Электрический заряд

                  

 

                    Содержание

1. Электрический заряд……………………………………3
2. Переменный ток…………………………………………9
3. Бета-распад……………………………………………....11
4. Литература ………………………………………………14

 

 

              Электрический заряд

 

Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие  заряда в электродинамике является первичным, основным понятием. Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q. Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

• Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
• Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
• Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

 

Одним из фундаментальных законов природы является

экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда. В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:q1 + q2 + q3 + ... +qn = const.

         Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака. С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e.

e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.

  В нейтральном атоме  число протонов в ядре равно  числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион. Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:

     q =+/- ne      (n = 0,1,2…)

  Физические величины, которые могут принимать только  дискретный ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков – частиц с дробным зарядом           и            Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось. В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 4.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.

 

Рисунок 4.1.1. Перенос заряда с заряженного тела на электрометр.

 

 

Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать  силы взаимодействия зарядов. Впервые  закон взаимодействия неподвижных  зарядов был установлен французским  физиком Ш. Кулоном (1785 г.). В своих  опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 4.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка 10–9 Н. Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами. Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

 

 

 

 

Рисунок 4.1.2. Прибор Кулона.

 

Рисунок 4.1.3. Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов.

 

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий  закон: Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

 

Силы взаимодействия подчиняются  третьему закону Ньютона:         Они являются силами отталкивания при  одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 4.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических  зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой. Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними. Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл). Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения. Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:

 

где                                – электрическая постоянная.  Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции. Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел. Рис. 4.1.4 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел.

 

 

 

 

           

Рисунок 4.1.4. Принцип суперпозиции электростатических сил   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

              Переменный ток 

     

 Как известно, сила тока в любой момент времени пропорциональна ЭДС источника тока (закон Ома для полной цепи). Если ЭДС источника не изменяется со временем и остаются неизменными параметры цепи, то через некоторое время после замыкания цепи изменения силы тока прекращаются, в цепи течет постоянный ток.

Однако в современной  технике широко применяются не только источники постоянного тока, но и  различные генераторы электрического тока, в которых ЭДС периодически изменяется. При подключении в  электрическую цепь генератора переменной ЭДС в цепи возникают вынужденные  электромагнитные колебания или  переменный ток.

Переменный ток – это  периодические изменения силы тока и напряжения в электрической  цепи, происходящие под действием  переменной ЭДС от внешнего источника 

или

Переменный ток – это  электрический ток, который изменяется с течением времени по гармоническому закону.

Переменный ток обеспечивает работу электрических двигателей в  станках на заводах и фабриках, приводит в действие осветительные  приборы в наших квартирах  и на улице, холодильники и пылесосы, отопительные приборы и т.п. Частота  колебаний напряжения в сети равна 50 Гц. Такую же частоту колебаний  имеет и сила переменного тока. Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз поменяет свое направление. Частота 50 Гц принята для промышленного  тока во многих странах мира. В США  частота промышленного тока 60 Гц.

 

 Резистор в  цепи переменного тока 

        Пусть цепь состоит из проводников с малой индуктивностью и большим сопротивлением R (из резисторов). Например, такой цепью может быть нить накаливания электрической лампы и подводящие провода. Величину R, которую мы до сих пор называли электрическим сопротивлением или просто сопротивлением, теперь будем называть активным сопротивлением. В цепи переменного тока могут быть и другие сопротивления, зависящие от индуктивности цепи и ее емкости. Сопротивление R называется активным потому, что, только на нем выделяется энергия, т.е.

Сопротивление элемента электрической  цепи (резистора), в котором происходит превращение электрической энергии  во внутреннюю энергию, называют активным сопротивлением.

Итак, в цепи имеется резистор, активное сопротивление которого R, а катушка индуктивности и  конденсатор отсутствуют .

Пусть напряжение на концах цепи меняется по гармоническому закону .                                

Как и в случае постоянного  тока, мгновенное значение силы тока прямо  пропорционально мгновенному значению напряжения. Поэтому можно считать, что мгновенное значение силы тока определяется законом Ома:

.

 

Следовательно, в проводнике с активным сопротивлением колебания  силы тока по фазе совпадают с колебаниями напряжения , а амплитуда силы тока равна амплитуде напряжения, деленной на сопротивление.

При небольших значениях  частоты переменного тока активное сопротивление проводника не зависит  от частоты и практически совпадает  с его электрическим сопротивлением в цепи постоянного тока.

 

 

 

 

                        Бета-распад 

Бета-распад становится возможным  тогда, когда замена в атомном  ядре нейтрона на протон (или, наоборот, протона на нейтрон) энергетически  выгодна и получающееся новое  ядро имеет меньшую массу покоя, т. е. большую энергию связи. Избыток  энергии распределяется между продуктами реакции.

Бета-распад бывает трех видов:

1. Один из нейтронов  (n) в ядре превращается в протон (р). При этом излучается электрон (е ) и антинейтрино (v,) Это — P- -распад.

A(Z,N)~A(Z + 1, N — 1) + е + v, (n-+-р + е + ~,), где А (Z, N) — обозначение ядра с числом протонов Z и нейтронов N. Заряд ядра увеличивается на 1. Простейший вид из всех видов распада — распад свободного нейтрона, который тяжелее протона и поэтому нестабилен.

2. Протон, входящий в состав  ядра, распадается на нейтрон  (n), позитрон (e+) и нейтрино (v) . Это — P+ -распад.

А(Z, N)-+-А(Z — 1, N + 1) + е+ + v (p ~ n + е+ + v ).

 Заряд ядра уменьшается  на 1. Процесс может происходить  только в ядре; свободный протон  не распадается таким образом. 

3. Наконец, ядро может  захватить ближайший из атомных  электронов (электронный захват) и  превратиться в другое ядро  с зарядом на 1 меньше:

A(Z, N) + е ~A(Z — 1, N + 1) + v, (р + n  -~-л + v ). р-частица при этом не излучается.

Когда физики начали изучать  бета-распад, о существовании нейтрино (v), обладающего огромной проникающей способностью, ничего не было известно.

Загадка, с которой столкнулись  экспериментаторы,— сплошной энергетический спектр электронов, излучаемых при  бета -распаде.

  В этом процессе  на долю дочернего ядра приходится  ничтожная часть освобождающейся  энергии. Вся она идет на  электрон, и поэтому все бета-частицы  должны были бы иметь одинаковую  энергию Е. А на опыте наблюдалась  такая картина: испускались электроны  любой энергии, вплоть до максимально  возможной — Е0.

Физики предположили, что  виноват источник: 1 - частицы теряют свою энергию, когда проходят сквозь его материал. Для проверки этой гипотезы несколько групп экспериментаторов  поставили калориметрические опыты. Делались они так: радиоактивный  источник помещали в калориметр с  такими толстыми стенками, чтобы бета -частицы в них полностью поглощались. Это позволило измерить всю энергию, выделяющуюся за определенное время.

Потом рассчитали энергию, приходящуюся на одну бета-частицу. Экспериментаторы ожидали, что она окажется близкой  к Е0, но всякий раз получали величину, приблизительно в 2 раза меньшую.

Выход из положения нашел  швейцарский физик-теоретик В. Паули. Он высказал предположение, что при  бета-распаде испускается частица, обладающая несравненно большей  проникающей способностью, чем электроны. Ее не могут задержать стенки калориметра, и она уносит с собой часть  энергии. Так родилось представление  о нейтрино.

Теория бета-распада была создана в 1934 г. итальянским физиком  Э. Ферми. В ней ученый предположил, что электрон и нейтрино рождаются  в момент распада нуклона в  ядре. Он ввел в теорию константу 6, которая  играла для бета-распада такую  же роль, что и заряд е для  электромагнитных процессов, и вычислил ее величину на основании экспериментальных  данных. Теория Ферми позволила рассчитать форму бета-спектров и связать граничную энергию распада Е0 со временем жизни радиоактивного ядра. Нейтрино в этой теории имело заряд, равный нулю, и нулевую массу (во всяком случае, т0~т).

 

В течение следующих лет  теорию стремились видоизменить, дополнить  и усложнить, поскольку казалось, что она слишком проста и не описывает всех опытных данных. Прошло несколько десятилетий, прежде чем  физики убедились, что все эти  дополнения основаны на ошибочных экспериментах, а путь, выбранный Ферми, правильный. Созданная сейчас теория объединенного  слабого и электромагнитного  взаимодействия включает его как  первое приближение.

Приведем некоторые данные о бета-распаде ядер.

 

Граничная энергия бета -частиц (E0)  —  от нескольких КэВ до — 17 МэВ. 

 

Время жизни ядер по отношению  к бета-распаду — от 1,3 10-2с до — 2 1013 лет.

 

Пробег бета-частиц в легких веществах - несколько сантиметров. Они теряют свою энергию на ионизацию  и возбуждение атомов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

               Список литературы

 

Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Колебания и волны. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. – М.: Дрофа, 2002. – 288 с.

Физика: Учеб. пособие для 11 кл. шк. и классов с углубл. изуч. физики / А.Т. Глазунов, О.Ф. Кабардин, А.Н. Малинин и др.; Под ред. А.А. Пинского. – М.: Просвещение, 1995.– 432 с.