D. Giankolining materiallari asosida nashr etilgan nashrlar. "Fizika ikki jildda" 1984 yil 2-jild.
Elektr zaryadlari o'rtasida kuch mavjud. Qanday qilib u zaryadlarning kattaligiga va boshqa omillarga bog'liq?
Bu savol 1780-yillarda frantsuz fizigi Sharl Kulon (1736-1806) tomonidan o'rganilgan. U tortishish konstantasini aniqlash uchun Cavendish ishlatganlarga juda o'xshash burilish balanslaridan foydalangan.
Agar ipga osilgan novda uchida to'pga zaryad qo'llanilsa, novda bir oz egilib, ip buriladi va ipning burilish burchagi zaryadlar orasidagi ta'sir qiluvchi kuchga mutanosib bo'ladi (burilish balansi). ). Ushbu qurilma yordamida Kulon kuchning zaryadlarning kattaligiga va ular orasidagi masofaga bog'liqligini aniqladi.
O'sha paytda zaryad miqdorini aniq aniqlash uchun asboblar yo'q edi, lekin Coulomb ma'lum zaryad nisbati bilan kichik to'plarni tayyorlashga muvaffaq bo'ldi. Agar zaryadlangan o'tkazuvchi to'p aynan bir xil zaryadsiz to'pga tegsa, simmetriya tufayli birinchi to'pdagi zaryad ikki shar o'rtasida teng taqsimlanadi.
Bu unga 1/2, 1/4 va hokazo ayblovlarni olish qobiliyatini berdi. asl nusxadan.
Zaryadlar induksiyasi bilan bog'liq ba'zi qiyinchiliklarga qaramay, Kulon bir zaryadlangan jismning boshqa kichik zaryadlangan jismga ta'sir qiladigan kuchi ularning har birining elektr zaryadiga to'g'ridan-to'g'ri proportsional ekanligini isbotlay oldi.
Boshqacha qilib aytganda, bu jismlardan birortasining zaryadi ikki baravar oshirilsa, kuch ham ikki barobar ortadi; agar ikkala jismning zaryadlari bir vaqtning o'zida ikki baravar oshirilsa, kuch to'rt baravar ko'payadi. Bu jismlar orasidagi masofa doimiy bo'lib qolishi sharti bilan to'g'ri.
Kulon jismlar orasidagi masofani o'zgartirib, ular orasidagi ta'sir qiluvchi kuch masofaning kvadratiga teskari proportsional ekanligini aniqladi: agar masofa, aytaylik, ikki baravar oshsa, kuch to'rt baravar kam bo'ladi.
Shunday qilib, Kulon shunday xulosaga keldi: bitta kichik zaryadlangan jism (ideal nuqtaviy zaryad, ya'ni fazoviy o'lchamlarga ega bo'lmagan moddiy nuqta kabi jism) boshqa zaryadlangan jismga ta'sir qiladigan kuch ularning zaryadlari ko'paytmasiga proportsionaldir. Q 1 va Q 2 va ular orasidagi masofaning kvadratiga teskari proportsionaldir:
Bu yerga k- mutanosiblik koeffitsienti.
Bu munosabat Kulon qonuni sifatida tanilgan; uning haqiqiyligi Coulombning asl, takrorlash qiyin bo'lgan tajribalaridan ancha aniqroq bo'lgan ehtiyotkorlik bilan o'tkazilgan tajribalar bilan tasdiqlangan. 2-eksponent hozirda 10 -16 aniqlik bilan o'rnatiladi, ya'ni. u 2 ± 2×10 -16 ga teng.
Biz hozir yangi miqdor - elektr zaryadi bilan shug'ullanayotganimiz sababli, formuladagi doimiy k birga teng bo'lishi uchun o'lchov birligini tanlashimiz mumkin. Darhaqiqat, bunday birliklar tizimi yaqin vaqtgacha fizikada keng qo'llanilgan.
Bu haqida GHS tizimi(santimetr-gram-soniya), bu SGSE zaryadining elektrostatik birligidan foydalanadi. Ta'rifga ko'ra, bir-biridan 1 sm masofada joylashgan har biri 1 SGSE zaryadiga ega bo'lgan ikkita kichik jism 1 din kuchi bilan o'zaro ta'sir qiladi.
Endi esa, zaryad ko'pincha SI tizimida ifodalanadi, bu erda uning birligi kulon (C) dir.
Elektr toki va magnit maydon nuqtai nazaridan kulonning aniq ta'rifini keyinroq beramiz.
SI tizimida doimiy k kattalikka ega k= 8,988×10 9 Nm 2 / Cl 2.
Oddiy jismlarning (taroqlar, plastik o'lchagichlar va boshqalar) ishqalanishi natijasida elektrlashtirish jarayonida paydo bo'ladigan zaryadlar mikrokulon yoki undan kamroq (1 mkC = 10 -6 C) kattalikdagi tartibda bo'ladi.
Elektronning zaryadi (salbiy) taxminan 1,602×10 -19 S ni tashkil qiladi. Bu ma'lum bo'lgan eng kichik to'lovdir; u fundamental ahamiyatga ega va belgi bilan ifodalanadi e, u ko'pincha elementar zaryad deb ataladi.
e= (1,6021892 ± 0,0000046)×10 -19 C yoki e≈ 1,602×10 -19 Cl.
Tana elektronning bir qismini qo'lga kirita olmasligi yoki yo'qota olmasligi sababli, tananing umumiy zaryadi elementar zaryadning butun soni bo'lishi kerak. Ular zaryad kvantlanganligini aytadilar (ya'ni u faqat diskret qiymatlarni qabul qilishi mumkin). Biroq, elektron zaryaddan beri e juda kichik, biz odatda makroskopik zaryadlarning diskretligini sezmaymiz (1 mkC zaryad taxminan 10 13 elektronga to'g'ri keladi) va zaryadni uzluksiz deb hisoblaymiz.
Kulon formulasi bir zaryad boshqasiga ta'sir qiladigan kuchni tavsiflaydi. Bu kuch zaryadlarni birlashtiruvchi chiziq bo'ylab yo'naltiriladi. Agar zaryadlarning belgilari bir xil bo'lsa, u holda zaryadlarga ta'sir qiluvchi kuchlar qarama-qarshi yo'nalishda yo'naltiriladi. Agar zaryadlarning belgilari boshqacha bo'lsa, u holda zaryadlarga ta'sir qiluvchi kuchlar bir-biriga yo'naltiriladi.
E'tibor bering, Nyutonning uchinchi qonuniga ko'ra, bir zaryad ikkinchi zaryadga ta'sir qiladigan kuch kattaligi jihatidan teng va ikkinchi zaryad birinchisiga ta'sir qiladigan kuchga qarama-qarshidir.
Kulon qonuni qonunga o'xshash vektor shaklida yozilishi mumkin universal tortishish Nyuton:
Qayerda F 12 - zaryadga ta'sir qiluvchi kuch vektori Q 1 zaryad tomoni Q 2,
- to'lovlar orasidagi masofa,
-dan yo'naltirilgan birlik vektor Q 2 k Q 1.
Shuni esda tutish kerakki, formula faqat orasidagi masofa o'z o'lchamlaridan sezilarli darajada katta bo'lgan jismlarga nisbatan qo'llaniladi. Ideal holda, bu ball to'lovlari. Cheklangan o'lchamdagi jismlar uchun masofani qanday hisoblash har doim ham aniq emas r ular o'rtasida, ayniqsa, zaryad taqsimoti bir xil bo'lmasligi mumkin. Agar ikkala jism ham bir xil zaryad taqsimotiga ega sharlar bo'lsa, u holda r sharlar markazlari orasidagi masofani bildiradi. Shuni ham tushunish kerakki, formula bitta zaryaddan berilgan zaryadga ta'sir qiluvchi kuchni aniqlaydi. Agar tizim bir nechta (yoki ko'p) zaryadlangan jismlarni o'z ichiga olsa, u holda berilgan zaryadga ta'sir qiluvchi natijaviy kuch qolgan zaryadlar qismiga ta'sir qiluvchi kuchlarning natijaviy (vektor yig'indisi) bo'ladi. Kulon qonuni formulasidagi k doimiysi odatda boshqa konstanta bilan ifodalanadi, ε 0
, bilan bog'liq bo'lgan elektr doimiysi deb ataladi k nisbat k = 1/(4πe 0). Buni hisobga olib, Kulon qonunini quyidagicha qayta yozish mumkin:
bugungi kunda eng yuqori aniqlik bilan qaerda
yoki yumaloq
Ko'pgina boshqa tenglamalarni yozish elektromagnit nazariya foydalanish osonroq ε 0 , chunki 4p yakuniy natija ko'pincha qisqartiriladi. Shuning uchun biz odatda Coulomb qonunidan foydalanamiz, deb faraz qilamiz:
Coulomb qonuni tinch holatda bo'lgan ikkita zaryad o'rtasida ta'sir qiluvchi kuchni tavsiflaydi. Zaryadlar harakat qilganda, ular o'rtasida qo'shimcha kuchlar hosil bo'ladi, biz keyingi boblarda muhokama qilamiz. Bu erda faqat dam olishdagi to'lovlar hisobga olinadi; Elektrni o'rganishning ushbu bo'limi deyiladi elektrostatika.
Davomi bor. Quyidagi nashr haqida qisqacha:
Elektr maydoni- ikkita elektr komponentdan biri magnit maydon, bu elektr zaryadli jismlar yoki zarralar atrofida mavjud bo'lgan yoki magnit maydon o'zgarganda paydo bo'ladigan vektor maydoni.
Fikr va takliflar qabul qilinadi va xush kelibsiz!
Ikki nuqtaviy zaryad bir-biriga ular orasidagi masofaning kvadratiga teskari proportsional va ularning zaryadlari ko'paytmasiga to'g'ridan-to'g'ri proportsional kuch bilan ta'sir qiladi (zaryadlar belgisini hisobga olmaganda).
Har xil muhitda, masalan, havo va suvda, ikkita nuqta zaryadlari turli kuchlar bilan o'zaro ta'sir qiladi. Muhitning nisbiy dielektrik o'tkazuvchanligi bu farqni xarakterlaydi. Bu taniqli jadval qiymati. Havo uchun.
k doimiysi quyidagicha aniqlanadi
Nyutonning uchinchi qonuniga ko'ra, bir xil tabiatdagi kuchlar juft bo'lib, kattaligi teng, yo'nalishi bo'yicha qarama-qarshi bo'lib paydo bo'ladi. Agar ikkita teng bo'lmagan zaryad o'zaro ta'sir qilsa, kattaroq zaryadning kichigiga ta'sir qiladigan kuch (B ning A ga) kichikroqning kattasiga (A ning B ga) ta'siriga teng bo'ladi.
Qizig'i shundaki, fizikaning turli qonunlari bir nechta umumiy xususiyatlarga ega. Keling, tortishish qonunini eslaylik. Og'irlik kuchi ham masofa kvadratiga teskari proporsional, lekin massalar o'rtasida va bu qolipda chuqur ma'no yashiringan degan fikr beixtiyor paydo bo'ladi. Shu paytgacha hech kim tortishish va elektrni bir xil mohiyatning ikki xil ko'rinishi sifatida tasavvur qila olmadi.
Bu erda kuch ham masofaning kvadratiga teskari o'zgaradi, lekin elektr va tortishish kuchlarining kattaligidagi farq hayratlanarli. Gravitatsiya va elektrning umumiy tabiatini aniqlashga harakat qilib, biz elektr kuchlarining tortishish kuchlaridan shunchalik ustunligini aniqlaymizki, ikkalasi ham bir xil manbaga ega ekanligiga ishonish qiyin. Qanday qilib biri ikkinchisidan kuchliroq deb ayta olasiz? Axir, hamma narsa qanday massaga va qanday zaryadga bog'liq. Gravitatsiya qanchalik kuchli ta'sir qilishini muhokama qilayotganda, siz: "Falon o'lchamdagi massani olaylik", deyishga haqqingiz yo'q, chunki uni o'zingiz tanlaysiz. Ammo tabiatning o'zi bizga taklif qilgan narsani (dyuymlarimiz, yillarimiz, o'lchovlarimiz bilan hech qanday aloqasi bo'lmagan o'z raqamlari va o'lchovlari) olsak, biz taqqoslashimiz mumkin. Biz elementar zaryadlangan zarrachani, masalan, elektronni olamiz. Ikki elementar zarracha, ikkita elektron elektr zaryadi hisobiga bir-birini o'zaro masofa kvadratiga teskari proportsional kuch bilan itaradi va tortishish kuchi ta'sirida ular yana bir-biriga kvadratiga teskari proportsional kuch bilan tortiladi. masofa.
Savol: tortishish kuchining nisbati qanday? elektr quvvati? Gravitatsiya 42 nolga teng bo'lgan raqamga nisbatan elektr itarish kuchiga teng. Bu eng chuqur hayratga sabab bo'ladi. Bunday katta raqam qaerdan paydo bo'lishi mumkin?
Odamlar bu ulkan koeffitsientni boshqa tabiat hodisalarida izlaydilar. Ular har xil yo'llardan o'tadilar katta raqamlar, va agar sizga katta raqam kerak bo'lsa, nima uchun, aytaylik, Olam diametrining proton diametriga nisbatini olmasangiz - ajablanarlisi, bu ham 42 nolga ega bo'lgan raqam. Va ular shunday deyishadi: ehtimol bu koeffitsient proton diametrining koinot diametriga nisbatiga tengdir? Bu qiziq fikr, lekin Olam asta-sekin kengayib borar ekan, tortishish doimiysi ham o'zgarishi kerak. Garchi bu gipoteza hali rad etilmagan bo'lsa-da, bizda uning foydasiga hech qanday dalil yo'q. Aksincha, ba'zi dalillar tortishish doimiysi bu tarzda o'zgarmaganligini ko'rsatadi. Bu katta raqam bugungi kungacha sir bo'lib qolmoqda.
Uzoq davom etgan kuzatishlar natijasida olimlar qarama-qarshi zaryadlangan jismlarni o'ziga jalb qilishini, xuddi shunday zaryadlangan jismlarni esa, aksincha, qaytarishini aniqladilar. Bu jismlar o'rtasida o'zaro ta'sir kuchlari paydo bo'lishini anglatadi. Fransuz fizigi K. Kulon metall sharlar orasidagi oʻzaro taʼsir qilish qonuniyatlarini eksperimental ravishda oʻrganib chiqdi va ikki nuqtali elektr zaryadlari orasidagi oʻzaro taʼsir kuchi ushbu zaryadlar koʻpaytmasiga toʻgʻri proporsional va ular orasidagi masofa kvadratiga teskari proporsional boʻlishini aniqladi:
Bu erda k - formulaga kiritilgan fizik kattaliklarning o'lchov birliklarini tanlashga, shuningdek, q 1 va q 2 elektr zaryadlari joylashgan muhitga qarab mutanosiblik koeffitsienti. r - ular orasidagi masofa.
Bundan xulosa qilishimiz mumkinki, Kulon qonuni faqat amal qiladi ball to'lovlari, ya'ni o'lchamlari ular orasidagi masofalarga nisbatan butunlay e'tibordan chetda qolishi mumkin bo'lgan bunday jismlar uchun.
Vektor shaklida Coulomb qonuni quyidagicha ko'rinadi:
Bu yerda q 1 va q 2 zaryadlar, r esa ularni tutashtiruvchi radius vektor; r = |r|.
Zaryadlarga ta'sir qiluvchi kuchlar markaziy deyiladi. Ular bu zaryadlarni tutashtiruvchi to'g'ri chiziq bo'ylab yo'naltirilgan bo'lib, q 1 zaryadga q 2 zaryaddan ta'sir qiluvchi kuch q 2 zaryadga q 1 zaryaddan ta'sir qiluvchi kuchga teng va ishorasi bo'yicha qarama-qarshidir.
Elektr kattaliklarini o'lchash uchun ikkita sanoq tizimidan foydalanish mumkin - SI (asosiy) tizimi va ba'zan CGS tizimi.
SI tizimida asosiy elektr kattaliklaridan biri oqim birligi - amper (A), keyin elektr zaryadining birligi uning hosilasi bo'ladi (oqim birligi bilan ifodalanadi). SI zaryad birligi - kulon. 1 kulon (C) - bu orqali o'tadigan "elektr" miqdori ko'ndalang kesim o'tkazgich 1 sekundda 1 A oqimda, ya'ni 1 C = 1 A s.
SI dagi 1a) formuladagi k koeffitsienti quyidagicha qabul qilinadi:
Va Coulomb qonuni "ratsionalizatsiya" deb ataladigan shaklda yozilishi mumkin:
Magnit va elektr hodisalarini tavsiflovchi ko'plab tenglamalar 4p omilni o'z ichiga oladi. Ammo, agar bu omil Kulon qonunining maxrajiga kiritilsa, u ko'pincha magnitlanish va elektr energiyasi formulalarida yo'qoladi. amaliy hisob-kitoblar. Tenglama yozishning bunday shakli ratsionalizatsiya deb ataladi.
Bu formuladagi e 0 qiymati elektr doimiysi hisoblanadi.
GHS tizimining asosiy birliklari mexanikdir GHS birliklari(gramm, soniya, santimetr). Yuqoridagi uchtasiga qo'shimcha ravishda yangi asosiy birliklar GHS tizimiga kiritilmagan. (1) formuladagi k koeffitsienti birlikka teng va o'lchamsiz deb hisoblanadi. Shunga ko'ra, ratsionalizatsiyalanmagan shakldagi Kulon qonuni quyidagicha ko'rinadi:
CGS tizimida kuch dinlarda o'lchanadi: 1 din = 1 g sm / s 2, masofa esa santimetrda. Faraz qilaylik, q = q 1 = q 2 , u holda (4) formuladan quyidagini olamiz:
Agar r = 1 sm va F = 1 din bo'lsa, bu formuladan kelib chiqadiki, CGS tizimida zaryad birligi nuqta zaryadi sifatida qabul qilinadi, u (vakuumda) undan uzoqda teng zaryadga ta'sir qiladi. 1 sm masofada, 1 din kuchi bilan. Bunday zaryad birligi elektr (zaryad) miqdorining mutlaq elektrostatik birligi deb ataladi va CGS q bilan belgilanadi. Uning o'lchamlari:
e 0 qiymatini hisoblash uchun biz SI va GHS tizimlarida yozilgan Kulon qonunining ifodalarini solishtiramiz. Bir-biridan 1 m masofada joylashgan har biri 1 C bo'lgan ikkita nuqta zaryadi kuch bilan o'zaro ta'sir qiladi (3-formulaga ko'ra):
GHSda bu kuch quyidagilarga teng bo'ladi:
Ikki zaryadlangan zarrachalar orasidagi o'zaro ta'sir kuchi ular joylashgan muhitga bog'liq. Xarakterlash uchun elektr xususiyatlari turli ommaviy axborot vositalari, nisbiy dielektrik penetrasyon tushunchasi e kiritildi.
E ning qiymati turli moddalar uchun har xil - ferroelektriklar uchun uning qiymati 200 - 100 000 oralig'ida, kristalli moddalar 4 dan 3000 gacha, shisha uchun 3 dan 20 gacha, qutbli suyuqliklar uchun 3 dan 81 gacha, qutbsiz suyuqliklar uchun 1,8 dan 2,3 gacha; 1,0002 dan 1,006 gacha bo'lgan gazlar uchun.
Shuningdek, haroratda muhit Dielektrik doimiy (nisbiy) ham bog'liq.
Agar zaryadlar joylashgan muhitning dielektrik o'tkazuvchanligini hisobga oladigan bo'lsak, SI Kulon qonunida quyidagi shaklni oladi:
Dielektrik doimiy e - o'lchovsiz kattalik bo'lib, u o'lchov birliklarini tanlashga bog'liq emas va vakuum uchun e = 1 ga teng deb hisoblanadi. Keyin vakuum uchun Kulon qonuni shaklni oladi:
(6) ifodani (5) ga bo'lish orqali biz quyidagilarni olamiz:
Shunga ko'ra, nisbiy dielektrik o'tkazuvchanlik e bir-biriga nisbatan r masofada joylashgan ba'zi bir muhitdagi nuqta zaryadlari orasidagi o'zaro ta'sir kuchi bir xil masofada vakuumdagidan necha marta kichikligini ko'rsatadi.
Elektr va magnitlanishning bo'linishi uchun GHS tizimi ba'zan Gauss tizimi deb ataladi. SGS tizimi paydo bo'lishidan oldin, elektr miqdorlarini o'lchash uchun SGSE (SGS elektr) tizimlari va magnit miqdorlarni o'lchash uchun SGSM (SGS magnit) tizimlari ishlagan. Birinchi teng birlik elektr doimiysi e 0, ikkinchisi esa magnit doimiysi m 0 ga teng deb qabul qilindi.
SGS tizimida elektrostatika formulalari SGSE ning tegishli formulalari bilan mos keladi va magnitlanish formulalari, agar ular faqat magnit miqdorlarni o'z ichiga olgan bo'lsa, SGSMdagi mos keladigan formulalar bilan mos keladi.
Ammo agar tenglama bir vaqtning o'zida magnit va magnitni o'z ichiga olsa elektr miqdorlari, keyin Gauss tizimida yozilgan bu tenglama bir xil tenglamadan farq qiladi, lekin SGSM yoki SGSE tizimida 1/s yoki 1/s 2 faktor bilan yoziladi. c miqdori yorug'lik tezligiga teng (c = 3·10 10 sm/s) elektrodinamik doimiy deyiladi.
GHS tizimidagi Coulomb qonuni quyidagi shaklga ega bo'ladi:
Ikki mutlaqo bir xil moy tomchilarida bitta elektron etishmayapti. Nyutonning tortishish kuchi Kulon itarish kuchi bilan muvozanatlanadi. Agar ular orasidagi masofalar chiziqli o'lchamlaridan sezilarli darajada oshsa, tomchilarning radiuslarini aniqlash kerak.
Tomchilar orasidagi masofa r ularning chiziqli o'lchamlaridan sezilarli darajada katta bo'lganligi sababli, tomchilarni nuqta zaryadlari sifatida qabul qilish mumkin va keyin Kulon itarilish kuchi teng bo'ladi:
Bu erda e - neft tomchisining musbat zaryadi, elektronning zaryadiga teng.
Nyutonning tortishish kuchini quyidagi formula bilan ifodalash mumkin:
Bu yerda m - tomchining massasi, g - tortishish doimiysi. Masalaning shartlariga ko'ra, F k = F n, shuning uchun:
Tomchining massasi zichlik r va V hajmning ko‘paytmasi orqali ifodalanadi, ya’ni m = rV va R radiusli tomchining hajmi V = (4/3)pR 3 ga teng bo‘lib, undan hosil bo‘ladi. :
Bu formulada p, e 0, g konstantalar ma'lum; e = 1; elektron zaryadi e = 1,6·10 -19 C va neft zichligi r = 780 kg / m 3 (mos yozuvlar ma'lumotlari) ham ma'lum. Raqamli qiymatlarni formulaga almashtirsak, natijaga erishamiz: R = 0,363·10 -7 m.
Elektr energiyasi tushunchasi. Elektrlashtirish. Supero'tkazuvchilar, yarim o'tkazgichlar va dielektriklar. Elementar zaryad va uning xususiyatlari. Coulomb qonuni. Kuchlanish elektr maydoni. Superpozitsiya printsipi. Elektr maydoni o'zaro ta'sirning ko'rinishi sifatida. Elementar dipolning elektr maydoni.
Elektr atamasi yunoncha elektron (qahrabo) so'zidan kelib chiqqan.
Elektrifikatsiya - bu elektr energiyasini tanaga uzatish jarayoni.
zaryad. Bu atama 16-asrda ingliz olimi va shifokori Gilbert tomonidan kiritilgan.
ELEKTR ZARJ JANLAR YOKI zarrachalarning KIRISH XUSUSIYATLARINI VA ELEKTROMAGNETIK O'ZARO TA'SIRLARNI XARAKTERLASHGAN, KUCHLIGI VA ENERGIYASINI ANIQLAYDIGAN Jismoniy Skalar kattalikdir.
Elektr zaryadlarining xususiyatlari:
1. Tabiatda ikki xil elektr zaryadlari mavjud. Ijobiy (charmga ishqalangan shishada uchraydi) va salbiy (ebonitda mo'ynaga surtilganda uchraydi).
2. Zaryadlar kabi qaytaradi, zaryadlardan farqli ravishda tortadi.
3. Elektr zaryad ZARYA tashuvchi ZARRASIZ (elektron, proton, pozitron va boshqalar) YO'Q. Masalan, elektron va boshqa elementar zaryadlangan zarrachalardan elektr zaryadini olib tashlab bo'lmaydi.
4. Elektr zaryadi diskret, ya'ni. har qanday jismning zaryadi butun son karrali elementar elektr zaryadi e(e = 1,6 10 -19 C). Elektron (ya'ni.= 9,11 10 -31 kg) va proton (t p = 1,67 10 -27 kg) mos ravishda elementar manfiy va musbat zaryadlarning tashuvchilari (kasrli elektr zaryadli zarralar ma'lum: – 1/3 e va 2/3 e - Bu kvarklar va antikvarklar , lekin ular erkin holatda topilmadi).
5. Elektr zaryadi - kattaligi nisbiy invariant , bular. mos yozuvlar tizimiga bog'liq emas, ya'ni bu zaryadning harakatlanishi yoki dam olishiga bog'liq emas.
6. Eksperimental ma'lumotlarni umumlashtirish natijasida aniqlandi tabiatning asosiy qonuni - zaryadning saqlanish qonuni: algebraik yig'indi
Har qanday yopiq tizimning elektr zaryadlarining MA(tashqi jismlar bilan zaryad almashmaydigan tizim) bu tizimda qanday jarayonlar sodir bo'lishidan qat'iy nazar o'zgarishsiz qoladi.
Qonun eksperimental ravishda 1843 yilda ingliz fizigi tomonidan tasdiqlangan
M. Faraday ( 1791-1867) va boshqalar zarralar va antizarralarning tug'ilishi va yo'q qilinishi bilan tasdiqlangan.
Elektr zaryadining birligi (hosil birlik, chunki u oqim birligi orqali aniqlanadi) - kulon (C): 1 C - elektr zaryadi,
1 s vaqt davomida 1 A oqim kuchida o'tkazgichning kesimidan o'tish.
Tabiatdagi barcha jismlar elektrlanishga qodir, ya'ni. elektr zaryadini olish. Jismlarni elektrlashtirish amalga oshirilishi mumkin turli yo'llar bilan: kontakt (ishqalanish), elektrostatik induksiya
Har qanday zaryadlash jarayoni zaryadlarni ajratishga to'g'ri keladi, bunda jismlardan birida (yoki tananing bir qismida) ortiqcha musbat zaryad, ikkinchisida (yoki uning boshqa qismida) ortiqcha manfiy zaryad paydo bo'ladi. tanasi). Jismlardagi ikkala belgining zaryadlarining umumiy soni o'zgarmaydi: bu zaryadlar faqat jismlar o'rtasida qayta taqsimlanadi.
Jismlarni elektrlashtirish mumkin, chunki jismlar zaryadlangan zarralardan iborat. Jismlarni elektrlashtirish jarayonida erkin holatda bo'lgan elektronlar va ionlar harakatlanishi mumkin. Protonlar yadrolarda qoladi.
Erkin zaryadlarning kontsentratsiyasiga qarab jismlar quyidagilarga bo'linadi o'tkazgichlar, dielektriklar va yarim o'tkazgichlar.
Supero'tkazuvchilar- elektr zaryadi butun hajmi bo'ylab aralashishi mumkin bo'lgan jismlar. Supero'tkazuvchilar ikki guruhga bo'linadi:
1) birinchi turdagi o'tkazgichlar (metalllar) - ga o'tkazish
ularning zaryadlari (erkin elektronlar) kimyoviy bilan birga emas
transformatsiyalar;
2) ikkinchi turdagi o'tkazgichlar (masalan, erigan tuzlar, ra-
kislotalarning eritmalari) - zaryadlarni (musbat va manfiy) ularga o'tkazish
ionlari) kimyoviy o'zgarishlarga olib keladi.
Dielektriklar(masalan, shisha, plastmassa) - deyarli bepul to'lovlar bo'lmagan jismlar.
Yarimo'tkazgichlar (masalan, germaniy, kremniy) egallaydi
Supero'tkazuvchilar va dielektriklar orasidagi oraliq holat. Jismlarning bunday bo'linishi juda shartli, ammo ulardagi erkin zaryadlar kontsentratsiyasining katta farqi ularning xatti-harakatlarida juda katta sifat farqlarini keltirib chiqaradi va shuning uchun jismlarning o'tkazgichlar, dielektriklar va yarim o'tkazgichlarga bo'linishini oqlaydi.
ELEKTROSTATIKA- fan statsionar to'lovlar
Coulomb qonuni.
O'zaro ta'sir qonuni belgilangan nuqta elektr zaryadlari
1785 yilda Sh.Kulon tomonidan torsion tarozilari yordamida oʻrnatilgan.
G.Kavendish tomonidan gravitatsion doimiyni aniqlashda qoʻllangan qonunlarga oʻxshash (ilgari bu qonunni G.Kavendish kashf etgan, ammo uning ishi 100 yildan ortiq vaqt davomida nomaʼlumligicha qolgan).
Nuqta zaryadi, zaryadlangan jism yoki zarracha deb ataladi, ularning o'lchamlari ularga masofa bilan solishtirganda e'tiborsiz qolishi mumkin.
Kulon qonuni: joylashgan ikkita statsionar nuqta zaryadlari orasidagi o'zaro ta'sir kuchi vakuumda to'lovlarga mutanosib q 1 Va q2, va ular orasidagi r masofaning kvadratiga teskari proportsionaldir :
k - tizim tanloviga bog'liq proportsionallik omili
SIda
Kattalik ε 0 chaqirdi elektr doimiyligi; nazarda tutadi
raqam asosiy fizik konstantalar va teng:
e 0 = 8,85 ∙10 -12 Cl 2 /N∙m 2
Vektor shaklida vakuumdagi Kulon qonuni quyidagi shaklga ega:
bu erda ikkinchi zaryadni birinchisiga bog'lovchi radius vektori, F 12 - birinchi zaryaddan ikkinchi zaryaddan ta'sir qiluvchi kuch.
Kulon qonunining bajarilishining aniqligi uzoq masofalar, qadar
10 7 m, sun'iy yo'ldoshlar yordamida magnit maydonni o'rganish jarayonida o'rnatilgan
Yerga yaqin fazoda. Qisqa masofalarda uni amalga oshirishning aniqligi, gacha 10 -17 m, elementar zarrachalarning o'zaro ta'siri bo'yicha tajribalar bilan tasdiqlangan.
Atrof-muhitdagi Kulon qonuni
Barcha ommaviy axborot vositalarida Coulomb o'zaro ta'sir kuchi vakuum yoki havodagi o'zaro ta'sir kuchidan kamroq. Vakuumdagi elektrostatik o'zaro ta'sir kuchi ma'lum muhitdagidan necha marta katta ekanligini ko'rsatadigan fizik kattalik muhitning dielektrik o'tkazuvchanligi deyiladi va harf bilan belgilanadi. ε.
e = F vakuumda / F muhitda
Coulomb qonuni umumiy ko'rinish SIda:
Kulon kuchlarining xossalari.
1. Kulon kuchlari markaziy turdagi kuchlardir, chunki zaryadlarni tutashtiruvchi to'g'ri chiziq bo'ylab yo'naltirilgan
Agar zaryadlarning belgilari har xil bo'lsa, Kulon kuchi jozibador kuch va zaryadlarning belgilari bir xil bo'lsa, itaruvchi kuch hisoblanadi.
3. Nyutonning 3-qonuni Kulon kuchlari uchun amal qiladi
4. Coulomb kuchlari mustaqillik yoki superpozitsiya tamoyiliga bo'ysunadi, chunki ikki nuqtaviy zaryad o'rtasidagi o'zaro ta'sir kuchi yaqin joyda boshqa zaryadlar paydo bo'lganda o'zgarmaydi. Ma'lum bir zaryadga ta'sir qiluvchi elektrostatik o'zaro ta'sirning hosil bo'lgan kuchi tizimning har bir zaryadi bilan alohida zaryadning o'zaro ta'sir kuchlarining vektor yig'indisiga teng.
F= F 12 +F 13 +F 14 + ∙∙∙ +F 1 N
Zaryadlar orasidagi o'zaro ta'sir elektr maydoni orqali amalga oshiriladi. Elektr maydoni - bu maxsus shakl elektr zaryadlarining o'zaro ta'siri sodir bo'ladigan materiyaning mavjudligi. Elektr maydoni bu maydonga kiritilgan har qanday boshqa zaryadga kuch bilan ta'sir qilishida o'zini namoyon qiladi. Elektrostatik maydon statsionar elektr zaryadlari tomonidan hosil bo'ladi va fazoda cheklangan tezlik bilan tarqaladi c.
Elektr maydonining kuchli xarakteristikasi kuchlanish deb ataladi.
Tangliklar bir nuqtada elektr deyiladi jismoniy miqdor, ma'lum bir nuqtada joylashtirilgan musbat sinov zaryadiga maydon ta'sir qiladigan kuchning ushbu zaryadning moduliga nisbatiga teng.
Nuqtaviy zaryadning maydon kuchi q:
Superpozitsiya printsipi: kosmosning ma'lum bir nuqtasida zaryadlar tizimi tomonidan yaratilgan elektr maydon kuchi bu nuqtada har bir zaryad tomonidan alohida (boshqa zaryadlar bo'lmaganda) yaratilgan elektr maydon kuchlarining vektor yig'indisiga teng.
Coulomb qonuni nuqta elektr zaryadlari orasidagi o'zaro ta'sir kuchlarini tavsiflovchi qonundir.
1785 yilda Charlz Kulon tomonidan kashf etilgan. Keyin katta miqdorda Charlz Kulon metall sharlar bilan tajribalar o'tkazib, qonunning quyidagi formulasini berdi:
Vakuumdagi ikkita nuqtaviy zaryad o'rtasidagi o'zaro ta'sir kuchi moduli ushbu zaryadlar modullarining mahsulotiga to'g'ridan-to'g'ri proportsional va ular orasidagi masofaning kvadratiga teskari proportsionaldir.
Aks holda: Vakuumdagi ikkita nuqtaviy zaryad bir-biriga bu zaryadlar modullarining mahsulotiga proportsional, ular orasidagi masofa kvadratiga teskari proportsional va bu zaryadlarni tutashtiruvchi toʻgʻri chiziq boʻylab yoʻnaltirilgan kuchlar bilan taʼsir qiladi. Bu kuchlar elektrostatik (Coulomb) deb ataladi.
Shuni ta'kidlash kerakki, qonun haqiqat bo'lishi uchun quyidagilar zarur:
Biroq, ba'zi tuzatishlar bilan, qonun zaryadlarning vositadagi o'zaro ta'siri va harakatlanuvchi zaryadlar uchun ham amal qiladi.
C. Coulomb formulasida vektor shaklida qonun quyidagicha yoziladi:
1-zaryad 2-zaryadga taʼsir etuvchi kuch qayerda; - to'lovlarning kattaligi; — radius vektori (vektor 1-zaryaddan 2-zaryadga yoʻnaltirilgan va mutlaq qiymatda zaryadlar orasidagi masofaga teng — ); — mutanosiblik koeffitsienti. Shunday qilib, qonun shuni ko'rsatadiki, zaryadlar xuddi shunday qaytaradi (va zaryadlardan farqli o'laroq tortadi).
SGSEda zaryadning o'lchov birligi koeffitsient bo'ladigan tarzda tanlanadi k birga teng.
IN Xalqaro tizim birliklar (SI) asosiy birliklardan biri kuch birligidir elektr toki amper va zaryad birligi - kulon - uning hosilasidir. Amper qiymati shunday aniqlanadi k= c2 · 10-7 H / m = 8.9875517873681764 · 109 N · m2 / Cl2 (yoki F-1 · m). SI koeffitsienti k quyidagicha yoziladi:
bu yerda ≈ 8,854187817·10−12 F/m elektr doimiysi.
Bir jinsli izotrop moddada muhitning nisbiy dielektrik o'tkazuvchanligi e formulaning maxrajiga qo'shiladi.
Kvant mexanikasida Kulon qonuni quyidagi kabi kuch tushunchasidan foydalanib shakllantirilmaydi klassik mexanika, lekin Kulon o'zaro ta'sirining potentsial energiyasi kontseptsiyasidan foydalangan holda. Kvant mexanikasida ko'rib chiqilgan tizimda elektr zaryadlangan zarrachalar mavjud bo'lsa, klassik mexanikada hisoblanganidek, kulon o'zaro ta'sirining potentsial energiyasini ifodalovchi tizimning Gamilton operatoriga atamalar qo'shiladi.
Shunday qilib, yadro zaryadiga ega bo'lgan atomning Gamilton operatori Z shaklga ega:
j)\frac(e^2)(r_(ij))" src="http://upload.wikimedia.org/math/d/0/8/d081b99fac096b0e0c5b4290a9573794.png">.
Bu yerga m- elektron massasi, e uning zaryadi, radius vektorining mutlaq qiymati j th elektron, . Birinchi hadis elektronlarning kinetik energiyasini, ikkinchi hadis elektronlarning yadro bilan Kulon o'zaro ta'sirining potentsial energiyasini, uchinchi hadis elektronlarning o'zaro itarilishining potentsial Kulon energiyasini ifodalaydi. Birinchi va ikkinchi shartlardagi yig'indi barcha N elektronlar bo'yicha amalga oshiriladi. Uchinchi muddatda yig'indi elektronlarning barcha juftlari bo'ylab sodir bo'ladi, har bir juftlik bir marta sodir bo'ladi.
Kvant elektrodinamikasiga ko'ra, zaryadlangan zarralarning elektromagnit o'zaro ta'siri zarralar orasidagi virtual fotonlarning almashinuvi orqali sodir bo'ladi. Vaqt va energiya uchun noaniqlik printsipi virtual fotonlarning emissiya va yutilish momentlari orasidagi vaqt davomida mavjudligini ta'minlaydi. Zaryadlangan zarralar orasidagi masofa qanchalik kichik bo'lsa, virtual fotonlarga bu masofani bosib o'tish uchun kamroq vaqt kerak bo'ladi va shuning uchun noaniqlik printsipi tomonidan ruxsat etilgan virtual fotonlarning energiyasi shunchalik katta bo'ladi. Zaryadlar orasidagi kichik masofalarda noaniqlik printsipi uzoq va qisqa to'lqinli fotonlarni almashish imkonini beradi va katta masofalarda faqat uzun to'lqinli fotonlar almashinuvda ishtirok etadi. Shunday qilib, kvant elektrodinamikasidan foydalanib, Kulon qonunini chiqarish mumkin.
Birinchi marta G.V.Richman 1752-1753 yillarda elektr zaryadlangan jismlarning o'zaro ta'sir qilish qonunini eksperimental ravishda o'rganishni taklif qildi. U shu maqsadda o'zi ishlab chiqqan "ko'rsatgich" elektrometridan foydalanmoqchi edi. Ushbu rejaning amalga oshirilishiga Richmanning fojiali o'limi to'sqinlik qildi.
1759 yilda Rixmanning vafotidan keyin kafedrani egallab olgan Sankt-Peterburg Fanlar akademiyasining fizika professori F.Epinus birinchi marta zaryadlar masofa kvadratiga teskari mutanosib ravishda o'zaro ta'sir qilishini taklif qildi. 1760 yilda Bazeldagi D. Bernulli o'zi ishlab chiqqan elektrometr yordamida kvadratik qonunni o'rnatganligi haqida qisqacha xabar paydo bo'ldi. 1767 yilda Pristley o'zining "Elektr energiyasi tarixi" asarida Franklinning zaryadlangan metall shar ichida elektr maydoni yo'qligini aniqlash tajribasi shuni anglatishi mumkinligini ta'kidladi. "Elektr tortishish tortishish bilan bir xil qonunga, ya'ni masofa kvadratiga amal qiladi". Shotlandiya fizigi Jon Robison (1822) 1769 yilda bir xil elektr zaryadli sharlar ular orasidagi masofaning kvadratiga teskari proportsional kuch bilan qaytarilishini aniqladi va shu bilan Kulon qonunining ochilishini kutdi (1785).
Kulondan taxminan 11 yil oldin, 1771 yilda zaryadlarning o'zaro ta'sir qilish qonuni G. Kavendish tomonidan eksperimental ravishda kashf etilgan, ammo natijasi nashr etilmagan va uzoq vaqt (100 yildan ortiq) noma'lum bo'lib qoldi. Kavendishning qo'lyozmalari D. C. Maksvellga faqat 1874 yilda Kavendishning avlodlaridan biri tomonidan berilgan. tantanali ochilish Cavendish Laboratory va 1879 yilda nashr etilgan.
Kulonning o'zi iplarning buralishini o'rgangan va buralish balansini ixtiro qilgan. U o'z qonunini zaryadlangan sharlarning o'zaro ta'sir kuchlarini o'lchash uchun ishlatib kashf etdi.
Kulon qonuni va elektr maydonlari uchun superpozitsiya printsipi elektrostatika va uchun Maksvell tenglamalariga to'liq ekvivalentdir. Ya'ni, Kulon qonuni va elektr maydonlar uchun superpozitsiya printsipi, agar Maksvellning elektrostatika tenglamalari bajarilsa va aksincha, elektrostatika uchun Maksvell tenglamalari bajarilsa, Kulon qonuni va elektr maydonlar uchun superpozitsiya printsipi bajarilgan taqdirdagina bajariladi.
Kulon qonuni eksperimental tasdiqlangan haqiqatdir. Uning haqiqiyligi tobora aniqroq tajribalar bilan bir necha bor tasdiqlangan. Bunday tajribalarning bir yo'nalishi ko'rsatkichning farqlanishini tekshirishdir r qonunda 2 dan. Bu farqni topish uchun, agar kuch aynan ikkiga teng bo'lsa, u holda bo'shliq yoki o'tkazgichning shakli qanday bo'lishidan qat'i nazar, o'tkazgichdagi bo'shliq ichida maydon yo'qligidan foydalanamiz.
1971-yilda AQSHda E.R.Uilyams, D.E.Voller va G.A.Xill tomonidan oʻtkazilgan tajribalar shuni koʻrsatdiki, Kulon qonunidagi koʻrsatkich 2 ga ga teng.
Atom ichidagi masofalarda Kulon qonunining to'g'riligini tekshirish uchun 1947 yilda V. Yu. Lamb va R. Rezerford vodorod energiyasi sathining nisbiy pozitsiyalarini o'lchashdan foydalanganlar. Atom 10−8 sm tartibli masofalarda ham Kulon qonunidagi koʻrsatkich 2 dan 10−9 dan koʻp boʻlmagan farq qilishi aniqlandi.
Kulon qonunidagi koeffitsient 15·10−6 aniqlik bilan doimiy bo'lib qoladi.
Kichik masofalarda (Kompton elektron to'lqin uzunligi tartibida, ≈3,86·10−13 m, bu erda elektron massasi, Plank doimiysi va yorug'lik tezligi) kvant elektrodinamikasining chiziqli bo'lmagan ta'siri sezilarli bo'ladi: almashinuv virtual fotonlar virtual elektron-pozitron (shuningdek, muon-antimuon va taon-antitaon) juftlarini hosil qilish ustiga qo'shiladi va skrining ta'siri kamayadi (renormalizatsiyaga qarang). Ikkala ta'sir ham zaryadlarning o'zaro ta'sirining potentsial energiyasini ifodalashda eksponent ravishda kamayuvchi tartib shartlarining paydo bo'lishiga va natijada Kulon qonuni bilan hisoblanganga nisbatan o'zaro ta'sir kuchining oshishiga olib keladi. Masalan, birinchi darajali radiatsiya tuzatishlarni hisobga olgan holda SGS tizimidagi nuqta zaryadining potentsial ifodasi quyidagi shaklni oladi:
elektronning Kompton to'lqin uzunligi qayerda, nozik struktura doimiysi va . Vt bozonining massasi bo'lgan ~ 10−18 m masofada elektrozaif effektlar kuchga kiradi.
Kuchli tashqi muhitda elektromagnit maydonlar, vakuumli parchalanish maydonining sezilarli qismini tashkil qiladi (~1018 V/m yoki ~109 T; bunday maydonlar, masalan, ba'zi turlari yaqinida kuzatiladi. neytron yulduzlari, ya'ni magnetarlar), Kulon qonuni, shuningdek, Delbryuk tomonidan almashinadigan fotonlarning tashqi maydon fotonlari va boshqa, yanada murakkab chiziqli bo'lmagan effektlar tomonidan tarqalishi tufayli buziladi. Bu hodisa Kulon kuchini nafaqat mikro, balki makro miqyosda ham kamaytiradi, xususan, kuchli magnit maydonda Kulon potentsiali masofaga teskari mutanosib ravishda emas, balki eksponent ravishda tushadi;
Kvant elektrodinamikasida vakuumli qutblanish hodisasi virtual elektron-pozitron juftlarining hosil bo'lishidan iborat. Elektron-pozitron juftlik buluti elektronning elektr zaryadini ko'zdan kechiradi. Elektrondan masofa ortib borishi bilan skrining kuchayadi, natijada elektronning samarali elektr zaryadi masofaning kamayishi funktsiyasidir. Elektr zaryadiga ega bo'lgan elektron tomonidan yaratilgan samarali potentsial shaklning bog'liqligi bilan tavsiflanishi mumkin. Effektiv zaryad logarifmik qonun bo'yicha masofaga bog'liq:
- deb atalmish nozik struktura konstantasi ≈7,3·10−3;
- deb atalmish klassik elektron radiusi ≈2,8·10−13 sm.
Vakuumdagi nuqtaviy zaryadlarning elektrostatik potentsialining Kulon qonuni qiymatidan chetlanish hodisasi Juhling effekti sifatida tanilgan, u birinchi bo'lib vodorod atomi uchun Kulon qonunidan chetlanishlarni hisoblagan. Uehling effekti 27 MGts chastotali Qo'zi siljishini tuzatishni ta'minlaydi.
170 zaryadli o'ta og'ir yadrolar yaqinidagi kuchli elektromagnit maydonda vakuumga o'xshash o'zgarishlar sodir bo'ladi. an'anaviy fazaga o'tish bu Coulomb qonuniga tuzatishlar olib keladi.
Kulon qonuni matematik tilda tuzilgan birinchi ochiq miqdor qonunidir elektromagnit hodisalar. Kulon qonunining kashf etilishi boshlandi zamonaviy fan elektromagnetizm haqida.
