Электрические заряды и электростатическое поле

Встраиваемые микропроцессоры

Персональные ЭВМ

Персональные и профессиональные ЭВМ, позволяют удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ также строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня.

Эти устройства, универсальные по характеру применения, могут встраиваться в отдельные машины, объекты, системы. Они находят все большее применение в бытовой технике (сотовых телефонах, телевизорах, музыкальных центрах, микроволновых печах и т.д.), в городском хозяйстве (энерго-, тепло-, водоснабжении, регулировке движения транспорта и т.д.), на производстве (робототехнике, управлении технологическими процессами).

Еще в древности было известно, янтарь, потертый о шерсть, приобретает способность притягивать легкие предметы. Было обнаружено, что аналогичными свойствами могут обладать многие другие тела, например, стекло, потертое о шелк, или эбонит, потертый о мех. Данное силовое взаимодействие неподвижных тел, находящихся на расстоянии друг от друга, получило название электрического (от греческого электрон – янтарь).

Определение. Количественной мерой способности тела участвовать в электрическом взаимодействии с другими телами служит его электрический заряд.

Электрические заряды всегда возникают при тесном соприкосновении различных веществ.

Определение. Процесс приобретения телом электрического заряда называется электризацией тела.

В некоторых телах – проводниках, электрические заряды способны свободно перемещаться между разными частями тела. Такие заряды называются свободными. В других телах – диэлектриках (изоляторах), заряды могут лишь смещаться из положения равновесия. Такие заряды называются связанными.

Разделение тел на проводники и диэлектрики условно, так как в каждом теле при электризации возникают как свободные, так и связанные заряды. По своим электрическим свойствам тело ближе к проводнику или к диэлектрику в зависимости от того, свободные и ли связанные заряды, в основном определяют электрические свойства тела в конкретном опыте.

Наличие электрического заряда у тела проявляется в его способности силового взаимодействия с другими заряженными телами. Произведем опыт (см. рис.1.1.) по электризации двух шариков путем передачи им электрического заряда при их соприкосновении с заряженной палочкой. Рис. 1.1, а – два легких незаряженных шарика подвешены на изолирующих шелковых нитях. Электрического взаимодействия между шариками нет. Каждый шарик висят вертикально под действием силы тяжести; уравновешенной силой упругости нити. Рис. 1.1, б – к каждому шарику прикоснулись стеклянной палочкой, потертой о шелк. Шарики получили электрический заряд от палочки. Шарики отклоняются друг от друга на некоторый угол под действием электрических сил отталкивания. Отталкивание шариков наблюдается также, если оба шарика заряжены прикосновением к ним эбонитовой палочки, потертой о мех. Рис. 1.1, в – один шарик заряжен при помощи эбонитовой палочки, а другой – от стеклянной палочки. Электрическое взаимодействие заряженных шариков проявляется в их притяжении друг к другу.

Из опыта следует, что заряды стекла и эбонита качественно различны, а электрическое взаимодействие заряженных тел может проявляться либо в их взаимном притяжении, либо в их отталкивании друг от друга. Таким образом, электрические заряды в природе могут быть двух видов. Заряды, подобные зарядам, возникающим на стекле, потертом о шелк, условно называются положительными. Заряды, подобные зарядам, возникающим на эбоните, потертом о мех, условно называются отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Явление электрического отталкивания используют для устройства электроскопа, предназначенного для обнаружения электрических зарядов. Он состоит из изолированного металлического стержня, к которому прикреплены легкие металлические или бумажные листочки. При соприкосновении с заряженным телом часть заряда тела переходит на стержень и листочки, которые под действием сил электрического отталкивания отклоняются на некоторый угол.

Рис. 1.1. Схема опыта по изучению электрического взаимодействия

заряженных тел

Согласно современной науке, вещество состоит из молекул, а те – из атомов. Молекулы и атомы в целом не обладают электрическими зарядами. Атомы состоят из положительно заряженных атомных ядер и отрицательно заряженных электронов.

Вещество не исчерпывает всех форм существования материи. Взаимодействие тел из вещества, находящихся на расстоянии друг от друга, осуществляется при помощи другой формы материи, называемой полем. Так, существует гравитационное поле, посредством которого тела взаимодействуют друг с другом по закону всемирного тяготения.

Электрическое взаимодействие неподвижных заряженных тел является частным случаем электромагнитного взаимодействия. Изучение законов и проявлений такого взаимодействия и является предметом данного курса. Электромагнитное взаимодействие в природе осуществляется посредством электромагнитного поля. Электрическое поле, возбуждаемое неподвижными электрическими зарядами, называется электростатическим полем и является частным случаем электромагнитного поля. Электростатическое поле не зависит от времени.

С позиций электронной теории всякое вещество представляет собой атомные ядра и электроны, находящиеся в универсальной материальной среде, называемой вакуумом. Вакуум сам по себе – это такое состояние материи, когда в ней нет вещества, но есть электромагнитное поле.

Пусть закрытая, например, стеклянная колба первоначально была заполнена воздухом. Если откачивать воздух насосом из колбы, то материальная среда внутри колбы по своим свойствам будет приближаться к вакууму.

Электрический заряд обладает свойством инвариантности, то есть электрический заряд тела не зависит от выбора инерциальной системы отсчета, относительно которой изучается движение тела. Другими словами, величина заряда не зависит от того, покоится или движется материальный носитель этого заряда.

Электрический заряд обладает свойством аддитивности: полный заряд системы равен алгебраической сумме зарядов частей, составляющих систему.

Электрический заряд дискретен по своей природе (обладает свойством квантуемости), то есть заряд любого тела кратен некоторой положительной величине , называемой элементарным зарядом:

(1.1)

где - целое положительное число.

Физическими носителями элементарных электрических зарядов являются некоторые элементарные частицы. Так, заряд протона и позитрона равен , а заряд электрона равен . Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь. Однако всегда положительный и отрицательный элементарный заряд исчезают или возникают попарно. Например, электрон и позитрон при взаимодействии превращаются в электрически нейтральный гамма-фотон, который является носителем кванта (порции) электромагнитной энергии. Процесс, называемый «рождением пары», означает, что при попадании в поле атомного ядра гамма-фотон превращается в пару заряженных частиц – позитрон и электрон.

Пусть имеется электрически изолированная система. Через поверхность, ограничивающую такую систему, электрические заряды проникать не могут. Справедлив закон сохранения электрического заряда: полный заряд электрически изолированной системы сохраняется.

Закон сохранения заряда связан с инвариантностью его величины. Действительно, если бы величина заряда зависела от его скорости, то приведение в движение зарядов одного знака по отношению к зарядам противоположного знака изменило бы полный заряд системы.

Полный заряд неэлектризованного тела равен нулю, хотя само тело состоит и положительно и отрицательно заряженных частиц. Электризация означает приобретение телом избыточного электрического заряда одного знака. Электризация трением происходит путем перераспределения положительных и отрицательных зарядов между трущимися телами, так что одно из них получает положительный заряд, а другое в соответствие с законом сохранения заряда – отрицательный заряд той же абсолютной величины. При соприкосновении заряженного тела 1 с незаряженным телом 2 часть заряда переходит с тела 1 на тело 2. Рис. 1.2. поясняет электризацию тела через влияние.

Рис. 1.2. Электризация тела через влияние

Рис. 1.2, а – положительно заряженный шар 1 возбуждает вокруг себя электрическое поле. Электрические силы вызывают притяжение отрицательных зарядов и отталкивание положительных зарядов электрически нейтрального шара 2. Оба шара закреплены на подставках 3, изолирующих их от Земли. Действие электростатического поля на электрические заряды тела, помещенного в поле, называется электростатической индукцией. Эта индукция, как видно из рис. 1.2, а, вызывает перераспределение зарядов в теле 2. На рис. 1.2, б показан процесс стекания положительных зарядов в Землю по проводнику 4. После отключения проводника 4 шар 2 будет заряжен отрицательно (см. рис. 1.2, в).