Vilka laddningar har elektroner och protoner? Elektriska laddningar. Exempel på problemlösning

Om du gnuggar en glasstav på ett pappersark kommer staven att få förmågan att locka till sig blad från "sultanen" (se fig. 1.1), ludd och tunna vattenströmmar. När du kammar torrt hår med en plastkam attraheras håret av kammen. I dessa enkla exempel möter vi manifestationen av krafter som kallas elektrisk.

Ris. 1.1. Attrahera "sultanens" löv med en elektrifierad glasstav.

Kroppar eller partiklar som verkar på omgivande föremål med elektriska krafter kallas laddad eller elektrifierad. Till exempel blir glasstaven som nämnts ovan, efter att ha gnuggats på ett papper, elektrifierad.

Partiklar har en elektrisk laddning om de interagerar med varandra genom elektriska krafter. Elektriska krafter minskar med ökande avstånd mellan partiklar. Elektriska krafter är många gånger större än krafterna för universell gravitation.

Elektrisk laddningär en fysisk storhet som bestämmer intensiteten av elektromagnetiska interaktioner. Elektromagnetiska interaktioner är interaktioner mellan laddade partiklar eller kroppar.

Elektriska laddningar delas in i positiva och negativa. Stabila elementarpartiklar har en positiv laddning - protoner Och positroner, samt joner av metallatomer, etc. Stabila negativa laddningsbärare är elektron Och antiproton.

Det finns elektriskt oladdade partiklar, det vill säga neutrala: neutron, neutrino. Dessa partiklar deltar inte i elektriska interaktioner, eftersom deras elektriska laddning är noll. Det finns partiklar utan elektrisk laddning, men en elektrisk laddning existerar inte utan en partikel.

Positiva laddningar visas på glas som gnuggats med siden. Ebonit som gnids på päls har negativa laddningar. Partiklar stöter bort när laddningar har samma tecken ( åtal med samma namn), och med olika tecken ( till skillnad från avgifter) partiklar attraheras.

Alla kroppar är gjorda av atomer. Atomer består av en positivt laddad atomkärna och negativt laddade elektroner som rör sig runt atomkärnan. Atomkärnan består av positivt laddade protoner och neutrala partiklar - neutroner. Laddningarna i en atom är fördelade på ett sådant sätt att atomen som helhet är neutral, det vill säga summan av de positiva och negativa laddningarna i atomen är noll.

Elektroner och protoner är en del av vilket ämne som helst och är de minsta stabila elementarpartiklarna. Dessa partiklar kan existera i ett fritt tillstånd under en obegränsad tid. Den elektriska laddningen av en elektron och en proton kallas elementär laddning.

Elementär laddning- detta är den minsta laddning som alla laddade elementarpartiklar har. Den elektriska laddningen av en proton är lika i absolut värde som laddningen av en elektron:

E = 1,6021892(46) * 10 -19 C Storleken på varje laddning är en multipel i absolutvärde av den elementära laddningen, det vill säga laddningen av elektronen. Elektron översatt från grekiska elektron - bärnsten, proton - från grekiska protos - först neutron från latinsk neutrum - varken det ena eller det andra.

Ledare och dielektrikum

Elektriska laddningar kan röra sig. Ämnen där elektriska laddningar kan röra sig fritt kallas ledare. Bra ledare är alla metaller (ledare av det första slaget), vattenlösningar av salter och syror - elektrolyter(typ II-ledare), samt heta gaser och andra ämnen. Människokroppen är också en ledare. Ledare har hög elektrisk ledningsförmåga, det vill säga de leder elektrisk ström väl.

Ämnen där elektriska laddningar inte kan röra sig fritt kallas dielektrikum(från engelska dielectric, från grekiska dia - through, through och engelska electric - electric). Dessa ämnen kallas också isolatorer. Den elektriska ledningsförmågan hos dielektrika är mycket låg jämfört med metaller. Bra isolatorer är porslin, glas, bärnsten, ebonit, gummi, siden, gaser vid rumstemperatur och andra ämnen.

Uppdelningen i ledare och isolatorer är godtycklig, eftersom konduktiviteten beror på olika faktorer, inklusive temperatur. Till exempel isolerar glas bra bara i torr luft och blir en dålig isolator när luftfuktigheten är hög.

Ledare och dielektrika spelar en stor roll i moderna tillämpningar av elektricitet.

Vad är en atom?Översatt till ryska betyder atom odelbar. Under lång tid kunde ingen motbevisa detta uttalande. Slutligen, i slutet av 1800-talet, bevisades det att atomen är uppdelad i mindre partiklar, de huvudsakliga är elektroner, protoner och neutroner.

När man studerade dessa partiklar visade det sig att protoner och elektroner har elektriska laddningar, och deras laddningar är lika stora, men motsatta i tecken. Laddningen av en elektron hänvisar till den elektricitet som kallas negativ, och laddningen av en proton hänvisar till den som kallas positiv.

En elektrons massa är ungefär 1840 gånger mindre än en protons massa.

Eftersom elektroner och protoner är elektriskt laddade, lyder de lagen om växelverkan mellan elektriska laddningar: liknande laddningar repellerar (proton med proton och elektron med elektron), och till skillnad från laddningar attraherar (proton med elektron).

Neutron- den tredje partikeln i atomen, massan är lika med protonen, men neutronen har ingen elektrisk laddning. Det sägs vara elektriskt neutralt, därav namnet - neutron.

Som nämnts ovan har atomen en mycket komplex struktur, men för första gången kan vi begränsa oss till följande förenklade idé om dess struktur.

I centrum av atomen är kärnan, den består av protoner och neutroner, därför är den positivt laddad. Elektroner kretsar runt kärnan på ett imponerande avstånd, hundratusentals gånger större än dess storlek.

Eftersom varje atom har samma antal elektroner som antalet protoner anses den vara elektriskt neutral.

Den enklaste atomen i strukturen är väteatomen, dess kärna består av en proton, runt vilken en elektron roterar.

Atomer av olika ämnen skiljer sig från varandra i antalet protoner, neutroner och elektroner.

Vad är en jon? Om en atom på något sätt förlorar en eller flera elektroner kommer den att bli positivt laddad, en sådan atom kommer att kallas en positiv jon, och om atomen får en eller flera elektroner kommer den att kallas en negativ jon, eftersom den kommer att vara negativt laddad .

Elektriskt fält. Forskare har fastställt att det finns en speciell typ av materia - ett fält. Runt elektriska laddningar finns också ett fält som kallas elektrisk. Ett karakteristiskt särdrag för detta fält är den mekaniska kraft som verkar på de elektriska laddningarna som finns i detta fält. Oftast avbildas det elektriska fältet i ritningar i form av pilar som visar riktningen i vilken en fri positiv laddning skulle röra sig under påverkan av krafterna i detta fält. Dessa ledningar kallas även kraftledningar. I verkligheten finns det inga linjer.

Ledare och isolatorer. I olika ämnen är elektroner bundna till sina atomer på olika sätt, i vissa är bindningen stark, i andra inte. Elektroner som är dåligt bundna till atomer och som lätt kan lämna dem kallas fria elektroner. Om ett överskott av dem skapas i en av punkterna i ett ämne där fria elektroner finns, och i en annan - en brist, då kommer de, med en kaotisk rörelse, att börja röra sig med hela sin massa till den punkten, den sida där det inte finns tillräckligt med elektroner. Denna envägsrörelse kommer att kallas elektrisk ström. Ämnen som innehåller fria elektroner kallas ledare av elektrisk ström. I andra ämnen, till exempel glimmer, gummi, är elektroner tvärtom väldigt hårt bundna till sina atomer och kommer under normala förhållanden inte att kunna lämna dem, i sådana ämnen kommer ström aldrig att uppstå, varför de kallas icke-ledare eller isolatorer.

Fram till början av 1900-talet trodde forskare att en atom var den minsta odelbara partikeln av materia, men detta visade sig vara fel. Faktum är att i centrum av atomen är dess kärna med positivt laddade protoner och neutrala neutroner, och negativt laddade elektroner roterar i orbitaler runt kärnan (denna modell av atomen föreslogs 1911 av E. Rutherford). Det är anmärkningsvärt att massorna av protoner och neutroner är nästan lika, men massan av en elektron är cirka 2000 gånger mindre.

Även om en atom innehåller både positivt och negativt laddade partiklar, är dess laddning neutral, eftersom en atom har samma antal protoner och elektroner, och olika laddade partiklar neutraliserar varandra.

Senare upptäckte forskare att elektroner och protoner har samma mängd laddning, lika med 1,6 10 -19 C (C är en coulomb, en enhet av elektrisk laddning i SI-systemet.

Har du någonsin tänkt på frågan - vilket antal elektroner motsvarar en laddning på 1 C?

1/(1,6·10 -19) = 6,25·10 18 elektroner

Elkraft

Elektriska laddningar påverkar varandra, vilket visar sig i formen elektrisk kraft.

Om en kropp har ett överskott av elektroner kommer den att ha en total negativ elektrisk laddning, och vice versa - om det finns en brist på elektroner kommer kroppen att ha en total positiv laddning.

I analogi med magnetiska krafter, när lika laddade poler stöter bort och motsatt laddade poler attraherar, beter sig elektriska laddningar på ett liknande sätt. Men inom fysiken är det inte tillräckligt att bara prata om polariteten hos en elektrisk laddning, dess numeriska värde är viktigt.

För att ta reda på storleken på kraften som verkar mellan laddade kroppar är det nödvändigt att veta inte bara storleken på laddningarna utan också avståndet mellan dem. Den universella gravitationskraften har redan övervägts tidigare: F = (Gm 1 m 2)/R 2

• m 1, m 2- kroppsmassor;
• R- avståndet mellan kropparnas centra;
• G = 6,67 10-11 Nm2/kg- universell gravitationskonstant.

Som ett resultat av laboratorieexperiment härledde fysiker en liknande formel för växelverkan mellan elektriska laddningar, som kallades Coulombs lag:

F = kq 1 q 2 /r 2

• q 1, q 2 - interagerande laddningar, mätt i C;
• r är avståndet mellan laddningar;
• k - proportionalitetskoefficient ( SI: k=8,99·109 Nm2Cl2; SSSE: k=1).

• k=1/(4πε 0).
• ε 0 ≈8,85·10 -12 C2N -1 m -2 - elektrisk konstant.

Enligt Coulombs lag, om två laddningar har samma tecken, så är kraften F som verkar mellan dem positiv (laddningarna stöter bort varandra); om laddningarna har motsatta tecken är den verkande kraften negativ (laddningar attraherar varandra).

Hur enorm kraften hos en laddning på 1 C är kan bedömas med Coulombs lag. Till exempel, om vi antar att två laddningar, vardera 1 C, är placerade på ett avstånd av 10 meter från varandra, kommer de att stöta bort varandra med kraft:

F = kq 1 q2/r2 F = (8,99 10 9) 1 1/(10 2) = -8,99 10 7 N

Detta är en ganska stor kraft, ungefär jämförbar med en massa på 5600 ton.

Låt oss nu använda Coulombs lag för att ta reda på med vilken linjär hastighet elektronen roterar i en väteatom, förutsatt att den rör sig i en cirkulär bana.

Enligt Coulombs lag kan den elektrostatiska kraften som verkar på en elektron likställas med centripetalkraften:

F = kq 1 q2/r2 = mv2/r

Med hänsyn till det faktum att elektronens massa är 9,1·10 -31 kg, och radien för dess omloppsbana = 5,29·10 -11 m, får vi värdet 8,22·10 -8 N.

Nu kan vi hitta elektronens linjära hastighet:

8,22·10 -8 = (9,1·10 -31)v 2 /(5,29·10 -11) v = 2,19·10 6 m/s

Således roterar väteatomens elektron runt dess centrum med en hastighet av cirka 7,88 miljoner km/h.

DEFINITION

Proton kallas en stabil partikel som tillhör klassen hadroner, som är kärnan i en väteatom.

Forskare är oense om vilken vetenskaplig händelse som ska betraktas som upptäckten av protonen. En viktig roll i upptäckten av protonen spelades av:

1. skapande av en planetmodell av atomen av E. Rutherford;
2. upptäckt av isotoper av F. Soddy, J. Thomson, F. Aston;
3. observationer av beteendet hos väteatomernas kärnor när de slås ut av alfapartiklar från kvävekärnor av E. Rutherford.

De första fotografierna av protonspår togs av P. Blackett i en molnkammare medan han studerade processerna för artificiell omvandling av element. Blackett studerade processen för infångning av alfapartiklar av kvävekärnor. I denna process emitterades en proton och kvävekärnan omvandlades till en isotop av syre.

Protoner, tillsammans med neutroner, är en del av kärnorna i alla kemiska grundämnen. Antalet protoner i kärnan bestämmer grundämnets atomnummer i det periodiska systemet D.I. Mendelejev.

En proton är en positivt laddad partikel. Dess laddning är lika stor som den elementära laddningen, det vill säga värdet på elektronladdningen. Laddningen av en proton betecknas ofta som , då kan vi skriva att:

Man tror för närvarande att protonen inte är en elementarpartikel. Den har en komplex struktur och består av två u-kvarkar och en d-kvark. Den elektriska laddningen för en u-kvark () är positiv och den är lika med

Den elektriska laddningen av en d-quark () är negativ och lika med:

Kvarkar förbinder utbytet av gluoner, som är fältkvanta, de uthärdar stark interaktion. Det faktum att protoner har flera punktspridningscentra i sin struktur bekräftas av experiment på spridning av elektroner med protoner.

Protonen har en ändlig storlek, vilket forskarna fortfarande bråkar om. För närvarande representeras protonen som ett moln som har en suddig gräns. En sådan gräns består av att ständigt dyka upp och förinta virtuella partiklar. Men i de flesta enkla problem kan en proton förstås betraktas som en punktladdning. Vilomassan för en proton () är ungefär lika med:

En protons massa är 1836 gånger större än en elektrons massa.

Protoner deltar i alla grundläggande interaktioner: starka interaktioner förenar protoner och neutroner till kärnor, elektroner och protoner går samman i atomer med hjälp av elektromagnetiska interaktioner. Som en svag interaktion kan vi till exempel citera beta-sönderfallet av en neutron (n):

där p är proton; — elektron; - antineutrino.

Protonsönderfall har ännu inte erhållits. Detta är ett av fysikens viktiga moderna problem, eftersom denna upptäckt skulle vara ett viktigt steg för att förstå naturens krafters enhet.

Exempel på problemlösning

EXEMPEL 1

Träning	Natriumatomens kärnor bombarderas med protoner. Vad är kraften för elektrostatisk repulsion av en proton från kärnan i en atom om protonen är på avstånd m. Tänk på att laddningen av kärnan i en natriumatom är 11 gånger större än laddningen för en proton. Inverkan av natriumatomens elektronskal kan ignoreras.
Lösning	Som grund för att lösa problemet kommer vi att ta Coulombs lag, som kan skrivas för vårt problem (förutsatt att partiklarna är punktpartiklar) enligt följande: där F är kraften av elektrostatisk interaktion mellan laddade partiklar; Cl är protonladdningen; - laddning av kärnan i natriumatomen; - dielektrisk konstant för vakuum; - elektrisk konstant. Med hjälp av de data vi har kan vi beräkna den nödvändiga frånstötningskraften:
Svar	N

EXEMPEL 2

kommer ämnet att kännas hetast vid beröring i varmt väder?

E) Glas

4. Hur mycket värme kommer att frigöras under fullständig förbränning av bensin som väger 5 kg. Den specifika värmen för förbränning av bensin är 4,6 * 10^7 J/kg.

5.Vilka elektriska laddningar har en elektron och en proton?

2) Vilken elektrisk laddning kommer att passera genom amperemetern på 3 minuter när strömmen i kretsen är 0,2 A?

3) Vid elektrisk svetsning når strömmen 200 A. Hur lång tid tar det för en laddning på 60 000 C att passera genom elektrodens tvärsnitt?

4) En laddning på 600 C passerade genom elspisens spiral på 2 minuter Vad är strömstyrkan i spiralen?

5) Strömstyrkan i järnet är 0,2 A. Vilken elektrisk laddning kommer att passera genom dess spole på 5 minuter?

6) Hur lång tid tar det för en laddning lika med 30 C att passera genom ledarens tvärsnitt vid en ström på 200 mA?

Vilken elektrisk laddning kommer att passera genom amperemetern på 3 minuter när strömmen i kretsen är 0,2A?

är inte åtgärder som orsakas av elektrisk ström? A) termisk; B) mekanisk; C) magnetisk; D) kemikalie. 5. I forna tider antog man att både positiva och negativa elektriska laddningar kunde röra sig i alla ledare. Vilka partiklars rörelse i ett elektriskt fält anses vara strömriktningen? A) positiva laddningar; B) elektroner; C) neutroner; D) negativa joner. 6. Ampere Andre Marie - fransk fysiker och matematiker. Han skapade den första teorin som uttryckte sambandet mellan elektriska och magnetiska fenomen. Ampere har en hypotes om magnetismens natur. Och vilket koncept introducerade han i fysiken för första gången: A) strömstyrka; B) elektrisk ström; C) elektron; D) elektrisk laddning. 7. Arbetet som utförs av krafterna i det elektriska fältet som skapar en elektrisk ström kallas strömmens arbete. Det beror på strömstyrkan. Men arbetet beror inte enbart på strömstyrkan. Vilken annan mängd beror det på? A) spänning; B) kraft; C) mängd värme; D) hastighet. 8. För att mäta spänningen vid polerna av en strömkälla eller vid någon del av kretsen, används en anordning som kallas en voltmeter. Många voltmetrar påminner mycket om amperemetrar. För att skilja den från andra enheter placeras bokstaven V på skalan. Men hur är en voltmeter kopplad till kretsen? A) parallellt; B) sekventiellt; C) strikt bakom batteriet; D) ansluten till en amperemeter. 9. Strömstyrkans beroende av ledarens egenskaper förklaras av det faktum att olika ledare har olika elektriskt motstånd. Vad beror inte motståndet på? A) från skillnader i strukturen hos kristallgittret; B) i vikt; C) på längd; D) från tvärsnittsarean. 10. Det finns två sätt att ansluta ledare: parallell och serie. Det är mycket bekvämt att använda parallella anslutningar av konsumenter i vardagen och i tekniken. Vilken elektrisk storhet är densamma för alla parallellkopplade ledare: A) strömstyrka; B) spänning; C) tid; D) motstånd. 11. I 5 s rörelse färdas en kropp en sträcka på 12,5 m. Vilken sträcka kommer kroppen att färdas i 6 s rörelse, om kroppen rör sig med konstant acceleration? A) 25 m; B) 13 m; C) 36 m; D) 18 m. 12. En elev färdades en tredjedel av vägen med buss med en hastighet av 60 km/h och ytterligare en tredjedel av vägen med cykel med en hastighet av 20 km/h. Den sista tredjedelen av resan tillryggalades med en hastighet av 5 km/h. Bestäm den genomsnittliga rörelsehastigheten. A) 30 km/h; B) 10 km/h; C) 283 km/h; D) 11,25 km/h. 13. Vattentätheten antas vara 1000 kg/m3 och isens densitet är 900 kg/m3. Om ett isflak flyter och sticker ut 50 m3 över vattenytan, hur stor är volymen av hela isflaket? A) 100 m3; B) 200 m3; C) 150 m3; D) 500 m3. 14. Vikter och () är fästa vid ändarna av en tunn stång med längden L. Stången är upphängd på en gänga och placerad horisontellt. Hitta avståndet x från massan m1 till upphängningspunkten för tråden. Försumma stavens massa A) x = (L∙m2) / (m1 – m2); B) x = (L∙m2)/(ml + m2); C) x = (L∙ml)/(m1 – m2); D) x = (L∙m1) / (m1 + m2). 15. Klättrare klättrar till toppen av berget. Hur förändras atmosfärstrycket när idrottare rör sig? A) kommer att öka; B) kommer inte att förändras; C) det finns inget korrekt svar. D) kommer att minska;