Cargas eléctricas. Cargas eléctricas Cargas eléctricas de un protón y un electrón.
Si frota una varilla de vidrio sobre una hoja de papel, la varilla adquirirá la capacidad de atraer hojas del "sultán" (ver Fig. 1.1), pelusas y finos chorros de agua. Cuando peinas el cabello seco con un peine de plástico, el cabello se siente atraído por el peine. En estos simples ejemplos encontramos la manifestación de fuerzas que se llaman eléctrico.
Arroz. 1.1. Atrayendo las hojas del “sultán” con una varilla de vidrio electrificada.
Los cuerpos o partículas que actúan sobre los objetos circundantes con fuerzas eléctricas se llaman cargado o electrificado. Por ejemplo, la varilla de vidrio mencionada anteriormente, después de frotarla sobre un trozo de papel, se electrifica.
Las partículas tienen carga eléctrica si interactúan entre sí mediante fuerzas eléctricas. Las fuerzas eléctricas disminuyen al aumentar la distancia entre las partículas. Las fuerzas eléctricas son muchas veces mayores que las fuerzas de la gravedad universal.
Carga eléctrica es una cantidad física que determina la intensidad de las interacciones electromagnéticas. Las interacciones electromagnéticas son interacciones entre partículas o cuerpos cargados.
Las cargas eléctricas se dividen en positivas y negativas. Las partículas elementales estables tienen carga positiva. protones Y positrones, así como iones de átomos metálicos, etc. Los portadores de carga negativa estables son electrón Y antiprotón.
Existen partículas descargadas eléctricamente, es decir, neutras: neutrón, neutrino. Estas partículas no participan en interacciones eléctricas, ya que su carga eléctrica es cero. Hay partículas sin carga eléctrica, pero no existe carga eléctrica sin partícula.
Aparecen cargas positivas sobre vidrio frotado con seda. La ebonita frotada sobre la piel tiene cargas negativas. Las partículas se repelen cuando las cargas tienen los mismos signos ( cargos del mismo nombre), y con diferentes signos ( a diferencia de los cargos) las partículas son atraídas.
Todos los cuerpos están hechos de átomos. Los átomos constan de un núcleo atómico cargado positivamente y electrones cargados negativamente que se mueven alrededor del núcleo atómico. El núcleo atómico está formado por protones cargados positivamente y partículas neutras: neutrones. Las cargas de un átomo están distribuidas de tal manera que el átomo en su conjunto es neutro, es decir, la suma de las cargas positivas y negativas del átomo es cero.
Los electrones y protones forman parte de cualquier sustancia y son las partículas elementales estables más pequeñas. Estas partículas pueden existir en estado libre durante un tiempo ilimitado. La carga eléctrica de un electrón y un protón se llama carga elemental.
Carga elemental- esta es la carga mínima que tienen todas las partículas elementales cargadas. La carga eléctrica de un protón es igual en valor absoluto a la carga de un electrón:
E = 1,6021892(46) * 10 -19 C La magnitud de cualquier carga es un múltiplo en valor absoluto de la carga elemental, es decir, la carga del electrón. Electrón traducido del griego electrón - ámbar, protón - del griego protos - primero, neutrón del latín neutrum - ni lo uno ni lo otro.
Conductores y dieléctricos.
Las cargas eléctricas pueden moverse. Las sustancias en las que las cargas eléctricas pueden moverse libremente se llaman conductores. Buenos conductores son todos los metales (conductores del primer tipo), soluciones acuosas de sales y ácidos. electrolitos(conductores tipo II), así como gases calientes y otras sustancias. El cuerpo humano también es un conductor. Los conductores tienen una alta conductividad eléctrica, es decir, conducen bien la corriente eléctrica.
Las sustancias en las que las cargas eléctricas no pueden moverse libremente se llaman dieléctricos(del inglés dielectric, del griego dia - Through, Through y del inglés electric - electric). Estas sustancias también se llaman aisladores. La conductividad eléctrica de los dieléctricos es muy baja en comparación con los metales. Buenos aislantes son la porcelana, el vidrio, el ámbar, la ebonita, el caucho, la seda, los gases a temperatura ambiente y otras sustancias.
La división en conductores y aislantes es arbitraria, ya que la conductividad depende de varios factores, incluida la temperatura. Por ejemplo, el vidrio aísla bien sólo en aire seco y se convierte en un mal aislante cuando la humedad del aire es alta.
Los conductores y dieléctricos desempeñan un papel muy importante en las aplicaciones modernas de la electricidad.
Hasta principios del siglo XX, los científicos creían que el átomo era la partícula indivisible más pequeña de la materia, pero resultó ser incorrecto. De hecho, en el centro del átomo se encuentra su núcleo con protones cargados positivamente y neutrones neutros, y los electrones cargados negativamente giran en orbitales alrededor del núcleo (este modelo del átomo fue propuesto en 1911 por E. Rutherford). Es de destacar que las masas de protones y neutrones son casi iguales, pero la masa de un electrón es aproximadamente 2000 veces menor.
Aunque un átomo contiene partículas cargadas tanto positiva como negativamente, su carga es neutra, porque un átomo tiene la misma cantidad de protones y electrones, y las partículas con cargas diferentes se neutralizan entre sí.
Más tarde, los científicos descubrieron que los electrones y los protones tienen la misma cantidad de carga, igual a 1,6 · 10 -19 C (C es un culombio, una unidad de carga eléctrica en el sistema SI.
¿Alguna vez has pensado en la pregunta: ¿cuántos electrones corresponde a una carga de 1 C?
1/(1,6·10 -19) = 6,25·10 18 electrones
Energia electrica
Las cargas eléctricas se influyen entre sí, lo que se manifiesta en la forma. fuerza eléctrica.
Si un cuerpo tiene un exceso de electrones, tendrá una carga eléctrica totalmente negativa, y viceversa: si hay una deficiencia de electrones, el cuerpo tendrá una carga eléctrica total positiva.
Por analogía con las fuerzas magnéticas, cuando los polos con carga similar se repelen y los polos con carga opuesta se atraen, las cargas eléctricas se comportan de manera similar. Sin embargo, en física no basta con hablar simplemente de la polaridad de una carga eléctrica: su valor numérico es importante.
Para conocer la magnitud de la fuerza que actúa entre cuerpos cargados, es necesario conocer no sólo la magnitud de las cargas, sino también la distancia entre ellas. La fuerza de gravitación universal ya ha sido considerada anteriormente: F = (Gm 1 m 2)/R 2
- metro 1, metro 2- masas corporales;
- R- la distancia entre los centros de los cuerpos;
- G = 6,67·10-11 Nm2/kg- constante gravitacional universal.
Como resultado de experimentos de laboratorio, los físicos derivaron una fórmula similar para la fuerza de interacción de cargas eléctricas, que se llamó ley de Coulomb:
F = kq 1 q 2 /r 2
- q 1, q 2 - cargas que interactúan, medidas en C;
- r es la distancia entre cargas;
- k - coeficiente de proporcionalidad ( SI: k=8,99 · 109 Nm2Cl2; SSSE:k=1).
- k=1/(4πε 0).
- ε 0 ≈8.85·10 -12 C 2 N -1 m -2 - constante eléctrica.
Según la ley de Coulomb, si dos cargas tienen el mismo signo, entonces la fuerza F que actúa entre ellas es positiva (las cargas se repelen); si las cargas tienen signos opuestos, la fuerza que actúa es negativa (las cargas se atraen entre sí).
La magnitud de la fuerza de una carga de 1 C se puede juzgar mediante la ley de Coulomb. Por ejemplo, si suponemos que dos cargas, cada una de 1 C, están espaciadas a una distancia de 10 metros entre sí, entonces se repelerán con fuerza:
F = kq 1 q 2 /r 2 F = (8,99 10 9) 1 1/(10 2) = -8,99 10 7 N
Se trata de una fuerza bastante grande, aproximadamente comparable a una masa de 5.600 toneladas.
Usemos ahora la ley de Coulomb para averiguar a qué velocidad lineal gira el electrón en un átomo de hidrógeno, suponiendo que se mueve en una órbita circular.
Según la ley de Coulomb, la fuerza electrostática que actúa sobre un electrón se puede equiparar a la fuerza centrípeta:
F = kq 1 q 2 /r 2 = mv 2 /r
Teniendo en cuenta que la masa del electrón es 9,1·10 -31 kg y el radio de su órbita = 5,29·10 -11 m, obtenemos el valor 8,22·10 -8 N.
Ahora podemos encontrar la velocidad lineal del electrón:
8,22·10 -8 = (9,1·10 -31)v 2 /(5,29·10 -11) v = 2,19·10 6 m/s
Así, el electrón del átomo de hidrógeno gira alrededor de su centro a una velocidad de aproximadamente 7,88 millones de km/h.
DEFINICIÓN
Protón Se llama partícula estable perteneciente a la clase de los hadrones, que es el núcleo de un átomo de hidrógeno.
Los científicos no están de acuerdo sobre qué acontecimiento científico debe considerarse el descubrimiento del protón. Un papel importante en el descubrimiento del protón lo desempeñaron:
- creación de un modelo planetario del átomo por E. Rutherford;
- descubrimiento de isótopos por F. Soddy, J. Thomson, F. Aston;
- observaciones del comportamiento de los núcleos de los átomos de hidrógeno cuando son eliminados por partículas alfa de los núcleos de nitrógeno por E. Rutherford.
Las primeras fotografías de huellas de protones las obtuvo P. Blackett en una cámara de niebla mientras estudiaba los procesos de transformación artificial de elementos. Blackett estudió el proceso de captura de partículas alfa por núcleos de nitrógeno. En este proceso se emitió un protón y el núcleo de nitrógeno se convirtió en un isótopo de oxígeno.
Los protones, junto con los neutrones, forman parte de los núcleos de todos los elementos químicos. El número de protones en el núcleo determina el número atómico del elemento en la tabla periódica D.I. Mendeleev.
Un protón es una partícula cargada positivamente. Su carga es igual en magnitud a la carga elemental, es decir, el valor de la carga del electrón. La carga de un protón a menudo se denota como , entonces podemos escribir que:
Actualmente se cree que el protón no es una partícula elemental. Tiene una estructura compleja y consta de dos quarks u y un quark d. La carga eléctrica de un quark u () es positiva y es igual a
La carga eléctrica de un quark d () es negativa e igual a:
Los quarks conectan el intercambio de gluones, que son cuantos de campo, soportan una fuerte interacción. El hecho de que los protones tengan varios centros de dispersión puntuales en su estructura se confirma mediante experimentos sobre la dispersión de electrones por protones.
El protón tiene un tamaño finito, sobre el cual los científicos aún discuten. Actualmente, el protón se representa como una nube que tiene un límite borroso. Tal límite consiste en partículas virtuales que emergen y aniquilan constantemente. Pero en la mayoría de los problemas simples, un protón puede, por supuesto, considerarse una carga puntual. La masa en reposo de un protón () es aproximadamente igual a:
La masa de un protón es 1836 veces mayor que la masa de un electrón.
Los protones participan en todas las interacciones fundamentales: las interacciones fuertes unen a los protones y neutrones en núcleos, los electrones y los protones se unen en átomos mediante interacciones electromagnéticas. Como interacción débil podemos citar, por ejemplo, la desintegración beta de un neutrón (n):
donde p es un protón; — electrón; - antineutrino.
Aún no se ha obtenido la desintegración de protones. Este es uno de los problemas importantes de la física moderna, ya que este descubrimiento sería un paso importante hacia la comprensión de la unidad de las fuerzas de la naturaleza.
Ejemplos de resolución de problemas
EJEMPLO 1
| Ejercicio | Los núcleos del átomo de sodio son bombardeados con protones. ¿Cuál es la fuerza de repulsión electrostática de un protón desde el núcleo de un átomo si el protón está a una distancia?  m) Consideremos que la carga del núcleo de un átomo de sodio es 11 veces mayor que la carga de un protón. Se puede ignorar la influencia de la capa electrónica del átomo de sodio. |
| Solución | Como base para resolver el problema, tomaremos la ley de Coulomb, que se puede escribir para nuestro problema (suponiendo que las partículas sean puntuales) de la siguiente manera:
donde F es la fuerza de interacción electrostática de partículas cargadas; Cl es la carga del protón; - carga del núcleo del átomo de sodio; - constante dieléctrica del vacío; - constante eléctrica. Usando los datos que tenemos, podemos calcular la fuerza repulsiva requerida: |
| Respuesta | norte |
EJEMPLO 2
| Ejercicio | Considerando el modelo más simple del átomo de hidrógeno, se cree que el electrón se mueve en una órbita circular alrededor del protón (el núcleo del átomo de hidrógeno). ¿Cuál es la velocidad de un electrón si el radio de su órbita es m? |
| Solución | Consideremos las fuerzas (Fig. 1) que actúan sobre un electrón que se mueve en círculo. Esta es la fuerza de atracción del protón. Según la ley de Coulomb, escribimos que su valor es igual a ():
donde =— carga de electrones; |
- carga de protones; - constante eléctrica. La fuerza de atracción entre un electrón y un protón en cualquier punto de la órbita del electrón se dirige del electrón al protón a lo largo del radio del círculo.¿La sustancia se sentirá más caliente al tacto en climas cálidos?
mi) vidrio
4. ¿Cuánto calor se liberará durante la combustión completa de gasolina que pesa 5 kg? El calor específico de combustión de la gasolina es 4,6 * 10^7 J/kg.
5. ¿Qué cargas eléctricas tienen un electrón y un protón?
1) Determine la intensidad de la corriente en una bombilla si una carga eléctrica de 300 C pasa a través de su filamento en 10 minutos.2) ¿Qué carga eléctrica pasará por el amperímetro en 3 minutos cuando la corriente en el circuito es de 0,2 A?
3) Cuando se suelda eléctricamente, la corriente alcanza los 200 A. ¿Cuánto tiempo tarda una carga de 60.000 C en pasar por la sección transversal del electrodo?
4) Una carga de 600 C pasó por la espiral de la estufa eléctrica en 2 minutos ¿Cuál es la intensidad de la corriente en la espiral?
5) La corriente en el hierro es de 0,2 A. ¿Qué carga eléctrica pasará por su bobina en 5 minutos?
6) ¿Cuánto tiempo tardará una carga igual a 30 C en atravesar la sección transversal del conductor con una corriente de 200 mA?
POR FAVOR AYUDA AA!! Determine la intensidad de la corriente en una lámpara eléctrica si una carga eléctrica de 300 C pasa a través de su filamento en 10 minutos.¿Qué carga eléctrica pasará por el amperímetro en 3 minutos cuando la corriente en el circuito es de 0,2 A?
4. No podemos ver electrones moviéndose en un conductor metálico. Podemos juzgar la presencia de corriente eléctrica en un circuito por los efectos de la corriente. Cual¿Las acciones no son las provocadas por la corriente eléctrica? A) térmica; B) mecánico; C) magnético; D) químico. 5. En la antigüedad se suponía que en todos los conductores podían moverse tanto cargas eléctricas positivas como negativas. ¿El movimiento de qué partículas en un campo eléctrico se considera la dirección de la corriente? A) cargas positivas; B) electrones; C) neutrones; D) iones negativos. 6. Ampere Andre Marie: físico y matemático francés. Creó la primera teoría que expresaba la conexión entre los fenómenos eléctricos y magnéticos. Ampere tiene una hipótesis sobre la naturaleza del magnetismo. ¿Y qué concepto introdujo por primera vez en la física? A) fuerza actual; B) corriente eléctrica; C) electrón; D) carga eléctrica. 7. El trabajo realizado por las fuerzas del campo eléctrico que crea una corriente eléctrica se llama trabajo de la corriente. Depende de la fuerza actual. Pero el trabajo no depende únicamente de la fuerza actual. ¿De qué otra cantidad depende? A) voltaje; B) poder; C) cantidad de calor; D) velocidad. 8. Para medir el voltaje en los polos de una fuente de corriente o en alguna sección del circuito se utiliza un dispositivo llamado voltímetro. Muchos voltímetros son muy similares en apariencia a los amperímetros. Para distinguirlo de otros dispositivos, en la escala se coloca la letra V. Pero, ¿cómo se conecta un voltímetro al circuito? A) en paralelo; B) secuencialmente; C) estrictamente detrás de la batería; D) conectado a un amperímetro. 9. La dependencia de la intensidad de la corriente de las propiedades del conductor se explica por el hecho de que diferentes conductores tienen diferente resistencia eléctrica. ¿De qué no depende la resistencia? A) por diferencias en la estructura de la red cristalina; B) en peso; C) por longitud; D) del área de la sección transversal. 10. Hay dos formas de conectar conductores: paralelo y serie. Es muy conveniente utilizar conexiones paralelas de consumidores en la vida cotidiana y en la tecnología. ¿Qué cantidad eléctrica es la misma para todos los conductores conectados en paralelo: A) intensidad de corriente; B) voltaje; C) tiempo; D) resistencia. 11. En 5 s de movimiento, un cuerpo recorre una distancia de 12,5 m ¿Qué distancia recorrerá el cuerpo en 6 s de movimiento, si el cuerpo se mueve con aceleración constante? A) 25 metros; B) 13 metros; C) 36 metros; D) 18 m 12. Un estudiante recorrió un tercio del camino en autobús a una velocidad de 60 km/h, y otro tercio del camino en bicicleta a una velocidad de 20 km/h. El último tercio del viaje se realizó a una velocidad de 5 km/h. Determine la velocidad promedio de movimiento. A) 30 kilómetros por hora; B) 10 kilómetros por hora; C) 283 kilómetros por hora; D) 11,25 kilómetros por hora. 13. Se considera que la densidad del agua es 1000 kg/m3 y la densidad del hielo es 900 kg/m3. Si un témpano de hielo flota y sobresale 50 m3 sobre la superficie del agua, ¿cuál es el volumen de todo el témpano de hielo? A) 100m3; B) 200 m3; C) 150m3; D) 500m3. 14. Se colocan pesas y () en los extremos de una varilla delgada de longitud L. La varilla está suspendida de un hilo y ubicada horizontalmente. Encuentre la distancia x desde la masa m1 hasta el punto de suspensión del hilo. Desprecie la masa de la varilla: A) x = (L∙m2) / (m1 – m2); B) x = (L∙m2) / (m1 + m2); C) x = (L∙m1) / (m1 – m2); D) x = (L∙m1) / (m1 + m2). 15. Los escaladores suben a la cima de la montaña. ¿Cómo cambia la presión atmosférica cuando los atletas se mueven? A) aumentará; B) no cambiará; C) no hay una respuesta correcta. D) disminuirá;
¿Qué es un átomo? Traducido al ruso, átomo significa indivisible. Durante mucho tiempo nadie pudo refutar esta afirmación. Finalmente, a finales del siglo XIX se demostró que el átomo se divide en partículas más pequeñas, siendo las principales los electrones, protones y neutrones.
Al estudiar estas partículas, resultó que los protones y los electrones tienen cargas eléctricas y sus cargas son iguales en magnitud, pero de signo opuesto. La carga de un electrón se refiere a esa electricidad que se llama negativa, y la carga de un protón se refiere a la que se llama positiva.
La masa de un electrón es aproximadamente 1840 veces menor que la masa de un protón.
Dado que los electrones y los protones están cargados eléctricamente, obedecen la ley de interacción de las cargas eléctricas: las cargas similares se repelen (protón con protón y electrón con electrón) y las cargas diferentes se atraen (protón con electrón).
Neutrón- la tercera partícula del átomo, la masa es igual a la del protón, pero el neutrón no tiene carga eléctrica. Se dice que es eléctricamente neutro, de ahí su nombre: neutrón.
Como se mencionó anteriormente, el átomo tiene una estructura muy compleja, pero por primera vez podemos limitarnos a la siguiente idea simplificada de su estructura.
En el centro del átomo está el núcleo, está formado por protones y neutrones, por lo tanto está cargado positivamente. Los electrones giran alrededor del núcleo a una distancia impresionante, cientos de miles de veces mayor que su tamaño.
Dado que cada átomo tiene la misma cantidad de electrones que de protones, se considera eléctricamente neutro.
El átomo más simple en estructura es el átomo de hidrógeno; su núcleo consta de un protón, alrededor del cual gira un electrón.
Los átomos de diversas sustancias se diferencian entre sí por el número de protones, neutrones y electrones.
¿Qué es un ion? Si de alguna manera un átomo pierde uno o más electrones, quedará cargado positivamente, dicho átomo se llamará ion positivo, y si el átomo gana uno o más electrones, se llamará ion negativo, porque estará cargado negativamente. .
Campo eléctrico. Los científicos han establecido la existencia de un tipo especial de materia: un campo. Alrededor de las cargas eléctricas existe también un campo llamado eléctrico. Un rasgo característico de este campo es la fuerza mecánica que actúa sobre las cargas eléctricas ubicadas en este campo. Muy a menudo, el campo eléctrico se representa en dibujos en forma de flechas que muestran la dirección en la que se movería una carga positiva libre bajo la influencia de las fuerzas de este campo. Estas líneas también se llaman líneas eléctricas. En realidad no hay colas.
Conductores y aisladores. En diferentes sustancias, los electrones están unidos a sus átomos de diferentes maneras, en algunas el enlace es fuerte, en otras no. Los electrones que están mal unidos a los átomos y que pueden abandonarlos fácilmente se llaman electrones libres. Si en uno de los puntos de una sustancia en el que hay electrones libres, se crea un exceso de ellos, y en otro, una deficiencia, entonces, manteniendo un movimiento caótico, comenzarán a moverse con toda su masa hacia ese punto. el lado donde no hay suficientes electrones. Este movimiento unidireccional se llamará corriente eléctrica. Las sustancias que contienen electrones libres se llaman conductores de corriente eléctrica. En otras sustancias, por ejemplo la mica, el caucho, los electrones, por el contrario, están muy estrechamente unidos a sus átomos y en condiciones normales no podrán salir de ellos; en tales sustancias nunca surgirá corriente, por eso se llaman no conductores o aislantes.