Banyak fenomena fisik yang diamati di alam dan kehidupan di sekitar kita tidak dapat dijelaskan hanya berdasarkan hukum mekanika, teori kinetik molekuler, dan termodinamika. Fenomena ini memanifestasikan gaya yang bekerja di antara benda-benda di kejauhan, dan gaya-gaya ini tidak bergantung pada massa benda yang berinteraksi dan, oleh karena itu, bukan gravitasi. Kekuatan ini disebut kekuatan elektromagnetik.
Hukum kekekalan muatan listrik
Dalam kondisi normal, benda mikroskopis netral secara listrik karena partikel bermuatan positif dan negatif yang membentuk atom dihubungkan satu sama lain oleh gaya listrik dan membentuk sistem netral. Jika netralitas listrik tubuh dilanggar, maka tubuh seperti itu disebut tubuh yang dialiri listrik. Untuk menggemparkan suatu benda, perlu dibuat kelebihan atau kekurangan elektron atau ion dengan tanda yang sama di atasnya.
Metode elektrifikasi tubuh, yang mewakili interaksi benda bermuatan, dapat sebagai berikut:
- Elektrifikasi tubuh saat kontak . Dalam hal ini, dengan kontak dekat, sebagian kecil elektron berpindah dari satu zat, di mana ikatan dengan elektron relatif lemah, ke zat lain.
- Elektrisasi benda selama gesekan . Ini meningkatkan area kontak tubuh, yang mengarah pada peningkatan elektrisasi.
- Pengaruh. Pengaruh didasarkan fenomena induksi elektrostatik, yaitu, induksi muatan listrik dalam suatu zat yang ditempatkan dalam medan listrik konstan.
- Elektrifikasi tubuh di bawah aksi cahaya . Ini didasarkan pada efek fotoelektrik, atau efek fotoelektrik ketika, di bawah aksi cahaya, elektron dapat terbang keluar dari konduktor ke ruang sekitarnya, sebagai akibatnya konduktor diisi.
Banyak percobaan menunjukkan bahwa ketika elektrifikasi tubuh, maka muatan listrik muncul pada benda-benda tersebut, sama besar dan berlawanan tandanya.
muatan negatif tubuh adalah karena kelebihan elektron pada tubuh dibandingkan dengan proton, dan muatan positif karena kekurangan elektron.
Ketika elektrifikasi tubuh terjadi, yaitu, ketika muatan negatif dipisahkan sebagian dari muatan positif yang terkait dengannya, hukum kekekalan muatan listrik. Hukum kekekalan muatan berlaku untuk sistem tertutup, yang tidak masuk dari luar dan dari mana partikel bermuatan tidak keluar.
Hukum kekekalan muatan listrik dirumuskan sebagai berikut::
Dalam sistem tertutup, jumlah aljabar muatan semua partikel tetap tidak berubah:
q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = const
di mana
q 1 , q 2 dst. adalah muatan partikel.
definisi
partikel dasar mungkin punya email biaya, maka mereka disebut dibebankan;
Partikel dasar - berinteraksi satu sama lain dengan gaya yang bergantung pada jarak antar partikel, tetapi berkali-kali melebihi gaya gravitasi timbal balik (interaksi ini disebut elektromagnetik).
Muatan listrik- kuantitas fisik, menentukan intensitas interaksi elektromagnetik.
Ada 2 tanda muatan listrik :
Partikel dengan muatan yang sama mengusir, dengan nama yang berlawanan - tertarik. Proton memiliki positif muatan, elektron negatif, netron - listrik netral.
muatan dasar- biaya minimum yang tidak dapat dibagi.
Bagaimana menjelaskan adanya gaya elektromagnetik di alam? Semua benda mengandung partikel bermuatan.
Dalam keadaan normal, benda bersifat netral secara listrik (karena atom bersifat netral), dan gaya elektromagnetik tidak muncul.
Tubuh terisi, jika memiliki kelebihan biaya tanda apa pun:
- bermuatan negatif - jika ada kelebihan elektron;
- bermuatan positif - jika kekurangan elektron.
Elektrifikasi tubuh- ini adalah salah satu cara untuk mendapatkan benda bermuatan, misalnya, melalui kontak).
Dalam hal ini, kedua benda bermuatan, dan muatannya berlawanan tanda, tetapi sama besarnya.
Interaksi tubuh, yang memiliki muatan dengan tanda yang sama atau berbeda, dapat ditunjukkan dalam percobaan berikut. Kami menyetrum tongkat ebonit dengan menggosokkan ke bulu dan menyentuhnya ke selongsong logam yang tergantung pada benang sutra.
Muatan dengan tanda yang sama (muatan negatif) didistribusikan pada selongsong dan tongkat ebonit. Membawa batang ebonit bermuatan negatif lebih dekat ke wadah kartrid yang diisi, orang dapat melihat bahwa wadah kartrid akan terlepas dari tongkat (Gbr. 1.1).
Jika sekarang kita membawa batang kaca yang digosokkan pada sutra (bermuatan positif) ke selongsong bermuatan, maka selongsong akan tertarik padanya (Gbr. 1.2).
Mari kita ambil dua elektrometer identik dan mengisi salah satunya (Gbr. 2.1). Muatannya sesuai dengan 6 divisi skala.
Jika Anda menghubungkan elektrometer ini dengan batang kaca, maka tidak ada perubahan yang akan terjadi. Ini menegaskan fakta bahwa kaca adalah dielektrik. Namun, jika untuk menghubungkan elektrometer, gunakan batang logam A (Gbr. 2.2), pegang dengan pegangan non-konduktif B, maka Anda dapat melihat bahwa muatan awal dibagi menjadi dua bagian yang sama: setengah dari muatan akan berpindah dari bola pertama ke bola kedua. Sekarang muatan setiap elektrometer sesuai dengan 3 pembagian skala. Dengan demikian, muatan aslinya tidak berubah, hanya terbagi menjadi dua bagian.
Jika muatan dipindahkan dari benda bermuatan ke benda tak bermuatan dengan ukuran yang sama, maka muatan dibagi dua di antara kedua benda ini. Tetapi jika benda kedua yang tidak bermuatan lebih besar dari yang pertama, maka lebih dari setengah muatan akan ditransfer ke yang kedua. Semakin besar tubuh tempat muatan ditransfer, semakin besar bagian muatan yang akan ditransfer ke sana.
Tetapi jumlah total biaya tidak akan berubah. Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa muatan adalah kekal. Itu. hukum kekekalan muatan listrik terpenuhi.
Muatan listrik tidak ada dengan sendirinya, tetapi merupakan sifat internal partikel elementer - elektron, proton, dll.
Secara empiris pada tahun 1914, fisikawan Amerika R. Milliken menunjukkan bahwa muatan listrik bersifat diskrit . Muatan suatu benda adalah kelipatan bilangan bulat dari muatan listrik dasar e = 1,6 × 10 -19 C .
Dalam reaksi pembentukan pasangan elektron-positron, hukum kekekalan muatan.
q elektron +q positron = 0.
Positron- partikel elementer yang memiliki massa kira-kira sama dengan massa elektron; Muatan positron adalah positif dan sama dengan muatan elektron.
Berdasarkan hukum kekekalan muatan listrik menjelaskan elektrifikasi benda makroskopik.
Seperti yang Anda ketahui, semua benda terdiri dari atom, yang meliputi: elektron Dan proton. Jumlah elektron dan proton dalam benda yang tidak bermuatan adalah sama. Oleh karena itu, benda seperti itu tidak menunjukkan aksi listrik pada benda lain. Jika dua benda berada dalam kontak dekat (selama gesekan, kompresi, tumbukan, dll.), maka elektron yang terkait dengan atom jauh lebih lemah daripada proton, mereka berpindah dari satu benda ke benda lain.
Tubuh yang dilalui elektron akan kelebihannya. Menurut hukum kekekalan, muatan listrik benda ini akan sama dengan jumlah aljabar muatan positif semua proton dan muatan semua elektron. Muatan ini akan negatif dan nilainya sama dengan jumlah muatan elektron berlebih.
Sebuah benda dengan kelebihan elektron memiliki muatan negatif.
Benda yang kehilangan elektron akan memiliki muatan positif, yang modulusnya akan sama dengan jumlah muatan elektron yang hilang dari benda tersebut.
Benda bermuatan positif memiliki elektron lebih sedikit daripada proton.
Muatan listrik tidak berubah ketika benda bergerak ke kerangka acuan lain.
Javascript dinonaktifkan di browser Anda.Kontrol ActiveX harus diaktifkan untuk membuat perhitungan! Bagaimana benda makroskopik memperoleh muatan listrik? Ini akan dibahas sekarang. Muatan tubuh makroskopik Dalam elektrodinamika, yang diciptakan oleh Maxwell, interaksi elektromagnetik dianggap bukan partikel elementer bermuatan individu, tetapi tubuh makroskopik. Benda makroskopik, sebagai suatu peraturan, netral secara elektrik. Atom dari zat apa pun adalah netral, karena jumlah elektron di dalamnya sama dengan jumlah proton dalam nukleus. Partikel bermuatan positif dan negatif dihubungkan satu sama lain oleh gaya listrik dan membentuk sistem netral. Sebuah benda besar bermuatan ketika mengandung partikel elementer berlebih dengan tanda muatan yang sama. Muatan negatif tubuh disebabkan oleh kelebihan elektron dibandingkan dengan proton, dan muatan positif disebabkan oleh kekurangannya. Elektrifikasi tubuh Untuk mendapatkan benda makroskopik bermuatan listrik, atau, seperti yang mereka katakan, untuk menggemparkannya, perlu untuk memisahkan bagian dari muatan negatif dari yang terkait dengannya. positif1. Cara termudah untuk melakukannya adalah dengan gesekan. Jika Anda menyisir rambut Anda, maka sebagian kecil dari partikel bermuatan paling mobile - elektron - akan berpindah dari rambut ke sisir dan mengisinya secara negatif, dan rambut akan bermuatan positif.
Dengan bantuan percobaan sederhana, dapat dibuktikan bahwa ketika dialiri listrik oleh gesekan, kedua benda memperoleh muatan yang berlawanan tanda, tetapi besarnya sama.
1 Di sini dan di bawah, untuk singkatnya, kita akan sering berbicara tentang muatan, pergerakan muatan, dll. Pada kenyataannya, ini mengacu pada benda bermuatan (atau partikel), pergerakan partikel bermuatan, dll., karena muatan tanpa partikel tidak ada. Beras. 1.2 Beras. 1.1 Mari kita ambil elektrometer (elektroskop dalam wadah logam) dengan bola logam dengan lubang tetap pada batangnya dan dua pelat pada pegangan panjang: satu dari ebonit dan yang lainnya dari kaca plexiglass. Saat bergesekan satu sama lain, pelat dialiri listrik. Mari kita bawa salah satu pelat ke dalam bola tanpa menyentuh dindingnya. Jika pelat bermuatan positif, maka sebagian elektron dari jarum dan batang elektrometer akan tertarik ke pelat dan terkumpul di permukaan bagian dalam bola. Dalam hal ini, panah akan bermuatan positif dan ditolak dari batang (Gbr. 1.1). Jika pelat lain ditempatkan di dalam bola, setelah sebelumnya melepaskan yang pertama, maka elektron bola dan batang akan ditolak dari pelat dan terakumulasi secara berlebihan pada panah. Ini akan menyebabkan panah menyimpang, dan pada sudut yang sama seperti pada percobaan pertama. Setelah menurunkan kedua pelat di dalam bola, kami tidak akan menemukan penyimpangan panah (Gbr. 1.2). Ini membuktikan bahwa muatan pelat-pelat tersebut sama besar dan berlawanan tanda. Kesimpulan ini mengikuti langsung dari hukum kekekalan muatan. Bagaimana elektrifikasi badan? Sangat mudah untuk menggemparkan tubuh melalui gesekan. Tetapi untuk menjelaskan bagaimana ini terjadi, ternyata menjadi tugas yang sangat sulit. Selama beberapa dekade, penjelasan berikut telah diberikan, dan bahkan sekarang penjelasan berikut diberikan. Saat menggemparkan tubuh, kontak dekat di antara mereka adalah penting. Gaya listrik menahan elektron di dalam tubuh. Tetapi untuk zat yang berbeda gaya-gaya ini berbeda. Dalam kontak dekat, sebagian kecil elektron zat, di mana hubungan elektron dengan tubuh relatif lemah, berpindah ke tubuh lain. Dalam hal ini, perpindahan elektron tidak melebihi ukuran jarak antar atom (10-8 cm). Namun jika jenazah dipisahkan, maka keduanya akan dikenakan biaya. Karena permukaan benda tidak pernah mulus sempurna, kontak dekat antara benda yang diperlukan untuk transisi hanya terjadi di area kecil permukaan. Ketika benda bergesekan satu sama lain, jumlah area dengan kontak dekat meningkat, dan dengan demikian jumlah total partikel bermuatan yang berpindah dari satu benda ke benda lain meningkat. Namun baru-baru ini, penjelasan tentang elektrifikasi oleh gesekan ini telah ditentang. Tidak jelas bagaimana elektron dapat bergerak dalam zat non-konduktif (isolator) seperti ebonit, plexiglass dan lain-lain. Mereka terikat dalam molekul netral. Karyawan Institut Fisika dan Teknologi di St. Petersburg menawarkan penjelasan lain. Untuk kristal ionik LiF (isolator), penjelasannya seperti ini. Selama pembentukan kristal, berbagai jenis cacat muncul, khususnya lowongan - tempat yang tidak terisi di simpul kisi kristal. Jika jumlah kekosongan untuk ion lithium positif dan negatif untuk fluor tidak sama, maka kristal akan diisi oleh volume selama pembentukan. Tetapi muatan secara keseluruhan tidak dapat disimpan dalam kristal untuk waktu yang lama. Selalu ada sejumlah ion di udara, dan kristal akan menariknya keluar dari udara sampai muatan kristal dinetralkan oleh lapisan ion di permukaannya. Isolator yang berbeda memiliki muatan ruang yang berbeda, dan oleh karena itu muatan lapisan permukaan ion berbeda. Selama gesekan, lapisan permukaan ion bercampur, dan ketika isolator dipisahkan, masing-masing ternyata bermuatan. Dan dapatkah dua isolator identik dialiri listrik selama gesekan, misalnya, kristal LiF yang sama? Jika mereka memiliki muatan ruang intrinsik yang sama, maka tidak. Tetapi mereka juga dapat memiliki muatan intrinsik yang berbeda jika kondisi kristalisasi berbeda dan jumlah kekosongan yang berbeda muncul. Seperti yang telah ditunjukkan oleh pengalaman, elektrifikasi selama gesekan kristal identik ruby, amber, dll. memang bisa terjadi. Namun, penjelasan ini hampir tidak benar dalam semua kasus. Jika tubuh terdiri, misalnya, kristal molekuler, maka munculnya kekosongan di dalamnya seharusnya tidak mengarah pada pengisian tubuh. Jadi, kita melihat bahwa fenomena yang tampaknya sederhana seperti elektrifikasi oleh gesekan mengandung banyak misteri. Elektrisasi tubuh dan penerapannya dalam teknologi Elektrifikasi yang signifikan terjadi selama gesekan kain sintetis. Saat melepas kemeja nilon di udara kering, derak khas dapat terdengar. Percikan kecil melompat di antara area permukaan yang digosok. Fenomena serupa harus dipertimbangkan dalam produksi. Jadi, benang-benang di pabrik tekstil dialiri listrik karena gesekan, tertarik ke spindel dan putus. Benang menarik debu dan menjadi kotor. Oleh karena itu, perlu dilakukan berbagai tindakan terhadap elektrifikasi ulir. Saat membuka gulungan kertas besar di percetakan, para pekerja memakai sarung tangan karet untuk melindungi diri mereka dari pelepasan listrik yang terjadi antara kertas berlistrik dan tangan mereka. Muatan listrik besar menumpuk saat ban bergesekan dengan aspal dalam cuaca kering. Ada bahaya loncatan bunga api. Karena itu, di belakang mobil - tangki bahan bakar - rantai logam terpasang, menyeret di sepanjang jalan. Kadang-kadang bahkan mobil penumpang dilengkapi dengan karet gelang yang terbuat dari karet konduktif. Karena elektrifikasi oleh gesekan, mesin elektro-statis konvensional bekerja. Fenomena elektrifikasi tubuh dalam kontak dekat digunakan dalam instalasi elektrokopi modern (seperti "Era", "Xerox", dll.). Jadi, di salah satu instalasi ini, bubuk resin hitam dicampur dengan manik-manik kaca kecil. Dalam hal ini, bola bermuatan positif, dan partikel bubuk bermuatan negatif. Karena daya tarik, mereka menutupi permukaan bola dengan lapisan tipis. Teks atau gambar yang disalin diproyeksikan ke pelat selenium tipis, yang permukaannya bermuatan positif. Pelat bertumpu pada permukaan logam bermuatan negatif. Di bawah aksi cahaya, pelat dilepaskan, dan muatan positif hanya tersisa di area yang sesuai dengan area gelap gambar. Kemudian piring ditutup dengan lapisan tipis bola. Karena daya tarik muatan yang berlawanan, bubuk resin tertarik ke area pelat yang bermuatan positif. Setelah itu, bola-bola diguncang dan, dengan menekan selembar kertas dengan kuat ke piring, sebuah cetakan diperoleh di atasnya. Jejak diperbaiki dengan pemanasan. Sebuah benda makroskopik bermuatan listrik jika mengandung kelebihan partikel elementer dengan tanda muatan yang sama. Muatan negatif tubuh disebabkan oleh kelebihan elektron dibandingkan dengan proton, dan muatan positif disebabkan oleh kekurangan elektron.
? 1. Sebuah tongkat ebonit bermuatan negatif selama elektrifikasi. Apakah massa tongkat tetap tidak berubah? 2. Diketahui bahwa batang kaca yang digosok dengan sutra menjadi bermuatan positif. Tentukan secara eksperimental tanda muatan pena plastik yang dikenakan pada wol.
Elektrostatika mempelajari sifat-sifat dan interaksi muatan-muatan yang diam dalam kerangka acuan di mana muatan-muatan tersebut dipertimbangkan.
Di alam, hanya ada dua jenis muatan listrik - negatif dan positif. Muatan positif dapat terjadi pada batang kaca yang digosok dengan kulit, dan muatan negatif dapat terjadi pada amber yang digosok dengan kain wol.
Kita tahu bahwa semua benda terdiri dari atom. Pada gilirannya, atom terdiri dari inti bermuatan positif dan elektron yang berputar di sekitarnya. Karena elektron memiliki muatan negatif dan nukleus positif, atom secara keseluruhan bersifat netral. Ketika terkena dari luar, ia dapat kehilangan satu atau lebih elektron dan berubah menjadi ion bermuatan positif. Jika sebuah atom (atau molekul) menempelkan elektron tambahan ke dirinya sendiri, itu akan berubah menjadi ion negatif.
Dengan demikian, muatan listrik dapat ada dalam bentuk ion dan elektron negatif atau positif. Ada satu jenis "listrik gratis" - elektron negatif. Oleh karena itu, jika suatu benda memiliki muatan positif, ia tidak memiliki cukup elektron, dan jika memiliki muatan negatif, maka ia memiliki kelebihan.
Sifat listrik suatu zat ditentukan oleh struktur atomnya. Atom dapat kehilangan bahkan beberapa elektron, dalam hal ini mereka disebut terionisasi ganda. Inti atom terdiri dari proton dan neutron. Setiap proton membawa muatan yang sama dengan elektron, tetapi berlawanan tanda. Neutron adalah partikel yang bermuatan listrik netral (tidak memiliki muatan listrik).
Selain proton dan elektron, partikel elementer lainnya juga memiliki muatan listrik. Muatan listrik merupakan bagian integral dari partikel elementer.
Muatan terkecil dianggap sebagai muatan yang sama dengan muatan elektron. Itu juga disebut muatan dasar, yang sama dengan 1,6 10 -19 C. Setiap muatan adalah kelipatan bilangan bulat muatan elektron. Oleh karena itu, elektrifikasi benda tidak dapat terjadi secara terus-menerus, tetapi hanya secara bertahap (diskrit), berdasarkan nilai muatan elektron.
Jika benda bermuatan positif mulai diisi ulang (diisi dengan listrik negatif), maka muatannya tidak akan berubah secara instan, tetapi pertama-tama akan berkurang menjadi nol, dan baru kemudian memperoleh potensi negatif. Dari sini kita dapat menyimpulkan bahwa mereka saling mengimbangi. Fakta ini membawa para ilmuwan pada kesimpulan bahwa dalam tubuh "tidak bermuatan" selalu ada muatan tanda positif dan negatif, yang terkandung dalam jumlah sedemikian rupa sehingga tindakan mereka sepenuhnya saling mengimbangi.
Ketika dialiri listrik oleh gesekan, "elemen" negatif dan positif yang terkandung dalam "benda tak bermuatan" dipisahkan. Sebagai hasil dari pergerakan elemen negatif tubuh (elektron), kedua benda dialiri arus listrik, dan salah satunya negatif, dan yang kedua positif. Jumlah "aliran" dari satu elemen ke muatan lain tetap konstan selama seluruh proses.
Dari sini dapat disimpulkan bahwa biaya tidak diciptakan dan tidak hilang, tetapi hanya "mengalir" dari satu tubuh ke tubuh lain atau bergerak di dalamnya. Ini adalah inti dari hukum kekekalan muatan listrik. Selama gesekan, banyak bahan mengalami elektrifikasi - ebonit, kaca, dan banyak lainnya. Di banyak industri (tekstil, kertas dan lain-lain), keberadaan listrik statis merupakan masalah rekayasa yang serius, karena elektrifikasi elemen yang disebabkan oleh gesekan kertas, kain atau produk produksi lainnya pada bagian mesin dapat menyebabkan kebakaran dan ledakan.
Topik pengkode USE: elektrisasi benda, interaksi muatan, dua jenis muatan, hukum kekekalan muatan listrik.Interaksi elektromagnetik adalah salah satu interaksi paling mendasar di alam. Gaya elastisitas dan gesekan, tekanan gas dan banyak lagi dapat direduksi menjadi gaya elektromagnetik antara partikel materi. Interaksi elektromagnetik itu sendiri tidak lagi direduksi menjadi jenis interaksi lain yang lebih dalam.
Jenis interaksi yang sama mendasarnya adalah gravitasi - gaya tarik gravitasi dari dua benda. Namun, ada beberapa perbedaan penting antara interaksi elektromagnetik dan gravitasi.
1. Tidak semua orang dapat berpartisipasi dalam interaksi elektromagnetik, tetapi hanya dibebankan tubuh (memiliki muatan listrik).
2. Interaksi gravitasi selalu merupakan daya tarik dari satu benda ke benda lainnya. Interaksi elektromagnetik dapat berupa tarik-menarik dan tolak-menolak.
3. Interaksi elektromagnetik jauh lebih intens daripada interaksi gravitasi. Misalnya, gaya tolak-menolak listrik dua elektron beberapa kali lebih besar daripada gaya tarik gravitasi mereka satu sama lain.
Setiap benda bermuatan memiliki sejumlah muatan listrik. Muatan listrik adalah besaran fisika yang menentukan kekuatan interaksi elektromagnetik antara benda-benda alam. Satuan muatan adalah liontin(CL).
Dua jenis biaya
Karena interaksi gravitasi selalu merupakan daya tarik, massa semua benda adalah non-negatif. Tapi ini tidak berlaku untuk biaya. Dua jenis interaksi elektromagnetik - tarik-menarik dan tolak-menolak - mudah dijelaskan dengan memperkenalkan dua jenis muatan listrik: positif Dan negatif.
Muatan yang berbeda tanda saling tarik menarik, dan muatan yang berbeda tanda saling tolak menolak. Ini diilustrasikan pada gambar. satu ; bola tergantung pada benang diberi biaya dari satu tanda atau lainnya.
Beras. 1. Interaksi dua jenis muatan
Manifestasi gaya elektromagnetik di mana-mana dijelaskan oleh fakta bahwa partikel bermuatan ada dalam atom zat apa pun: proton bermuatan positif adalah bagian dari inti atom, dan elektron bermuatan negatif bergerak dalam orbit di sekitar inti.
Muatan proton dan elektron sama dalam nilai absolut, dan jumlah proton dalam nukleus sama dengan jumlah elektron dalam orbit, dan oleh karena itu ternyata atom secara keseluruhan netral secara listrik. Itulah sebabnya, dalam kondisi normal, kita tidak melihat efek elektromagnetik dari benda-benda di sekitarnya: muatan total masing-masing adalah nol, dan partikel bermuatan didistribusikan secara merata ke seluruh volume benda. Tetapi jika netralitas listrik dilanggar (misalnya, sebagai akibat dari elektrifikasi) tubuh segera mulai bekerja pada partikel bermuatan di sekitarnya.
Mengapa ada dua jenis muatan listrik, dan bukan jumlah lainnya, saat ini tidak diketahui. Kami hanya dapat menegaskan bahwa penerimaan fakta ini sebagai yang utama memberikan deskripsi yang memadai tentang interaksi elektromagnetik.
Muatan proton adalah Cl. Muatan elektron berlawanan tanda dan sama dengan C. Nilai
ditelepon muatan dasar. Ini adalah muatan minimum yang mungkin: partikel bebas dengan muatan yang lebih kecil tidak ditemukan dalam percobaan. Fisika belum bisa menjelaskan mengapa alam memiliki muatan terkecil dan mengapa besarnya persis seperti itu.
Muatan suatu benda selalu merupakan jumlah dari keseluruhan jumlah muatan dasar:
Jika , maka tubuh memiliki kelebihan jumlah elektron (dibandingkan dengan jumlah proton). Sebaliknya, jika tubuh kekurangan elektron: ada lebih banyak proton.
Elektrifikasi tubuh
Agar benda makroskopik memberikan pengaruh listrik pada benda lain, benda itu harus dialiri arus listrik. Elektrifikasi- ini merupakan pelanggaran terhadap netralitas listrik tubuh atau bagian-bagiannya. Sebagai hasil dari elektrifikasi, tubuh menjadi mampu melakukan interaksi elektromagnetik.
Salah satu cara untuk menggemparkan suatu benda adalah dengan memberikan muatan listrik padanya, yaitu, untuk mencapai kelebihan muatan dengan tanda yang sama pada benda tertentu. Ini mudah dilakukan dengan gesekan.
Jadi, ketika batang kaca digosok dengan sutra, sebagian muatan negatifnya masuk ke sutra. Akibatnya, tongkat bermuatan positif, dan sutra bermuatan negatif. Tetapi ketika tongkat ebonit digosok dengan wol, sebagian muatan negatif berpindah dari wol ke tongkat: tongkat bermuatan negatif, dan wol bermuatan positif.
Metode elektrifikasi tubuh ini disebut elektrifikasi oleh gesekan. Anda mengalami elektrifikasi oleh gesekan setiap kali Anda melepas sweter di atas kepala Anda ;-)
Jenis lain dari elektrifikasi disebut induksi elektrostatik, atau elektrifikasi melalui pengaruh. Dalam hal ini, muatan total tubuh tetap sama dengan nol, tetapi didistribusikan kembali sehingga muatan positif menumpuk di beberapa bagian tubuh, dan muatan negatif di bagian lain.
Beras. 2. Induksi elektrostatik
Mari kita lihat gambar. 2. Pada jarak tertentu dari badan logam ada muatan positif. Ini menarik muatan negatif dari logam (elektron bebas), yang menumpuk di area permukaan tubuh yang paling dekat dengan muatan. Muatan positif yang tidak terkompensasi tetap berada di daerah yang jauh.
Terlepas dari kenyataan bahwa muatan total tubuh logam tetap sama dengan nol, pemisahan spasial muatan terjadi di dalam tubuh. Jika sekarang kita membagi tubuh di sepanjang garis putus-putus, maka bagian kanan akan bermuatan negatif, dan bagian kiri positif.
Anda dapat mengamati elektrifikasi tubuh menggunakan elektroskop. Elektroskop sederhana ditunjukkan pada Gambar. 3 (gambar dari en.wikipedia.org).
Beras. 3. Elektroskop
Apa yang terjadi dalam kasus ini? Batang bermuatan positif (misalnya, digosok sebelumnya) dibawa ke piringan elektroskop dan mengumpulkan muatan negatif di atasnya. Di bawah, pada daun elektroskop yang bergerak, tetap ada muatan positif yang tidak terkompensasi; mendorong menjauh dari satu sama lain, daun menyimpang ke arah yang berbeda. Jika Anda melepas tongkatnya, maka muatan akan kembali ke tempatnya dan daunnya akan jatuh kembali.
Fenomena induksi elektrostatik dalam skala besar diamati selama badai petir. pada gambar. 4 kita melihat awan petir menyelimuti bumi.
Beras. 4. Elektrifikasi bumi oleh awan petir
Di dalam awan ada gumpalan es dengan ukuran berbeda, yang bercampur oleh arus udara yang naik, bertabrakan satu sama lain dan menjadi listrik. Dalam hal ini, ternyata muatan negatif terakumulasi di bagian bawah awan, dan muatan positif terakumulasi di bagian atas.
Bagian bawah awan yang bermuatan negatif menginduksi muatan positif di permukaan bumi. Sebuah kapasitor raksasa muncul dengan tegangan kolosal antara awan dan tanah. Jika tegangan ini cukup untuk menembus celah udara, maka pelepasan akan terjadi - kilat, yang Anda ketahui.
Hukum kekekalan muatan
Mari kita kembali ke contoh elektrifikasi dengan gesekan - menggosok tongkat dengan kain. Dalam hal ini, tongkat dan secarik kain memperoleh muatan yang sama besar dan berlawanan tanda. Muatan total mereka, karena sama dengan nol sebelum interaksi, tetap sama dengan nol setelah interaksi.
Kita lihat di sini hukum kekekalan muatan yang berbunyi: dalam sistem benda tertutup, jumlah aljabar muatan tetap tidak berubah untuk setiap proses yang terjadi dengan benda ini:
Ketertutupan suatu sistem benda berarti bahwa benda-benda ini hanya dapat bertukar muatan di antara mereka sendiri, tetapi tidak dengan objek lain di luar sistem yang diberikan.
Ketika tongkat dialiri listrik, tidak ada yang mengejutkan dalam kekekalan muatan: berapa banyak partikel bermuatan yang meninggalkan tongkat - jumlah yang sama datang ke selembar kain (atau sebaliknya). Anehnya, dalam proses yang lebih kompleks, disertai dengan transformasi timbal balik partikel dasar dan perubahan nomor partikel bermuatan dalam sistem, muatan total masih kekal!
Misalnya, pada gambar. Gambar 5 menunjukkan proses di mana sebagian radiasi elektromagnetik (yang disebut foton) berubah menjadi dua partikel bermuatan - elektron dan positron. Proses seperti itu dimungkinkan dalam kondisi tertentu - misalnya, di medan listrik inti atom.
Beras. 5. Penciptaan pasangan elektron-positron
Muatan positron sama dalam nilai absolut dengan muatan elektron dan berlawanan dengan tandanya. Hukum kekekalan muatan terpenuhi! Memang, pada awal proses kami memiliki foton yang muatannya nol, dan pada akhirnya kami mendapatkan dua partikel dengan muatan total nol.
Hukum kekekalan muatan (bersama dengan keberadaan muatan dasar terkecil) saat ini adalah fakta ilmiah utama. Fisikawan belum berhasil menjelaskan mengapa alam berperilaku seperti ini dan bukan sebaliknya. Kami hanya dapat menyatakan bahwa fakta-fakta ini dikonfirmasi oleh berbagai eksperimen fisik.
Gaya elektromagnetik memainkan peran besar di alam karena fakta bahwa komposisi semua benda termasuk partikel bermuatan listrik. Bagian penyusun atom inti dan elektron memiliki muatan listrik
Gaya elektromagnetik yang ada di antara partikel bermuatan sangat besar. Namun, aksi gaya elektromagnetik antar benda tidak langsung terdeteksi, karena benda dalam keadaan normal secara elektrik netral. Atom dari zat apa pun adalah netral, karena jumlah elektron di dalamnya sama dengan jumlah proton dalam nukleus. Partikel bermuatan positif dan negatif dihubungkan satu sama lain oleh gaya listrik dan membentuk sistem netral.
Sebuah benda makroskopik bermuatan listrik jika mengandung kelebihan partikel elementer dengan tanda muatan yang sama. Muatan negatif tubuh disebabkan oleh kelebihan elektron dibandingkan dengan proton, dan muatan positif disebabkan oleh kekurangan elektron.
Untuk mendapatkan benda makroskopik bermuatan listrik, yaitu, untuk menggemparkannya, perlu untuk memisahkan bagian dari muatan negatif dari muatan positif yang terkait dengannya. Ini bisa dilakukan dengan gesekan. Jika Anda menyisir rambut kering, maka sebagian kecil partikel bermuatan paling mobile - elektron - akan berpindah dari rambut ke sisir dan mengisinya secara negatif, dan rambut akan bermuatan positif.
Persamaan muatan selama elektrisasi. Dengan bantuan pengalaman, dapat dibuktikan bahwa ketika dialiri listrik oleh gesekan, kedua benda memperoleh muatan yang berlawanan tanda, tetapi identik dalam nilai absolut. Mari kita ambil elektrometer dengan
bola logam dengan lubang dan dua pelat pada pegangan panjang: satu dari ebonit dan yang lainnya dari kaca plexiglass. Saat bergesekan satu sama lain, pelat dialiri listrik. Mari kita bawa salah satu pelat ke dalam bola tanpa menyentuh dindingnya. Jika pelat bermuatan positif, maka sebagian elektron dari jarum dan batang elektrometer akan tertarik ke pelat dan terkumpul di permukaan bagian dalam bola. Dalam hal ini, panah akan bermuatan positif dan ditolak dari batang (Gbr. 92, a). Jika pelat lain dimasukkan ke dalam bola, setelah sebelumnya melepaskan yang pertama, maka elektron bola dan batang akan ditolak dari pelat dan akan terakumulasi secara berlebihan pada panah. Ini akan menyebabkan panah menyimpang, dan pada sudut yang sama seperti pada percobaan pertama. Setelah menurunkan kedua pelat di dalam bola, kami tidak akan menemukan penyimpangan panah (Gbr. 92, b). Ini membuktikan bahwa muatan pelat-pelat tersebut sama besar dan berlawanan tanda.
Bagaimana elektrifikasi badan? Saat menggemparkan tubuh, kontak dekat di antara mereka adalah penting. Gaya listrik menahan elektron di dalam tubuh. Tetapi untuk zat yang berbeda gaya-gaya ini berbeda. Dalam kontak dekat, sebagian kecil elektron dari zat itu, di mana hubungan elektron dengan tubuh relatif lemah, berpindah ke zat lain. Dalam hal ini, perpindahan elektron tidak melebihi ukuran jarak antar atom (cm). Namun jika jenazah dipisahkan, maka keduanya akan dikenakan biaya.
Karena permukaan benda tidak pernah benar-benar mulus, kontak erat antara benda yang diperlukan untuk transfer elektron hanya terjadi di area permukaan yang kecil (Gbr. 93). Ketika benda bergesekan satu sama lain, jumlah area dengan kontak dekat meningkat dan dengan demikian meningkatkan jumlah total partikel bermuatan yang berpindah dari satu benda ke benda lainnya.
Elektrisasi tubuh dan penerapannya dalam teknologi. Elektrifikasi yang signifikan terjadi selama gesekan kain sintetis. Saat melepas kemeja nilon di udara kering, derak khas dapat terdengar. Percikan kecil melompat di antara area permukaan yang digosok. Fenomena seperti itu harus dipertimbangkan dalam produksi. Jadi, benang-benang di pabrik tekstil dialiri listrik oleh gesekan, tertarik ke spindel dan roller dan putus. Benang menarik debu dan menjadi kotor.
Perlu untuk menerapkan tindakan khusus terhadap elektrifikasi ulir.
Elektrifikasi tubuh dalam kontak dekat digunakan dalam mesin elektro-fotokopi (seperti "Era", "Xerox", dll.).
Jadi, di salah satu instalasi ini, bubuk resin hitam dicampur dengan manik-manik kaca kecil. Dalam hal ini, bola bermuatan positif, dan partikel bubuk bermuatan negatif. Karena daya tarik, mereka menutupi permukaan bola dengan lapisan tipis.
Teks atau gambar yang disalin diproyeksikan ke pelat selenium tipis, yang permukaannya bermuatan positif. Pelat bertumpu pada permukaan logam bermuatan negatif. Di bawah aksi cahaya, pelat dilepaskan dan muatan positif hanya tersisa di area yang sesuai dengan area gelap gambar. Setelah itu, piring ditutup dengan lapisan tipis bola. Karena daya tarik muatan yang berlawanan, bubuk resin tertarik ke area pelat yang bermuatan positif. Kemudian bola-bola itu diguncang dan, dengan menekan selembar kertas dengan kuat ke piring, sebuah cetakan diperoleh di atasnya. Jejak diperbaiki dengan pemanasan.