Elektrický náboj - Electric charge


z Wikipedie, otevřené encyklopedie
elektrický náboj
VFPt poplatky a minus thumb.svg
Elektrické pole na pozitivní a negativní náboje bod
Běžné symboly
Q
jednotka SI coulomb
jiné jednotky
V základních jednotek SI C = As
Rozsáhlý ? Ano
Zachována ? Ano
Dimenze T I

Elektrický náboj je fyzikální vlastností z hmoty , která způsobuje, že zažít sílu , pokud jsou umístěny v elektromagnetickém poli . Existují dva typy elektrických nábojů; pozitivní a negativní (běžně nesené protony a elektrony v tomto pořadí). Souhlasné náboje odpuzují a na rozdíl od přilákat. Objekt s absencí nábojem se označuje jakoneutrální . Early znalost toho, jak nabité substance vzájemně se nyní nazývá klasické elektrodynamiky , a je ještě přesnější pro problémy, které nevyžadují posouzení kvantových efektů .

Elektrický náboj je zachovaná vlastnost ; skutečný náboj z izolované soustavy , množství kladného náboje minus částka negativním nábojem, nemůže změnit. Elektrický náboj je nesen elementárních částic . V obyčejné hmoty, záporný náboj je nesen elektrony , a kladný náboj je nesen protonů v jádrech z atomů . Pokud existuje více elektronů než protonů v kusu látky, bude to mít negativní náboj, pokud existují méně bude mít kladný náboj, a pokud tam jsou stejný počet bude neutrální. Poplatek je quantized ; to přijde v celočíselné násobky jednotlivých malých jednotek nazývá elementární náboj , e , o 1,602 × 10 -19  coulombů , což je nejmenší náboj, který může existovat zdarma (částice, nazývané kvarky mají menší poplatky, násobky 1 / 3 e , ale oni se nacházejí pouze v kombinaci a vždy kombinovat za vzniku částic s celočíselnými poplatek). Proton má náboj + e , a elektron má náboj - e .

Elektrické náboje vytvoří elektrické pole , v případě, že se pohybují také vytvářejí magnetické pole . Kombinace elektrického a magnetického pole, se nazývá elektromagnetické pole a jeho interakce s poplatků je zdroj elektromagnetické síly , který je jedním ze čtyř základních sil ve fyzice. Studie nabitých částic, a jak se jejich interakce zprostředkována fotony , se nazývá kvantové elektrodynamiky .

Odvodil jednotku Sie elektrického náboje je coulomb (C) pojmenoval francouzský fyzik Charles-Augustin de Coulomb . V elektrotechnice , to je také společné použití ampérhodina (AH); ve fyzice a chemii , to je společné použití elementární náboj ( e jako celek). Chemie také používá konstantní Faraday jako poplatku podle mol elektronů. Symbol Q často označuje náboj.

Přehled

Schéma znázorňující siločáry a ekvipotenciály kolem elektronu , záporně nabitou částici. V elektricky neutrálním atomu , množství elektronů je roven počtu protonů (které jsou pozitivně nabité), což vede k čistému nulové celkového náboje

Nabíjení je základní vlastnost forem hmoty, které vykazují elektrostatické přitažlivosti nebo odporu v přítomnosti jiných látek. Elektrický náboj je charakteristická vlastnost mnoha subatomárních částic . Obvinění z volně stojící částice jsou celočíselné násobky elementárního náboje e ; řekneme, že elektrický náboj je quantized . Michael Faraday , v jeho elektrolytických experimentech, byl první poznamenat, diskrétní povahu elektrického náboje. Robert Millikan je kapka oleje experiment prokázal tuto skutečnost přímo, a měřil elementární náboj. Bylo zjištěno, že jeden typ částic, kvarky , mají frakční poplatky, které buď - 1 / 3 nebo + 2 / 3 , ale má se za to, že vždy vyskytují v násobcích integrální náboje; nebyly nikdy pozorovány volně stojící kvarky.

Podle konvence je náboj z elektronu je negativní, -e , zatímco z protonu je kladný, + e . Nabité částice, jejichž náklady mají stejné znaménko se navzájem odpuzují, a částice, jejichž náklady mají různé příznaky přilákat. Coulombův zákon kvantifikuje elektrostatické síly mezi dvěma částicemi tím, že tvrdí, že síla je přímo úměrná součinu jejich obvinění, a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi. Náboj z antičástice se rovná odpovídající částice, ale s opačným znaménkem.

Elektrický náboj makroskopického objektu je suma elektrických nábojů částic, které ji tvoří. Tento náboj je často malá, protože hmota se skládá z atomů , a atomy typicky mají stejný počet protonů a elektronů , přičemž v tomto případě jejich poplatky vyrušily, čímž se získá čistý náboj nulu, čímž atom neutrální.

Ion je atom (nebo skupina atomů), který ztratil jeden nebo více elektronů, což je pozitivní náboj (kationtů), nebo který získal jeden nebo více elektronů, což je čistý negativní náboj (aniontů). Monoatomární ionty jsou vytvořeny z jednotlivých atomů, zatímco polyatomární ionty jsou vytvořeny ze dvou nebo více atomů, které jsou spojeny dohromady, v každém případě, což poskytuje iont s kladným nebo záporným nábojem.

Elektrické pole indukované kladným elektrickým nábojem
Elektrické pole indukované negativním elektrickým nábojem
Elektrické pole indukované pozitivním elektrickým nábojem (vlevo) a pole vyvolané negativním elektrickým nábojem (vpravo).

Během tvorby makroskopických objektů, tvořící atomy a ionty obvykle vzájemně kombinovat za vzniku struktury, sestávající z neutrálních iontových sloučenin elektricky vázaných neutrálních atomů. Tak makroskopické objekty inklinují k neutrální celkově, ale makroskopické objekty jsou jen zřídka dokonale čistá neutrální.

Někdy makroskopické objekty obsahují ionty distribuované v celém materiálu, pevně vázaného na místě, což celkově čistý kladný nebo záporný náboj na objekt. Také, makroskopické předměty z vodivých těles, může více či méně snadno (v závislosti na prvek) vzít v úvahu, nebo poskytnout elektrony, a pak se udržuje čistý negativní nebo pozitivní náboj do nekonečna. Pokud je čistý elektrický náboj objektu je nenulový a nehybně, tento jev je známý jako statické elektřiny . To lze snadno připravit třením dvou různých materiálů dohromady, jako je tření oranžově s kožešinou nebo sklem s hedvábím . Tímto způsobem mohou být nevodivé materiály vloží do značné míry, a to buď pozitivně nebo negativně. Nabíjení převzaty z jednoho materiálu, je přesunuta do jiného materiálu, přičemž opačný náboj o stejné velikosti za sebou. Zákon zachování náboje platí vždy, dávat objekt, ze kterého je záporný náboj přijato kladné náboje stejné velikosti, a vice versa.

I když náboj objektu znamená nulu, náboj může být nerovnoměrně v objektu (např, v důsledku vnějšího elektromagnetického pole , nebo vázané polárních molekul). V takových případech je objekt, že se polarizované . Poplatek kvůli polarizaci je známý jako vázaného náboje , zatímco poplatek za objekt produkované elektrony získané nebo ztracené mimo objekt se nazývá bez poplatku . Pohyb elektronů v vodivých kovů v určitém směru, je známý jako elektrický proud .

Jednotky

SI odvodil jednotku množství elektrického náboje je coulomb (symbol: C). Coulomb je definován jako množství náboje, který projde průřezem po dosažení elektrického vodiče nesoucí jeden ampér po dobu jedné sekundy . Tato jednotka byla navržena v roce 1946 a ratifikována v roce 1948. V moderní praxi, slovní spojení „množství náboje“ se používá namísto „množství poplatku“. Množství náboje v 1 elektronu ( elementární náboj ) je přibližně 1,6 x 10 -19  C , a 1 coulomb odpovídá množství náboje asi 6,24 x 10 18  elektronů . Symbol Q je často používán pro označení množství elektřiny nebo náboje. Množství elektrického náboje může být přímo měřena s elektroměrem , nebo nepřímo měří balistické galvanometru .

Po zjištění kvantifikované charakter poplatku, v roce 1891 George Stoney navrhla jednotky ‚elektron‘ pro tuto základní jednotku elektrického náboje. To bylo před objevem částici JJ Thomson v roce 1897. Jednotka je dnes zachází jako bezejmenný, označované jako základní poplatek , základní jednotku náboje , nebo jednoduše jako e . Opatření poplatku by měla být násobek základního poplatku e , i když u velkých měřítkách účtovat Zdá se, že se chovají jako v reálném množství . V některých kontextech to má smysl mluvit o zlomky náboje; například v nabíjení na kondenzátoru , nebo ve frakční kvantového Hallova jevu .

Jednotka Faraday je někdy používán v elektrochemie. Jeden Faraday poplatku je velikost náboje jednoho molu elektronů, tj 96.485,33289 (59) C.

V systémech jiných než SI jednotek, jako jsou CGS , elektrický náboj je vyjádřena jako kombinace pouze tří základních veličin (délka, hmotnost a čas), a ne čtyři, jak je v SI, přičemž elektrický náboj je kombinace délky, hmotnost, čas a elektrický proud.

Dějiny

Coulomb torzní bilance

Od dávných dob, osoby byli obeznámeni se čtyřmi typy jevů, které dnes všichni by být vysvětlena pomocí konceptu elektrického náboje: (a) blesk , (b) torpédo ryb (nebo elektrický ray), (c) St Elmo Fire a (d), který jantar třel s kožešinou přiláká malé, lehké předměty. První účet jantarové účinku je často přičítán dávné řecký matematik Thales z Milétu , který žil od cca. 624 - c. 546 BC, ale existují pochybnosti o tom, zda Thales nechal nějaké spisy; jeho účet o jantaru je znám z účtu od počátku 200s. Tento účet může být považována za důkaz, že tento jev byl známý protože přinejmenším C. 600 př.nl, ale Thales vysvětlil tento jev jako důkaz pro neživé objekty, které mají duši. Jinými slovy, neexistuje žádný náznak nějakého pojetí elektrického náboje. Obecněji řečeno, staří Řekové nechápal spojení mezi těmito čtyřmi druhy jevů. Řekové poznamenal, že nabité jantarová tlačítka mohla přitahovat lehké objekty, jako jsou vlasy . Také zjistili, že jestliže oni leštili jantar na dlouho dost, oni mohli dokonce dostat elektrickou jiskru ke skoku, ale tam je také tvrzení, že žádná zmínka elektrických jisker se objevila až koncem 17. století. Tato vlastnost pochází z triboelectric efektu . V pozdních 1100s, látka tryska , je kompaktní forma uhlí, bylo zjištěno, že má jantarovou účinek, a ve středu 1500s, Girolamo Fracastoro , zjistil, že diamant také ukázal tento účinek. Některé snahy byly vyrobeny Fracastoro a jiní, zejména Gerolamo Cardano vyvinout vysvětlení tohoto jevu.

Na rozdíl od astronomie , mechaniky a optiky , které byly studovány kvantitativně od starověku, zahájení probíhajícího kvalitativního i kvantitativního výzkumu elektrických jevů mohou být označeny s vydáním De Magnete anglický vědec William Gilbert roku 1600. V této knize , tam byla malá část, kde Gilbert se vrátil do zlatavého efektu (jak to nazval) při řešení mnoha dřívějších teorií, a vytvořil nový latinské slovo Electrica (od ἤλεκτρον (Elektron) je řecký výraz pro jantaru ). Latinské slovo byl přeložený do angličtiny jako elektriky . Gilbert je také připočítán s termínem elektrické , zatímco termín elektřina přišlo až později, nejprve přičítána sir Thomas Browne v jeho Pseudodoxia Epidemica od 1646. (Pro více jazykových podrobnosti viz etymologie elektřiny .) Gilbert byl následován v roce 1660 Otto von Guericke , který vynalezl, co byl pravděpodobně první elektrostatický generátor . Jiné evropské průkopníci byli Robert Boyle , kdo v roce 1675 říkal, že elektrická přitažlivost a odpor mohou jednat přes vakuum ; Stephen Gray , který v roce 1729 klasifikovány materiály jako vodičů a izolantů . V roce 1733 Charles François de Cisternay du Fay , inspirovaný Grayova práce, dělal sérii experimentů (hlášené u Mémoires de l‘ Académie Royale des Sciences ), což ukazuje, že více či méně všechny látky by mohly být‚elektrifikovaný‘třením, s výjimkou kovů a tekutiny a navrhuje, aby elektřina přichází ve dvou variantách, které se navzájem ruší, kterou vyjadřují teorie dvou tekutin. Když sklo bylo třel s hedvábím , du Fay řekl, že sklo se naplní sklivce elektřinu , a když byl jantar třel s kožešinou, jantar byl obviněn pryskyřičným elektřinou . Dalším důležitým teorie dvou tekutina z této doby byla navržena Jean-Antoine Nollet (1745). V roce 1839, Michael Faraday ukázal, že zjevný rozdíl mezi statickou elektřinou , elektrický proud , a bioelectricity byla nesprávná, a všichni byli důsledkem chování jeden druh elektřiny uvedeného v opačných polarit . To je libovolný, který polarita se nazývá pozitivní a která se nazývá negativní. Pozitivní náboj může být definován jako poplatek vlevo na skleněnou tyčinkou po třel s hedvábím.

Jeden z předních odborníků na elektřině v 18. století byl Benjamin Franklin , kdo argumentoval ve prospěch jedno- tekuté teorie elektřiny . Franklin představoval elektřinu jako druh neviditelné tekutiny přítomné v celé oblasti; Například, on věřil, že to bylo sklo v Leyden sklenici , která držela nahromaděný náboj. Ten předpokládal, že třením izolační povrchy dohromady způsobily tato tekutina pro změnu umístění, a že průtok této tekutiny vytváří elektrický proud. On také předpokládal, že když hmota obsahovala příliš málo tekutiny to bylo záporně nabitá, a když se měl přebytek byl kladně nabitý. Z nějakého důvodu, který nebyl zaznamenán, on poznal termín pozitivní s sklivce elektřiny a negativně s pryskyřičným elektřiny. William Watson nezávisle přišel na stejné vysvětlení přibližně ve stejnou dobu (1746).

Nyní je známo, že model Franklin-Watson zásadně správné. Existuje jen jeden druh elektrického náboje, a to pouze jedna proměnná je povinen sledovat výši poplatku. Na druhou stranu, jen vědět, poplatek není úplný popis situace. Hmota se skládá z několika druhů elektricky nabitých částic, přičemž tyto částice mají mnoho vlastností, a to nejen náboje.

Role poplatku elektrostatiky

Všechna tělesa jsou elektrifikované, ale může zdát ne elektrifikovaný vzhledem k relativně podobné starosti sousedních objektů v životním prostředí. Objekt dále elektrifikovaná + nebo - vytvoří rovnocennou nebo opačný náboj ve výchozím nastavení v sousedních objektech, dokud tyto poplatky mohou vyrovnat. Účinky přitažlivosti lze pozorovat při pokusech s vysokým napětím, zatímco nižší účinky napětí jsou pouze slabší, a tedy méně zřetelné. Coulombův zákon má důsledek pro zrychlení v gravitačním poli. Viz také Casimir účinek .

Úloha nabití statickou elektřinou

Statická elektřina se týká elektrického náboje objektu a souvisejícího elektrostatického výboje , kdy jsou dva objekty podané u sebe, že není v rovnováze. Elektrostatický výboj vytváří změnu v důvěře každé ze dvou objektů.

Elektrifikace třením

Když je kus skla a kus pryskyřici ani jeden z, které vykazují všechny elektrické vlastnosti, se třou a nechal se třel povrchy přicházející do styku, ale stále vykazovat žádné elektrické vlastnosti. Když oddělí, že se vzájemně přitahují.

Druhý kus skla třel s druhou částí pryskyřice, pak se oddělí a suspenduje se v blízkosti bývalých kousků skla a pryskyřice způsobuje tyto jevy:

  • Tyto dva kusy skla se vzájemně odpuzují.
  • Každý kus skla přitahuje každý kus pryskyřice.
  • Tyto dva kusy pryskyřice se vzájemně odpuzují.

Toto přitahování a odpuzování je elektrický jev , a orgánů, které je vystavují se říká, že elektrifikované , nebo elektricky nabité . Subjekty mohou být elektrifikovaný v mnoha jinými způsoby, jakož i tření. Elektrické vlastnosti dvou kusů skla jsou vzájemně podobné, ale proti těm ze dvou kusů pryskyřice: Skleněná přitahuje, co pryskyřice odpuzuje a odpuzuje co pryskyřice přitahuje.

Pokud subjekt elektrifikované jakýmkoli způsobem se chová jako sklo dělá, to znamená, že v případě, že odpuzuje sklo a přitahuje pryskyřice, tělo je prý vitreously elektrifikována, a v případě, že přitahuje sklo a odpuzuje pryskyřice říká se, že být resinously elektrifikována. Všechny elektrizované těla jsou buď vitreously nebo resinously elektrifikována.

Zavedené konvence ve vědecké komunitě definuje sklovitý elektrifikace za pozitivní, a pryskyřičnou elektrifikaci jako negativní. Tyto přesně opačné vlastnosti obou druhů elektrifikace zdůvodnit náš jejich uvedením by opačnými znaménky, ale žádost o pozitivní signál do jednoho, a nikoli na jiný druh, musí být považována za záležitost svévolné konvence, stejně jako je to otázka konvence v matematickém schématu počítat pozitivní vzdáleností vůči pravici.

Žádná síla, a to buď z přitažlivosti nebo odpuzování, lze pozorovat mezi elektrifikovanou tělem a tělem není elektrifikována.

Úloha nabití elektrického proudu

Elektrický proud je proud elektrického náboje přes objekt, který produkuje žádnou čistou ztrátu nebo zisk elektrického náboje. Mezi nejčastější nosiče náboje jsou kladně nabitý proton a záporně nabitý elektron . Pohyb kteréhokoliv z těchto nabitých částic vytváří elektrický proud. V mnoha situacích postačí mluvit o konvenční proud bez ohledu na to, zda je nesena kladné náboje pohybující se ve směru proudu konvenčního nebo záporných nábojů pohybující se v opačném směru. Tato makroskopická hledisko je přiblížení, který zjednodušuje elektromagnetických představy a výpočty.

Na opačném extrému, pokud se člověk podívá na mikroskopické situaci, člověk vidí existuje mnoho způsobů, jak nést elektrický proud , včetně: tok elektronů; proud elektronových děr , které se chovají jako pozitivní částic; a oba negativní a pozitivní částice ( ionty nebo jiné nabité částice), proudící v opačných směrech v elektrolytickém roztoku, nebo plazmy .

Uvědomte si, že ve společném a důležité případě kovových drátů, je směr běžného proudu je opačný ke rychlost proudění skutečných nosičů náboje; tj elektrony. To je zdrojem zmatku pro začátečníky.

Zachování elektrického náboje

Celkový elektrický náboj z izolované soustavy zůstává konstantní bez ohledu na změny v samotném systému. Tento zákon je vlastní všem procesům, je známo, že fyzikální a může být odvozen v místní formě od invariance měřidla na vlnové funkce . Zachování poplatku za následek, že náboj proudu rovnice kontinuity . Obecněji, rychlost změny v hustotě náboje p uvnitř objemu integrace V je rovna ploše základní přes proudové hustoty J přes uzavřenou plochu S = ∂ V , která je zase rovná čistému proudu I :

\ oiint

To znamená, že ochrana elektrického náboje, jak je vyjádřeno rovnice kontinuity, dává výsledek:

Náboj přenášeny mezi časy a se získá integrací obou stran:

kde I je čistá vnější proud skrze uzavřenou plochu a Q je elektrický náboj obsažený v objemu definovaného povrchu.

relativistická invariance

Kromě vlastností popsaných v článcích o elektromagnetismu , poplatek je relativistic neměnný . To znamená, že každá částice, která má náboj Q , bez ohledu na to, jak rychle to jde, vždy má náboj Q . Tato vlastnost byla experimentálně ověřena ukazuje, že náboj z jedné hélia jádra (dva protony a dva neutrony skáčou spolu v jádru a pohybovat se při vysokých rychlostech), je stejný jako dva deuterium jádra (jednoho protonu a jednoho neutronu vázané dohromady, ale pohybující se mnohem pomaleji, než kdyby byli ve jádra hélia).

viz též

Reference

externí odkazy