Elektr zaryadlarining xossalari

Elektr zaryadlarining xossalari
Bir qator oddiy tajribalar elektr kuchlarining mavjudligini ko'rsatadi. Misol uchun, quruq kunda sochlaringizga balon surtganingizdan so'ng, siz buni topasiz balon qog'oz parchalarini o'ziga tortadi. Jozibali kuch ko'pincha qog'ozni shardan to'xtatib qo'yish uchun etarlicha kuchli.
Materiallar shu tarzda harakat qilganda, ular elektrlashtirilgan yoki bor deyiladi elektr zaryadiga aylanadi. Oyoq kiyimingizni jun gilamga qattiq surtish orqali tanangizni osongina elektrlashtirishingiz mumkin. Tanangizdagi elektr zaryadini isbotlash mumkin do'stingizga engil teginish (va hayratda qoldirish) orqali aniqlanadi. To'g'ri sharoitda, teginish paytida siz uchqunni ko'rasiz va ikkalangiz ham engil tishlashni his qilasiz.
23.1-rasm (a) Ip bilan osilgan manfiy zaryadlangan kauchuk sterjen musbat zaryadlangan shisha tayoqqa tortiladi. b) manfiy zaryadlangan kauchuk tayoq boshqa manfiy zaryadlangan kauchuk tayoq bilan qaytariladi.
Bir qator oddiy tajribalarda Benjamin Franklin (1706-1790) tomonidan ijobiy va manfiy nomlar berilgan ikki xil elektr zaryadlari borligi aniqlandi. Elektronlar manfiy zaryadga ega, protonlar esa musbat zaryadlangan. Ikki turdagi zaryad mavjudligini tekshirish uchun mo'ynaga surtilgan qattiq kauchuk novda 23.1-rasmda ko'rsatilganidek, tikuv ipiga osilgan deylik. Ipakga surtilgan shisha tayoqchani rezina tayoqchaga yaqinlashtirishda ikkalasi bir-birini tortadi (23.1a-rasm). Boshqa tomondan, 23.1b-rasmda ko'rsatilganidek, ikkita zaryadlangan kauchuk tayoq (yoki ikkita zaryadlangan shisha tayoq) bir-biriga yaqinlashtirilsa, ikkalasi bir-birini qaytaradi. Bu kuzatish kauchuk va shishaning ikki xil zaryadga ega ekanligini ko'rsatadi. Yoniq Ushbu kuzatishlar asosida biz bir xil belgili zaryadlar bir-birini itaradi va qarama-qarshi belgilarga ega zaryadlar bir-birini tortadi, degan xulosaga keldik.
Eksperimental kuzatishlar natijasida yuzaga keladigan elektr energiyasining yana bir muhim jihati shundaki, elektr zaryadi doimo izolyatsiyalangan tizimda saqlanib qoladi. Ya'ni, bir narsa boshqasiga surtilganda, jarayonda zaryad hosil bo'lmaydi. Elektrlangan holat zaryadning bir ob'ektdan ikkinchisiga o'tishi bilan bog'liq. Bir ob'ekt ma'lum miqdorda manfiy zaryad oladi, ikkinchisi esa teng miqdorda musbat zaryad oladi. Masalan, 23.2-rasmdagi kabi shisha tayoqchani ipak ustiga surtilganda, ipak shisha tayoqchadagi musbat zaryadga teng kattalikdagi manfiy zaryad oladi. Biz endi atom tuzilishi haqidagi tushunchamizdan bilamizki, elektronlar ishqalanish jarayonida shishadan ipakka o‘tadi. Xuddi shunday, kauchuk mo'ynaga surtilganda, elektronlar mo'ynadan kauchukga o'tib, kauchukga aniq manfiy zaryad, mo'yna esa aniq musbat zaryad beradi. Bu jarayon neytral, zaryadsiz moddada manfiy zaryadlar (elektronlar) kabi ko'plab musbat zaryadlar (atom yadrolaridagi protonlar) mavjudligi bilan mos keladi.
23.2-rasm Shisha tayoqchani ipak bilan ishqalaganda elektronlar shishadan ipakka o`tadi. Zaryadning saqlanishi tufayli har bir elektron ipakka manfiy zaryad qo'shadi va novda orqasida teng musbat zaryad qoladi. Bundan tashqari, zaryadlar diskret to'plamlarda o'tkazilganligi sababli, ikkita ob'ektning zaryadlari +e, yoki +2e yoki +3e va hokazo.
1909 yilda Robert Millik 1909 yilda Robert Millikan (1868-1953) elektr zaryadi har doim asosiy zaryad miqdorining integral ko'paytmalari sifatida paydo bo'lishini aniqladi (25.7-bo'limga qarang). Zamonaviy so'zlar bilan aytganda, elektr zaryadi q kvantlangan deyiladi, bu erda q o'zgaruvchi sifatida zaryad uchun ishlatiladigan standart belgidir. Ya'ni, elektr zaryadi diskret "paketlar" shaklida mavjud va biz q Ne yozishimiz mumkin, bu erda N qandaydir butun sondir. Xuddi shu davrdagi boshqa tajribalar shuni ko'rsatdiki, elektron zaryad e, proton esa teng kattalikdagi zaryadga ega, lekin e belgisi qarama-qarshidir. Ba'zi zarralar, masalan, neytron, zaryadlovchiga ega emas (1868-1953) elektr zaryadi har doim asosiy miqdordagi zaryadning integral ko'paytmalari sifatida paydo bo'lishini aniqladi (25.7-bo'limga qarang). Zamonaviy so'zlar bilan aytganda, elektr zaryadi q kvantlangan deyiladi, bu erda q o'zgaruvchi sifatida zaryad uchun ishlatiladigan standart belgidir. Ya'ni, elektr zaryadi diskret "paketlar" shaklida mavjud va biz q yozishimiz mumkin, bu erda N qandaydir butun sondir.
Ob'ektlarni induksiya yo'li bilan zaryadlash
Shisha, kauchuk va quruq yog'och kabi materiallar elektr izolyatorlari toifasiga kiradi. Bunday materiallar ishqalanish orqali zaryadlanganda faqat ishqalangan maydon zaryadlanadi va zaryadlangan zarralar materialning boshqa hududlariga o'ta olmaydi. Aksincha, mis, alyuminiy va kumush kabi materiallar yaxshi elektr o'tkazgichdir. Bunday materiallar ba'zi bir kichik hududda zaryadlanganda, zaryad materialning butun yuzasiga osongina tarqaladi. Yarimo'tkazgichlar uchinchi toifadagi materiallar bo'lib, ularning elektr xususiyatlari izolyatorlar va o'tkazgichlar o'rtasida joylashgan. Kremniy va germaniy - bu kompyuterlar, uyali telefonlar va stereo tizimlarda ishlatiladigan turli xil elektron chiplarni ishlab chiqarishda keng qo'llaniladigan yarim o'tkazgichlarning taniqli namunalari. Yarimo'tkazgichlarning elektr xossalari materiallarga ma'lum atomlarning boshqariladigan miqdorini qo'shish orqali ko'p miqdorda o'zgarishi mumkin.
23.3-rasm
O'tkazgichni induksiya deb nomlanuvchi jarayon orqali qanday zaryad qilishni tushunish uchun 23.3a-rasmda ko'rsatilganidek, erdan izolyatsiya qilingan neytral (zaryadlanmagan) o'tkazuvchi sharni ko'rib chiqing. Sfera zaryadi to'liq nolga teng bo'lsa, sferada elektronlar va protonlar soni teng bo'ladi. Manfiy zaryadlangan kauchuk tayoq sharga yaqinlashganda, tayoqqa eng yaqin hududdagi elektronlar itaruvchi kuchni boshdan kechiradi va sharning qarama-qarshi tomoniga o'tadi. Bu migratsiya 23.3b-rasmdagi kabi elektronlar sonining kamayishi tufayli sferaning tayoq yonidagi tomonini samarali musbat zaryad bilan qoldiradi. (23.3b-rasmdagi sharning chap tomoni xuddi shu hududga musbat zaryadlar ko'chib o'tgandek musbat zaryadlangan, lekin esda tutingki, faqat elektronlar erkin harakatlana oladi.) Bu jarayon hatto novda hech qachon sharga tegmasa ham sodir bo'ladi. Agar sferadan Yerga ulangan o‘tkazuvchi sim bilan ham xuddi shunday tajriba o‘tkazilsa (23.3c-rasm), o‘tkazgichdagi elektronlarning bir qismi sterjenda manfiy zaryad borligidan shunchalik kuchli itariladiki, ular tashqariga chiqadi. shar sim orqali va Yerga. 23.3c-rasmdagi simning oxiridagi belgi simning erga ulanganligini ko'rsatadi, ya'ni Yer kabi rezervuar degan ma'noni anglatadi, elektronlarni erkin qabul qilishi yoki uning elektr xususiyatlariga ahamiyatsiz ta'sir ko'rsatishi mumkin. Agar sim erga ulangan bo'lsa, uni olib tashlang
23.4-rasm (a) Chap tarafdagi zaryadlangan jism molekulalardagi zaryadlarning qayta joylashishi tufayli izolyator yuzasida zaryad taqsimotini keltirib chiqaradi. (b) Zaryadlangan taroq qog'oz parchalarini o'ziga tortadi, chunki qog'ozdagi molekulalardagi zaryadlar qayta tekislanadi.
(23.3d-rasm), o'tkazuvchi sferada ortiqcha induktsiyalangan musbat zaryad mavjud, chunki u protonlarning musbat zaryadini bekor qilish uchun kerak bo'lgandan kamroq elektronga ega. Kauchuk tayoq sharning yaqinidan chiqarilganda (23.3e-rasm), bu induktsiyalangan musbat zaryad asoslanmagan sharda qoladi. E'tibor bering, bu jarayon davomida rezina novda o'zining hech qanday manfiy zaryadini yo'qotmaydi. Ob'ektni induksiya yo'li bilan zaryad qilish zaryadni keltirib chiqaradigan ob'ekt bilan aloqa qilishni talab qilmaydi. Bu ikki ob'ekt o'rtasidagi aloqani talab qiladigan ishqalanish (ya'ni o'tkazuvchanlik) orqali ob'ektni zaryad qilishdan farqli o'laroq. O'tkazgichlardagi induksiyaga o'xshash jarayon izolyatorlarda sodir bo'ladi. Ko'pgina neytral molekulalarda musbat zaryad markazi manfiy zaryad markaziga to'g'ri keladi. Zaryadlangan jism mavjud bo'lganda, izolyatordagi har bir molekula ichidagi bu markazlar biroz siljishi mumkin, natijada molekulaning bir tomonida boshqasiga qaraganda ko'proq musbat zaryad paydo bo'ladi. Alohida molekulalar ichidagi zaryadning bunday qayta joylashishi 23.4a-rasmda ko'rsatilganidek, izolyator yuzasida zaryad qatlamini hosil qiladi. Sizning izolyatorlardagi induksiya haqidagi bilimlaringiz 23.4b-rasmda ko'rsatilganidek, sochingizdan o'tkazilgan taroq elektr neytral qog'oz parchalarini nima uchun o'ziga jalb qilishini tushuntirishga yordam beradi.
Coulomb qonuni
Charlz Kulon o'zi ixtiro qilgan buralish balansi yordamida zaryadlangan jismlar orasidagi elektr kuchlarining kattaliklarini o'lchadi (23.5-rasm). Buralish balansining ishlash printsipi Cavendish tomonidan tortishish doimiyligini o'lchash uchun ishlatiladigan apparatlar bilan bir xil (13.1-bo'limga qarang), elektr neytral sharlar zaryadlanganlar bilan almashtiriladi. 23.5-rasmdagi zaryadlangan A va B sharlar orasidagi elektr quvvati sharlar bir-birini tortadi yoki itaradi va natijada paydo bo'lgan harakat osilgan tolaning burilishiga olib keladi. Buralgan tolaning tiklash momenti tolaning aylanayotgan burchagiga mutanosib bo'lganligi sababli, bu burchakni o'lchash elektr tortishish yoki itarish kuchining miqdoriy o'lchovini ta'minlaydi. Sharlar ishqalanish orqali zaryadlangandan so'ng, ular orasidagi elektr quvvati tortishish kuchiga nisbatan juda katta bo'ladi va shuning uchun tortishish kuchini e'tiborsiz qoldirish mumkin.
23.5-rasm, ikki zaryad orasidagi elektr kuchi uchun teskari kvadrat qonunini o'rnatish uchun ishlatiladigan Kulon burilish balansi
Kulon tajribalaridan ikkita statsionar zaryadlangan zarrachalar orasidagi elektr quvvatining xossalarini umumlashtirishimiz mumkin. Nol o'lchamdagi zaryadlangan zarrachaga nisbatan nuqtaviy zaryad atamasidan foydalanamiz. Elektronlar va protonlarning elektr harakati ularni nuqta zaryadlari sifatida modellashtirish orqali juda yaxshi tasvirlangan. Eksperimental kuzatishlardan shuni aniqladikki, ikkita nuqta zaryadlari orasidagi elektr kuchining kattaligi (ba'zan Kulon kuchi deb ataladi) Kulon qonuni bilan berilgan:
(23.1)
Bu erda ke - Kulon doimiysi deb ataladigan doimiy. Kulon o'z tajribalarida r ko'rsatkichining qiymati bir necha foiz noaniqlik ichida 2 ga teng ekanligini ko'rsata oldi. Zamonaviy tajribalar shuni ko'rsatdiki, ko'rsatkich 1016 yilda bir necha qismdan iborat noaniqlik ichida 2 ga teng. Tajribalar shuningdek, tortishish kuchi kabi elektr kuchi ham konservativ ekanligini ko'rsatdi. Kulon doimiysining qiymati birliklarni tanlashga bog'liq. SI zaryad birligi - kulon (C). SI birliklarida Kulon doimiysi ke qiymatiga ega
Bu konstanta ham shaklda yoziladi
(23.2)
(23.3)
Bu erda doimiy Е0 (yunoncha epsilon harfi) bo'sh joyning o'tkazuvchanligi sifatida tanilgan va qiymatga ega.
(23.4)
1 C zaryad taxminan 6,24 1018 elektron yoki proton zaryadiga teng. Bu raqam 1023 ga teng bo'lgan 1 sm3 misdagi erkin elektronlar soni bilan solishtirganda juda kichikdir. Shunday bo'lsa-da, 1 C zaryadning katta miqdoridir. Kauchuk yoki shisha tayoq ishqalanish bilan zaryadlangan tipik tajribalarda 10 C ga teng aniq zaryad olinadi. Boshqacha qilib aytadigan bo'lsak, novda va ishqalanish materiali o'rtasida mavjud bo'lgan umumiy zaryadning juda kichik bir qismi o'tkaziladi. Elektron, proton va neytronning zaryadlari va massalari 23.1-jadvalda keltirilgan.