Elektrische Ladung und ihre Eigenschaften

Physikalische Prozesse in der Natur werden nicht immer durch die Wirkung der Gesetze der molekularkinetischen Theorie, Mechanik oder Thermodynamik erklärt. Es gibt auch elektromagnetische Kräfte, die auf Distanz wirken und nicht vom Körpergewicht abhängen.

Ihre Erscheinungsformen wurden erstmals in den Werken antiker Wissenschaftler aus Griechenland beschrieben, als sie Licht anzogen, kleine Partikel einzelner Substanzen mit Bernstein, der an Wolle gerieben wurde.

Historischer Beitrag von Wissenschaftlern zur Entwicklung der Elektrodynamik

Experimente mit Bernstein wurden vom englischen Forscher William Hilbert eingehend untersucht... In den letzten Jahren des 16. Jahrhunderts berichtete er über seine Arbeit und definierte Objekte, die in der Lage waren, andere Körper aus der Ferne anzuziehen, mit dem Begriff „elektrisiert“.

Der französische Physiker Charles Dufay stellte die Existenz von Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen fest: Einige wurden durch Reiben von Glasgegenständen auf Seidenstoff gebildet, andere – Harze auf Wolle. So nannte er sie: Glas und Harz. Nach Abschluss der Forschung führte Benjamin Franklin das Konzept der negativen und positiven Ladungen ein.

Charles Visulka erkannte die Möglichkeit, die Stärke von Ladungen zu messen, indem er eine Torsionswaage nach seiner eigenen Erfindung entwarf.

Robert Milliken stellte anhand einer Reihe von Experimenten die diskrete Natur der elektrischen Ladungen jeder Substanz fest und bewies, dass sie aus einer bestimmten Anzahl von Elementarteilchen bestehen. (Nicht zu verwechseln mit einem anderen Konzept dieses Begriffs – Fragmentierung, Diskontinuität.)

Die Arbeiten dieser Wissenschaftler dienten als Grundlage für das moderne Wissen über die Prozesse und Phänomene, die in den durch elektrische Ladungen erzeugten elektrischen und magnetischen Feldern und deren Bewegung auftreten und von der Elektrodynamik untersucht werden.

Festlegung der Gebühren und Grundsätze ihres Zusammenwirkens

Elektrische Ladung charakterisiert die Eigenschaften von Stoffen, die ihnen die Fähigkeit verleihen, elektrische Felder zu erzeugen und in elektromagnetischen Prozessen zu interagieren. Sie wird auch Strommenge genannt und ist als physikalische Skalargröße definiert. Die Symbole „q“ oder „Q“ werden verwendet, um die Ladung anzuzeigen, und die Einheit „Pendant“ wird für Messungen verwendet, benannt nach dem französischen Wissenschaftler, der eine einzigartige Technik entwickelt hat.

Er schuf ein Gerät, dessen Körper aus Kugeln bestand, die an einem dünnen Quarzfaden aufgehängt waren. Sie waren auf eine bestimmte Weise im Raum ausgerichtet und ihre Position wurde anhand einer Skala mit gleichen Unterteilungen aufgezeichnet.

Durch ein spezielles Loch im Deckel wurde eine weitere Kugel mit einer zusätzlichen Ladung zu diesen Kugeln gebracht. Die daraus resultierenden Wechselwirkungskräfte zwangen die Kugeln, abzulenken und ihren Schwung zu drehen. Der Unterschied in den Skalenwerten vor und nach dem Laden ermöglichte eine Abschätzung der Strommenge in den Testproben.

Eine Ladung von 1 Coulomb wird im SI-System dadurch charakterisiert, dass ein Strom von 1 Ampere in einer Zeit von 1 Sekunde durch den Querschnitt eines Drahtes fließt.

Die moderne Elektrodynamik unterteilt alle elektrischen Ladungen in:

• positiv;

• Negativ.

Wenn sie miteinander interagieren, entwickeln sie Kräfte, deren Richtung von der vorhandenen Polarität abhängt.

Ladungen des gleichen Typs, ob positiv oder negativ, stoßen sich immer in entgegengesetzte Richtungen ab und neigen dazu, sich so weit wie möglich voneinander zu entfernen. Und bei Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen gibt es Kräfte, die dazu neigen, sie zusammenzubringen und zu einer Einheit zu vereinen. .

Prinzip der Superposition

Wenn in einem bestimmten Volumen mehrere Ladungen vorhanden sind, funktioniert für sie das Prinzip der Überlagerung.

Seine Bedeutung besteht darin, dass jede Ladung auf eine bestimmte Weise, gemäß der oben diskutierten Methode, mit allen anderen interagiert, indem sie von Gegensätzen angezogen und von ähnlichen abgestoßen wird. Beispielsweise wird die positive Ladung q1 durch die Anziehungskraft F31 auf die negative Ladung q3 und die Abstoßungskraft F21 von q2 beeinflusst.

Die resultierende Kraft F1, die auf q1 wirkt, wird durch die geometrische Summe der Vektoren F31 und F21 bestimmt. (F1 = F31 + F21).

Mit der gleichen Methode werden die resultierenden Kräfte F2 und F3 auf die Ladungen q2 bzw. q3 bestimmt.

Unter Verwendung des Überlagerungsprinzips wurde der Schluss gezogen, dass für eine bestimmte Anzahl von Ladungen in einem geschlossenen System konstante elektrostatische Kräfte zwischen allen seinen Körpern wirken und das Potenzial an einem bestimmten Punkt in diesem Raum gleich der Summe der Potenziale aller ist gesondert berechnete Gebühren.

Die Wirkung dieser Gesetze wird durch die geschaffenen Geräte Elektroskop und Elektrometer bestätigt, die ein gemeinsames Funktionsprinzip haben.

Ein Elektroskop besteht aus zwei identischen dünnen Folienblättern, die in einem isolierten Raum an einem leitenden Faden aufgehängt sind, der an einer Metallkugel befestigt ist. Im Normalzustand wirken die Ladungen nicht auf diese Kugel, daher hängen die Blütenblätter frei im Raum innerhalb der Glühbirne des Geräts.

Wie kann Ladung zwischen Körpern übertragen werden?

Wenn Sie einen geladenen Körper, beispielsweise einen Stab, zur Kugel des Elektroskops bringen, gelangt die Ladung durch die Kugel entlang eines leitenden Fadens zu den Blütenblättern. Sie erhalten die gleiche Ladung und beginnen, sich in einem Winkel voneinander zu entfernen, der proportional zur zugeführten Elektrizitätsmenge ist.

Das Elektrometer hat den gleichen Grundaufbau, es gibt jedoch kleine Unterschiede: Ein Blütenblatt ist bewegungslos fixiert, das zweite bewegt sich davon weg und ist mit einem Pfeil ausgestattet, der das Ablesen der abgestuften Skala ermöglicht.

Zwischenträger können verwendet werden, um Ladung von einem entfernten stationären und geladenen Körper auf ein Elektrometer zu übertragen.

Mit einem Elektrometer durchgeführte Messungen weisen keine hohe Genauigkeitsklasse auf und auf ihrer Grundlage ist es schwierig, die zwischen Ladungen wirkenden Kräfte zu analysieren. Für ihre Untersuchung ist die Coulomb-Torsionsbalance besser geeignet. Sie verwendeten Kugeln, deren Durchmesser viel kleiner war als ihr Abstand voneinander. Sie haben die Eigenschaften von Punktladungen – geladenen Körpern, deren Abmessungen keinen Einfluss auf die Genauigkeit des Geräts haben.

Die von Coulomb durchgeführten Messungen bestätigten seine Annahme, dass eine Punktladung von einem geladenen Körper auf denselben in Eigenschaften und Masse übertragen wird, jedoch ungeladen, und zwar so, dass sie zwischen ihnen gleichmäßig verteilt ist und an der Quelle um den Faktor 2 abnimmt.Auf diese Weise war es möglich, die Höhe der Gebühr um das Zwei-, Drei- und andere Mal zu reduzieren.

Die Kräfte, die zwischen stationären elektrischen Ladungen wirken, werden Coulombsche oder statische Wechselwirkungen genannt. Sie werden von der Elektrostatik untersucht, einem Zweig der Elektrodynamik.

Arten elektrischer Ladungsträger

Die moderne Wissenschaft betrachtet das kleinste negativ geladene Teilchen als Elektron und positiv als Positron. Sie haben die gleiche Masse von 9,1 × 10-31 Kilogramm. Das Teilchenproton hat nur eine positive Ladung und eine Masse von 1,7 × 10-27 Kilogramm. In der Natur ist die Anzahl positiver und negativer Ladungen ausgeglichen.

In Metallen entsteht die Bewegung von Elektronen Elektrizität, und in Halbleitern sind seine Ladungsträger Elektronen und Löcher.

In Gasen entsteht der Strom durch die Bewegung von Ionen – geladenen nichtelementaren Teilchen (Atome oder Moleküle) mit positiven Ladungen, sogenannten Kationen, oder negativen Ladungen – Anionen.

Aus neutralen Teilchen werden Ionen gebildet.

Eine positive Ladung entsteht in einem Teilchen, das unter dem Einfluss einer starken elektrischen Entladung, Licht- oder radioaktiver Strahlung, Windströmung, Bewegung von Wassermassen oder einer Reihe anderer Gründe ein Elektron verloren hat.

Negative Ionen entstehen aus neutralen Teilchen, die zusätzlich ein Elektron aufgenommen haben.

Der Einsatz der Ionisation für medizinische Zwecke und im Alltag

Forscher haben seit langem die Fähigkeit negativer Ionen festgestellt, den menschlichen Körper zu beeinflussen, den Sauerstoffverbrauch in der Luft zu verbessern, ihn schneller an Gewebe und Zellen abzugeben und die Oxidation von Serotonin zu beschleunigen.All dies im Komplex erhöht die Immunität erheblich, verbessert die Stimmung und lindert Schmerzen.

Der erste zur Behandlung von Menschen eingesetzte Ionisator erhielt den Namen Chizhevsky-Kronleuchter, zu Ehren des sowjetischen Wissenschaftlers, der ein Gerät entwickelte, das sich positiv auf die menschliche Gesundheit auswirkte.

In modernen Elektrogeräten für die Arbeit im häuslichen Umfeld finden Sie eingebaute Ionisatoren in Staubsaugern, Luftbefeuchtern, Haartrocknern, Haartrocknern ...

Spezielle Luftionisatoren reinigen die Zusammensetzung und reduzieren die Menge an Staub und schädlichen Verunreinigungen.

Wasserionisierer sind in der Lage, die Menge an chemischen Reagenzien in ihrer Zusammensetzung zu reduzieren. Sie werden zur Reinigung von Pools und Seen eingesetzt und sättigen das Wasser mit Kupfer- oder Silberionen, die das Algenwachstum reduzieren und Viren und Bakterien zerstören.

Nützliche Begriffe und Definitionen

Was ist elektrische Volumenladung?

Dabei handelt es sich um eine über das Volumen verteilte elektrische Ladung.

Was ist elektrische Oberflächenladung?

Dabei handelt es sich um eine über die Oberfläche verteilte elektrische Ladung.

Was ist eine lineare elektrische Ladung?

Es handelt sich um eine elektrische Ladung, die als entlang einer Linie verteilt betrachtet wird.

Wie groß ist die Volumendichte der elektrischen Ladung?

Es handelt sich um eine skalare Größe, die die Verteilung der elektrischen Volumenladung charakterisiert und der Grenze des Verhältnisses der Volumenladung zu dem Volumenelement, in dem sie verteilt ist, entspricht, wenn dieses Volumenelement gegen Null tendiert.

Wie hoch ist die elektrische Ladungsdichte an der Oberfläche?

Es handelt sich um eine skalare Größe, die die Verteilung der elektrischen Oberflächenladung charakterisiert und der Grenze des Verhältnisses der elektrischen Oberflächenladung zu dem Oberflächenelement, über das sie verteilt ist, entspricht, wenn dieses Oberflächenelement gegen Null tendiert.

Was ist die lineare elektrische Ladungsdichte?

Es handelt sich um eine skalare Größe, die die Verteilung einer linearen elektrischen Ladung charakterisiert und der Grenze des Verhältnisses einer linearen elektrischen Ladung zu einem Element der Länge der Linie entspricht, entlang der diese Ladung verteilt ist, wenn dieses Längenelement gegen Null tendiert .

Was ist ein elektrischer Dipol?

Dabei handelt es sich um eine Ansammlung zweier elektrischer Punktladungen gleicher Größe und entgegengesetzten Vorzeichens, die sich in einem sehr geringen Abstand voneinander befinden, verglichen mit dem Abstand zwischen ihnen und den Beobachtungspunkten.

Was ist das elektrische Moment eines elektrischen Dipols?

Es ist eine Vektorgröße, die dem Produkt des Absolutwerts einer der Ladungen des Dipols und dem Abstand zwischen ihnen entspricht und von der negativen zur positiven Ladung gerichtet ist.

Was ist das elektrische Moment des Körpers?

Es handelt sich um eine Vektorgröße, die der geometrischen Summe der elektrischen Momente aller Dipole entspricht, aus denen der betrachtete Körper besteht. „Das elektrische Moment eines gegebenen Materievolumens“ wird auf ähnliche Weise definiert.