Упорядоченное движение заряженных частиц: понятие и характеристики

Огромное множество физических явлений как микроскопического, так и макроскопического характера имеют электромагнитную природу. К ним относятся силы трения и упругости, все химические процессы, электричество, магнетизм, оптика.

Одно из таких проявлений электромагнитного взаимодействия – упорядоченное движение заряженных частиц. Оно представляет собой совершенно необходимый элемент практически всех современных технологий, находящих применение в самых различных областях – от организации нашего быта до космических полетов.

Общее понятие о феномене

Упорядоченное движение заряженных частиц называют электрическим током. Такое перемещение зарядов может осуществляться в разных средах посредством тех или иных частиц, иногда – квазичастиц.

Обязательным условием тока является именно упорядоченное, направленное движение. Заряженные частицы — это объекты, которые (как, впрочем, и нейтральные) обладают тепловым хаотическим движением. Однако ток возникает, только когда на фоне этого непрерывного беспорядочного процесса происходит общее перемещение зарядов в некотором направлении.

При движении какого-либо тела, в целом электрически нейтрального, частицы в составе его атомов и молекул, конечно, движутся направленно, но, поскольку разноименные заряды в нейтральном объекте компенсируют друг друга, никакого переноса заряда нет, и говорить о токе в этом случае также не имеет смысла.

Как возникает ток

Рассмотрим простейший вариант возбуждения постоянного тока. Если к среде, где в общем случае присутствуют носители зарядов, приложить электрическое поле, в ней начнется упорядоченное движение заряженных частиц. Явление называется дрейфом зарядов.

Вкратце его можно описать следующим образом. В различных точках поля возникает разность потенциалов (напряжение), то есть энергия взаимодействия электрических зарядов, расположенных в этих точках, с полем, отнесенная к величине этих зарядов, будет различной. Поскольку всякая физическая система, как известно, стремится к минимуму потенциальной энергии, отвечающему равновесному состоянию, заряженные частицы начнут движение, направленное к выравниванию потенциалов. Иначе говоря, поле совершает некоторую работу по перемещению этих частиц.

Когда потенциалы выравниваются, обращается в нуль напряженность электрического поля – оно исчезает. Вместе с тем прекращается и упорядоченное движение заряженных частиц – ток. Для того чтобы получить стационарное, то есть не зависящее от времени, поле, необходимо использовать источник тока, в котором, благодаря выделению энергии в тех или иных процессах (например, химических), заряды непрерывно разделяются и поступают на полюса, поддерживая существование электрического поля.

Ток можно получать различными способами. Так, изменение магнитного поля воздействует на заряды во внесенном в него проводящем контуре и вызывает их направленное движение. Такой ток называется индукционным.

Количественные характеристики тока

Главный параметр, с помощью которого ток описывают количественно, – это сила тока (иногда говорят «величина» или просто «ток»). Она определяется как количество электричества (величина заряда или число элементарных зарядов), проходящее за единицу времени сквозь некоторую поверхность, обычно через сечение проводника: I = Q/t. Измеряется ток в амперах: 1 А = 1 Кл/с (кулон в секунду). На участке электрической цепи сила тока прямой зависимостью связана с разностью потенциалов и обратной – с сопротивлением проводника: I = U/R. Для полной цепи эта зависимость (закон Ома) выражается как I = Ԑ/R+r, где Ԑ — электродвижущая сила источника и r – его внутреннее сопротивление.

Отношение силы тока к сечению проводника, через который происходит перпендикулярно ему упорядоченное движение заряженных частиц, называют плотностью тока: j = I/S = Q/St. Данная величина характеризует количество электричества, которое протекает за единицу времени через единицу площади. Чем выше напряженность поля E и электропроводность среды σ, тем больше и плотность тока: j = σ∙E. В отличие от силы тока, эта величина — векторная, и имеет направление по движению частиц, несущих положительный заряд.

Направление тока и направление дрейфа

В электрическом поле объекты, переносящие заряд, под действием кулоновских сил будут совершать к противоположному по знаку заряда полюсу источника тока упорядоченное движение. Частицы, заряженные положительно, дрейфуют в сторону отрицательного полюса («минуса») и, наоборот, свободные отрицательные заряды притягиваются к «плюсу» источника. Частицы могут перемещаться и в двух противоположных направлениях сразу, если в проводящей среде присутствуют носители зарядов обоих знаков.

По историческим причинам принято считать, что ток направлен так, как движутся положительные заряды – от «плюса» к «минусу». Чтобы избежать путаницы, следует помнить, что хотя в наиболее знакомом всем нам случае тока в металлических проводниках реальное перемещение частиц – электронов – происходит, конечно, в обратном направлении, указанное условное правило действует всегда.

Распространение тока и дрейфовая скорость

Нередко возникают проблемы и с пониманием того, насколько быстро движется ток. Не следует путать два разных понятия: скорость распространения тока (электрического сигнала) и скорость дрейфа частиц – носителей зарядов. Первое – это скорость, с которой передается электромагнитное взаимодействие или — что то же самое — распространяется поле. Она близка (с учетом среды распространения) к скорости света в вакууме и составляет почти 300 000 км/с.

Частицы же совершают свое упорядоченное движение очень медленно (10^-4–10^-3 м/с). Дрейфовая скорость зависит от напряженности, с которой действует на них приложенное электрическое поле, но во всех случаях она на несколько порядков уступает скорости теплового беспорядочного движения частиц (10⁵–10⁶ м/с). Важно понимать, что под действием поля начинается одновременный дрейф всех свободных зарядов, поэтому ток возникает сразу во всем проводнике.

Виды тока

В первую очередь токи различают по поведению носителей заряда во времени.

• Постоянным называют ток, не изменяющий ни величину (силу), ни направление перемещения частиц. Это самый простой вариант перемещения заряженных частиц, и с него всегда начинают изучение электрического тока.
• У переменного тока эти параметры изменяются во времени. В основе его генерирования лежит явление электромагнитной индукции, возникающей в замкнутом контуре, благодаря изменению (вращению) магнитного поля. Электрическое поле в этом случае периодически меняет вектор напряженности на противоположный. Соответственно, изменяются знаки потенциалов, а величина их проходит от «плюса» до «минуса» все промежуточные значения, в том числе и нулевое. В результате этого явления упорядоченное движение заряженных частиц все время меняет направление. Величина такого тока колеблется (обычно синусоидально, то есть гармонически) от максимума до минимума. Переменный ток имеет такую важную характеристику скорости этих колебаний, как частота – количество полных циклов изменения в секунду.

Помимо этой важнейшей классификации, различия между токами можно проводить и по такому критерию, как характер движения носителей заряда по отношению к среде, в которой ток распространяется.

Токи проводимости

Наиболее известный пример тока – это упорядоченное, направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля внутри какого-либо тела (среды). Оно именуется током проводимости.

В твердых телах (металлы, графит, многие сложные материалы) и некоторых жидкостях (ртуть и другие расплавы металлов) электроны являются подвижными заряженными частицами. Упорядоченное движение в проводнике – это их дрейф относительно атомов или молекул вещества. Проводимость такого рода называют электронной. В полупроводниках перенос зарядов также происходит за счет движения электронов, но по ряду причин удобно пользоваться для описания тока понятием дырки – положительной квазичастицы, представляющей собой перемещающуюся электронную вакансию.

В электролитических растворах прохождение тока осуществляется за счет движущихся к разным полюсам – аноду и катоду – отрицательных и положительных ионов, входящих в состав раствора.

Токи переноса

Газ – в обычных условиях диэлектрик – также может стать проводником, если подвергнуть его достаточно сильной ионизации. Газовая электропроводность носит смешанный характер. Ионизированный газ уже представляет собой плазму, в которой перемещаются и электроны, и ионы, то есть все заряженные частицы. Упорядоченное движение их формирует плазменный канал и называется газовым разрядом.

Направленное перемещение зарядов может происходить не только внутри среды. Допустим, в вакууме движется пучок электронов или ионов, испускаемых с положительного или отрицательного электрода. Это явление носит название электронной эмиссии и широко используется, к примеру, в вакуумных приборах. Безусловно, такое движение представляет собой ток.

Еще один случай – перемещение электрически заряженного макроскопического тела. Это – тоже ток, поскольку подобная ситуация удовлетворяет условию направленного переноса зарядов.

Все приведенные примеры необходимо рассматривать как упорядоченное движение заряженных частиц. Называется такой ток конвекционным или током переноса. Его свойства, например, магнитные, совершенно аналогичны таковым у токов проводимости.

Ток смещения

Существует явление, не имеющее отношения к переносу зарядов и возникающее там, где наличествует изменяющееся во времени электрическое поле, которое обладает свойством, присущим «настоящим» токам проводимости или переноса: оно возбуждает переменное магнитное поле. Это происходит, например, в цепях переменного тока между обкладок конденсаторов. Явление сопровождается передачей энергии и называется током смещения.

По сути, данная величина показывает, как быстро изменяется индукция электрического поля на некоторой поверхности, перпендикулярной к направлению ее вектора. Понятие электрической индукции включает в себя векторы напряженности поля и поляризации. В вакууме учитывается только напряженность. Что же касается электромагнитных процессов в веществе, то поляризация молекул или атомов, в которых при воздействии поля имеет место движение связанных (не свободных!) зарядов, вносит некоторый вклад в ток смещения в диэлектрике или проводнике.

Название возникло в XIX веке и носит условный характер, так как действительный электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Ток смещения с дрейфом зарядов никак не связан. Поэтому он, строго говоря, током не является.

Проявления (действия) тока

Упорядоченное движение заряженных частиц всегда сопровождается теми или иными физическими явлениями, по которым, собственно, и можно судить о том, протекает данный процесс или нет. Можно разделить такие явления (действия тока) на три основных группы:

• Магнитное действие. Движущийся электрический заряд обязательно создает магнитное поле. Если поместить компас рядом с проводником, по которому протекает ток, стрелка совершит поворот перпендикулярно направлению этого тока. На основе данного явления действуют электромагнитные устройства, позволяющие, например, преобразовать электрическую энергию в механическую.
• Тепловое действие. Ток совершает работу по преодолению сопротивления проводника, результатом чего становится выделение тепловой энергии. Это происходит потому, что при дрейфе заряженные частицы испытывают рассеяние на элементах кристаллической решетки или молекулах проводника и отдают им кинетическую энергию. Если бы решетка, скажем, металла, была идеально правильной, электроны практически не замечали бы ее (это следствие волновой природы частиц). Однако, во-первых, атомы в узлах решетки сами подвержены тепловым колебаниям, нарушающим ее правильность, а во-вторых, дефекты решетки – примесные атомы, дислокации, вакансии – тоже влияют на движение электронов.
• Химическое действие наблюдается в электролитах. Разноименно заряженные ионы, на которые диссоциирован электролитический раствор, при наложении электрического поля разводятся на противоположные электроды, что приводит к химическому разложению электролита.

За исключением случаев, когда упорядоченное движение заряженных частиц является предметом научных исследований, оно интересует человека в своих макроскопических проявлениях. Важен для нас не ток сам по себе, а перечисленные выше явления, которое он вызывает, благодаря превращениям электрической энергии в другие виды.

Все действия тока играют двоякую роль в нашей жизни. В одних случаях от них необходимо защищать людей и технику, в других – получение того или иного эффекта, вызываемого направленным переносом электрических зарядов, является прямым назначением самых разнообразных технических устройств.

2. Электрическим током называется направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц.

Электрический
ток в проводниках различного рода
представляет собой либо направленное
движение электронов в металлах (проводники
первого рода), имеющих отрицательный
заряд, либо направленное движение более
крупных частиц вещества — ионов, имеющих
как положительный, так и отрицательный
заряд — в электролитах (проводники
второго рода), либо направленное движение
электронов и ионов обоих знаков в
ионизированных газах (проводники
третьего рода).

За
направление электрического тока условно
принято направление движения положительно
заряженных частиц.

Для
существования электрического тока в
веществе необходимо:

1. наличие
   заряженных частиц, способных свободно
   перемещаться по проводнику под действием
   сил электрического поля:

2. наличие
   источника тока, создающего и поддерживающего
   в проводнике в течение длительного
   времени электрическое поле;

Количественными
характеристиками электрического тока
являются сила тока I и плотность тока
j.

Сила
тока —
скалярная физическая величина,
определяемая отношением заряда Δq,
проходящего через поперечное сечение
проводника за некоторый промежуток
времени Δt, к этому промежутку времени.

Единицей
силы тока в СИ является ампер (А).

Если сила
тока и его направление со временем не
изменяются, то ток называется постоянным.

Единица
силы тока — основная единица в СИ 1 А —
есть сила такого неизменяющегося тока,
который, проходя по двум бесконечно
длинным параллельным прямолинейным
проводникам очень маленького сечения,
расположенным на расстоянии 1 м друг от
друга в вакууме, вызывает силу
взаимодействия между ними 2·10-7 Η на
каждый метр длины проводников.

Рассмотрим,
как зависит сила тока от скорости
упорядоченного движения свободных
зарядов.

Выделим
участок проводника площадью сечения S
и длиной Δl (рис. 1). Заряд каждой частицы
q0. В объеме проводника, ограниченном
сечениями 1 и 2, содержится nSΔl частиц,
где n — концентрация частиц. Их общий
заряд 

Рис.
1

Если
средняя скорость упорядоченного движения
свободных зарядов ,
то за промежуток времени  все
частицы, заключенные в рассматриваемом
объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому
сила тока: 

Таким
образом, сила тока в проводнике зависит
от заряда, переносимого одной частицей,
их концентрации, средней скорости
направленного движения частиц и площади
поперечного сечения проводника.

Заметим,
что в металлах модуль вектора средней
скорости упорядоченного движения
электронов  при
максимально допустимых значениях силы
тока ~ 10-4 м/с, в то время как средняя
скорость их теплового движения ~ 106 м/с.

Плотность
тока j
— это векторная физическая величина,
модуль которой определяется отношением
силы тока I в проводнике к площади S
поперечного сечения проводника, т.е. 

В СИ
единицей плотности тока является ампер
на квадратный метр (А/м2).

Как следует
из формулы (1), .
Направление вектора плотности
тока  совпадает
с направлением вектора скорости
упорядоченного движения  положительно
заряженных частиц. Плотность постоянного
тока постоянна по всему поперечному
сечению проводника.

Билет 12.

Чтобы
найти момент инерции тела, надо
просуммировать момент инерции всех
материальных точек, составляющих данное
тело

В общем
случае, если тело сплошное, оно представляет
собой совокупность множества точек с
бесконечно малыми массами ,
и моменты инерции тела определяется
интегралом

о где —
расстояние от элемента  до
оси вращения.

Распределение
массы в пределах тела можно охарактеризовать
с помощью
плотности

где m —
масса однородного тела, V — его объем.
Для тела с неравномерно распределенной
массой это выражение даетсреднюю
плотность.

Плотность
в данной точке в этом случае определяется
следующим образом

и тогда

Пределы
интегрирования зависят от формы и
размеров тела Интегрирование уравнения
(5.5) наиболее просто осуществить для тех
случаев, когда ось вращения проходит
через центр тяжести тела. Рассмотрим
результаты интегрирования для простейших
(геометрически правильных) форм твердого
тела, масса которого равномерно
распределена по объему.

Момент
инерции полого цилиндра с тонкими
стенками, радиуса
R.

Для полого
цилиндра с тонкими стенками

Сплошной
однородный диск. Ось
вращения является осью диска радиуса .
и массы m с плотностью Высота
диска h. Внутри диска на расстоянии
вырежем пустотелый цилиндр с толщиной
стенки  и
массой.
Для него

Весь диск
можно разбить на бесконечное множество
цилиндров, а затем просуммировать:

Момент
инерции шара относительно оси, проходящей
через центр тяжести.

Момент
инерции стержня длиной L и
массой m относительно
оси, проходящей:

а) через
центр стержня — 

б) через
начало стержня — 

Теорема
Штейнера. Имеем
тело, момент инерции которого относительно
оси, проходящей через его центр
масс  известен.
Необходимо определить момент инерции
относительно произвольно оси параллельной
оси .
Согласно теореме Штейнера, момент
инерции тела относительно произвольной
оси равен сумме момента инерции тела
относительно оси, проходящей через
центр масс и параллельной данной оси,
плюс произведение массы тела на квадрат
расстояния между осями:

B1: заряд и закон Кулона

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Джеффри В. Шник
• Колледж Святого Ансельма

Заряд есть свойство материи. Есть два вида заряда: положительный «+» и отрицательный «-». Объект может иметь положительный заряд, отрицательный заряд или вообще не иметь заряда. Частица, имеющая заряд, вызывает существование вектора силы на каждый заряд потенциальной жертвы в каждой точке области пространства вокруг себя. Бесконечное множество векторов силы на каждый заряд потенциальной жертвы называется векторным полем. На любую заряженную частицу, оказавшуюся в той области пространства, где существует векторное поле силы на заряд потенциальной жертвы, будет воздействовать сила со стороны силы на каждый заряд потенциальной жертвы. поле жертвы. Поле силы, приходящееся на заряд потенциальной жертвы, называется электрическим полем. Заряженная частица, создающая электрическое поле, называется зарядом источника. (Относительно жаргона: заряженная частица — это частица, имеющая заряд. Заряженную частицу часто называют просто «зарядом».)

Заряд источника создает электрическое поле, которое воздействует на заряд-жертву. Чистый эффект заключается в том, что заряд источника вызывает воздействие силы на жертву. Хотя нам есть что обсудить об электрическом поле, сейчас мы сосредоточимся на чистом эффекте, который мы сформулируем просто (пренебрегая «посредником», электрическим полем) так: «Заряженная частица оказывает силу на другую заряженную частицу». ». Это утверждение является Законом Кулона в его концептуальной форме. Сила называется Кулоновская сила , также известная как электростатическая сила .

Обратите внимание, что любое обвинение можно рассматривать как обвинение-источник, а любое — как обвинение-жертву. Идентификация одного заряда в качестве заряда-жертвы эквивалентна установлению точки зрения, аналогичной идентификации объекта, движение или равновесие которого изучается для целей применения закона движения Ньютона 2 ^nd . \(\vec{a}=\frac{\sum\vec{F}}{m}\). По закону Кулона сила, действующая на одну заряженную частицу со стороны другой, направлена ​​вдоль линии, соединяющей две частицы, и от другой частицы, если обе частицы имеют одинаковый заряд (обе положительные или обе отрицательные), но, к другой частице, если вид заряда разный (один положительный, а другой отрицательный). Этот факт, вероятно, вам знаком как «одинаковые заряды отталкиваются, а разные притягиваются». 92}\) ) должен установить направление силы с помощью «здравого смысла» (понимание пользователем того, что означает, что одинаковые заряды отталкиваются, а разные заряды притягиваются друг к другу).

В то время как закон Кулона в форме уравнения разработан, чтобы быть точным для точечных частиц, он также точен для сферически-симметричных распределений заряда (таких как однородные заряженные шары), если используется межцентровое расстояние для \( r \) .

Закон Кулона также является хорошим приближением в случае объектов, у которых заряд не сферически симметричен, если размеры объектов малы по сравнению с расстоянием между объектами (чем оно вернее, тем лучше приближение). Опять же, используется разделение центров распределения зарядов в уравнении закона Кулона. 92} \шляпа{r}_{12}\метка{1-2}\]

где:

• \(\vec{F_{12}}\) — сила «1 на 2», то есть сила, действующая частицей 1 на частицу 2,
• \(\hat{r}_{12}\) — единичный вектор в направлении «от 1 к 2», а
• \(k\), \(q_1\) и \(q_2\) определяются как прежде (постоянная Кулона, заряд частицы 1 и заряд частицы 2 соответственно).

Обратите внимание на отсутствие знаков абсолютного значения вокруг \(q_1\) и \(q_2\). Говорят, что частица, которая имеет определенное количество, скажем, 5 кулонов отрицательного заряда, имеет заряд -5 кулонов, а частица с 5 кулонами положительного заряда имеет заряд +5 кулонов). и действительно, знаки плюс и минус, обозначающие вид заряда, имеют обычное арифметическое значение, когда заряды входят в уравнения. Например, если вы создаете составной объект, комбинируя объект с зарядом \(q_1=+3C\) с объектом с зарядом \(q_2=-5C\), то составной объект имеет заряд

\[q=q_1+q_2\]

\[q=+3С+(-5С)\]

\[q=-2C\]

Обратите внимание, что арифметическая интерпретация вида заряда в векторной форме закона Кулона приводит к тому, что это уравнение дает правильное направление силы для любой комбинации видов заряда. Например, если одна из частиц имеет положительный заряд, а другая отрицательный, то значение произведения \( q_1q_2\) в уравнении \(\ref{1-2}\)

\[\vec{F_{12}}=k\frac{q_1q_2}{r^2} \шляпа{r}_{12}\] 92} \шляпа{r}_{12}\)), мы видим, что

\[\vec{F_{21}}=-\vec{F_{12}}\]

Итак, согласно закону Кулона, если частица 1 действует с силой \(\vec{F_{12}}\) на частицу 2, то частица 2 в то же время оказывает равную, но противоположную силу \(- \vec{F_{12}}\) обратно на частицу 2, что, как мы знаем, согласно закону Ньютона 3 ^rd , должно.

В нашем макроскопическом мире мы обнаруживаем, что заряд — это не неотъемлемое фиксированное свойство объекта, а скорее то, что мы можем изменить. Например, потрите нейтральный резиновый стержень мехом животного, и вы обнаружите, что после этого стержень имеет некоторый заряд, а мех имеет противоположный заряд. Бен Франклин определил один вид заряда, появляющийся на резиновом стержне, как отрицательный заряд, а другой — как положительный. Чтобы дать некоторое представление о том, как стержень приобретает отрицательный заряд, мы ненадолго углубимся в атомный мир и даже в субатомный мир. 9{10}\) электронов, что, конечно, было бы большим количеством шариков, но представляет собой ничтожную долю от общего числа электронов в материале чашки.

Основные моменты предыдущего обсуждения:

• Типичный нейтральный макроскопический объект состоит из невероятно огромных количеств обоих видов заряда (около 50 миллионов кулонов каждого на каждый килограмм материи), одинаковое количество каждого вида.
• Когда мы заряжаем объект, мы передаем относительно небольшое количество заряда этому объекту или от него. 9{−7}\) кулонов.
• Когда мы переносим заряд с одного объекта на другой, мы на самом деле перемещаем заряженные частицы, обычно электроны, от одного объекта к другому.

Один момент, который мы не упомянули в обсуждении выше, заключается в том, что заряд сохраняется. Например, если, потирая резиновый стержень мехом, мы передаем резиновому стержню определенное количество отрицательного заряда, то первоначально нейтральный мех остается с точно таким же положительным зарядом. Вспоминая точный баланс между невероятно огромным количеством отрицательного заряда и невероятно огромным количеством положительного заряда в любом макроскопическом объекте, мы признаем, что, заряжая резиновый стержень, мех становится положительно заряженным не потому, что каким-то образом приобретает положительный заряд, а, потому что он теряет отрицательный заряд, а это означает, что исходное невероятно огромное количество положительного заряда теперь (немного) превышает (все еще невероятно огромное) количество отрицательного заряда, оставшегося на мехе и в нем.

Зарядка при трении

Можно задаться вопросом, почему трение резинового стержня о мех животного приводит к переносу электронов с меха на стержень. Если бы можно было вообразить, что хотя бы один электрон мог случайно попасть из меха на стержень, то оказалось бы, что стержень был бы заряжен отрицательно, а мех — положительно, так что любой освободившийся электрон от меха будет притягиваться обратно к меху положительным зарядом на нем и отталкиваться отрицательным зарядом стержня. Так зачем же еще какой-то заряд должен передаваться от меха к стержню? Ответ находится под заголовком «расстояние имеет значение». При трении стержня о мех вы сближаете большое количество молекул меха с молекулами каучука. В некоторых случаях внешние электроны в атомах меха подходят так близко к ядрам атомов на поверхности резины, что сила притяжения этих положительных ядер больше, чем сила притяжения ядра атома каучука. частью которого они являются. Тогда результирующая сила направлена ​​к стержню, рассматриваемые электроны испытывают ускорение по направлению к стержню, которое изменяет скорость таким образом, что электроны движутся к стержню. Зарядка при трении сильно зависит от молекулярной структуры рассматриваемых материалов. Один интересный аспект этого процесса заключается в том, что трение приводит к тому, что большое количество молекул в мехе очень близко подходят к молекулам в резине. Это не значит, что энергия, связанная с трением, каким-то образом передается электронам, заставляя их прыгать с меха на резину. Следует отметить, что мех — не единственный материал, склонный отдавать электроны, а резина — не единственный материал, склонный их приобретать. Явление зарядки при трении называется трибоэлектрификацией. Следующий упорядоченный список тенденций (ограниченного числа) материалов отдавать или принимать электроны называется трибоэлектрической последовательностью:

Наличие и положение воздуха в списке предполагает, что легче поддерживать отрицательный заряд на объектах в воздухе, чем поддерживать на них положительный заряд.

Проводники и изоляторы

Предположим, вы заряжаете резиновый стержень, а затем прикасаетесь им к нейтральному объекту. Некоторый заряд, отталкиваемый отрицательным зарядом на стержне, будет передан первоначально нейтральному объекту. Что происходит с этим зарядом, зависит от материала, из которого состоит изначально нейтральный объект. В случае некоторых материалов заряд останется в том месте, где заряженный стержень касается изначально нейтрального объекта. Такие материалы называются изоляторами, материалами, через которые заряд не может двигаться или через которые движение заряда очень ограничено. Примерами хороших изоляторов являются кварц, стекло и воздух. В случае других материалов заряд почти мгновенно распространяется по всему рассматриваемому материалу в ответ на силу отталкивания (вспомним, что сила вызывает ускорение, которое приводит к движению), которое каждая элементарная частица заряда оказывает на каждую другая элементарная частица с зарядом. Материалы, в которых заряд может свободно перемещаться, называются проводниками. Примерами хороших проводников являются металлы и соленая вода.

Если вы поместите заряд на проводник, он сразу же распространится по всему проводнику. Чем больше проводник, тем больше он растекается. В случае очень большого объекта заряд может распространяться настолько сильно, что любой кусок объекта имеет незначительное количество заряда и, следовательно, ведет себя так, как если бы он был нейтральным. У поверхности земли сама земля достаточно велика, чтобы играть такую ​​роль. Если мы закопаем в землю хороший проводник, такой как длинный медный стержень или трубу, и подсоединим к нему другой хороший проводник, такой как медный провод, который мы можем соединить с другим металлическим предметом, таким как крышка электрической розетки. , над, но близко к поверхности земли, мы можем воспользоваться преимуществами природы Земли как огромного объекта, состоящего в основном из проводящего материала. Если мы прикоснемся заряженным резиновым стержнем к только что упомянутой металлической накладке, а затем вытащим стержень, то заряд, переданный на металлическую пластину, распространится по земле до такой степени, что накладка станет нейтральной. Мы используем выражение «заряд, переданный накладке, утек в землю». Проводник, соединенный с землей так же, как только что рассмотренная накладка, называется «землей». Акт прикосновения заряженного объекта к земле называется заземлением объекта. Если сам объект является проводником, его заземление (при отсутствии других заряженных объектов) приводит к тому, что он становится нейтральным.

Индукционная зарядка

Если вы держите одну сторону проводника в контакте с землей и подносите заряженный предмет очень близко к другой стороне проводника, а затем, держа заряженный предмет близко к проводнику, не касаясь его, разорвете соприкосновения проводника с землей, вы обнаружите, что проводник заряжен противоположным зарядом, который первоначально был на заряженном объекте. Вот почему. Когда вы подносите заряженный объект к проводнику, он отталкивает заряд в проводнике прямо из проводника в землю. Затем, когда эти заряды исчезли, если вы прервете путь к земле, проводник застрянет с отсутствием тех заряженных частиц, которые были отброшены в землю. Поскольку первоначальный заряженный объект отталкивает тот же заряд, что и у него, проводник остается с противоположным зарядом.

Поляризация

Давайте снова потрём этот резиновый стержень мехом и поднесём резиновый стержень к одному концу небольшой полоски нейтральной алюминиевой фольги. Мы видим, что фольга притягивается к резиновому стержню, хотя фольга остается нейтральной. И вот почему:

Отрицательно заряженный резиновый стержень отталкивает свободный отрицательный заряд полоски к другому концу полоски. В результате ближний конец алюминиевой полоски заряжается положительно, а дальний — отрицательно. Итак, резиновый стержень притягивает ближний конец стержня и отталкивает дальний конец. Но поскольку ближний конец ближе, сила притяжения больше силы отталкивания, и результирующая сила направлена ​​к стержню. Разделение зарядов, происходящее в нейтральной алюминиевой полоске, называется поляризацией, и, когда нейтральная алюминиевая полоска положительна на одном конце и отрицательна на другом, мы говорим, что она поляризована.

Поляризация имеет место и в случае диэлектриков, несмотря на то, что заряд не может свободно перемещаться внутри изолятора. Поднесем отрицательно заряженный стержень к одному концу листа бумаги. Каждая молекула в бумаге имеет положительную и отрицательную части. Положительная часть притягивается к стержню, а отрицательная отталкивается. В результате каждая молекула бумаги поляризуется и растягивается. Теперь, если каждую частицу положительного заряда притянуть немного ближе к стержню, а каждую частицу отрицательного заряда отодвинуть немного дальше, чистый эффект в большей части бумаги состоит в том, чтобы оставить ее нейтральной, но в конце концов. заканчивается есть чистый заряд. На ближнем конце отталкиваемый отрицательный заряд сам по себе оставляет притянутый положительный заряд, а на дальнем конце притягивающий положительный заряд сам по себе оставляет отталкиваемый отрицательный заряд.

Как и в случае с алюминиевой полосой, отрицательный резиновый стержень притягивает ближний, положительный конец и отталкивает дальний, отрицательный конец, но ближний конец ближе, поэтому сила притяжения больше, а это означает, что результирующая сила, действующая на полоску бумаги, является притягательной. Опять же, разделение зарядов в бумаге называется поляризацией, и тот факт, что один конец нейтральной полоски бумаги отрицательный, а другой положительный, означает, что полоска бумаги поляризована.

Эта страница под названием B1: Заряд и закон Кулона распространяется под лицензией CC BY-SA 2.5 и была создана, изменена и/или курирована Джеффри В. Шником с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами LibreTexts. Платформа; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Джеффри В. Шник

   Лицензия

   CC BY-SA

   Версия лицензии

   2,5

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   1. Закон Кулона
   2. источник@http://www.cbphysics.org

Словарь | Управление научной миссии

Aurora

An aurora is a natural display of light in the night sky that typically occurs in far northern and southern regions. Полярные сияния возникают, когда поступающие с Солнца заряженные частицы сталкиваются с кислородом и азотом на высоте от 60 до 200 миль в атмосфере Земли и испускают вспышку света и тепла. Электроны и протоны, высвобождаемые солнечными бурями, увеличивают количество солнечных частиц и могут создавать яркие полярные сияния в более низких широтах.

Хромосфера

Относительно тонкий слой солнечной атмосферы, расположенный над поверхностью Солнца. Температура в хромосфере повышается с 6000° К до примерно 20 000° К, что делает ее более горячей, чем фотосфера, но не такой горячей, как более высокие слои атмосферы, корона.

Корона

Динамическая атмосфера Солнца называется короной. Она заполнена электрически заряженными частицами, движение которых определяется клубком магнитных полей, окружающих Солнце. В то время как температура поверхности Солнца составляет 6000 К, температура короны может достигать миллионов градусов, что вызывает у исследователей вопросы о механизмах столь резкого нагрева атмосферы. Солнечные вспышки и корональные выбросы массы возникают в короне.

Корональный выброс массы (CME)

Не путать с интенсивным всплеском света, являющимся солнечной вспышкой. CME представляет собой облако намагниченного солнечного материала, которое извергается из солнечной атмосферы, короны, в межпланетное пространство. . КВМ часто происходят одновременно со вспышкой, и в настоящее время ученые изучают, как связаны эти два явления. В своем самом большом КВМ может содержать 10 миллиардов тонн вещества и может двигаться со скоростью миллион миль в час. Сразу после выброса в космос облако КВМ может вырасти до 30 миллионов миль в поперечнике, что в 35 раз больше диаметра Солнца. Когда выброс корональной массы направлен на Землю, может пройти от одного до трех дней, чтобы достичь нашей атмосферы, где он может создать тип космической погоды, известный как геомагнитная буря.

Геомагнитная буря

Геомагнитная буря, одна из наиболее распространенных форм космической погоды, возникает в любое время, когда магнитная среда Земли, магнитосфера, подвергается внезапным и повторяющимся изменениям. Геомагнитные бури могут быть вызваны высокоскоростными порывами солнечного ветра и когда КВМ соединяется с магнитосферой. Магнитные поля Солнца отталкивают самые внешние слои полей Земли, изменяя саму форму магнитосферы. Магнитные бури имеют поддающиеся измерению последствия во всем мире, такие как отключение радиосвязи и сбои в электросетях.

Геомагнитно-индуцированный ток (GIC)

Магнитные флуктуации, вызванные геомагнитной бурей в магнитосфере Земли, могут вызывать образование электрических токов на Земле. Эти токи, индуцированные геомагнитным полем, или GIC, могут вызвать перегрузку цепей, прерывателей наконечников и, в крайних случаях, вывести из строя трансформаторы.

Гелиосфера

Гелиосфера — это вся наша солнечная система, как определено пузырем, созданным оттоком частиц от Солнца, называемым солнечным ветром, который течет далеко мимо самых отдаленных планет, на расстоянии от шести до девяти миллиардов миль от Земли. солнце. Солнечные частицы разлетаются от Солнца, отталкивая материал в остальную часть пространства, известную как межзвездная среда. Граница между ними определяет края гелиосферы.

Межпланетное магнитное поле (ММП)

Когда солнечный ветер движется от Солнца со скоростью несколько миллионов миль в час, он увлекает за собой солнечное магнитное поле. Это магнитное поле пронизывает Солнечную систему и известно как межпланетное магнитное поле. В то время как ММП обычно отклоняется вокруг магнитного поля Земли, ММП иногда может «повторно соединиться» с полем Земли, позволяя энергии солнечного ветра направляться прямо в наш защитный магнитосферный пузырь.

Ионосфера

Ионосфера представляет собой слой атмосферы Земли, который простирается на высоте от 50 до 300 миль над поверхностью планеты. Слой заполнен электрически заряженными частицами (а также нейтральными) и чувствителен к поступающему от Солнца веществу, поэтому ионосфера может резко реагировать на космическую погоду. Поскольку ионосфера является домом для низкоорбитальных космических аппаратов, а также областью космоса, через которую проходит радиосвязь, неожиданные изменения в этом регионе могут оказать драматическое влияние на человеческие технологии.

Магнитное поле

Силовое поле, создаваемое электрическими токами, которое направляет движение всего, что имеет электрический заряд. Земля, Солнце и несколько планет окружены гигантскими магнитными полями, которые примерно связывают северный и южный полюса вдоль магнитных силовых линий, известных как силовые линии магнитного поля.

Линии магнитного поля

Магнитное поле имеет как силу, так и направление в каждой точке пространства. Например, в каждой точке Земли магнитное поле — и, следовательно, компас — указывает в определенном направлении, примерно на север. Поэтому магнитные поля обычно изображают в виде линий: направление линии указывает направление поля, а близость линий указывает на напряженность.

Магнитное воссоединение

Источник многих энергетических явлений на Солнце и в магнитосфере, от солнечных вспышек и выбросов корональной массы до полярного сияния. Магнитное повторное соединение происходит, когда силовые линии магнитного поля пересекаются, разрываются, а затем снова соединяются в новом направлении, резко возвращаясь в новые положения, обеспечивая огромное количество энергии.

Магнитосфера

Магнитосфера представляет собой пузырь магнитных полей, окружающих Землю, созданный естественным магнетизмом планеты. Магнитосфера защищает людей на Земле от поступающей солнечной энергии, однако она меняет форму и размер в зависимости от такой космической погоды, и эти колебания могут ухудшать сигналы связи и вызывать неожиданные скачки напряжения в электросетях.

Хвост магнитосферы

Хвост магнитосферы Земли тянется за ней, сформированный потоком солнечного ветра на ночной стороне Земли. Он простирается более чем на сто тысяч миль и может собирать большое количество поступающей от Солнца энергии, прежде чем выпустить ее на Землю или дальше по хвосту.

Фотосфера

Поверхностный слой Солнца, который мы можем видеть в видимом диапазоне света.

Плазма

Материал Солнца и его атмосферы, а также материал земной ионосферы, полярного сияния и флуоресцентного света — все это плазма. Плазма — это состояние вещества, похожее на твердое, жидкое и газообразное. Плазма настолько невероятно горячая, что электроны покидают свои атомы, превращая ее в газ из заряженных частиц. Хотя это редкость на Земле, 99% материи, которую мы видим во Вселенной, состоит из плазмы. Электрический заряд сильно влияет на то, как движутся частицы, поскольку частицы одновременно управляются и постоянно создают магнитные поля. Например, на изображениях солнечной активности крупным планом можно очень четко увидеть плазму, следующую за силовыми линиями магнитного поля. И наоборот, когда плазма движется, она тащит за собой собственные магнитные поля. Этот постоянный обмен является одной из причин, почему изучение динамики плазмы на Солнце или в магнитосфере является столь сложной задачей.

Протуберанцы

Огромные столбы газа, образующие дугу над краем солнца или горизонтом. Когда те же самые структуры видны на фоне солнца, они называются филаментами. Они сделаны из более холодного солнечного материала или плазмы, поддерживаемой в солнечной атмосфере магнитными полями. Протуберанцы и нити могут извергаться из Солнца с огромной энергией и иногда являются источником выбросов корональной массы.

Радиационные пояса

Два радиационных пояса, окружающих Землю, также известные как пояса Ван Аллена. Эти две концентрические области в форме пончика заполнены высокоэнергетическими частицами от Солнца и земной ионосферы, которые вращаются, отскакивают и дрейфуют, иногда попадая в атмосферу Земли, иногда улетая в космос. Внутренний ремень довольно стабилен; однако внешний пояс может со временем набухать и сжиматься, иногда раздуваясь настолько, что ремни выглядят как одно целое.

Радиационная зона

В радиационной зоне энергия ядра медленно распространяется наружу. Этот регион настолько плотный, что солнечной энергии требуется около 150 000 лет, чтобы пройти сквозь него.

Солнечный цикл

Солнце проходит через 11-летние колебания или циклы высокой и низкой активности – солнечные вспышки и выбросы корональной массы, например, основанные на регулярном увеличении и уменьшении солнечных пятен. Также наблюдались циклы продолжительностью от 9 до 14 лет. Цикл вызван тем, что северный и южный магнитные полюса Солнца переворачиваются каждые 11 лет.

Солнечные энергетические частицы (SEP)

Во время извержения на Солнце Солнце может испускать очень быстрые, очень энергичные частицы, которые движутся со скоростью около 80% скорости света. Такие заряженные частицы могут достичь магнитосферы Земли либо в результате вспышки, либо в результате выброса корональной массы. В любом случае энергия, которую они сбрасывают в атмосферу, может создать так называемый шторм солнечной радиации, который может вызвать отключение низкочастотного радио на Земле.

Солнечные вспышки

Мощный всплеск света и радиации из-за высвобождения магнитной энергии на Солнце. Вспышки на сегодняшний день являются крупнейшими взрывами в Солнечной системе, с выбросом энергии, сравнимым с миллиардами водородных бомб. Излучение от вспышки распространяется со скоростью света и достигает Земли за восемь минут. Энергия обычно поглощается земной атмосферой, которая защищает людей на Земле, однако энергия может вызвать отключение радиосвязи на Земле на минуты или, в худшем случае, на часы. Излучение от вспышки также было бы вредным для астронавтов за пределами атмосферы Земли. Некоторые, но далеко не все вспышки сопровождаются корональным выбросом массы (КВМ).

Максимум солнечной активности

Время в течение 11-летнего солнечного цикла, когда количество солнечных пятен и солнечная активность достигают максимума. Следующий солнечный максимум прогнозируется на конец 2013 года.

Солнечный минимум

Время в течение 11-летнего солнечного цикла, когда количество солнечных пятен наименьшее. Это также время, когда магнитные поля Солнца наиболее просты, с относительно упорядоченными линиями магнитного поля, соединяющими магнитный север и юг, как на простом стержневом магните.

Солнечный ветер

Постоянный поток вещества солнечной короны, стекающего с Солнца. Солнечный ветер намного менее плотный, чем ветер на Земле — на самом деле он может быть в 1000 раз менее плотным, чем искусственный вакуум на Земле, — но он намного быстрее, обычно двигаясь со скоростью от одного до двух миллионов миль в час. . Действительно, он постоянно находится в движении: в Солнечной системе нет места, где скорость солнечного ветра равна нулю.

Суббуря

Высвобождение магнитной энергии, возникающей в хвосте магнитосферы Земли, за счет энергии, направляемой туда солнечным ветром и другими солнечными явлениями. Суббури довольно распространены, и когда они высвобождают энергию к Земле, энергия течет по линиям магнитного поля к северному и южному полюсам Земли, вызывая полярные сияния.

Солнечные пятна

Темные области на поверхности Солнца, содержащие постоянно меняющиеся сильные магнитные поля. Среднее солнечное пятно размером примерно с Землю и движется вместе с вращением Солнца в течение нескольких дней или даже недель. Магнитная активность солнечных пятен может вызывать различные солнечные извержения, такие как вспышки и корональные выбросы массы (КВМ). Количество солнечных пятен на солнце увеличивается и уменьшается примерно в течение 11-летнего цикла, что определяет то, что называется солнечным циклом. Они кажутся темными, поскольку они холоднее окружающего солнечного материала.