III. Основы электродинамики
Нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи, или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы. А кто не пробовал подвесить воздушный шарик к потолку, после трения его о голову? Подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества. Подобные действия называются электризацией.
Статическое электричество объясняется существованием в природе электрического заряда. Заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Заряд, который возникает на стекле при трении его о шелк, условно называют положительным, а заряд, возникающий на эбоните при трении о шерсть, — отрицательным.
Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и, летающих вокруг него, электронов (на рисунке синие частицы). Ядро состоит из протонов (красные) и нейтронов (черные).
.
Носителем отрицательного заряда является электрон, положительного — протон. Нейтрон — нейтральная частица, не имеет заряда.
Величина элементарного заряда — электрона или протона, имеет постоянное значение и равна
Весь атом нейтрально заряжен, если количество протонов соответствует электронам. Что произойдет, если один электрон оторвется и улетит? У атома станет на один протон больше, то есть положительных частиц больше, чем отрицательных. Такой атом называют положительным ионом. А если присоединится один электрон лишний — получим отрицательный ион. Электроны, оторвавшись, могут не присоединятся, а некоторое время свободно перемещаться, создавая отрицательный заряд. Таким образом, в веществе свободными носителями заряда являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.
Для того, чтобы имелся свободный протон, необходимо, чтобы разрушилось ядро, а это означает разрушение атома целиком. Такие способы получения электрического заряды мы рассматривать не будем.
Тело становится заряженным, когда оно содержит избыток одних или иных заряженных частиц (электронов, положительных или отрицательных ионов).
Величина заряда тела кратна элементарному заряду. Например, если в теле 25 свободных электронов, а остальные атомы являются нейтральными, то тело заряжено отрицательно и его заряд составляет . Элементарный заряд не делим — это свойство называется дискретностью
Одноименные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются, разноименные (положительный и отрицательный) — притягиваются
Точечный заряд — это материальная точка, которая имеет электрический заряд.
Закон сохранения электрического заряда
Замкнутая система тел в электричестве — это такая система тел, когда между внешними телами нет обмена электрическими зарядами.
Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц остается постоянной при любых процессах, происходящих в электрически замкнутой системе.
На рисунке пример закона сохранения электрического заряда. На первой картинке два тела разноименного заряда. На втором рисунке те же тела после соприкосновения. На третьем рисунке в электрически замкнутую систему внесли третье нейтральное тело и тела привели во взаимодействие друг с другом.
В каждой ситуации алгебраическая сумма заряда (с учетом знака заряда) остается постоянной.
Главное запомнить
1) Элементарный электрический заряд — электрон и протон
2) Величина элементарного заряда постоянна
3) Положительный и отрицательный заряды и их взаимодействие
4) Носителями свободных зарядов являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы
5) Электрический заряд дискретен
6) Закон сохранения электрического заряда
О зарядах элементарных частиц
Со школьной скамьи, те, кто не прогуливал уроки физики, усвоили знание, и всю жизнь искренне верили в него, что электрон имеет заряд -1, протон +1, а нейтрон 0. Этот постулат позволил учёным объяснить зарядовую нейтральность атома. Так как протонов в атоме как правило больше электронов, то для того чтобы привести атом к нейтральному заряду потребовался такой странный конструкт как нейтрон, который не более чем через 15 минут, после выхода из атома, превращается в протон и электрон. Но, не смотря на эту неприятную мелочь, версия о зарядах очень логично объясняла, почему атом нейтрален, так как он якобы состоит из равного количества протонов и электронов, которые уравновешивают электрический заряд атома, а недостающая масса покрывается нейтронами. При этом авторы этой модели, очевидно, сами иногда прогуливали уроки физики, иначе бы они знали о том, что сквозь отрицательную сферу электронной оболочки атома положительное поле не может пройти, поэтому отрицательная сфера всегда остаётся отрицательной с наружи, сколько бы внутрь неё не вкладывать положительных зарядов, так как все электростатическое поле протонов замыкается на электронах и мимо них пройти на внешнюю сторону сферы никак не может. [1] Таким образом, нейтрон в этой схеме оказался лишним, но он так прижился в терминологии атомной физики, что расставаться с ним ни кто не собирается. Смею предположить, что он будет здравствовать ещё не одно десятилетие.
В 19 веке химики обратили внимание на то, что при электролизе ни когда не встречаются случаи переноса заряда дробного от некоторого минимального значения, который стали считать элементарным и наделили им электрон. Так электрон превратился в эталон элементарного электрического заряда и стал обозначаться -1. Но наука не стаяла на месте и принялась изучать магнитные свойства элементарных частиц, магнитный момент которых стали определять из выражения:
где
мю – наблюдаемый магнитный момент частицы, Дж/Тл;
мю(э) = — 928,477*10^(-26) Дж/Тл;
мю(р) = 1,4106*10^(-26) Дж/Тл;
k – коэффициент фактического заряда частицы;
е = 1,602*10^(-19) К – элементарный заряд по модулю;
h = 6,626*10^(-34) Дж*с – постоянная Планка;
m – масса частицы, кг;
m(э) = 9,1094*10^(-31) кг – масса электрона;
m(р) = 1,6726*10^(-27) кг – масса протона.
k(э) = -1,001
k(р) = +2,793
Полученный результат говорит о том, что электрон действительно обладает единичным зарядом с небольшой поправкой в 0,1 %, а вот протон имеет заряд не +1, а +2,793, что выглядит весьма странно, так как нас учили совсем другому. И самое главное, заряд элементарной частицы, оказывается, может быть и дробным, а не обязательно целым.
Ещё интересней ситуация с нейтроном. Нейтрон по сути своей представляет собой вырожденный атом водорода, который образуется во время распада атомного ядра и имеет заряд равный – 1,913. Учитывая заряд электрона, в момент формирования нейтрона протон имеет заряд равный – 0,912. Т.е. он из положительно заряженной частицы неожиданно превращается в отрицательную, и приобретает при этом 3,704 отрицательного заряда.
Все эти метаморфозы с изменением и дроблением зарядов современная наука ни как не объясняет и старается этот вопрос публично не обсуждать.
Итак, анализ магнитных свойств элементарных частиц с высокой степенью уверенности позволяет утверждать:
1. Принятый на сегодня элементарный заряд фактически не является элементарным. Само понятие элементарного заряда бессмысленно, так как в природе могут существовать дробные заряды любой величины, в том числе и исчезающе малые.
2. Знак заряда протона не является постоянным и может меняться с положительного на отрицательный под воздействием внешних факторов.
3. Природа электрического заряда так на сегодня и не познана.
Возможно ответ, на вопрос: что представляет собой электрический заряд; следует искать в торовой модели элементарных частиц.
Предлагаемая торовая модель базируется на следующих постулатах:
1. Основным источником электрического заряда является нейтральный электрон.
2. Заряд протона является результатом комбинации отрицательных, положительных и нейтральных электронов, находящихся в его составе.
3. Заряд электрона может принимать любое значения от -1 до +1 единичного заряда.
4. Физический единичный заряд соответствует 1,001159652193 принятому в настоящее время. Иными словами он соответствует 1,60403028321*10^(-19) Кл. [2]
5. Плотность электрона определяется из выражения:
р = k*10^(4)*с^(2) = 8,9875519*10^(20) кг/м куб.
k — коэффициент пропорциональности с аргументом 1 кг*с^(2)/м^(5)
Протон и электрон могут быть представлены в виде торов, со следующими характеристиками [3]:
Электрон:
Масса – 9,109*10^(-31) кг;
Комптоновская длина волны — 2,426*10^(-12) м;
Радиус тора по средней линии — 3,86*10^(-13) м;
Радиус сечение тора – 1,153*10^(-20) м;
Объём тора – 1,0129*10^(-51) куб. м.
Характеристики тора протона вычисляются из условия размещения внутри него 1836 электронов в свёрнутом виде спиралью Архимеда по плоскостям сечения тора. В этом случае площадь, которую занимает свёрнутый электрон определяется из выражения:
Sе = L(e) * 2r = 2,426*10^(-12) * 2 * 1,153*10^(-20) = 5,594*10^(-32) кв. м
Принимаем коэффициент заполнения площади на уровне 0,8, тогда площадь сечения протона для размещения в нём электрона равна Sp = 6,993*10^(-32) кв. м, откуда радиус сечения равен r = 1,492*10^(-16) м. Таким образом, протон имеет следующие характеристики:
Масса – 1,6726*10^(-27) кг;
Комптоновская длина волны — 1,321*10^(-15) м;
Радиус тора по средней линии — 2,1*10^(-16) м;
Радиус сечение тора – 1,492*10^(-16) м;
Объём тора – 9,228*10^(-47) куб. м.
Электрон, судя по его характеристикам, представляет собой очень узкую трубку огромного диаметра в 1836 раз большего диаметра протона и в 12940 раз меньшего сечения.
Внутри этой трубки в виде двух потоков двигается некая материя [4]. Эти два потока перекручены между собой таким образом, что один поток вращается по часовой стрелке по ходу движения, а другой против. До тех пор пока оба потока уравновешенны по массе, заряд электрона нейтрален.
Если одно из направлений вращения материи исчезает, и весь поток внутренней материи электрона вращается только в одном направление, по часовой стрелке или против, электрон приобретает электрический заряд.
Если направление вращения полного потока совпадает с направлением вращения часовой стрелки, электрон приобретает положительный заряд +1. Если направление вращения полного потока материи противоположно вращению часовой стрелки, то электрон приобретает отрицательный заряд -1.
Но существуют ситуации, когда только часть потока меняет направление своего вращения, тогда в зависимости от соотношения масс оставшихся потоков устанавливается и соответствующий заряд электрона.
Так заряд протона составляет +2,793. Это означает, что в его составе два электрона с зарядами +1 не скомпенсированы, т.е. положительно заряженных электронов (позитронов) в составе протона на 2 больше чем отрицательных, и один нейтральный электрон приобрёл заряд +0,793, став частично позитроном.
Для того чтобы получился заряд равный +0,793, поток материи, который создаёт отрицательный заряд должен уменьшиться. Причём отрицательный поток является компенсатором для такого же объёма положительного потока. Поэтому, что бы получился итоговый положительный поток в 79,3 % от общего потока материи в электроне, оставшиеся 20,7 % потока должны быть суммой двух равных разновращающихся потоков. Иными словами отрицательный поток должен составлять 10,35%, а положительный соответственно 89,65 %. Итак перераспределение массы потоков с разными направлениями вращения с 50% до 89,65% в положительном направлении, и с 50% до 10,35% в отрицательном направлении приводит к тому, что электрон (позитрон) приобретает положительный заряд равный +0,793.
Аналогично происходит формирование дополнительного отрицательного электрона в момент образования нейтрона.
Заряд нейтрона равен –1,913. Заряд равный –1 вносится электроном, находящимся на нестационарной орбите протона. В результате суммарный заряд протона в момент выхода из ядра равен – 0,913, а до выхода из ядра он был соответственно +2,793. Следовательно, в момент разрушения ядра протон изменил свой заряд с +2,793 до – 0,913. Иными словами он приобрёл в это время 3,706 отрицательных зарядов. Три из них это нейтральные электроны, соответствующим образом, перешедших в состояние отрицательно заряженных электронов. Четвёртый нейтральный электрон приобрёл неполный отрицательный заряд путём вовлечения большей части положительного потока в противоположное направление вращения. В результате положительный поток снизился с 50% до 4,35%, а отрицательный соответственно увеличился с 50% до 95,65%
Таким образом, торовая модель в состоянии объяснить наличие не только дробных зарядов, но и их изменение под воздействием внешних факторов.
Также следует отметить, что торовая модель допускает наличие у протона не только положительного, но и отрицательного заряда, что экспериментально уже обнаружено, а также и нейтрального, который вероятно будет обнаружен в будущем.
Для того чтобы понять, как электрон значительно большего диаметра размещается в достаточно небольшом протоне необходимо принять допущение, что электрон является более древней формой материи по отношению к протону и в момент своего образования он формировался в условиях сверхвысоких плотностей материи. И хотя он уже изначально приобрёл форму тора, но эта форма была свёрнута в спираль Архимеда и в виде плоского диска разместилась в сечении протона.
Таким образом, протон собственно представляет собой не единое цельное тело, как это считается сегодня, а батарею из 1836 электронов упакованных в виде дисков спиралей Архимеда и вращающихся вокруг центра сечения тора протона.
В составе стабильного протона находится:
613 положительных электронов (позитронов) с зарядами +1;
611 отрицательных электронов с зарядами -1;
611 нейтральных электронов c зарядами 0;
Один электрон (позитрон) с зарядом +0,793.
Суммарный заряд протона составляет +2,793, при этом электроны располагаются в протоне симметрично по схеме:
Какого знака заряд имеет электрон протон
Базовая модель атома и атомная теория
Все вещества состоят из частиц, называемых атомами . Атомы связываются друг с другом, образуя элементы, и содержат только один вид атома.
Атомы различных элементов образуют соединения, молекулы и объекты.
Атом — это строительный блок материи, который нельзя разбить на части с помощью каких-либо химических средств.
Ядерные реакции могут изменить атомы.
Три части атома — это протоны (положительно заряженные), нейтроны (нейтральный заряд) и электроны (отрицательно заряженные).
- Протоны и нейтроны образуют атомное ядро .
- Электроны притягиваются к протонам в ядре, но движутся так быстро, что падают к нему (орбите), а не прилипают к протонам.
Идентичность атома определяется его числом протонов. Это также называется его атомным номером.
Части Атома
Атомы состоят из трех частей:
- Протоны : протоны являются основой атомов. В то время как атом может получать или терять нейтроны и электроны, его идентичность связана с числом протонов. Символом числа протонов является заглавная буква Z.
- Нейтроны: число нейтронов в атоме обозначается буквой N. Атомная масса атома является суммой его протонов и нейтронов или Z + N. Сильная ядерная сила связывает протоны и нейтроны вместе, образуя ядро атом.
- Электроны: электроны намного меньше протонов или нейтронов и вращаются вокруг них.
Основные характеристики атомов:
- Атомы не могут быть разделены с помощью химических веществ. Они состоят из частей, которые включают протоны, нейтроны и электроны, но атом является основным химическим строительным материалом материи. Ядерные реакции, такие как радиоактивный распад и деление , могут разрушать атомы.
- Каждый электрон имеет отрицательный электрический заряд.
- Каждый протон имеет положительный электрический заряд. Заряд протона и электрона равен по величине, но противоположен по знаку. Электроны и протоны электрически притягиваются друг к другу. Как заряды (протоны и протоны, электроны и электроны) отталкиваются друг от друга.
- Каждый нейтрон электрически нейтрален; иными словами, нейтроны не имеют заряда и не притягиваются электрически ни к электронам, ни к протонам.
- Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковые размеры и намного больше электронов. Масса протона по существу такая же, как у нейтрона.
- Масса протона в 1840 (!) раз больше массы электрона.
- Ядро атома содержит протоны и нейтроны. Ядро несет положительный электрический заряд.
Электроны движутся вне ядра; они организованы в оболочки, которые являются областью наиболее вероятного их местонахождения.
- Простые модели показывают, что электроны вращаются вокруг ядра по почти круговой орбите, подобно планетам, вращающимся вокруг звезды, но реальное поведение намного сложнее.
- Некоторые электронные оболочки напоминают сферы, но другие больше похожи на тупые колокольчики или другие формы.
- Технически, электрон может быть найден в любом месте в пределах атома, но проводит большую часть своего времени в области, описываемой орбиталью.
- Электроны также могут перемещаться между орбиталями.
Атомы очень маленькие. Средний размер атома составляет около 100 пикометров или одну десятитысячную часть метра.
- Почти вся масса атома находится в его ядре; почти весь объем атома занят электронами.
- Количество протонов (также известно как его атомный номер) определяет элемент.
- Изменение количества нейтронов приводит к образованию изотопов . Изменение числа электронов приводит к образованию ионов . Изотопы и ионы атома с постоянным числом протонов — это вариации одного элемента.
Частицы внутри атома связаны друг с другом мощными силами.
- В общем, электроны легче добавлять или удалять из атома, чем протон или нейтрон.
Химические реакции в основном включают атомы или группы атомов и взаимодействия между их электронами.
1.1 Электрический заряд и его образование
Напомним некоторые физические основы образования электростатических зарядов, необходимые для дальнейшего рассмотрения.
Атом любого вещества состоит из положительно заряженного ядра и окружающей его электронной оболочки, имеющей отрицательный заряд. Ядро, в свою очередь, состоит из протонов, имеющих положительный заряд, и нейтронов, нейтральных в электрическом отношении. По абсолютной величине, как заряд протона, так и электрона равен минимально возможному электрическому заряду (элементарному заряду), составляющему
Каждый атом имеет равное количество протонов и электронов и поэтому нейтрален в электрическом отношении. К атому, однако, может присоединиться один или несколько электронов. Наоборот, электрон или несколько электронов могут отделиться от атома. В любом из этих вариантов атом теряет электронейтральность. Атом, или группу атомов, которые приобрели, или потеряли определенное количество электронов, называют соответственно отрицательным или положительным ионом.
Взаимодействие двух неподвижных точечных зарядов определяется законом Кулона: сила электростатического взаимодействия между двумя зарядами прямо пропорциональна значениям этих зарядов и обратно пропорциональна квадрат расстояния между ними. Заряды, имеющие одинаковый знак, отталкиваются друг от друга, а имеющие разные знакипритягиваются. Если имеется несколько зарядов, то сила, действующая на один заряд, подсчитывается путем сложения воздействий всех зарядов.
Вокруг каждого заряда или группы зарядов образуется электрическое поле, причём действие этих зарядов на отдаленные объекты проявляется как воздействие этого поля . Если в группу таких зарядов внести зарядq, то на него будет действовать силаF, прямо пропорциональная заряду q. При этом напряженность электростатического поля Е в точке,
где находится заряд q, можно описать выражением:
Определение напряженности поля подобным образом предполагает, что заряд q является достаточно малым и не нарушает установившееся расположение остальных зарядов. Если заряд q является положительным, то сила, действующая на него, имеет то
же направление, что и электростатическое поле, а если заряд отрицательный, то направление будет противоположным направлению поля. Таким образом, если в зоне действия поля имеются положительные и отрицательные ионы, то это поле действует на них в противоположных направлениях. Происходит поляризация зарядов.
Заряды в проводниках переносится электронами, которые свободно переходят от одного атома к другому. Протоны, в свою очередь, не могут передвигаться, если атомы остаются неподвижными. В твердых веществах, где атомы только совершают колебания относительно своего фиксированного положения и не могутсвободно перемещаться,
ионы переносить заряды, естественно, не могут. В жидкостях и газах могут перемещаться, перенося заряд, как электроны, так и ионы.
Под действием силы взаимодействия заряд, состоящий из многих электронов, передвигается и проявляется только на поверхности твердого заряженного предмета, концентрируясь на углах и других заостренных частях этого предмета.
Электрический заряд обладает определенной потенциальной энергией в каждой точке электрического поля. Если изолированный предмет, обладающий свойством электропроводимости, получает определенный заряд, то его потенциал повышается. Емкость представляет собой коэффициент пропорциональности между напряжением и
зарядом. Связь между зарядом, емкостью и напряжением выражается
где Q — заряд, Кл ; C — емкость, Ф ; U — напряжение, В .
1.1.2 Возникновение электрических зарядов
Электрические заряды в материалах могут возникать при разрыве контакта между ними, при деформации материалов, при их трении друг о друга, Кроме того, они могут возникать при получении этих материалов, их переработке и эксплуатации.
Возникновение зарядов при разрыве контакта. При соприкосновении двух тел
(контакте) происходит перераспределение зарядов, и, когда тела разъединяются, это неравномерное распределение зарядов на них сохраняется(рис. 1.1). Материал, который теряет электроны, становится положительно заряженным, а материал, их получающий – отрицательно заряженным.
Рис. 1.1. Образование статического электричества при разрыве контакта: 1 – предметы, не имеющие заряда; 2 – соприкосновение; 3 – перераспределение зарядов; 4 – разъединение; 5 – электрическое поле, образуемое статическим электричеством.
Чаще всего эти заряды сами по себе постепенно разряжаются, и их присутствие остается незаметным. Но при определенных условиях заряд остается в предметах и даже может накапливаться. Тогда в них образуется статическое электричество, интенсивность которого зависит, в первую очередь, от сочетания предметов, находившихся в контакте, электропроводности материалов, размера и количества точек соприкосновения, а также от скорости разъединения предметов.
и дальнейшего накопления электрических зарядов в
материале называется электризацией этого материала.
при трении. Образование электрических зарядов в
материалах происходит также при их трении друг о . другаПри этом вследствие неровностей поверхностей контактирующих материалов на отдельных участках при перемещении этих материалов имеет место последовательный многократный контакт и
разрыв контакта, сопровождающийся электризацией материалов. Это явление называется
Для оценки того, как будут заряжаться материалы при их трении друг о друга их обычно располагают в трибоэлектрический ряд. В этом ряду материалы, стоящие ближе к минусу, будут приобретать отрицательный заряд по отношению к материалу, стоящему ближе к плюсу.
Согласно правилу Кена отрицательно заряжаются материалы с больш диэлектрической проницаемостью. Заметим, что, как правило Кена, так и порядок заряжения согласно трибоэлектрическому ряду соблюдается далеко не всегда. Примером этого служит так называемое “Трибоэлектрическое кольцо” (рис. 1.2). При трении шёлка о стекло последнее заряжается отрицательно. В свою очередь, при трении стекла и металлического цинка тот приобретает отрицательный заряд. Наконец, в паре трения цинк – шёлк отрицательно заряжается шёлк. Но стекло выше шёлка, а шёлк выше цинка в трибоэлектрическом ряду.
Рис. 1.2 Трибоэлектрическое кольцо «Шёлк – стекло — цинк».
Возникновение зарядов при деформации материала. Было установлено, что при деформации диэлектрических материалов происходит возникновение электрических зарядов. Это явление также связано с перераспределением зарядов в диэлектрике при воздействии механической нагрузки и его называют электроэластическим эффектом . Этот эффект имеет большое практическое значение при переработке каучуков и вытяжке волокон.
Концентрация зарядов в материале зависит от конфигурации конкретного предмета. Чем острее углы, тем выше концентрация зарядов в них.
Заряд часто сохраняется в материалах, обладающих низкой электропроводимостью — пластмассе, резине, нефти, бензине, текстиле и т. п., но также и в электропроводящих материалах, если они изолированы от земли. Человек может получить заряд, если подошвы его обуви являются изоляторами , или, если он идет по полу, покрытому изоляционным материалом.
Статические заряды могут также образовываться в облаках пыли, тумана и пара, если имеющиеся в них ионы с разными зарядами разъединяются и теряют электрическое равновесие. Если это происходит в природных условиях в больших масштабах , то
возникает гроза. При
этом электрическое напряжение между облаками или между
облаками и землей достигает таких показателей, что разряд происходит в виде молнии.