Apakah cas yang ada pada elektron dan proton? Caj elektrik. Contoh penyelesaian masalah

Jika anda menggosok batang kaca pada helaian kertas, rod akan memperoleh keupayaan untuk menarik daun "sultan" (lihat Rajah 1.1), bulu, dan aliran air yang nipis. Apabila anda menyikat rambut kering dengan sikat plastik, rambut tertarik pada sikat. Dalam contoh mudah ini kita menghadapi manifestasi kuasa yang dipanggil elektrik.

nasi. 1.1. Menarik daun "sultan" dengan batang kaca elektrik.

Badan atau zarah yang bertindak pada objek sekeliling dengan daya elektrik dipanggil dikenakan bayaran atau dielektrik. Sebagai contoh, batang kaca yang dinyatakan di atas, selepas disapu pada sekeping kertas, menjadi elektrik.

Zarah mempunyai cas elektrik jika ia berinteraksi antara satu sama lain melalui daya elektrik. Daya elektrik berkurangan dengan bertambahnya jarak antara zarah. Daya elektrik adalah berkali ganda lebih besar daripada daya graviti sejagat.

Caj elektrik ialah kuantiti fizik yang menentukan keamatan interaksi elektromagnet. Interaksi elektromagnet ialah interaksi antara zarah atau jasad bercas.

Caj elektrik terbahagi kepada positif dan negatif. Zarah asas yang stabil mempunyai cas positif - proton Dan positron, serta ion atom logam, dsb. Pembawa cas negatif yang stabil adalah elektron Dan antiproton.

Terdapat zarah yang tidak bercas elektrik, iaitu zarah neutral: neutron, neutrino. Zarah ini tidak mengambil bahagian dalam interaksi elektrik, kerana cas elektriknya adalah sifar. Terdapat zarah tanpa cas elektrik, tetapi cas elektrik tidak wujud tanpa zarah.

Caj positif muncul pada kaca yang disapu dengan sutera. Ebonit yang disapu pada bulu mempunyai cas negatif. Zarah menolak apabila cas mempunyai tanda yang sama ( tuduhan dengan nama yang sama), dan dengan tanda yang berbeza ( tidak seperti caj) zarah tertarik.

Semua jasad diperbuat daripada atom. Atom terdiri daripada nukleus atom bercas positif dan elektron bercas negatif yang bergerak mengelilingi nukleus atom. Nukleus atom terdiri daripada proton bercas positif dan zarah neutral - neutron. Caj dalam atom diagihkan sedemikian rupa sehingga atom secara keseluruhan adalah neutral, iaitu, jumlah cas positif dan negatif dalam atom adalah sifar.

Elektron dan proton adalah sebahagian daripada sebarang bahan dan merupakan zarah asas terkecil yang stabil. Zarah ini boleh wujud dalam keadaan bebas untuk masa yang tidak terhad. Caj elektrik bagi elektron dan proton dipanggil cas asas.

Caj asas- ini ialah cas minimum yang dimiliki oleh semua zarah asas bercas. Caj elektrik proton adalah sama dalam nilai mutlak dengan cas elektron:

E = 1.6021892(46) * 10 -19 C Magnitud sebarang cas ialah gandaan dalam nilai mutlak cas asas, iaitu, cas elektron. Elektron diterjemahkan daripada elektron Yunani - ambar, proton - daripada protos Yunani - pertama, neutron daripada neutrum Latin - bukan satu atau yang lain.

Konduktor dan dielektrik

Caj elektrik boleh bergerak. Bahan di mana cas elektrik boleh bergerak bebas dipanggil konduktor. Konduktor yang baik adalah semua logam (konduktor jenis pertama), larutan akueus garam dan asid - elektrolit(konduktor jenis II), serta gas panas dan bahan lain. Tubuh manusia juga merupakan konduktor. Konduktor mempunyai kekonduksian elektrik yang tinggi, iaitu, ia mengalirkan arus elektrik dengan baik.

Bahan di mana cas elektrik tidak boleh bergerak bebas dipanggil dielektrik(dari bahasa Inggeris dielektrik, daripada bahasa Yunani dia - melalui, melalui dan Inggeris elektrik - elektrik). Bahan ini juga dipanggil penebat. Kekonduksian elektrik dielektrik adalah sangat rendah berbanding dengan logam. Penebat yang baik ialah porselin, kaca, ambar, ebonit, getah, sutera, gas pada suhu bilik dan bahan lain.

Pembahagian kepada konduktor dan penebat adalah sewenang-wenangnya, kerana kekonduksian bergantung kepada pelbagai faktor, termasuk suhu. Sebagai contoh, penebat kaca dengan baik hanya dalam udara kering dan menjadi penebat yang lemah apabila kelembapan udara tinggi.

Konduktor dan dielektrik memainkan peranan yang besar dalam aplikasi elektrik moden.

Apakah atom? Diterjemahkan ke dalam bahasa Rusia, atom bermaksud tidak boleh dibahagikan. Untuk sekian lama tiada siapa dapat menyangkal kenyataan ini. Akhirnya, pada akhir abad ke-19, terbukti bahawa atom dibahagikan kepada zarah yang lebih kecil, yang utama ialah elektron, proton dan neutron.

Apabila mengkaji zarah-zarah ini, ternyata proton dan elektron mempunyai cas elektrik, dan casnya adalah sama dalam magnitud, tetapi bertentangan dalam tanda. Caj elektron merujuk kepada elektrik yang dipanggil negatif, dan cas proton merujuk kepada yang dipanggil positif.

Jisim elektron adalah lebih kurang 1840 kali lebih kecil daripada jisim proton.

Memandangkan elektron dan proton bercas elektrik, mereka mematuhi undang-undang mengenai interaksi cas elektrik: seperti cas menolak (proton dengan proton dan elektron dengan elektron), dan tidak seperti cas menarik (proton dengan elektron).

Neutron- zarah ketiga dalam atom, jisimnya sama dengan proton, tetapi neutron tidak mempunyai cas elektrik. Ia dikatakan neutral secara elektrik, maka namanya - neutron.

Seperti yang dinyatakan di atas, atom mempunyai struktur yang sangat kompleks, tetapi buat pertama kalinya kita boleh menghadkan diri kita kepada idea ringkas berikut tentang strukturnya.

Di tengah-tengah atom adalah nukleus, ia terdiri daripada proton dan neutron, oleh itu ia bercas positif. Elektron berputar mengelilingi nukleus pada jarak yang mengagumkan, ratusan ribu kali lebih besar daripada saiznya.

Oleh kerana setiap atom mempunyai bilangan elektron yang sama dengan bilangan proton, ia dianggap neutral secara elektrik.

Atom paling mudah dalam struktur ialah atom hidrogen; nukleusnya terdiri daripada satu proton, di mana satu elektron berputar.

Atom pelbagai bahan berbeza antara satu sama lain dalam bilangan proton, neutron dan elektron.

Apakah ion? Sekiranya atom kehilangan satu atau lebih elektron, ia akan menjadi bercas positif, atom tersebut akan dipanggil ion positif, dan jika atom memperoleh satu atau lebih elektron, ia akan dipanggil ion negatif, kerana ia akan bercas negatif. .

Medan elektrik. Para saintis telah membuktikan kewujudan jenis jirim khas - bidang. Di sekeliling cas elektrik juga terdapat medan yang dipanggil elektrik. Ciri ciri medan ini ialah daya mekanikal yang bertindak ke atas cas elektrik yang terletak di medan ini. Selalunya, medan elektrik digambarkan dalam lukisan dalam bentuk anak panah yang menunjukkan arah di mana cas positif bebas akan bergerak di bawah pengaruh kuasa medan ini. Talian ini juga dipanggil talian kuasa. Pada hakikatnya tiada garis.

Konduktor dan penebat. Dalam bahan yang berbeza, elektron terikat kepada atomnya dengan cara yang berbeza, dalam sesetengah ikatan kuat, dalam yang lain tidak. Elektron yang tidak terikat dengan atom dan yang mudah meninggalkannya dipanggil elektron bebas. Jika dalam salah satu titik bahan di mana elektron bebas hadir, lebihan daripada mereka dicipta, dan di satu lagi - kekurangan, maka mereka, mengekalkan pergerakan kacau, akan mula bergerak dengan seluruh jisim mereka ke titik itu, bahagian yang tidak cukup elektron. Pergerakan sehala ini akan dipanggil arus elektrik. Bahan yang mengandungi elektron bebas dipanggil konduktor arus elektrik. Dalam bahan lain, contohnya mika, getah, elektron, sebaliknya, sangat terikat pada atomnya dan dalam keadaan normal tidak akan dapat meninggalkannya; dalam bahan tersebut, arus tidak akan timbul, itulah sebabnya ia dipanggil bukan konduktor, atau penebat.

Sehingga awal abad ke-20, saintis percaya bahawa atom adalah zarah jirim terkecil yang tidak boleh dibahagikan, tetapi ini ternyata salah. Malah, di tengah-tengah atom adalah nukleusnya dengan proton bercas positif dan neutron neutral, dan elektron bercas negatif berputar dalam orbital mengelilingi nukleus (model atom ini dicadangkan pada tahun 1911 oleh E. Rutherford). Perlu diperhatikan bahawa jisim proton dan neutron adalah hampir sama, tetapi jisim elektron adalah kira-kira 2000 kali lebih kecil.

Walaupun atom mengandungi zarah bercas positif dan negatif, casnya adalah neutral, kerana atom mempunyai bilangan proton dan elektron yang sama, dan zarah bercas berbeza meneutralkan satu sama lain.

Kemudian, saintis mendapati bahawa elektron dan proton mempunyai jumlah cas yang sama, bersamaan dengan 1.6 10 -19 C (C ialah coulomb, unit cas elektrik dalam sistem SI.

Pernahkah anda terfikir tentang soalan - berapakah bilangan elektron yang sepadan dengan cas 1 C?

1/(1.6·10 -19) = 6.25·10 18 elektron

Kuasa elektrik

Caj elektrik mempengaruhi satu sama lain, yang menunjukkan dirinya dalam bentuk daya elektrik.

Jika badan mempunyai lebihan elektron, ia akan mempunyai jumlah cas elektrik negatif, dan sebaliknya - jika terdapat kekurangan elektron, badan akan mempunyai jumlah cas positif.

Dengan analogi dengan daya magnet, apabila kutub bercas serupa menolak dan kutub bercas bertentangan menarik, cas elektrik berkelakuan dengan cara yang sama. Walau bagaimanapun, dalam fizik tidak cukup dengan hanya bercakap tentang kekutuban cas elektrik; nilai berangkanya adalah penting.

Untuk mengetahui magnitud daya yang bertindak antara jasad bercas, adalah perlu untuk mengetahui bukan sahaja magnitud cas, tetapi juga jarak antara mereka. Daya graviti universal telah pun dipertimbangkan sebelum ini: F = (Gm 1 m 2)/R 2

• m 1, m 2- jisim badan;
• R- jarak antara pusat badan;
• G = 6.67 10 -11 Nm 2 /kg- pemalar graviti sejagat.

Hasil daripada eksperimen makmal, ahli fizik memperoleh formula yang sama untuk daya interaksi cas elektrik, yang dipanggil hukum Coulomb:

F = kq 1 q 2 /r 2

• q 1, q 2 - caj berinteraksi, diukur dalam C;
• r ialah jarak antara cas;
• k - pekali perkadaran ( SI: k=8.99·10 9 Nm 2 Cl 2; SSSE: k=1).

• k=1/(4πε 0).
• ε 0 ≈8.85·10 -12 C 2 N -1 m -2 - pemalar elektrik.

Mengikut undang-undang Coulomb, jika dua cas mempunyai tanda yang sama, maka daya F yang bertindak di antara mereka adalah positif (cas-cas tersebut menolak satu sama lain); jika cas mempunyai tanda yang bertentangan, daya bertindak adalah negatif (cas menarik antara satu sama lain).

Betapa besarnya daya cas 1 C boleh dinilai menggunakan hukum Coulomb. Sebagai contoh, jika kita mengandaikan bahawa dua cas, setiap satu 1 C, dijarakkan pada jarak 10 meter antara satu sama lain, maka ia akan menolak satu sama lain dengan kekerasan:

F = kq 1 q 2 /r 2 F = (8.99 10 9) 1 1/(10 2) = -8.99 10 7 N

Ini adalah kuasa yang agak besar, kira-kira setanding dengan jisim 5600 tan.

Mari kita gunakan hukum Coulomb untuk mengetahui pada kelajuan linear berapa elektron berputar dalam atom hidrogen, dengan mengandaikan bahawa ia bergerak dalam orbit bulat.

Menurut undang-undang Coulomb, daya elektrostatik yang bertindak ke atas elektron boleh disamakan dengan daya sentripetal:

F = kq 1 q 2 /r 2 = mv 2 /r

Dengan mengambil kira fakta bahawa jisim elektron ialah 9.1·10 -31 kg, dan jejari orbitnya = 5.29·10 -11 m, kita memperoleh nilai 8.22·10 -8 N.

Sekarang kita boleh mencari kelajuan linear elektron:

8.22·10 -8 = (9.1·10 -31)v 2 /(5.29·10 -11) v = 2.19·10 6 m/s

Oleh itu, elektron atom hidrogen berputar mengelilingi pusatnya pada kelajuan kira-kira 7.88 juta km/j.

DEFINISI

Proton dipanggil zarah stabil yang tergolong dalam kelas hadron, iaitu nukleus atom hidrogen.

Para saintis tidak bersetuju tentang peristiwa saintifik yang harus dianggap sebagai penemuan proton. Peranan penting dalam penemuan proton dimainkan oleh:

1. penciptaan model planet atom oleh E. Rutherford;
2. penemuan isotop oleh F. Soddy, J. Thomson, F. Aston;
3. pemerhatian tentang kelakuan nukleus atom hidrogen apabila ia disingkirkan oleh zarah alfa daripada nukleus nitrogen oleh E. Rutherford.

Gambar pertama trek proton diperolehi oleh P. Blackett dalam ruang awan semasa mengkaji proses transformasi tiruan unsur. Blackett mengkaji proses penangkapan zarah alfa oleh nukleus nitrogen. Dalam proses ini, proton telah dipancarkan dan nukleus nitrogen ditukar kepada isotop oksigen.

Proton, bersama-sama dengan neutron, adalah sebahagian daripada nukleus semua unsur kimia. Bilangan proton dalam nukleus menentukan nombor atom unsur dalam jadual berkala D.I. Mendeleev.

Proton ialah zarah bercas positif. Cajnya adalah sama dalam magnitud dengan cas asas, iaitu, nilai cas elektron. Cas proton selalunya dilambangkan sebagai , maka kita boleh menulis bahawa:

Pada masa ini dipercayai bahawa proton bukanlah zarah asas. Ia mempunyai struktur yang kompleks dan terdiri daripada dua u-quark dan satu d-quark. Caj elektrik u-quark () adalah positif dan ia sama dengan

Caj elektrik bagi d-quark () adalah negatif dan sama dengan:

Quark menghubungkan pertukaran gluon, yang merupakan quanta medan; mereka mengalami interaksi yang kuat. Fakta bahawa proton mempunyai beberapa pusat penyerakan titik dalam strukturnya disahkan oleh eksperimen mengenai penyerakan elektron oleh proton.

Proton mempunyai saiz terhingga, yang masih dipertikaikan oleh saintis. Pada masa ini, proton diwakili sebagai awan yang mempunyai sempadan kabur. Sempadan sedemikian terdiri daripada zarah maya yang sentiasa muncul dan memusnahkan. Tetapi dalam kebanyakan masalah mudah, proton sudah tentu boleh dianggap sebagai caj mata. Jisim selebihnya bagi proton () adalah lebih kurang sama dengan:

Jisim proton adalah 1836 kali lebih besar daripada jisim elektron.

Proton mengambil bahagian dalam semua interaksi asas: interaksi kuat menyatukan proton dan neutron menjadi nukleus, elektron dan proton bergabung dalam atom menggunakan interaksi elektromagnet. Sebagai interaksi yang lemah, kita boleh memetik, sebagai contoh, pereputan beta neutron (n):

di mana p ialah proton; - elektron; - antineutrino.

Pereputan Proton masih belum diperolehi. Ini adalah salah satu masalah fizik moden yang penting, kerana penemuan ini akan menjadi langkah penting dalam memahami kesatuan kuasa alam.

Contoh penyelesaian masalah

CONTOH 1

Senaman	Nukleus atom natrium dihujani dengan proton. Apakah daya tolakan elektrostatik proton daripada nukleus atom jika proton berada pada jarak m. Pertimbangkan bahawa cas nukleus atom natrium adalah 11 kali lebih besar daripada cas proton. Pengaruh kulit elektron atom natrium boleh diabaikan.
Penyelesaian	Sebagai asas untuk menyelesaikan masalah, kita akan mengambil hukum Coulomb, yang boleh ditulis untuk masalah kita (dengan mengandaikan zarah adalah zarah titik) seperti berikut: di mana F ialah daya interaksi elektrostatik zarah bercas; Cl ialah cas proton; - caj nukleus atom natrium; - pemalar dielektrik vakum; - pemalar elektrik. Menggunakan data yang kami ada, kami boleh mengira daya tolakan yang diperlukan:
Jawab	N

CONTOH 2

adakah bahan akan terasa paling panas untuk disentuh dalam cuaca panas?

E) Kaca

4. Berapa banyak haba yang akan dibebaskan semasa pembakaran lengkap petrol seberat 5 kg.Haba tentu pembakaran petrol ialah 4.6 * 10^7 J/kg.

5. Apakah cas elektrik yang dimiliki oleh elektron dan proton?

2) Apakah cas elektrik yang akan melalui ammeter dalam masa 3 minit apabila arus dalam litar ialah 0.2 A?

3) Apabila kimpalan elektrik, arus mencecah 200 A. Berapa lamakah masa yang diambil untuk cas 60,000 C untuk melalui keratan rentas elektrod?

4) Caj 600 C melalui lingkaran dapur elektrik dalam masa 2 minit.Berapakah kekuatan arus dalam lingkaran?

5) Kekuatan arus dalam seterika ialah 0.2 A. Apakah cas elektrik yang akan melalui gegelungnya dalam masa 5 minit?

6) Berapa lamakah masa yang diambil untuk cas bersamaan 30 C untuk melalui keratan rentas konduktor pada arus 200 mA?

Apakah cas elektrik yang akan melalui ammeter dalam masa 3 minit apabila arus dalam litar ialah 0.2A?

bukankah tindakan yang disebabkan oleh arus elektrik? A) haba; B) mekanikal; C) magnetik; D) kimia. 5. Pada zaman dahulu, diandaikan bahawa kedua-dua cas elektrik positif dan negatif boleh bergerak dalam semua konduktor. Pergerakan zarah yang manakah dalam medan elektrik diambil sebagai arah arus? A) caj positif; B) elektron; C) neutron; D) ion negatif 6. Ampere Andre Marie - ahli fizik dan matematik Perancis. Dia mencipta teori pertama yang menyatakan hubungan antara fenomena elektrik dan magnet. Ampere mempunyai hipotesis tentang sifat kemagnetan. Dan apakah konsep yang dia perkenalkan ke dalam fizik buat kali pertama?A) kekuatan semasa; B) arus elektrik; C) elektron; D) cas elektrik. 7. Kerja yang dilakukan oleh daya medan elektrik yang menghasilkan arus elektrik dipanggil kerja arus. Ia bergantung kepada kekuatan semasa. Tetapi kerja tidak bergantung kepada kekuatan semasa sahaja. Apakah kuantiti lain yang bergantung padanya? A) voltan; B) kuasa; C) jumlah haba; D) kelajuan. 8. Untuk mengukur voltan pada kutub sumber arus atau pada beberapa bahagian litar, peranti yang dipanggil voltmeter digunakan. Banyak voltmeter mempunyai rupa yang hampir sama dengan ammeter. Untuk membezakannya daripada peranti lain, huruf V diletakkan pada skala. Tetapi bagaimanakah voltmeter disambungkan ke litar? A) selari; B) secara berurutan; C) betul-betul di belakang bateri; D) disambungkan kepada ammeter. 9. Kebergantungan kekuatan arus pada sifat-sifat konduktor dijelaskan oleh fakta bahawa konduktor yang berbeza mempunyai rintangan elektrik yang berbeza. Apakah rintangan tidak bergantung pada? A) daripada perbezaan dalam struktur kekisi kristal; B) mengikut berat; C) pada panjang; D) dari kawasan keratan rentas. 10. Terdapat dua cara untuk menyambungkan konduktor: selari dan siri. Sangat mudah untuk menggunakan sambungan selari pengguna dalam kehidupan seharian dan dalam teknologi. Kuantiti elektrik manakah yang sama untuk semua konduktor yang disambung secara selari: A) kekuatan arus; B) voltan; C) masa; D) rintangan. 11. Dalam 5 s pergerakan, sebuah jasad bergerak pada jarak 12.5 m. Berapakah jarak yang akan dilalui oleh jasad itu dalam 6 s gerakan, jika jasad itu bergerak dengan pecutan malar? A) 25 m; B) 13 m; C) 36 m; D) 18 m 12. Seorang pelajar menempuh satu pertiga perjalanan dengan bas pada kelajuan 60 km/j, dan satu pertiga lagi perjalanan dengan basikal pada kelajuan 20 km/j. Sepertiga terakhir perjalanan ditempuhi pada kelajuan 5 km/j. Tentukan kelajuan purata pergerakan. A) 30 km/j; B) 10 km/j; C) 283 km/j; D) 11.25 km/j. 13. Ketumpatan air diambil sebagai 1000 kg/m3, dan ketumpatan ais ialah 900 kg/m3. Jika seketul ais terapung, terkeluar 50 m3 di atas permukaan air, berapakah isipadu keseluruhan ketulan ais itu? A) 100 m3; B) 200 m3; C) 150 m3; D) 500 m3. 14. Pemberat dan () dilekatkan pada hujung batang nipis panjang L. Batang digantung pada benang dan terletak secara mendatar. Cari jarak x dari jisim m1 ke titik ampaian benang. Abaikan jisim rod 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. Pendaki mendaki ke puncak gunung. Bagaimanakah tekanan atmosfera berubah apabila atlet bergerak? A) akan meningkat; B) tidak akan berubah; C) tiada jawapan yang betul. D) akan berkurangan;