מטען חשמלי ותכונותיו

תהליכים פיזיקליים המתרחשים בטבע אינם מוסברים תמיד על ידי פעולתם של חוקי התיאוריה המולקולרית-קינטית, המכניקה או התרמודינמיקה. ישנם גם כוחות אלקטרומגנטיים הפועלים מרחוק ואינם תלויים במשקל הגוף.

הביטויים שלהם תוארו לראשונה בעבודותיהם של מדענים עתיקים מיוון, כאשר הם משכו אור, חלקיקים קטנים של חומרים בודדים עם ענבר, משופשפים בצמר.

תרומה היסטורית של מדענים לפיתוח האלקטרודינמיקה

ניסויים בענבר נחקרו בפירוט על ידי החוקר האנגלי וויליאם הילברט... בשנים האחרונות של המאה ה-16 הוא ערך דין וחשבון על עבודתו והגדיר אובייקטים המסוגלים למשוך גופים אחרים ממרחק במונח "מחושמל".

הפיזיקאי הצרפתי שארל דופאי קבע את קיומם של מטענים בעלי סימנים הפוכים: חלקם נוצרו על ידי שפשוף חפצי זכוכית על בד משי, ואחרים - שרפים על צמר. כך קרא להם: זכוכית ושרף. לאחר השלמת המחקר, בנג'מין פרנקלין הציג את הרעיון של מטענים שליליים וחיוביים.

צ'ארלס ויסולקה מבין את האפשרות למדוד את חוזק המטענים על ידי תכנון מאזן פיתול של המצאה שלו.

רוברט מיליקן, בהתבסס על סדרה של ניסויים, הוא ביסס את האופי הבדיד של המטענים החשמליים של כל חומר, והוכיח שהם מורכבים ממספר מסוים של חלקיקים יסודיים. (אין לבלבל עם מושג אחר של מונח זה - פיצול, אי המשכיות.)

עבודותיהם של מדענים אלה שימשו בסיס לידע מודרני על התהליכים והתופעות המתרחשים בשדות החשמליים והמגנטיים שנוצרו על ידי מטענים חשמליים ותנועתם, שנחקרו על ידי אלקטרודינמיקה.

קביעת עמלות ועקרונות האינטראקציה ביניהם

מטען חשמלי מאפיין את תכונותיהם של חומרים המספקים להם את היכולת ליצור שדות חשמליים ולקיים אינטראקציה בתהליכים אלקטרומגנטיים. היא נקראת גם כמות החשמל ומוגדרת ככמות סקלרית פיזית. הסמלים "q" או "Q" משמשים לציון מטען, והיחידה "תליון" משמשת במדידות, על שם המדען הצרפתי שפיתח טכניקה ייחודית.

הוא יצר מכשיר, שגופו השתמש בכדורים תלויים על חוט דק של קוורץ. הם היו מכוונים במרחב בצורה מסוימת ומיקומם נרשם על פי סולם מדורג עם חלוקות שוות.

דרך חור מיוחד במכסה הובא לכדורים אלו כדור נוסף בתוספת תשלום. כוחות האינטראקציה שנוצרו אילצו את הכדורים להסיט, לסובב את התנופה שלהם. ההבדל בקריאות קנה המידה לפני ואחרי הטעינה אפשרו להעריך את כמות החשמל בדגימות הבדיקה.

מטען של 1 קולומב מאופיין במערכת SI בזרם של 1 אמפר העובר בחתך רוחב של חוט בזמן השווה לשנייה.

האלקטרודינמיקה המודרנית מחלקת את כל המטענים החשמליים ל:

• חִיוּבִי;

• שלילי.

כאשר הם מקיימים אינטראקציה זה עם זה, הם מפתחים כוחות שכיוונם תלוי בקוטביות הקיימת.

מטענים מאותו סוג, חיובי או שלילי, דוחים תמיד בכיוונים מנוגדים, נוטים להתרחק זה מזה ככל האפשר. ולגבי מטענים של סימנים מנוגדים, ישנם כוחות הנוטים לקרב אותם ולאחד אותם לאחד. .

עקרון הסופרפוזיציה

כאשר ישנם מספר מטענים בנפח מסוים, עקרון הסופרפוזיציה פועל עבורם.

משמעותו היא שכל מטען באופן מסוים, לפי השיטה שנידונה לעיל, מקיים אינטראקציה עם כל האחרים, נמשך על ידי הפכים ונדחה על ידי דומים. לדוגמה, המטען החיובי q1 מושפע מכוח המשיכה F31 למטען השלילי q3 ומכוח הדחייה F21 מ-q2.

הכוח המתקבל F1 הפועל על q1 נקבע על ידי הסיכום הגיאומטרי של הוקטורים F31 ו-F21. (F1 = F31 + F21).

אותה שיטה משמשת לקביעת הכוחות המתקבלים F2 ו-F3 על המטענים q2 ו-q3, בהתאמה.

באמצעות עקרון הסופרפוזיציה, הסיק כי עבור מספר מסוים של מטענים במערכת סגורה, פועלים כוחות אלקטרוסטטיים קבועים בין כל גופיה, והפוטנציאל בכל נקודה מסוימת במרחב זה שווה לסכום הפוטנציאלים של כולם. חיובים בנפרד.

פעולתם של חוקים אלה מאושרת על ידי המכשירים שנוצרו אלקטרוסקופ ואלקטרומטר, שיש להם עיקרון פעולה משותף.

אלקטרוסקופ מורכב משתי יריעות דקות זהות של נייר כסף תלויות בחלל מבודד על חוט מוליך המחובר לכדור מתכת. במצב רגיל, המטענים אינם פועלים על הכדור הזה, ולכן עלי הכותרת תלויים בחופשיות בחלל שבתוך הנורה של המכשיר.

כיצד ניתן להעביר מטען בין גופים

אם אתה מביא גוף טעון, כמו מוט, לכדור האלקטרוסקופ, המטען יעבור דרך הכדור לאורך חוט מוליך לעלי הכותרת. הם יקבלו את אותו המטען ויתחילו להתרחק אחד מהשני בזווית פרופורציונלית לכמות החשמל המופעלת.

לאלקטרומטר אותו מבנה בסיסי, אך ישנם הבדלים קטנים: עלה כותרת אחד קבוע ללא תנועה, והשני מתרחק ממנו ומצויד בחץ המאפשר לקרוא את הסולם המדורג.

ניתן להשתמש בנשאי ביניים להעברת מטען מגוף נייח וטעון מרוחק לאלקטרומטר.

למדידות שנעשות על ידי אלקטרומטר אין דיוק ברמה גבוהה, ועל בסיסן קשה לנתח את הכוחות הפועלים בין מטענים. איזון פיתול קולומב מתאים יותר ללימוד שלהם. הם השתמשו בכדורים עם קטרים ​​קטנים בהרבה מהמרחק שלהם זה מזה. יש להם תכונות של מטענים נקודתיים - גופים טעונים שמידותיהם לא משפיעות על דיוק המכשיר.

המדידות שערך קולומב איששו את הנחתו שמטען נקודתי מועבר מגוף טעון לאותו במאפיינים ובמסה, אך לא נטען בצורה כזו שהוא מתחלק ביניהם באופן שווה, ויורד בגורם של 2 במקור.כך ניתן היה להפחית את גובה האגרה בפעמיים, שלוש ועוד.

הכוחות הקיימים בין מטענים חשמליים נייחים נקראים אינטראקציות קולומביות או סטטיות. הם נחקרים על ידי אלקטרוסטטיקה, שהיא אחד מענפי האלקטרודינמיקה.

סוגי נושאי מטען חשמליים

המדע המודרני מחשיב את אלקטרון החלקיקים הטעון שלילי הקטן ביותר, ובאופן חיובי - פוזיטרון... יש להם אותה מסה 9.1 × 10-31 קילוגרם. לפרוטון החלקיקים יש רק מטען חיובי אחד ומסה של 1.7 × 10-27 קילוגרם. בטבע, מספר המטענים החיוביים והשליליים מאוזן.

במתכות נוצרת תנועת אלקטרונים חַשְׁמַל, ובמוליכים למחצה נושאי המטען שלו הם אלקטרונים וחורים.

בגזים, הזרם נוצר על ידי תנועה של יונים - חלקיקים לא-אלמנטריים טעונים (אטומים או מולקולות) עם מטענים חיוביים, הנקראים קטיונים, או אניונים שליליים.

יונים נוצרים מחלקיקים ניטרליים.

מטען חיובי נוצר בחלקיק שאיבד אלקטרון בהשפעת פריקה חשמלית חזקה, קרינה אור או רדיואקטיבית, זרימת רוח, תנועה של מסות מים או מספר סיבות אחרות.

יונים שליליים נוצרים מחלקיקים ניטרליים שקיבלו בנוסף אלקטרון.

השימוש ביינון למטרות רפואיות וחיי היומיום

חוקרים הבחינו זמן רב ביכולתם של יונים שליליים להשפיע על גוף האדם, לשפר את צריכת החמצן באוויר, להעביר אותו מהר יותר לרקמות ולתאים ולהאיץ את חמצון הסרוטונין.כל זה במתחם מגביר באופן משמעותי את החסינות, משפר את מצב הרוח, מקל על הכאב.

המיינן הראשון ששימש לטיפול באנשים נקרא נברשות צ'יז'בסקי, לכבוד המדען הסובייטי שיצר מכשיר שיש לו השפעה מועילה על בריאות האדם.

במכשירי חשמל חדישים לעבודה בסביבה ביתית, ניתן למצוא מייננים מובנים בשואב אבק, מכשירי אדים, מייבשי שיער, מייבשי שיער...

מיינני אוויר מיוחדים מטהרים את הרכבו, מפחיתים את כמות האבק והזיהומים המזיקים.

מיינני מים מסוגלים להפחית את כמות הריאגנטים הכימיים בהרכבם. הם משמשים לניקוי בריכות ואגמים, מרווים את המים ביוני נחושת או כסף המפחיתים את צמיחת האצות, משמידים וירוסים וחיידקים.

מונחים והגדרות שימושיים

מהו מטען חשמלי נפח

זהו מטען חשמלי המופץ בכל הכרך.

מהו מטען חשמלי על פני השטח

זהו מטען חשמלי שנחשב למפוזר על פני השטח.

מהו מטען חשמלי ליניארי

זהו מטען חשמלי שנחשב למפוזר לאורך קו.

מהי צפיפות הנפח של מטען חשמלי

זוהי כמות סקלרית המאפיינת את התפלגות המטען החשמלי בנפח, השווה לגבול היחס בין מטען הנפח ליסוד הנפח שבו הוא מופץ כאשר יסוד נפח זה שואף לאפס.

מהי צפיפות המטען החשמלי על פני השטח

זוהי כמות סקלרית המאפיינת את התפלגות המטען החשמלי פני השטח, השווה לגבול היחס בין המטען החשמלי פני השטח ליסוד פני השטח עליו הוא מופץ כאשר יסוד פני השטח הזה שואף לאפס.

מהי צפיפות מטען חשמלי ליניארי

זוהי כמות סקלרית המאפיינת את התפלגותו של מטען חשמלי ליניארי, השווה לגבול היחס בין מטען חשמלי ליניארי לאלמנט באורך הישר שלאורכו מתחלק מטען זה כאשר יסוד אורך זה שואף לאפס. .

מהו דיפול חשמלי

זהו קבוצה של מטענים חשמליים בשתי נקודות השווים בגודלם ומנוגדים במזל וממוקמים במרחק קטן מאוד זה מזה בהשוואה למרחק מהם לנקודות התצפית.

מהו המומנט החשמלי של דיפול חשמלי

זוהי כמות וקטור השווה למכפלת הערך המוחלט של אחד המטענים של הדיפול והמרחק ביניהם ומכוונת ממטען שלילי לחיובי.

מהו הרגע החשמלי של הגוף

זוהי כמות וקטורית השווה לסכום הגיאומטרי של המומנטים החשמליים של כל הדיפולים המרכיבים את הגוף הנדון. "המומנט החשמלי של נפח נתון של חומר" מוגדר באופן דומה.