IV peatükk. Aatomi ja aatomituuma ehitus. Aatomituumade energia kasutamine
1. Milline(d) väide(ed) on tõesed?
V: Isotoopide aatomituumade mass on erinev
B: isotoopidel on erinevad tuumalaengud
2. Milline(d) väide(ed) on tõesed?
B: sama keemilise elemendi isotoobid sisaldavad sama arvu neutroneid
3. Milline(d) väide(ed) on tõesed?
V: Sama elemendi isotoobid sisaldavad sama palju prootoneid.
B: ühe keemilise elemendi isotoobid sisaldavad erinev summa neutronid
4. Valige pakutud keemiliste elementide paaride hulgast need, mis on isotoobid.
5. Mis ei ole ühe keemilise elemendi isotoopide puhul sama?
1) Elektronide arv
2) Keemilised omadused
3) Tuuma massid
4) Laadige ader
6. Elektronide arv aatomis on
1) neutronite arv tuumas
2) prootonite arv tuumas
3) prootonite ja neutronite koguarv
4) prootonite ja neutronite arvu erinevused
7. Prootonite arv aatomi tuumas on
1) elektronide arv
2) neutronite arv
3) neutronite ja elektronide koguarv
4) neutronite ja elektronide arvu erinevused
8. Elektronide kogulaeng neutraalses aatomis
1) negatiivne ja absoluutväärtuselt võrdne tuuma laenguga
2) positiivne ja absoluutväärtuselt võrdne tuuma laenguga
3) võib olla positiivne või negatiivne, kuid absoluutväärtuselt võrdne tuuma laenguga
4) negatiivne ja tuuma laengu moodulilt alati suurem
9. Prootonite kogulaeng neutraalse aatomi tuumas
2) positiivne ja lahendatud modulo elektronide kogulaeng
4) positiivne ja alati suurema elektronide kogulaengu mooduliga
10. Neutronite kogulaeng neutraalse aatomi tuumas
1) negatiivne ja absoluutväärtuselt võrdne elektronide kogulaenguga
2) positiivne ja absoluutväärtuselt võrdne elektronide kogulaenguga
3) võib olla positiivne või negatiivne, kuid absoluutväärtuselt võrdne elektronide kogulaenguga
4) võrdne nulliga
on negatiivne. Seetõttu hoiab tuum elektrone aatomis; cru külgetõmbejõud paneb elektronid selle ümber liikuma.
Samad elektrijõud määravad aatomite suuruse. Kui kaks aatomit on üksteisele väga lähedal, tekivad nende elektronide vahel tohutud tõukejõud. Need jõud takistavad edasist lähenemist ja määravad aatomi poolt hõivatud ruumala; ükski teine aatom ei saa sellesse ruumi tungida.
Aatomitevahelised tõukejõud tekivad siis, kui nende elektronide orbiidid (teed) ristuvad. Seetõttu määrab aatomi mõõtmed ligikaudselt tema suurima elektronorbiidi läbimõõt (vt joonis 2).
KEREDE ELEKTRITSEMINE HÕRDUMISE JÄREL
Miks me ei jälgi meid ümbritsevate kehade vahel elektrilisi tõmbe- ja tõukejõude? Kõik kehad koosnevad ju aatomitest ja aatomid koosnevad osakestest, millel on elektrilaeng.
Põhjus on selles, et aatomid tervikuna on neutraalsed. Aatomi kõigi elektronide negatiivne laeng on võrdne tuuma positiivse laenguga. Aatomi kogulaeng on null. Ja kuna aatom on neutraalne, on ka molekul neutraalne. Ja aatomitest või molekulidest koosnev keha on samuti neutraalne; sellel puudub elektrilaeng.
Võtke klaaspulk ja hõõruge seda tugevalt kuiva siiditükiga. Sel juhul eraldub osa elektronidest klaasmolekulidest ja läheb siidmolekulidele. Toimub osade klaasimolekulide nn ionisatsioon, nende muundumine neutraalsetest osakestest elektriliselt laetud osakesteks – ja ioonideks. Klaasimolekulid, mis on kaotanud ühe või mitu elektroni, ei ole enam neutraalsed. Sellises molekulis olevate tuumade positiivne laeng on suurem kui sellesse jäänud elektronide negatiivne laeng. Molekul on positiivselt laetud, seega on see positiivne ioon. Aatomit või molekuli, mis on hõivanud ühe või mitu lisaelektroni, nimetatakse negatiivseks iooniks.
Kui puudutate selle pulgaga kahte niididele riputatud pehme paberitükki, tõmbab osa lehtede elektrone positiivselt.
laetud võlukepp ja hüpata selle juurde. Lehed on positiivselt laetud ja hakkavad üksteist tõrjuma, nagu on näidatud joonisel 3.
Lehed võivad olla ka negatiivselt laetud. Selleks tuleb klaasi asemel võtta eboniidi- või vahapulk ning siidi asemel karusnaha või villane riie. Tihendusvaha või eboniiti karusnahaga hõõrudes läheb osa elektronidest karvast pulgale ja see laetakse negatiivselt. Eleitronid on üksteisest eraldatud. Nii et kui võlukepp puudutab pehmepaberilehte,
Riis. 3. Anna oliiakoao laetud paberitükid tõrjuda.
Riis. 4. Dee erinevalt laetud
paberid meelitavad.
osa elektronidest läheb sellele. Kaks joont, mida me nimetame eboniidiks või vahapulgaks, riietuvad negatiivselt. Omavahel sulavad nad sama, nagu on näidatud joonisel 3, ja 1 Joonist tõmbavad positiivselt laetud infolehed. 4).
Tuumaenergia: aatomienergia on tuumareaktsioonide käigus vabanenud tuumade aatomite siseenergia. Tuumaenergia põhineb tuuma lõhustumise ahelreaktsioonide ja termotuumasünteesi reaktsioonide kasutamisel.
Tuumaelektrijaam (NPP) – energiasektor, mis kasutab aatomienergiat või tuumaenergiat. Nõukogude Liidus asus 1943. aastal A.I. järgi nime saanud aatomienergia labor. V. I. Kurchatov, millesse ehitati 1946. aastal tuumareaktor. 1955. aastal nimetati labor ümber Aatomienergia Instituudiks.
Tuumakiirgus – algselt tuumade radioaktiivse lagunemise käigus eraldunud osakesed ja gamma kvantid. Tulevikus osakeste vool ja gammakiirgus kiirenditest, laetud osakestest, tuumareaktoritest jne, samuti kosmiline kiirgus.
Tuumakütust kasutatakse tuumareaktoris energia tootmiseks. Tavaliselt on see ainete segu, mis sisaldab nii lõhustuvaid tuumasid kui ka tuumasid, mis on neutronpommitamise tulemusena võimelised moodustama lõhustuvaid tuumasid.
Aatomiteooria aine struktuuri kohta sai alguse aastal Vana-Kreeka. Suur tunnustus teadusliku aatomihüpoteesi sõnastamisel kuulub V. M. Lomonosovile. Ta kirjutas, et aatomit iseloomustab teatud mass, sellel on keemilised omadused, molekulides on aatomid ühendatud teatud kvantitatiivsetes suhetes. 1913. aastal andis Taani füüsik Bohr, võttes aluseks aatomi tuumamudeli, üksikasjaliku pildi aatomi elektronkihi ehitusest. Ta lähtus sellest, et valguse neeldumine ja emissioon aatomis toimub eraldi portsjonitena, kvantidena. Bohri seisukohast järeldub, et mida kaugemal on elektron tuumast, seda rohkem on tal energiat. Aatom, vaatamata selle tähtsusetutele mõõtmetele 10 "13 - 10" "2 cm, on kompleksne haridus. Aatomit kujutatakse tuumana, mis koosneb rasketest elementaarosakestest - nukleonitest (prootonid - positiivse laenguga ja neutronitest - laenguta), mille ümber pöörlevad suurel kiirusel negatiivset laengut kandvad elementaarosakesed - elektronid. Tuumas olevad prootonid ja neutronid on tuuma ühtekuuluvusjõudude kaudu üksteisega kindlalt seotud. Neutraalses aatomis on elektronide kogulaeng võrdne prootonite kogulaenguga. Elektronid on negatiivselt laetud ja hoiavad seetõttu positiivselt laetud tuumad lähedal. Elektroni mass on tühine ja moodustab 1/1240 nukleoni massist. Elektroni võimendus või kadu aatomi poolt muudab seda Keemilised omadused, see on ebastabiilne ja siseneb kergesti keemiline side teiste aatomite ja molekulidega ning seda nimetatakse iooniks. Aatomi massiarvu määrab prootonite ja neutronite arv tuumas. Keemiliste elementide prootonite arv on rangelt määratletud ja perioodilisuse tabelis näitab see seerianumbrit. Sama aine aatomite tuumades võib neutronite arv olla erinev ja neid nimetatakse isotoopideks. Perioodilises tabelis on nad samas lahtris.
1898. aastal tegi M. Skladowska-Curie kindlaks, et kiirgust ei kiirga mitte ainult uraanisoolad, vaid ka element toorium ja selle ühendid. Tema ja ta abikaasa Pierre Curie eraldasid uraanimaagist kaks uut radioaktiivset elementi, mida nimetati polooniumiks ja raadiumiks.
Looduslik radioaktiivsus on radioaktiivse aine iseeneslik lagunemine a-b ja y-kiirguse tekkega ning uue aine lagunemine energia vabanemisega.
Radioaktiivse aine aktiivsus on radioaktiivse aine koguse mõõt, mida väljendatakse aatomituumade lagunemiste arvuna ajaühikus. Radioaktiivsuse ühik on aatomi lagunemine sekundis.
Curie on aktiivsuse mõõtühik, sümboolne tähis on C. I curie = 3,7 x 1010 lagunemistegu sekundis. Curie'st tuletatud aktiivsusühikud 1 millikurn/1 MKurie = 0,001 mikrokiurie /I μcurie 0,00001 curie/.
Becquerel – üks lagunemine ühes sekundis.
RAADIUM - vene keelde tõlgituna tähendab KIIRGAT. Looduslikud radioaktiivsed ained on elemendid, millel on omadus eraldada spontaanselt nähtamatuid kiiri. Raadium kiirgab kolme tüüpi kiirgust, mis said nime kreeka tähestiku kolme esimese tähe järgi: a-kiired, 0-kiired, y-kiired.
Alfakiirgus on osakeste voog massiga 4 ja kahekordse positiivse laenguga. Alfaosake koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist ning on heeliumi elemendi tuum. Alfaosakesed tekivad radioaktiivsete ainete lagunemisel (looduslik radioaktiivsus) või kunstliku radioaktiivsuse nähtusest tuumareaktor. Neil on väga väike läbitungimisvõime, mis inimese kudedes on 50–70 mikronit. kuid samal ajal põhjustab kõrge ionisatsioonitiheduse 3-4 tuhat paari ioonid ühikujooksu kohta. Õhus moodustab üks alfaosake 200 tuhat paari ioone. Suure ionisatsioonitiheduse tulemuseks on kõrge bioloogiline efektiivsus. Kõrget energiat (kuni 800 MeV) kandvad alfaosakesed, mis on saadud aastal tuumareaktorid on kõrge läbitungimisvõimega.
Beetakiirgus on positiivse või negatiivse laenguga osakesed. Need tekivad radioaktiivsete ainete lagunemisel (looduslik radioaktiivsus) või kunstliku radioaktiivsuse nähtusel tuumareaktoris, samuti lineaarsetes või tsüklilistes kiirendites (linac, betatron). Radioaktiivse aine lagunemisel koes tekkiva beetakiirguse läbitungimisvõime on 8-10 mm. Beetaosakeste ionisatsioonitihedus on 100 korda väiksem kui alfaosakeste oma. Samal ajal võib elektronide voolul olla suur läbitungimisjõud, mis tekib kiirendites ja sõltub nende energiast.
Gammakiired on elektromagnetlained, mis on oma omadustelt sarnased röntgenikiirgusega. Y-kiirte energia on reeglina suurem kui röntgenikiirgus, seega on läbitungimisjõud palju suurem.
Gamma kiirgus - elektromagnetiline võnkumine, mis tekib siis, kui aatomituuma energiaseisund muutub.
Tabel 4
Kiirgusomadused
|
Kiirguse tüüp, olemus |
Kiirus |
Energia (E) |
Jooksu pikkus õhk - kangas |
Ionisatsiooni tihedus kudedes |
|
|
heeliumi tuumad |
3000-4000 paari ioone 1 m kohta |
||||
|
elektronide vool |
87-298 tuhat km / s |
50-70 paari ioone 1 m kohta |
|||
|
Elektromagnetilised vibratsioonid |
300 tuhat km/s. |
3000 paari ioone kogu tee |
|||
Atom peetakse neutraalseks, kuna selle tuum koosneb osakestest: prootonitest ja neutronitest. Kuigi iga prooton on elektronist palju raskem (1836 korda), kannab see ka ühiklaengut. Ainult mitte negatiivne, vaid positiivne. Neutronil, nagu nimest endast kergesti aru võib saada, ei ole üldse mingit laengut: ei positiivset ega negatiivset. Lihtsaim näide on vesinikuaatom, perioodilisuse tabeli esimene element. Selle protiumi isotoobi (kõige tavalisem) aatomi tuum koosneb ühest prootonist. Vastavalt sellele tiirleb üks elektron ümber selle ringorbiidil. Nende laengud tasakaalustavad üksteist ja protiumi aatom on neutraalne. Vesinikul on ka teisi isotoope: deuteerium (mille tuumas on lisaks prootonile üks neutron) ja triitium (selle tuum sisaldab prootonit ja kahte neutronit). Need isotoobid erinevad protiumi omaduste poolest mõnevõrra, kuid on ka neutraalsed. Iga perioodilise tabeli element vastab selle seerianumbrile. See vastab prootonite arvule selle tuumas. Seega on ränil (Si) 14 prootonit, mangaanil (Mn) 25 prootonit ja kullal (Au) 79 prootonit. Vastavalt sellele "tõmbab" nende elementide iga aatomi tuum enda poole 14, 25 ja 79 elektroni, sundides seda pöörlema ringikujulistel ja elliptilistel orbiitidel. Ja aatomid on neutraalsed, kuna negatiivseid laenguid tasakaalustavad positiivsed laengud. Kas aatomid jäävad alati neutraalseks? Ei, väga sageli nad, olles astunud keemilise sideme teiste aatomitega, kas meelitavad enda juurde võõra elektroni või loobuvad oma elektronidest. See sõltub nn elektronegatiivsuse astmest. Kui aatom on meelitanud lisaelektroni, muutub see negatiivselt laetud iooniks. Kui loobute oma elektronist, muutub see samuti iooniks, kuid juba positiivselt laetud.
Aatom on nagu selle miniatuurne koopia Päikesesüsteem. Ainult Päikese asemel asub selle keskel massiivne tuum ja planeetide asemel pöörlevad elementaarosakesed - elektronid. Aatom on elektriliselt neutraalne, seega peab elektronide negatiivne netolaeng olema tasakaalustatud sama suurusega positiivse netolaenguga. See juhtub seetõttu, et tuum koosneb teistest elementaarosakestest - prootonitest ja neutronitest. Iga prooton kannab sama laengut kui elektron, ainult vastupidise märgiga.
Juhend
Prootonite arvu tuumas leiate perioodilisuse tabeli abil. Selles tabelis on igale elemendile määratud konkreetne, rangelt määratletud koht, mis sõltub selle keemilistest omadustest. Ja keemilised omadused määrab ennekõike elemendi aatomi struktuur.
Iga tabeli lahter sisaldab vajalikku teavet keemiline element, sealhulgas selle järjekorranumber. Siin vastab see lihtsalt prootonite arvule elemendi aatomi tuumas.
Vaata tabelit. Elemendi number 11 on leelismetalli naatrium (Na). Seetõttu on igas naatriumi aatomis 11 prootonit. Või element number 23 on metallvanaadium (V), millel on oma ühendites mitte ainult aluselised, vaid ka happelised omadused. Nende seerianumbri põhjal võime järeldada: igas vanaadiumiaatomis on 23
Aatomi tuum sisaldab positiivselt laetud (+) prootoneid.
Südamiku ümber a negatiivselt laetud elektronid pöörlevad(-).
Prootonite ja elektronide laengute moodulid (väärtused) on võrdsed.
Elektronide arv neutraalses aatomis on sama, mis tuumas olevate prootonite arv. Seetõttu on sellise aatomi kogulaeng null.Selge on see, et sellistest neutraalsetest aatomitest koosneva keha laeng on samuti võrdne nulliga - ka selles on "miinuste" - elektronide arv võrdne "plusside" - prootonite arvuga.
Kui mõnel kehal on ühe märgi laengute arv, mis ei lange kokku vastasmärgi laengute arvuga, on see laetud.
Pange tähele, et lk rotonid on seotud aatomituumadega ega saa kehast lahkuda ning tuumast kõige kaugemal orbiidil asuvad elektronid (valentselektronid) on üsna võimelised aatomist välja pääsema. Seetõttu sõltub keha laeng sellest, kui palju elektrone on sellest lahkunud. Või kui palju sisaldab keha liigseid elektrone.
Kui keha lahkub osa elektronidest, selgub, et sellesse jääb rohkem prootoneid. Seetõttu on keha positiivselt laetud.Kui kehas on elektrone liiga palju, on keha negatiivselt laetud.
Mida suurem on elektronide liig või puudujääk kehal, seda suurem on selle laeng.
Nii prootoni kui ka elektroni laeng elementaarne(looduses esinev miinimum), võrdne 1,6 * 10^-19 C. Millelgi ei saa olla vähem laengut.
Niisiis mis tahes keha laeng saab olla ainult mitmekordne
1,6*10^-19 C, st see ei muutu sujuvalt, vaid diskreetselt (hüppelaadselt), olenevalt sellest, kui palju antud kehas on lisaelektrone või kui palju neid puudu on. Üks elektron on puudu – keha laeng on1,6 * 10 ^ -19 C, üks lisaelektron - laeng on miinus1,6 * 10^-19 C (elektronid on negatiivselt laetud). Kolm elektroni puudu - laeng 4,8*10^-19 C ja nii edasi.AGA
1 ripats on 6,24*10^18 elektroni (või prootoni) kogulaeng.Nii nad otsustasid: just sellise arvu elektronide laengut nimetatakse 1 ripatsiks.
Liiter vett sisaldab ligikaudu 3*10^25 molekuli. Me ei ütle: vala mind 3 * 10 ^ 25 veemolekuli, me ütleme: liiter, pool liitrit, poolteist liitrit jne. Samamoodi ripatsiga. Coulomb – mõõt suur hulk elementaarlaengud, täpselt nagu liiter (või mool) on suure hulga molekulide mõõt.
Muide, ka vee mass muutub diskreetselt: lisatakse üks molekul - vee mass on muutunud just selle molekuli massi võrra - hüppeliselt. Nii vett kui ka laengut ei saa lõputult osadeks jagada, sest mõlemal on minimaalne ühik.
On lihtne aru saada, et kaks arvu on ühe elektroni laeng
1,6*10^-19 C ja 6,24 * 10^18 - elektronide arv, mille kogulaeng on 1 Cpöördvõrdeline: nende korrutamisel saame ühe.
Analoogia: ood kompaniile - 100 sõdurit. Üks sõdur on sajandik kompaniist. Need arvud on ka üksteisega pöördvõrdelised. Korrutades ühe sajandiku sajaga, saame ühe:
0,01 x 100 = 1.
laetud keha loob enda ümber elektriväli ja reageerib võõrastele elektriväljadele järgmiselt:
meelitatud vastupidise laenguga kehade poole(elektronide ülejäägiga keha tõmbub elektronide puudujäägiga keha poole) ja tõrjub end samamoodi laetud kehadest kui iseendaga(miinust tõrjub miinus, pluss plussiga).Üldiselt käitub heteroseksuaalselt.
Laetud keha interakteerub ka magnetväljaga, kuid ainult siis, kui keha liigub selle suhtes magnetväli. Mida suurem on keha laeng, seda tugevamalt see elektri- ja magnetväljadega suhtleb.
Lihtsaim viis keha elektrifitseerimiseks on hõõruda seda millegi muu vastu.
Nagu eespool mainitud, laetud kehad kas tõmbavad üksteist või tõrjuvad üksteist.
Nende vastasmõju tugevust kirjeldab Coulombi seadus
Kahe keha vastastikmõju jõud F võrdeline nende tasude korrutisega q 1 q 2 ja on pöördvõrdeline nendevahelise kauguse r ruuduga. Ühe keha laeng (ripatsites) korrutatakse teise keha laenguga. Ja jagage nendevahelise vahemaa ruuduga (meetrites). Tulemus korrutatakse arvuga k. Erinevates keskkondades võib laengute koosmõju jõud varieeruda." k"Coulombi seaduses - koefitsient konkreetse kandja jaoks, milles laengud asuvad. Vaakumis on üks k, vees - teine.
Kordame: 1 ripats on 6,25*10^18 elektroni laeng. Kui kehal ei ole piisavalt elektrone, on selle laeng 1 ripats (1 rakk). Kui sama elektronide liig - keha laeng miinus 1 rakk (elektronid on negatiivselt laetud). On selge, et kui elektronide liig on näiteks 10 korda väiksem, on keha laeng vastavalt miinus 0,1 rakku. Pole raske.
Valem näitab, et kui vähemalt üks keha ei ole laetud (q1 või q2 = 0), siis vastasmõju jõudu ei teki.
Miks vastasmõju jõud väheneb võrdeliselt nendevahelise kauguse r ruuduga? Kuna sfääri pindala on võrdeline raadiuse ruuduga:
Sama seaduse järgi plahvatuse lööklaine väheneb: kui lainejaotatud pinnale 4 * 3,14 * 1 ^ 2 \u003d umbes 12 ruutmeetrit, siis kahe meetri pärast jaotub plahvatuse energia juba 48 ruutmeetrile: iga pindalaühiku kohta see saab neli korda vähem – kui distantsi kahekordistada. Punktlaengu elektriväljaga sama pilt. Kui laengute vaheline kaugus kahekordistub, väheneb vastasmõju jõud neli korda. Kui vahemaa kümnekordistub, väheneb see saja võrra.
Ja miks valemis olevad tasud korrutatakse, mitte näiteks ei liideta?
Kui me näiteks kahekordistame ühe interakteeruva keha laengu, tähendab see, et puuduvate või täiendavate elektronide arv sellel on kahekordistunud. Ja teisest kehast tulev jõud mõjub mõlemale võrdselt elementaarlaeng. See tähendab, et vastasmõju jõud kahekordistub. Ligikaudu kuidas Maa tõmbab ligi kahekilost kaalu kaks korda rohkem kui kilogrammi. Mis tegelikult peegeldab Coulombi seadust – jõud on laengu kordne.
Pange tähele, et Coulombi seadus praktiliselt kopeerib universaalse gravitatsiooni seadust:
Samuti on koefitsient, kahe massi (kahe laengu korrutise asemel) ja nendevahelise kauguse ruudu korrutis.
Laetud kehade ümber tekib elektriväli. Elektriväli on midagi, mis mõjutab laetud kehasid olenemata sellest, kas need liiguvad või mitte, erinevalt magnetväljast, mis toimib ainult liikuvatele laengutele. Aga sellest pikemalt hiljem.
Muide, inimene suudab kindlaks teha tugeva olemasolu elektriväli. Kui hoiate käeselgat tugevalt elektrifitseeritud keha lähedal, on tunda, kuidas sellel liiguvad karvad. Kui nad on.
Nagu iga füüsikaline nähtus, tuleb ka elektrivälja kuidagi mõõta.Kui proovite Maal tõsta raskust, mille mass on näiteks 16 kg, hakkab silma, et Maa tõmbab seda teatud jõuga. Kuu tõmbab sama raskuse ligi 6 korda väiksema jõuga.Ja kaaluta olekus kaob kettlebelli kaal (aga mitte mass – inertsi mõõt!) üldse.Mõõtes jõudu, millega erinevad planeedid raskust tõmbavad, saab määrata nende gravitatsioonijõu.
Sama lähenemisviisi kasutatakse elektrivälja parameetrite mõõtmiseks: seda hinnatakse tugevuse järgi, millega see katset meelitab (või tõrjub). positiivne tasu:
E=F/q.
Elektrivälja tugevus E proportsionaalne tugevusega F punktlaengu alusel tegutsemine q. (Punktlaeng – koondunud väikesele kehale, mille suuruse võib tähelepanuta jätta).Mida tugevamini väli tõmbab või lükkab sama laengut, seda suurem on selle välja intensiivsus.Jõudu F mõõdetakse njuutonites, laengut q - kulonides. Seetõttu on elektrivälja tugevuse mõõtühik E -newton / kulon.
Vasakul on keha, mille mass on 102 grammi Maa gravitatsiooniväljas. Paremal - 1 raku suurust laengut kandev kaaluta keha, mis asub elektriväljas tugevusega 1 njuuton/kulon. Mõlemale kehale mõjuvad jõud, mille suurus on 1 njuuton. Vasakpoolne keha tõmbab ligi Maa gravitatsioonivälja, parem - elektrivälja.
Lubage mul teile meelde tuletada: 1 njuuton on jõud, mis on võimeline kiirendama keha massiga 1 kg 1 meetri võrra sekundis sekundi jooksul. 1 njuuton = 1kg*m/s^2.Kui keha massiga 1 kg kiireneb 1 sekundiga 1 m / s, on kehale mõjuv jõud 1 njuuton. Kümnekilone keha kiirendas sekundis 3 m / s - jõud 30 njuutonit (10 kg * 3 m / s ^ 2 \u003d 30 N).
Kuna vedru laeng on positiivne ja tõmbab selle alla, tähendab see, et välise elektrivälja jõujooned on suunatud ülevalt alla. See tähendab, et pluss veerised üleval, miinus all. Sondi tõrjub samanimeline laeng ja see tõmmatakse vastassuunas.
Miks väljatugevuse valem selline välja näeb? Mis siis, kui võtaksime proovitasu näiteks kaks korda rohkem?
Siis suureneb jõud, millega väli laengule mõjub, täpselt kaks korda. See tähendab, et laengule mõjuva jõu ja selle laengu suuruse suhe jääb samaks:E = 2 f/2q= f/q.
Selle valemi saame kirjutada erinevalt:F = E*q.
Välja antud punktis laengule mõjuv jõud on võrdeline väljatugevuse ja laenguga – täpselt nagu keha kaal(survejõud toele)antud planeedil oleneb nii antud planeedi gravitatsioonist kui ka keha massist.
Veel üks löök kaanele: q = F/E. Sellel kujul mlaengu suurust on võimalik arvutada jõu järgi, millega teadaoleva tugevusega elektriväli talle mõjub (kuidas saab arvutada keha massi, mõõtes jõudu, millega Maa teda tõmbab - tegelikult , näitavad kaalud seda jõudu). Jagage jõud njuutonites pingega njuuton/kulon. Newtoneid vähendades saame vastuse ripatsites.
Nagu raskusjõu mõõtmise puhul, peab katselaeng olema väike, et mitte tekitada moonutusi elektriväljas endas.
Tegelikult: kilogrammi kaal võimaldab teil mõõta Maa gravitatsiooni. Kuid kui proovite Kuud kaaluna kasutada, muutub selle massi mõju märgatavaks. Ja me peame välja selgitama, millise jõuga Maa objekte tõmbab (mõõta selle gravitatsioonivälja), mitte aga millise jõuga kaks massiivset keha teineteist meelitavad.
Kui tuuakse laetud keha juurde testlaeng - positiivse laenguga väike keha(edaspidi "sond"), tõmmatakse viimane kas keha külge (kui nende laengud on vastupidised) või tõrjutakse sellest eemale. Enamgi veel, sond liigub teatud trajektoori mööda keha poole või sellest eemale.Sondi trajektoori nimetatakse elektrivälja jõujooneks.
Väljajooned on joonistatud nooltega, mis näitavad sondi liikumise suunda. Erineva kujuga kehadel on erinevad jõujooned:ühepunktilised laengud – radiaalselt lahknevad või koonduvad sirged (a).Laetud kehade teravate väljaulatuvate osade lähedal asuvad jõujooned on sama kujuga.
Kui läheduses on vastupidise märgiga laengutega kehasid, algavad mõned jõujooned positiivsetel ja lõpevad negatiivsetel (b).
Sarnaste punktlaengute puhul on jooned ligikaudu samad, kuid "lahknevad" laengute vahelises tsoonis (c).
Ärge unustage: väljajooned näitavad positiivse testlaengu trajektoori.
On märgata, et joone tihedus väheneb laengutest kauguse kasvades. Kuid see ei ole alati nii.
Kas mäletate plahvatuse näidet? Lööklaine võimsus langeb võrdeliselt kauguse ruuduga. Aga kui plahvatus toimub kitsas koridor või kaevandus, lööklaine võib ilma sumbumiseta minna piisavalt kaugele - lihtsalt sellepärast, et sellel pole kuhugi hajuda: koridori ristlõikepindala (ja seega ka lööklaine) ei muutu kaugusega.
Sama pilt ilmneb suure ala tasase plaadi lähedal. Jõujooned on üksteisega paralleelsed ja elektriväli (selle tugevus) E ei muutu päris pikamaa temalt.
Superpositsiooni põhimõte
Asi on ilmne. Kui meie jalge alla ilmuks teine Maa, kahekordistuks gravitatsioon. Kui kaks - kolmekordistunud. Ja On üldteada tõsiasi, et Kuu gravitatsioonijõud "murdab läbi" Maale, põhjustades ookeanide rannikuvööndites tõuse ja mõõnasid. Seda nähtust ei takista tema enda olemasolu gravitatsiooniväli Maa. PSuperpositsiooni põhimõte ütleb: iga keha elektriväli levib ruumis, sõltumata teiste elektriväljade olemasolust ümber . Väljad ei mõjuta üksteist, vaid lihtsalt summeeritakse (liidetakse).Pöördume tagasi kahe samanimelise laenguga joonise juurde:
Tundub, et on selge, et nende kahe keha väljad mõjutavad üksteist? Miks on muidu jõujooned nii kõverad?
Proovime mõista, miks joontel on selline kuju. Oletame, et sond (joonisel väike hall ring) asub parema keha pinnal, punktis, kust algab selle vasakpoolne ülemine väljajoon.Kuna keha ja sond on võrdselt laetud, põrkab viimane keha pinnalt tagasi ja hakkab liikuma parema keha keskkohast suunas, selle pinnaga risti. Praegusel hetkel on parempoolse keha mõju sondile suur (kuna see on lähedal), vasaku keha mõju on veel märkamatu (mäletame: punktlaengute väljad vähenevad proportsionaalselt kauguse ruuduga. neid). Kui sond eemaldub paremast kehast, siis viimase mõju väheneb, kuid vasaku keha (mis ka sondi tõrjub) mõju suureneb. Selle tulemusena "pole sondil kuhugi minna" peale ülespoole: seda lükatakse nii paremale kui ka vasakule. Seda näitavad jõujooned. Mõlema keha üksikud jõujooned olid ja jäävad radiaalseks (keskmest külgedele suunatud, nagu Päikesekiired).
Sondidele mõjuvaid jõude saate kujutada vektorite (noolte) kujul. Vektori suund näitab jõu suunda, vektori pikkus näitab selle jõu suurust.
Keha küljelt sondidele mõjuvad jõud A märgitud a tegutsedes kehast B vastavalt b. Vektor c- tulemuseks (vektorite summa a ja b). Tuletame meelde, kuidas liita vektorid ja liita sondidele mõjuvad jõud.
Sirgjoonel kehade keskpunktide vahel A ja B vektorid tühistavad üksteist. Nende summa on null. Ja keskmises punktis asuv testi positiivne laeng ei liigu ei vasakule ega paremale. See on arusaadav ka ilma lisamiseta - tõmbab võrdselt nii vasakule kui paremale. (Kui see sondi alguses ei olnud keskel, lükatakse see ikkagi keskele, "tasakaalu" punkti, sest lähedal asuv keha tõrjub rohkem kui kaugem). Kui sond on kehale lähemal A(joonisel ülalt teine), vektor a, mis kujutab selle keha küljelt mõjuvat jõudu, on pikk (kuna lähedalasuva keha küljelt mõjuv jõud on suurem). Vektor sama b kehast mõjuv jõud B, lühike. Summeerimisvektor c näitab tekkiva jõu suunda ja seega ka suunda, milles sond liigub. AGA sondi liikumissuund on jõujoon.
Täpselt sama pilt jääb vastandlaengute vahele. Kui soovite - lisage vektorid, kui soovite - jälgige positiivse sondi liikumist igas punktis - tulemus on sama.
Sond lendab vasakust kehast risti selle pinnaga. Vasakust kehast eemaldudes viimase mõju väheneb, aga sondi ligi tõmbava parema keha mõju suureneb. Seetõttu kaldub sondi trajektoor (tee) parempoolse keha suunas. Sellest ka kõverad jõujooned. On näha, et jõujooned puutuvad vektori nooltega.
Kui meie laetud kehad asetada mingisse dielektrikusse, väheneb väljatugevus nende ümber (või nende vahel) mitu korda:E=E 0 / ε, kusε - dielektrilise konstandi koefitsient, mis näitab, mitu korda on pinge vaakumiga võrreldes vähenenud.
Mida see praktikas annab?ε? Elektrivälja tugevuse vähendamine tähendab, et meie lemmiksond mõjub väiksemale jõule kui vaakumis. Mitu korda vähem - näitabε. Kui see ehitus
liikuda vaakumilt destilleeritud veele (ε vett = 81), venib õige vedru 81 korda vähem! Vähendab laengute dielektrilist vastasmõju. Kui asetame dielektriku suureε kondensaatori (laengut salvestava seadme) plaatide vahel suudab see kondensaator salvestadaε korda rohkem energiat.
Pinnalaengu tihedus
Meenutagem, millised näevad kehad välja suure suurendusega:
Punased pallid on positiivselt laetud aatomid (kuna osa elektronidest on neist lahkunud), sinised on negatiivsed elektronid.Kui prootonite arv kehas on võrdne elektronide arvuga, pole keha laetud. Kui kehas on näiteks elektronide ülejääk, on see negatiivselt laetud. Kuid on huvitav punkt -kõik lisaelektronid surutakse keha pinnale välja!Kehade sees pole laengut.
See juhtub lihtsal põhjusel: üleliigne Elektronid tõrjuvad üksteist, kuna neil on sama laeng. Kuhu elektronid jäävad? maksimaalne vahemaaüksteiselt? Keha pinnal, kus mujal.
Kui kehas pole piisavalt elektrone (keha on positiivselt laetud - prootoneid on rohkem kui elektrone), on pilt vastupidine - ma Tuumad tõmbavad elektrone ligi, juhtides neid sisse. väljaspool t e la on elektronide defitsiit. Kuid see tähendab, et keha pind on positiivselt laetud. Jälle laeng pinnal!
Eelnev kehtib juhtide kohta (ained, milles elektronid ei ole aatomitega tihedalt seotud) – neis on elektronidel võime liikuda sisse või välja. Kuid, isolaatoritega(isolaatorite puhul on elektronid paigal) sama pilt - laeng on alati väljas. Ja just elektronide liigutamise võimatuse tõttu: elektronid võetakse kas isolaatori pinnalt või viiakse isolaatori pinnale lisaelektronid.Ja kui nii, siis võtavad füüsikud kasutusele mõiste "pinnalaengu tihedus".
σ =
Keha pindlaengu tihedus võrdub laengu ja keha pindala suhtega.
Me mäletame: laeng on see, mida elektronid ja prootonid kannavad. On selge, et kaks sama laenguga keha(st sama elektronide liig või puudujääk) võib olla erinev pinnalaengu tihedus – kui neil on erinev piirkond pinnad. Elektrone saab "määrida" suurele alale või koonduda väikesele alale.
Tulevikku vaadates märgime, et keha kuju määrab selle elektriline mahtuvus- kui "lähedane" see elektronidele on. Ja mida rohkem elektrone pindalaühiku kohta kogutakse, seda suurem on potentsiaal keha.
Kaks vastandlikult laetud plaati
helistas elektriline kondensaator. Nende elektriväli näeb välja selline:
Plaatide vahel liiguvad jõujooned loomulikult plussist miinusesse ning plaatide kohal ja all puudub elektriväli, sest ühe plaadi väljad kompenseerivad teise plaadi väljad.
Elektrikondensaator ei salvesta elektrone endid, mitte nende üle- või puudujääki, vaid erinevust: kui palju elektrone on puudu positiivsel plaadil (seda nimetatakse plaadiks), sama palju lisaelektrone negatiivsel plaadil. Kondensaatori laadimiseks peate kandma osa elektronidest ühelt plaadilt teisele.
elektriline dipool
Need on kaks identset punktlaeng ruumis eraldatud ja üksteisega jäigalt ühendatud. Disain, nagu hantli, milles üks pall on positiivselt laetud, teine on negatiivselt laetud.
Kuna laengud on eraldatud, reageerivad dipoolid välisele elektriväljale (pöörduvad positiivse otsaga piki välja) ja interakteeruvad üksteisega – tõmbavad ligi oma naabrite vastupidiselt laetud otsad.
Sarnased jaotunud laengutega struktuurid eksisteerivad looduses. Veemolekulid on just sellised dipoolid ("di" tähendab "kaks") - kaks omavahel ühendatud laengut ( veemolekulis on kolm vahekaugusega laengut, kuid kahte plusslaengut saab kujutada ühe topeltlaenuna, mis asuvad nende vahel ligikaudu keskel).
Vee molekulis H 2 Aatomeid ühendavad O elektronid nihkuvad hapnikuaatomile O. Seetõttu on hapnikuaatom negatiivselt laetud. Vesinikuaatomites H puuduvad elektronid ja seetõttu on nad positiivselt laetud (aatomitest on järel vaid prootonid).
Dipoolsuse tõttu kleepuvad veemolekulid korraks kokku klastriteks - molekulide rühmadeks - mõne molekuli positiivsed otsad tõmbuvad teiste molekulide negatiivsete otste poole:
Veemolekulide dipoolne olemus seletab selle kõrget pindpinevuste koefitsienti. Veemolekulid käituvad nagu hunnik magneteid – kleepuvad kokku. Ja kui vee kõrval oleval pinnal on ka sellised "magnetid" - polaarsed molekulid, siis vesi teeb sellise pinna märjaks. Kui ei, siis veemolekulid. Ja see efekt on ka võimalik.
dirigendid
Mõne aine aatomid säilitavad nõrgalt oma elektronid, mis asuvad kõige kaugemal orbiitidel.(valentselektronid). Selliseid aineid nimetatakse juhtideks. Aatomitest eraldunud elektronid on võimelised liikuma juhi sees. Ja kuna on laetud osakesi, mis võivad liikuda, juhivad need ained voolu, kunavool on laetud osakeste korrapärane liikumine. Tegelikult tähendab nimi "dirigent" võimet dirigeerida elektrit. Eelkõige on metallid juhid:
Aine juhtide hulka kuulumise üldtingimuseks on vabade (aine sees liikuma võimeliste) laetud osakeste olemasolu neis. Lisaks elektronidele võivad sellisteks laetud osakesteks olla näiteks ioonid ioniseeritud gaasides ning soolade ja hapete vesilahustes.
molekulid lauasool NaCl laguneb vees lahustades ioonideks: Na + ja Cl-. Naatriumi aatom, loovutanud ühe elektroni klooriaatomile, muutub positiivseks iooniks, klooriks, naatriumist võetud lisaelektroniga - negatiivseks iooniks. Ja kui paned kaks juhet soola vesilahusesse ja rakendad neile pinget, naatriumi aatomid Na+ liikuda "miinus" (negatiivne elektrood), kloori aatomite suunas Cl- positiivse suunas. Miks – see on selge: vastandlaengud tõmbavad. Naatriumi aatomil puudub üks elektron, ta saab selle negatiivse elektroodi juurest. Kloori aatom võib positiivsele elektroodile eraldada täiendava elektroni. Elektroodideni jõudes muundatakse mõlemat tüüpi ioonid algaineteks - naatriumiks ja klooriks. Kuid me kaldume kõrvale, sest praegu ei räägi me elektrolüüsist, vaid elektrivoolust - laetud osakeste liikumisest. Kloriidi- ja naatriumioonide liikumine elektroodide suunas on elektrivool.
juhid elektriväljas.
Mäletame, et juht sisaldab liikuvaid laetud osakesi. Teame ka, et vastandlaengud tõmbavad ligi ja sarnased laengud tõrjuvad. Selle põhjal võib arvata, mis juhtub juhis, kui see on elektriväljas.
Vasakpoolsel pildil on metall elektrivälja puudumisel. Positiivselt laetud tuumad ja vabad elektronid on jaotunud ühtlaselt. Teisiti ei saagi olla: kui mõnes metalli piirkonnas on elektrone üleliigne (sellist lühiajalist elektronide kontsentratsiooni lokaalset muutust nimetatakse fluktuatsiooniks), lahkuvad nad vastastikuse tõrjumise tõttu sellest kohast kiiresti. Kui elektronidest on lokaalne puudus, tähendab see, et positiivselt laetud tuumasid on rohkem. Ja elektronid tõmbavad sellesse piirkonda Coulombi jõud.
Välise elektrivälja ilmnemisel (keskmisel pildil) liiguvad elektronid loomulikult selle välja "plussi" suunas ehk vasakule (tuletan meelde, et jõujooned on tõmmatud pluss valdkonna miinusesse). Aga. Kuna osa elektrone "läks vasakule", osutus positiivselt laetud tuumade liig paremale. See tähendab, et metalli sees tekkis osa elektronide liikumise tõttu oma elektriväli. Ja kuna selle omavälja "pluss" on paremal pool ja "miinus" vasakul (kuhu elektronid kogunevad), tähendab see, et juhi enda elektriväli on suunatud välisele vastupidiselt. Ja sel hetkel, kui siseväli on võrdne välisega, elektronide liikumine peatub (paremal pildil on välis- ja sisevälja võrdsus). On selge, et mida tugevam on väline elektriväli, seda rohkem elektrone nihkub vasakule.
Laengukandjate ümberjaotumist välise elektrivälja mõjul nimetatakse elektriline induktsioon.
On selge, et välise välja välja lülitades taastame status quo: elektronid lahkuvad vasakult pinnalt ja jaotuvad ühtlaselt üle juhi.
Märkus: kui juht jaguneb elektriväljas kahes (üle välja) laetakse iga pool juhist: välja plusspoolel on elektronide liig, teisel poolel - puudujääk.
Kui juhi sees on õõnsus (tühjus), siis ei teki selles elektrivälja - just välise elektrivälja kompenseerimise tõttu juhi enda väljaga. Juhi sisemine õõnsus on väliste väljade eest kaitstud (öeldakse "varjestatud"). Sellel põhineb elektrostaatiline kaitse: esemed asetatakse maandatud (juhtmega ühendatud) metallkestasse, mis ei pruugi olla tahke, sobib ka võrk (nn "Faraday puur"). Üks "müüdipurustajatest" Adam Savage demonstreerib sellise kaitse mõju väga tõhusalt.(Adam Savage):
Kunstliku välgu pinget saab hinnata järgmise fakti järgi: õhu dielektriline tugevus on 3000 volti millimeetri kohta – kui üksteisest ühe millimeetri kaugusel asuvatele elektroodidele rakendatakse pinget 3000 volti, tekib elektrikatkestus. nende vahel tekkida - elektrikaar. Sellest tulenevalt kulub ühe meetri läbimiseks tuhat korda rohkem - 3 000 000 (kolm miljonit) volti. Tuletage meelde, et majapidamise elektrivõrgu pingest 220 volti piisab inimese tapmiseks. Adamile näib aga puuri tabava välgu pikkusega, selgelt üle kahe meetri, olevat kõik korras.
Muide, muusikat selles videos mängib välk ise: Tesla mähiste pinge saab helivõimendist. Elektrilise läbilöögikanali õhk paisub kuumutamise ja ionisatsiooni tõttu, tekitades heli. Pikselöögid näevad selles veelgi suurejoonelisemadjuhtiv ülikond.
Dielektrikud elektriväljas.
Selleks, et aine juhiks voolu, st et laengud saaksid selles korrapäraselt liikuda, on vaja just selle laengu kandjate olemasolu aines, pealegi mobiilseid. Dielektrikud seda ei tee. Täpsemalt on laengukandjad ise ( ükskõik milline aine koosneb aatomitest ja aatomid sisaldavad positiivselt laetud prootoneid tuumades ja negatiivselt laetud elektrone orbiitidel ümber tuuma), kuid need kandjad ei saa liikuda läbi dielektriku. Dielektrikutes hoiavad elektrone aatomid tihedalt kinni ja vabu elektrone on väga vähe.Põhjuste kohta saate lugeda lehelt ".
Kuumutamisel dielektrikute juhtivus suureneb: temperatuur on aine aatomite ja elektronide liikumiskiiruse mõõt. Mida kiiremini liigute aine aatomid ja elektronid kahanevad, seda kõrgem on selle temperatuur. Niisiis rohkem elektronid murduvad aatomitest lahti (kui tugevalt kiirendatud satelliidid võivad maa orbiidilt lahkuda) ja saavad vabaks (mis tähendab, et nad võivad kanda laengut – juhtida voolu).
Seevastu metallid juhivad kuumutamisel voolu halvemini. Metallides on isegi madalatel temperatuuridel piisavalt vabu elektrone, mis tagavad juhtivuse. Temperatuuri tõustes suureneb kristallvõre sõlmedes fikseeritud aatomite võnkumiste amplituud ja elektronidel on raskem sellest võrest läbi murda.
Polaarsed ja mittepolaarsed dielektrikud.
Kuidas näeb välja mis tahes aine aatom, näiteks vesinikuaatom? See on prooton tuumas ja elektron, mis pöörleb ümber tuuma sellise kiirusega, et võib öelda, et aatomi "miinus" on "plussi" ümber määritud. Mõlema laengu "raskuskese" on sama. Sellise aatomi omadused on igas suunas ühesugused – pall on pall.
Kui selline aatom on elektriväljas, mis siis temaga juhtub? Tõenäoliselt nihkub aatomi tuum piki välja (miinus suunas, nagu katselaeng) ja elektronipilv - vastupidises suunas?
Täpselt nii. Täpselt nii see kõik juhtub. Nüüd on meie aatomil poolused: negatiivsed vasakul ja positiivsed paremal. See tähendab, et aatom on polariseeritud. Seda tüüpi polarisatsiooni nimetatakse elektrooniliseks või deformatsioonipolarisatsiooniks. Tähendus on selge: elektrooniline – kuna elektronipilv on tuuma suhtes nihkunud. Deformatsioon – vaadake, mida elektriväli meie ideaalse palliga tegi: deformeeris seda, tegi tasaseks.
Võtame nüüd veemolekuli. Sellel on algselt poolused, kuna hapnikuaatom tõmbab mõlema vesinikuaatomi elektronid enda poole. Seetõttu saab hapnikuaatomist molekuli negatiivne poolus ja vesinikuaatomitest (täpsemalt vesinikuaatomite vahelisest umbes keskel asuvast punktist) saab positiivne poolus.
Ja kuna molekulil on positiivsed ja negatiivsed poolused, on selge, et elektriväljas muutub selline molekul välja plussiks miinuseks, miinusest plussiks:
Seda tüüpi polarisatsiooni nimetatakse orientatsiooniks (molekulide orientatsioonist tingitud polarisatsioon).
On selge, et välise elektrivälja eemaldamisel muutub molekulide positsioon ebakorrapäraseks.
Siiski on nipp: kui polariseerida selline dielektrik vedelal kujul ja seejärel lasta sellel külmuda, ei saa molekulid kaootilist olekusse tagasi pöörduda. Dielektrikut, mis säilitab polarisatsiooni pikka aega, nimetatakse elektreediks. Elektreet ise loob välise elektrivälja. Saate lugeda rohkem.
Teine polarisatsiooni tüüp on ioonne polarisatsioon. Tavaliselt demonstreeritakse seda, kasutades näitena naatriumkloriidi NaCl kristalle:
Soolakristallid koosnevad positiivsetest naatriumioonidest ja negatiivsetest klooriioonidest (miks see nii on - lehel jaotises "ioonside".
On selge, et elektriväljas nihkuvad naatriumiioonid piki välja, klooriioonid välja vastu.
Eelnevast võib teha segase järelduse: dielektrikud juhivad ikkagi elektrivoolu. Lõppude lõpuks, mis on praegune? Vool on laetud osakeste järjestatud liikumine. Mis juhtub polarisatsiooniprotsessi ajal? See on selline massiivne suunaline liikumine. Ainus erinevus on see, et laengute liikumist dielektrikutes piiravad aatomi piirid deformatsioonipolarisatsiooni ajal ja molekulide pöörlemine - orientatsioonilise polarisatsiooni ajal. No ja aatomite nihkumine võres ioonse polarisatsiooni käigus. See tähendab, et vool liigub, kuid väga lühikest aega. Kuni laengud "seina tabavad" – samamoodi nagu juhtub siis, kui juhid on elektriväljas polariseeritud (seda nimetatakse elektriinduktsiooniks, vt eespool).
Selliseid voolusid nimetatakse polarisatsioonivooludeks.- voolab ainult dielektrilise polarisatsiooni hetkel.Kui me muudame välise elektrivälja suunda väga kiiresti ja sageli, siis polarisatsiooni suuna pideva muutumise tõttu hakkab dielektrikus voolama vool. On selge, et see on äärmiselt muutlik. Just polarisatsioonivoolud soojendavad toitu mikrolaineahjus.
Dielektrikute polariseerimisel tekivad nende pinnale (ja ainult pinnale) negatiivsed laengud, mis on suunatud välisvälja plusspoolele ning positiivsed laengud pinnale välisvälja miinuspoolelt.
Need laengud on seotud (aine molekulidega), st neid ei saa pinnalt eemaldada.
Dielektriku sees on kogulaengud võrdsed nulliga ja polariseeritud molekulide elektriväljad on suunatud välise elektrivälja vastu. See on veel üks analoogia dirigentidega. Kuid kui juhi sees pole elektrivälja, on see dielektriku sees olemas, kuigi see on mitu korda nõrgenenud. Näiteks destilleeritud vees (mäletame, et sellel on orientatsiooniline polarisatsioon) väheneb elektriväli 81 korda. See välise elektrivälja sumbumistegurit nimetatakse läbilaskvuseks.
Dielektriline konstant
Võtke kaks vastandlikult laetud plaati. Nendevahelised jõujooned on suunatud plussist miinusesse, noolejoonte pikkus sümboliseerib väljatugevuse suurust.
Kujutage nüüd ette, et plaatide vahel on mingid struktuurid vahedega punktlaengute-kuulikeste kujul pulkadel (elektrilised dipoolid), mis saavad pöörlema ümber oma raskuskeskme.
Kui meie plaadid on laetud, avanevad need struktuurid selgelt: pluss miinusplaadile, miinus plussile. Mis nüüd saab? Plaatide tekitatud elektriväli kattub elektriväljaga, mis eksisteerib pulga pallide vahel (lühikesed nooled piki pulkasid). Ja see väli on suunatud plaatide poolt tekitatavale väljale vastassuunas (vastupidises). Ja kui nii, siis plaatide vaheline väljatugevus langeb! Seetõttu on parempoolsel joonisel plaatide vahelised nooled näidatud lühemalt.
Kui valada laetud plaatide vahele destilleeritud vett (see koosneb dipoolidest), muudavad veemolekulid hapnikuaatomid positiivseks, vesinikuaatomid negatiivseks. Sel juhul väheneb plaatide interaktsioon (tõmme) - nagu ka nendevaheline elektrivälja tugevus (mõju testlaengule). Ja 81 korda! See number on 81 ja sellele helistatakse dielektriku läbilaskvus. See näitab, mitu korda on laengute vastastikmõju antud dielektrikus nõrgem kui vaakumis.
Erinevate dielektrikute puhul on see näitaja erinev.- see oleneb konkreetne asukoht aatomid polaarsetes dielektrilistes molekulides. Mõnede ainete dielektriliste konstantide tabel - .Elektrivälja jõudude töö.
Elektriväljas laengule mõjub jõud. Kui selle jõu mõjule alluv laeng hakkab liikuma, siis väli teeb tööd. Kuidas muidu? Kui midagi juhtub, siis keegi (või miski) töötab.
Füüsikas töö võrdub keha energia muutumisega - töö rakendusobjekt.
Näiteks: maas lebava tellise kineetiline ja potentsiaalne energia on null. Kui me jalaga telliskivi lööme, siis Anname talle kineetilise energia – liikumise energia. See võrdub tellise massi m (kilogrammides) korrutisega selle kiiruse v ruuduga (meetrites sekundis) jagatuna kahega E=m*v^2/2.Saadud tulemus, mõõdetuna džaulides (J), on võrdne meie tehtud tööga (ja tellise kiirendus, st energia ülekandmine sellele, on töö) A, mõõdetuna ka džaulides.
Kui tõstame tellise teatud kõrgusele, on tehtud töö võrdne tellise potentsiaalse energiaga sellel kõrgusel: E=m*g*h. Tellise mass kilogrammides m korrutatakse gravitatsioonikonstandiga g (ümardatuna 10-ga) ja tõstekõrgusega h meetrites. Ja sel juhul võrdub tellise energia täiusliku tööga A samades džaulides. On näha, et mida suurem on tellise mass, gravitatsioonijõud antud planeedil ja tõusu kõrgus, seda suuremat tööd me teeme. meie töökirjeldatakse valemiga
A = m*g*s*cos a
Töö võrdub massi m, raskuskiirenduse (see on ka Maa gravitatsioonikonstant) g, läbitud vahemaa s korrutisega. Koosinuse kohta lähemalt allpool.
Vaatame nüüd valemit, mis kirjeldab elektrivälja tööd laengu liigutamisel, valemi selles osas, mis on pärast teist võrdusmärki:
Elektrivälja töö A on võrdne laengu q, väljatugevuse E ja kauguse delta L korrutisega.
Kõik on sama, mis meie telliskivi: gravitatsioonivälja töö A võrdub massi m (selle analoog elektrostaatikas on laeng q), gravitatsioonikonstandi g (analoog on väljatugevus E) ja kõrguse muutuse delta h (kaugus L) korrutisega.
Valemis on ka koosinus. Selle kohta saate lugeda lehelt. Selle tähendus on järgmine: saame tõsta oma tellise vertikaalselt (piki vasakpoolse kolmnurga joont C B) või lohistada seda mööda kaldtasapinda A B samale kõrgusele. Sõltumata tõstetrajektoorist on tellise kõrgus lõpp-punktis B ja seega ka selle potentsiaalne energia sama.Seetõttu on meie tehtud töö mõlemal juhul sama.
Telliskivi tee laugjast mäest üles on aga pikem kui vertikaalne tõus. Kui me läbitud tee rumalalt asendame s valemisse
A = F*L*cos a
koosinust eirates selgub, et mida laugem küngas (mida pikem on meie tee), seda rohkem tööd oleme teinud. Ja see pole tõsi (õrn tee on lihtsam, kuigi pikem). Koosinus lihtsalt näitab, mitu korda on sirge tee lühem kui õrn tõste (antud nurga jaoks). Oletame, et meie liumägi on kaks korda pikem kui sirge tee. See suhe tekib siis, kui vertikaali ja mäe vaheline nurk on 60 kraadi (vt koosinuste tabelit). 60-kraadise nurga koosinus on 1/2 või samaväärselt 0,5.Oletame, et lifti kõrgus on 3 meetrit. Tõsttes tellist vertikaalselt, asendame need 3 meetrit valemiga. Koosinus on sel juhul võrdne ühega (cos 0 = 1).
Tõsttes tellist mööda kuuemeetrist künka, korrutame selle pikkuse mäe tasapinna ja vertikaali vahelise nurga koosinusega ehk 1/2-ga ja saame sama kolmega.
Nüüd kõik ühtlustub: sõltumata trajektoorist tähendab tellise ühele kõrgusele tõstmine sama töö tegemist.
Koosinuste tabeli järgi saate teada, mitu korda on jalg C B lühem kui hüpotenuus A B mis tahes nurga korral, näiteks täisnurkse kolmnurga puhul, mille nurk on 45 kraadi.
Kuid koosinustega askeldamine on mõttekas ainult isegi koorma, isegi laengu otsese liikumistrajektoori korral. Sagedamini on trajektoor keerulisem. Kuid nagu eespool mainitud, sõltub töö ainult manipuleerimisobjekti - tellise või laengu - potentsiaalsete energiate erinevusest trajektoori algus- ja lõpp-punktis.
Kuna alustasime tellistest, siis kujutame ette olukorda: teie töö on maja alumiselt korruselt telliste toimetamine teisel korrusel töötavale müürsepale. Müürseppa ei huvita, kuidas tellised temani jõuavad: vertikaalsel liftil, lõkke- või juurdepääsutrepil või vähemalt transiidil läbi üheksanda korruse. Tema jaoks on oluline ainult tulemus - telliskivi lamas algselt maas ja nüüd - siin, käes. Ja palka saate oma töö eest sõltumata telliskivikringlist: ainult tulemuse pealt. See tähendab tellise energiate erinevust.
On selge, et kui tellis liigub alla, siis gravitatsiooniväli teeb selle liigutamise töö ära. Sel juhul väheneb tellise potentsiaalne energia.
Ülaltoodu kehtib laengu liikumise kohta elektriväljas täies mahus: elektrostaatiliste jõudude töö laengu q liigutamisel elektriväljas võrdub selle laengu potentsiaalse energia vähenemisega:
A1-2 = Wp1 - Wp2 = q φ1 - q φ2 = q(φ1 -φ2).
Samamoodi on Maa gravitatsioonivälja töö mõõdupuuks keha potentsiaalse energia vähenemine: A 1-2 = W p1 - W p2.
Keha massiga m (kilogrammides) kõrgusel g (meetrites) omab potentsiaalset energiat (džaulides)võrdne m*g*h, kus h on keha kõrgus maapinnast. Kuna maapinnal on kõrgus h null, siis nulli kõrgusel oleva keha potentsiaalne energia võrdub sama nulliga(W p2 = 0): korrutage korrutis m * g nulliga (loogiliselt on selge: nullikõrgusel olev keha ei saa mingit tööd teha. Tal pole energiat). Nii et tööta gravitatsioonijõud keha liigutamisel kõrguselt h nulli võrdub m*g*h - 0 = m*g*h = W p1. Lühidalt: A = W p1.
Seega on elektrostaatiliste jõudude töö laengu q liigutamisel punktist, kus sellel laengul on potentsiaalne energia null potentsiaalse energiaga punkti, võrdne
A = W p1 = q* φ .Teine aspekt: meie maas lebaval tellisel pole potentsiaalset energiat ainult maapinna suhtes. Aga kujutage ette. et maasse kaevati kaev. Kaevu põhja suhtes. telliskivi saab juba energiat ja sinna kukkumine võib äri ajada.
Aga ka telliskivi. teise korruse tasandil lebamisel on energiat ainult maa suhtes. teise korruse suhtes on selle energia null. Järeldus: potentsiaalne energia sõltub võrdluspunktist. Millisest tasemest me nulliks võtame.
Elektrivälja potentsiaal.
Õpikud ütlevad: elektrivälja potentsiaal – potentsiaalse energiaga määratletud skalaarsuurus Wpsellesse punkti asetatud ühiklaeng q φ = W p /q.
Tuleme tagasi gravitatsiooni-massi analoogiate juurde.Määrame gravitatsioonivälja potentsiaali. Nimetagem seda samamoodi:φ . Koos gravitatsioonivalemit kasutades teeme sama triki, unustamata, et gravitatsiooni laengu q analoogiks on mass m
φ = W p /m:
gravitatsioonivälja punkti potentsiaal on võrdne keha potentsiaalse energia ja selle keha massi suhtega. Aga kunaW p = m * g * h (keha potentsiaalse energia valem), selgub, et välja potentsiaal φ = m*g*h/m.
Aga - harjutada. "Gravitatsioonivälja punktiks" saab näiteks teise korruse akna aknalaud maapinnast 5 meetri kõrgusel. Kuidas määrata selle punkti potentsiaali?
Võtame oma lemmik tellise. Olgu selle mass 2 kg.
φ = W p /m =m*g*h/m.
Korrutame tellise massi (2 kg) raskuskiirendusega (umbes 10 m / s ^ 2) ja kõrgusega (5 m). Tulemus (100) jagatakse sama tellise massiga (2 kg). Saame: gravitatsioonipotentsiaal aknalaua tasemel on 50.
Ja 50, mis tegelikult? Milliseid ühikuid mõõta? Milles see selgub, sellises ja mõõdus:
kg*m/s^2*m/kg.
Lugejas ja nimetajas olevad kilogrammid tühistatakse. Meetreid ka. Kiiruse ruut jääb nimetajasse: 1 / s ^ 2. Potentsiaal on 50/s^2.
"Wikipedia" nõustub meiega: "Gravitatsioonipotentsiaal on koordinaatide ja aja skalaarfunktsioon, mis iseloomustab gravitatsioonivälja klassikaline mehaanika. Sellel on kiiruse ruudu mõõde, mida tavaliselt tähistatakse tähega φ . Gravitatsioonipotentsiaal võrdub potentsiaalse energia suhtega materiaalne punkt asetatakse gravitatsioonivälja vaadeldavasse punkti selle punkti massini.".
Pange tähele, et ilma telliseta oleksime hästi hakkama saanud: mis mõte on selle massiga korrutada ja seejärel sellega jagada? Vähendage lugeja ja nimetaja massi:
φ = m*g*h/m = g*h.
potentsiaal on võrdne tootega antud punkti gravitatsioonikiirendus ja kõrgus:
φ = g*h.
Suur küsimus: mida kuradit? Miks me peame teadma gravitatsioonivälja potentsiaali?
See on lihtne: näiteks energia, mida hüdroelektrijaam toodab, sõltub sellest näitajast – mida suurem on vaba langemise kõrgus ja kiirendus veevõtukohas, seda rohkem elektrijaam võimsust annab. Ja ärge arvake, et vabalangemise kiirendus on püsiv väärtus: see sõltub kivimite asukohast maakera paksuses, geograafiline laiuskraad(Maa pöörleb, seega on vabalangemise kiirendus ekvaatori lähedal väiksem) ja isegi kellaajast ja Kuu asukohast - mere looded on põhjustatud just sellest, et gravitatsioonivälja potentsiaal "kõnnib " Päikese ja Kuu gravitatsiooniväljade pealesurumise tõttu väljale Maa (tuletage meelde superpositsiooni põhimõtet).
Siiski on aeg elektri juurde tagasi pöörduda.
Pidage meeles, et elektrivälja parameeter "tugevus", mis on võrdne laengule mõjuva jõu ja selle laengu suuruse suhtega (E = F / q)? Kas sellest valdkonna tunnusest ei piisa? Muidugi mitte. Väljatugevus vastab gravitatsioonijõule gravitatsioonis. Kuid sama jõuga vett tõmbab Maa ligi nii meetri kõrgusel kui ka saja meetri kõrgusel. Ja elektriväli näiteks kondensaatori plaatide vahel, kogu tee negatiivsest plaadist positiivseni, sama jõuga mõjub testlaeng. Tasu võib olla marsruudi lõpp-punktist kaugel või lähedal. Selge see, et pikal teel suudab laeng (nagu vesi elektrijaamas) teha rohkem tööd kui lühikesel. Seetõttu on see parameeter vajalik - elektrivälja potentsiaal.AT rahvusvaheline süsteemühikut (SI) potentsiaaliühik on"Tühjendades" 1 V "kõrguselt", on 1 C laeng võimeline tegema tööd 1 J.
Ja 0,1 kg kaaluv koorem, mis laskub ühe meetri kõrguselt, suudab sama tööd teha. Täpsemalt sama palju tööd.
Ja veel üks asi: saime teada gravitatsioonivälja potentsiaali teise korruse aknalaua tasandil. Aknalaua ja maapinna kõrguste vahe on 5 meetrit. On selge, et kui selle aknalaua kohal on teine, esimesest sama 5 meetri võrra kõrgemal, on aknalaudade potentsiaalide erinevus sama 50 / sek ^ 2.
Ka elektrostaatikas ei võta nad nulli (aluse) jaoks alati "maapinda" - nullpotentsiaaliga juhti. Sagedamini räägitakse elektrivälja punktide või juhtide vahelisest "potentsiaali erinevusest".
Laseme palli mõnelt kõrguselt maha. Kukkudes kaotab see potentsiaalset energiat (tuletage meelde selle valem: Ep = m*g*h, kus m on kuuli mass, g on vabalangemise kiirendus, h on kõrgus). On selge, et potentsiaalse energia kadu toimub parameetri h - kõrguse tõttu, kuna m ja g on konstantsed. Kõrguse kaotamisel aga pall kogub kiirust ja sellest tuleneb kineetiline energia Ek = m*v^2/2, kus v on kiirus. Ja nende kahe energia – kineetilise ja potentsiaalse – summa on igal ajahetkel konstantne (const) ja võrdne kuuli esialgse potentsiaalse energiaga: Ep + Eк = const.
Või:m*v^2/2 =m*g*h1 - m*g*h2. AGAg*h, nagu me mäletame, on gravitatsioonivälja punkti potentsiaal.
See kehtib ka keha kohta, mille laeng q ja mass m kiireneb elektriväljas:
m*v^2/2 = q* φ1- q*φ2
Q*( φ1-φ2)
