Источником энергии Солнца являются реакции тер­моядерного синтеза. В недрах Солнца происходит превращение ядер водорода в ядра гелия: в результате цепи трех последовательных реакций четыре ядра водорода превращаются в одно ядро гелия. Лучистая зона - зона, где отдельные кванты путешеству­ют сотни тысяч лет, пока достигнут фотосферы. В зоне конвекции циркулирующие потоки газа переносят теплоту от горячих недр наружу. Атмосфера условно разделена на фотосферу, хромосферу и солнечную корону.

Планетами земной группы называют четыре ближайшие к Солнцу планеты: Меркурий, Венеру, Землю и Марс.

Эти планеты характеризуются сравни­тельно небольшими размерами и массой и довольно большой средней плотностью. Общим свойством планет земной группы можно считать и то, что они весьма бедны спутниками.

Меркурий(самая близкая к Солнцу планета ). Меркурий получил свое имя в честь древнеримско­го бога-посланника. Он обращается вокруг Солнца быстрее всех планет со скоростью 47,9 км/с. Меркурий похож на Луну с ее множеством кратеров, гор и морей. Температура ни экваторе Меркурия меняется от 700 К в полдень до 90 К в полночь.

На Меркурии имеются следы атмосферы: зафиксированы гелий, аргон, кислород, углерод и ксенон, но атмосферы нет.

Венера (2 от Солнца) обладает атмосферой, причем очень плотной: давление у поверхности Венеры в 90 раз превышает давление у поверхности Земли. Атмосфера Венеры состоит в основном из углекислого газа,

Поверхность Венеры сухая и каменистая, примерно 60% поверхности занимают сравнительно ровные холмистые рав­нины с хорошо различимыми кратерами. Около 16% поверх­ности - безводные бассейны и долины.

Венера является еще более горячей планетой, чем Мерку­рий, причем из-за плотной атмосферы на ней практически от­сутствуют суточные и годичные колебания температуры - вблизи ее поверхности температура всегда около 450 0 С.

Особенность Венеры состоит в том, что при своем суточном враще­нии она вращается в направлении, противоположном направ­лению суточного вращения всех других планет, кроме Урана. Вращается она медленнее всех других планет, делая один оборот вокруг своей оси только за 243 земных суток.

Земля(3 от Солнца) - единственная планета, в атмосфере которой есть много кислорода: он появился благодаря жизнедеятельности растений.

Особенностью Земли среди других планет земной группы яв­ляется наличие у нее большого естественного спутника - Луны.

Луна очень схожа с Меркурием тем, что у нее тоже (и по тем же причинам) нет атмосферы, и поэтому ее поверхность изрыта огромными ударными кратерами. Интересная особен­ность Луны в том, что она всегда обращена к Земле одной стороной.

Марс(4 от Солнца) имеет две сходные с Землей особенности: во-первых, период его обращения вокруг своей оси составляет чуть больше 24 часов, то есть, почти совпадает с земными сут­ками, во-вторых, ось вращения наклонена к плоскости его орбиты примерно так же. как у Земли, вследствие чего на Марсе, как и на Земле, есть четыре времени года.

Атмосфера Марса слишком разрежена, чтобы задерживать губительные солнечные ультрафиолетовые лучи. Ее состав примерно такой: 95% углекислого газа, 2-3% азота, 1-2% аргона, 0,1-0,4% кислорода, а также следы водяного пара и

красноватый вид планеты (из-за чего она была названа Марсом, именем бога войны) обусловлен наличием большого числа окислов железа в марсианской коре.

Планеты-гиганты.

Планеты-гиганты не имеют твердой поверхности, так как но химическому составу и плотностью напоминают звезды, а их большая масса является причиной нагревания ядер до температуры большей 10000 С. У всех планет-гигантов имеются спутники (исчисляемые десятками), причем некоторые из них превышают своими размерами Луну.

Юпитер(5 от Солнца) был назван в честь мифологического римского царя богов и владыки Вселенной Юпитер представ­ляет собой огромный, быстро вращающийся жидкий шар, увенчанный толстой атмосферой, состоящей в основном из во­дорода и гелия. Юпитер является источником энергии: он излучает почти в два раза больше энергии, чем получает от Солнца. Источником энергии Юпитера является продолжаю­щееся до сих пор сжатие под действием сил тяготения. Так что Юпитер, в некотором смысле, является несостоявшейся (из-за слишком «малой» массы) звездой.

Сатурн (6 от Солнца) особенностью является его роскошное кольцо, открытое еще Галилеем. Сатурн - это многослойный шар с постепенным переходом от жидкости к газу состоящий в основном из водорода и гелия. Вблизи верхней границы облаков температура около 86 К, а в центре экваториальной зоны она доходит до 92 К. Там полыхают молнии и сверкают полярные сияния.

Уран(7 от Солнца) обладает всеми свойствами планет-гигантов, отличие его состоит в том, что осевое вращение Урана происходит в направлении, противоположном направлению вращения всех других планет. Вращается Уран «лежа на боку», поэтому в течение года происходит значительное изменение условий освещенности планеты.

Нептун(8 от Солнца) самая удаленная от Солнца из планет гигантов, поэтому температура очень низкая (менее – 200 0 С). Нептун имеет 3 спутника.