Elektromos töltés nélküli elemi részecske. Elektronok és töltött részecskék
A "villany", "elektromos töltés", "elektromos áram" szavakkal sokszor találkoztál és sikerült megszoknod. De próbáljon meg válaszolni a kérdésre: "Mi az elektromos töltés?" - és látni fogja, hogy ez nem is olyan egyszerű. A tény az, hogy a töltés fogalma a fő, elsődleges fogalom, amelyre nem redukálható modern szinten ismereteink fejlesztését néhány egyszerűbb, elemi fogalomra
Először próbáljuk meg kideríteni, mit jelent az az állítás, hogy egy adott test vagy részecske elektromos töltéssel rendelkezik.
Tudod, hogy minden test a legkisebb, oszthatatlanból egyszerűbb (a tudomány mai ismeretei szerint) részecskékké épül fel, amelyeket ezért eleminek neveznek. Minden elemi részecskének van tömege, és ennek köszönhetően az egyetemes gravitáció törvénye szerint olyan erővel vonzzák egymást, amely a távolság növekedésével aránylag lassan csökken, fordítottan arányos a távolság négyzetével. A legtöbb elemi részecske, bár nem mindegyik, képes kölcsönhatásba lépni egymással olyan erővel, amely szintén fordítottan csökken a távolság négyzetével, de ez az erő nagyon sokszor nagyobb, mint a gravitációs erő. Így. a 91. ábrán vázlatosan bemutatott hidrogénatomban az elektron a gravitációs vonzás erejénél 101 hüvelyk-szer nagyobb erővel vonzódik az atommaghoz (protonhoz).
Ha a részecskék olyan erőkkel lépnek kölcsönhatásba egymással, amelyek a távolsággal lassan csökkennek, és sokszorosa az univerzális gravitációs erőknek, akkor ezek a részecskék elektromos töltéssel rendelkeznek. Magukat a részecskéket töltöttnek nevezzük. Vannak részecskék elektromos töltés nélkül, de nincs elektromos töltés részecske nélkül.
A töltött részecskék közötti kölcsönhatásokat elektromágnesesnek nevezzük. Elektromos töltés - fizikai mennyiség, amely meghatározza az elektromágneses kölcsönhatások intenzitását, ahogyan a tömeg határozza meg a gravitációs kölcsönhatások intenzitását.
Az elemi részecske elektromos töltése nem egy speciális "mechanizmus" a részecskében, amely eltávolítható belőle, alkatrészeire bontható és újra összeállítható. Az elektromos töltés jelenléte az elektronon és más részecskéken csak a létezést jelenti
bizonyos erőkölcsönhatások közöttük. De mi lényegében semmit sem tudunk a töltésről, ha nem ismerjük ezeknek a kölcsönhatásoknak a törvényeit. A kölcsönhatások törvényeinek ismeretét bele kell foglalni a töltés megértéséhez. Ezek a törvények nem egyszerűek, lehetetlen néhány szóban megfogalmazni őket. Ezért nem lehet kellően kielégítően tömör definíciót adni arra, hogy mi az elektromos töltés.
Az elektromos töltések két jele. Minden testnek van tömege, ezért vonzzák egymást. A feltöltött testek vonzzák és taszítják is egymást. Ez a legfontosabb tény, amelyet a 7. osztályos fizikatanfolyamról ismerhetsz, azt jelenti, hogy a természetben vannak ellentétes előjelű elektromos töltésű részecskék. Az azonos töltésjelű részecskék taszítják egymást, és különböző előjelekkel vonzzák egymást.
Az elemi részecskék - protonok, amelyek az összes atommag részét képezik, töltését pozitívnak, az elektronok töltését negatívnak nevezik. A pozitív és negatív töltések között nincs belső különbség. Ha a részecsketöltések előjeleit megfordítanák, akkor az elektromágneses kölcsönhatások természete egyáltalán nem változna.
elemi töltés. Az elektronokon és protonokon kívül számos más típusú töltött elemi részecskék is léteznek. De csak az elektronok és a protonok létezhetnek korlátlan ideig szabad állapotban. A többi töltött részecske a másodperc milliomod része alatt él. Gyors elemi részecskék ütközése során születnek, és elhanyagolható ideig létezve bomlanak, és más részecskévé alakulnak. Ezekkel a részecskékkel fogsz megismerkedni az X osztályban.
A neutronok olyan részecskék, amelyek nem rendelkeznek elektromos töltéssel. Tömege alig haladja meg a proton tömegét. A neutronok a protonokkal együtt az atommag részét képezik.
Ha egy elemi részecskének van töltése, akkor annak értéke, amint azt számos kísérlet mutatja, szigorúan meghatározott (e kísérletek egyikét - Millikan és Ioffe tapasztalatait - egy VII. osztályos tankönyvben leírták)
Létezik egy minimális töltés, az úgynevezett elemi töltés, amellyel minden töltött elemi részecske rendelkezik. Az elemi részecskék töltései csak előjelekben térnek el egymástól. Lehetetlen a töltés egy részét elválasztani például egy elektrontól.
« Fizika – 10. évfolyam
Nézzük először a legegyszerűbb esetet, amikor az elektromosan töltött testek nyugalomban vannak.
Az elektrodinamika azon részét, amely az elektromosan töltött testek egyensúlyi feltételeinek vizsgálatával foglalkozik, ún elektrosztatika.
Mi az elektromos töltés?
Mik a díjak?
Szavakkal elektromosság, elektromos töltés, elektromos áram sokszor találkoztál és sikerült megszoknod őket. De próbáljon meg válaszolni a kérdésre: "Mi az elektromos töltés?" Maga a koncepció díj- ez a fő, elsődleges fogalom, amely tudásunk jelenlegi fejlettségi szintjén nem redukálható semmiféle egyszerűbb, elemi fogalomra.
Először próbáljuk meg kideríteni, mit jelent a következő állítás: "Egy adott test vagy részecske elektromos töltéssel rendelkezik."
Minden test ebből épül fel legkisebb részecskék, amelyek egyszerűbbekre oszthatatlanok, ezért ún alapvető.
Az elemi részecskék tömeggel rendelkeznek, és ennek köszönhetően vonzódnak egymáshoz az egyetemes gravitáció törvénye szerint. A részecskék közötti távolság növekedésével a gravitációs erő ennek a távolságnak a négyzetével fordított arányban csökken. A legtöbb elemi részecske, bár nem mindegyik, képes kölcsönhatásba lépni egymással olyan erővel, amely szintén fordítottan csökken a távolság négyzetével, de ez az erő sokszorosa a gravitációs erőnek.
A 14.1. ábrán vázlatosan látható hidrogénatomban tehát az elektron a gravitációs vonzás erejénél 10 39-szer nagyobb erővel vonzódik az atommaghoz (protonhoz).
Ha a részecskék olyan erőkkel lépnek kölcsönhatásba egymással, amelyek a távolság növekedésével ugyanúgy csökkennek, mint az egyetemes gravitációs erők, de sokszorosan meghaladják a gravitációs erőket, akkor ezek a részecskék elektromos töltéssel rendelkeznek. Magukat a részecskéket nevezzük töltött.
Vannak részecskék elektromos töltés nélkül, de nincs elektromos töltés részecske nélkül.
A töltött részecskék kölcsönhatását ún elektromágneses.
Az elektromos töltés határozza meg az elektromágneses kölcsönhatások intenzitását, ahogy a tömeg határozza meg a gravitációs kölcsönhatások intenzitását.
Az elemi részecske elektromos töltése nem egy speciális mechanizmus egy részecskében, amelyet eltávolítani lehetne belőle, alkatrészeire bontani és újra össze lehet állítani. Az elektromos töltés jelenléte egy elektronban és más részecskékben csak bizonyos erőkölcsönhatások létezését jelenti közöttük.
Lényegében semmit sem tudunk a töltésről, ha nem ismerjük ezeknek a kölcsönhatásoknak a törvényeit. A kölcsönhatások törvényeinek ismeretét bele kell foglalni a töltés megértéséhez. Ezek a törvények nem egyszerűek, és lehetetlen őket néhány szóban megfogalmazni. Ezért lehetetlen kellően kielégítően tömör definíciót adni a fogalomnak elektromos töltés.
Az elektromos töltések két jele.
Minden testnek van tömege, ezért vonzzák egymást. A feltöltött testek vonzzák és taszítják is egymást. Ez az Ön számára ismert legfontosabb tény azt jelenti, hogy a természetben vannak ellentétes előjelű elektromos töltésű részecskék; Azonos előjelű töltések esetén a részecskék taszítják, különböző előjelűek esetén pedig vonzzák.
Az elemi részecskék töltése - protonok, amelyek az összes atommag részét képezik, pozitívnak nevezzük, és a töltés elektronok- negatív. A pozitív és negatív töltések között nincs belső különbség. Ha a részecsketöltések előjeleit megfordítanák, akkor az elektromágneses kölcsönhatások természete egyáltalán nem változna.
elemi töltés.
Az elektronokon és protonokon kívül számos más típusú töltött elemi részecskék is léteznek. De csak az elektronok és a protonok létezhetnek korlátlan ideig szabad állapotban. A többi töltött részecske a másodperc milliomod része alatt él. Gyors elemi részecskék ütközése során születnek, és elhanyagolható ideig létezve bomlanak, és más részecskévé alakulnak. Ezekkel a részecskékkel a 11. osztályban fogsz megismerkedni.
Az elektromos töltéssel nem rendelkező részecskék közé tartozik neutron. Tömege alig haladja meg a proton tömegét. A neutronok a protonokkal együtt az atommag részét képezik. Ha egy elemi részecskének van töltése, akkor az értéke szigorúan meghatározott.
feltöltött testek A természetben az elektromágneses erők óriási szerepet játszanak, mivel minden test összetétele tartalmaz elektromosan töltött részecskéket. Az atomok alkotórészei - az atommagok és az elektronok - elektromos töltéssel rendelkeznek.
Az elektromágneses erők testek közötti közvetlen hatása nem észlelhető, mivel a testek normál állapotban elektromosan semlegesek.
Bármely anyag atomja semleges, mivel a benne lévő elektronok száma megegyezik az atommagban lévő protonok számával. A pozitív és negatív töltésű részecskék elektromos erők által kapcsolódnak egymáshoz, és semleges rendszereket alkotnak.
Egy makroszkopikus test elektromosan feltöltött, ha több elemi részecskét tartalmaz bármely töltésjellel. Tehát a test negatív töltése az elektronok számának többletének köszönhető a protonok számához képest, a pozitív töltés pedig az elektronok hiányának.
Ahhoz, hogy elektromosan töltött makroszkopikus testet kapjunk, azaz villamosítsuk, el kell választani a negatív töltés egy részét a hozzá tartozó pozitív töltéstől, vagy negatív töltést kell átvinni egy semleges testre.
Ezt súrlódással lehet megtenni. Ha fésűt vezet a száraz hajon, akkor a legmozgékonyabb töltésű részecskék kis része - az elektronok átjutnak a hajból a fésűbe, és negatívan töltik fel, a haj pedig pozitívan töltődik fel.
A töltések egyenlősége a villamosítás során
A tapasztalatok segítségével igazolható, hogy a súrlódás hatására felvillanyozva mindkét test ellentétes előjelű, de nagyságrendileg azonos töltést kap.
Vegyünk egy elektrométert, amelynek rúdjára egy lyukas fémgömb van rögzítve, és két lemezt hosszú nyélen: az egyik ebonit, a másik plexi. Egymáshoz súrlódáskor a lemezek felvillanyozódnak.
Vigyük be az egyik tányért a gömb belsejébe anélkül, hogy megérintené a falait. Ha a lemez pozitív töltésű, akkor a tűből és az elektrométerrúdból származó elektronok egy része a lemezhez vonzódik és összegyűlik belső felület gömbök. Ebben az esetben a nyíl pozitív töltésű lesz, és taszítja az elektrométer rúdját (14.2. ábra, a).
Ha egy másik lemezt helyezünk be a gömb belsejébe, miután eltávolítottuk az elsőt, akkor a gömb és a rúd elektronjai kilökődnek a lemezről, és feleslegben halmozódnak fel a nyílon. Ez azt eredményezi, hogy a nyíl eltér a rúdtól, ráadásul ugyanolyan szögben, mint az első kísérletben.
Miután mindkét lemezt leeresztettük a gömb belsejébe, egyáltalán nem fogjuk látni a nyíl elhajlását (14.2. ábra, b). Ez azt bizonyítja, hogy a lemezek töltései egyenlő nagyságúak és ellentétes előjelűek.
A testek villamosítása és megnyilvánulásai. A szintetikus szövetek súrlódása során jelentős villamosítás következik be. Száraz levegőn egy szintetikus anyagból készült inget levetve jellegzetes recsegés hallható. Kis szikrák ugrálnak a súrlódó felületek feltöltött területei között.
A nyomdákban a papír a nyomtatás során felvillanyozódik, a lapok összetapadnak. Ennek megakadályozására speciális eszközöket használnak a töltés leürítésére. A szorosan érintkező testek villamosítását azonban néha alkalmazzák, például különféle elektromásológépekben stb.
Az elektromos töltés megmaradásának törvénye.
A lemezek villamosításával kapcsolatos tapasztalatok azt igazolják, hogy a súrlódással történő villamosításkor a meglévő töltések újra eloszlanak a korábban semleges testek között. Az elektronok kis része egyik testből a másikba kerül. Ebben az esetben új részecskék nem jelennek meg, és a korábban meglévők nem tűnnek el.
A testek villamosítása során az elektromos töltés megmaradásának törvénye. Ez a törvény olyan rendszerre érvényes, amely nem kívülről lép be, és amelyből nem távoznak töltött részecskék, azaz elkülönített rendszer.
Izolált rendszerben az összes test töltéseinek algebrai összege megmarad.
q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = állandó. (14.1)
ahol q 1, q 2 stb. az egyes töltött testek töltései.
A töltésmegmaradás törvényének mély értelme van. Ha a töltött elemi részecskék száma nem változik, akkor a töltésmegmaradás törvénye nyilvánvaló. De az elemi részecskék átalakulhatnak egymásba, megszülethetnek és eltűnhetnek, életet adva új részecskéknek.
A töltött részecskék azonban minden esetben csak párban keletkeznek, azonos modulusú és ellentétes előjelű töltésekkel; a töltött részecskék is csak párban tűnnek el, semlegesekké alakulva. És ezekben az esetekben a töltések algebrai összege változatlan marad.
A töltésmegmaradás törvényének érvényességét megerősítik az elemi részecskék nagyszámú átalakulásának megfigyelései. Ez a törvény az elektromos töltés egyik legalapvetőbb tulajdonságát fejezi ki. A töltés megőrzésének oka egyelőre ismeretlen.
Az elektromos töltés a részecskék és fizikai testek olyan tulajdonsága, amely a külső és belső elektromágneses mezőkkel való kölcsönhatásukat jellemzi. Az elektronok a legegyszerűbb töltött részecskék. Mint az általános iskolai fizikából ismeretes, bármely fizikai test molekulákból áll, amelyek viszont atomokból állnak. Bármely atom pozitív töltésű magból és negatív töltésű elektronokból áll, amelyek keringenek az atommag körül olyan pályán, mint a bolygók forgása a Nap körül.
A feltöltött tárgyakat más töltött részecskék vagy tárgyak vonzzák. Ugyanebből az iskolai fizikából emlékszünk a legegyszerűbb gyakorlati kísérletekre is elektromos töltésekkel. Például, ha veszel egy léggömböt, és gyorsan hozzádörzsölöd egy jumperhez, majd a kopott oldalával a falhoz rögzíted, a ballon hozzátapad. Ez azért történt, mert feltöltöttük a ballont, és elektromos vonzási erő volt közte és a fal között. (Bár a fal kezdetben nem volt feltöltve, töltés keletkezett rajta, amikor a ballon megközelítette.)
Az elektromosan töltött testek és részecskék kétféleek: negatív és pozitív. Az ellentétes töltések vonzzák egymást, és a hasonló töltések taszítják egymást. Ennek jó analógiája a közönséges mágnesek, amelyeket ellentétes pólusok vonzanak egymáshoz, és a hasonlók taszítják. Mint mondtuk, az elektronok negatív töltéssel rendelkeznek, és atommagok- pozitív (az atommag összetételében vannak pozitív töltésű protonok, valamint elektromos töltéssel nem rendelkező neutronok). A magfizikában a részecskéket is figyelembe veszik - pozitronokat, amelyek tulajdonságai hasonlóak az elektronokhoz, de pozitív töltéssel rendelkeznek. Bár a pozitron csak fizikai és matematikai absztrakció, pozitronokat nem találtak a természetben.
Ha nincsenek pozitronjaink, akkor hogyan tölthetünk fel pozitívan egy tárgyat? Tegyük fel, hogy van egy tárgy, amely negatív töltésű volt, mert a felületén 2000 szabad (vagyis nem meghatározott atommagokhoz kapcsolódó) elektron található.
Figyelembe véve egy másik hasonló objektumot, amelynek csak 1000 szabad elektronja van a felületén, azt mondhatjuk, hogy az első tárgy negatívabb töltésű, mint a második. De az is elmondható, hogy a második tárgy pozitívabb töltésű, mint az első. Csak az a kérdés, hogy matematikailag mit fogadnak el eredetként, és milyen szempontból nézzük a vádakat.
A léggömb feltöltéséhez némi munkát kell végeznie és energiát kell költenie. Le kell győzni a léggömb súrlódását a gyapjú jumperen. A súrlódás során az elektronok egyik felületről a másikra mozognak. Ezért az egyik tárgy (a léggömb) többlet szabad elektront kapott és negatív töltésű lett, míg a gyapjú jumper ugyanennyi szabad elektront veszített és pozitív töltésű lett.
Elektromosság. Elektromos erő. Az elektromos áram munkája
Ezért a léggömbnek a jumperhez kell tapadnia. Vagy nem? Természetesen a jumper vonzza, mivel ennek a két testnek ellentétes előjelű elektromos töltése van. De mi történik, ha összeérnek? A léggömb nem ragad! Ennek az az oka, hogy a jumper pozitív töltésű szálai hozzáérnek a ballon negatív töltésű területeihez, és a ballon felszínéről szabad elektronokat vonzani fog a jumper és visszatérnek hozzá, így semlegesítve a töltést.
Amikor a labda érintkezésbe került a jumperrel, szabad elektronok áramlása keletkezett közöttük, ami mindig kíséri az elektromos jelenségeket. Innentől kezdve leállíthatja a labdákról és jumperekről folytatott absztrakt beszélgetéseket, és közvetlenül az elektrotechnikára léphet.
Az elektron egy nagyon kicsi részecske (és egyáltalán részecske, vagy egy csomó energia - a fizikusok még mindig nem jutottak konszenzusra ebben a kérdésben), és kicsi a töltése, ezért kényelmesebb az elektromos töltés mértékegysége szükséges, mint ahány szabad elektron van egy töltött test felületén. Ilyen kényelmes egység az elektromos töltés mérésére a függő (C). Most már azt mondhatjuk, hogy ha két test elektromos töltéseinek különbsége 1 függő, akkor hozzávetőlegesen 6 180 000 000 000 000 000 elektron mozdul el kölcsönhatásuk során. Természetesen a medálokban való mérés sokkal kényelmesebb!
Morgan Jones
Csöves erősítők
Fordítás angolból a Ph.D. általános tudományos szerkesztésében. Assoc. Ivanyushkina R Yu.
