Свойства электрического заряда и атомная структура
В этом уроке мы рассмотрим понятие и происхождение электрического заряда как основного источника электрических явлений. Мы начнем с исторического анализа, когда древние греки заметили электрические свойства при трении янтаря о шерсть, что привело к закону знаков для моделирования электрического притяжения и отталкивания. На микроскопическом уровне мы изучим субатомные частицы и то, как электрический заряд является неотъемлемой частью структуры материи, с особым акцентом на состав атомов и их роль в определении электрических свойств вещества. Наконец, мы подчеркнем, что, хотя атом может быть нейтральным, он все равно участвует в электрических явлениях благодаря атомным и молекулярным взаимодействиям и переносу электронов.
Цели обучения:
По завершении этого урока студент сможет:
- Перечислить субатомные частицы и их соответствующие заряды и массы.
- Объяснить, почему некоторые материалы приобретают электрический заряд при трении.
- Описать связь между наблюдаемым древними греками поведением (заряженный янтарь) и современным понятием электричества.
- Различать нейтральные атомы, катионы и анионы.
СОДЕРЖАНИЕ
Что такое электрический заряд?
Электрические явления в древности
Закон знаков
Электрический заряд и структура материи
Электрические свойства вещества
Что такое электрический заряд?
Чтобы понять электрические явления, важно разобраться в их основной причине. Так же, как масса отвечает за гравитацию, электрический заряд является источником электрических явлений.
Когда мы начинаем изучение электромагнетизма, сложно точно определить, что такое электрический заряд. Для этого требуется более глубокий анализ, чем тот, который мы рассмотрим в начале. Однако мы можем изучить его поведение и свойства, чтобы начать знакомство с электричеством.
Электрические явления в древности
В древние времена греки заметили, что, потирая янтарь о шерсть, он может притягивать определенные предметы. Этот эффект был описан как «зарядка янтаря» или «приобретение электрического заряда». На самом деле слово «электричество» происходит от греческого «ήλεκτρον (élektron)», что означает «янтарь». С древности было замечено, что «заряженные электрически» тела проявляют следующие свойства и поведение:
- Если два материала A и B изначально нейтральны (не имеют заряда) и их потереть друг о друга, они могут приобрести электрический заряд. Эти заряды на A и B равны по величине.
- Если заряженные тела A и B, как описано выше, привести в контакт, их заряды нейтрализуются.
На основании вышеописанного считается, что тела приобретают равные, но противоположные заряды. Поэтому мы обозначаем эти заряды как «положительные» и «отрицательные». Кроме того, поведение заряженных тел можно моделировать с помощью закона знаков:
Закон знаков
Заряженные тела проявляют следующее поведение:
- Положительный x Положительный = Положительный → ОТТАЛКИВАНИЕ
- Положительный x Отрицательный = Отрицательный → ПРИТЯЖЕНИЕ
- Отрицательный x Положительный = Отрицательный → ПРИТЯЖЕНИЕ
- Отрицательный x Отрицательный = Положительный → ОТТАЛКИВАНИЕ
Заряды противоположных знаков притягиваются, а заряды одного и того же знака отталкиваются.
Электрический заряд и структура материи
Электрический заряд, как и масса, является фундаментальным свойством частиц, составляющих материю. Единица измерения электрического заряда — Кулон, обозначается буквой C. Атомы состоят из субатомных частиц, которые имеют определенные заряды и массы, как показано в таблице ниже:
| Частица | Масса [kg] | Электрический заряд [C] |
|---|---|---|
| Протон | 1.6726219 \times 10^{-27} | +1.602176634 \times 10^{-19} |
| Нейтрон | 1.6759271 \times 10^{-27} | 0 (нейтральный) |
| Электрон | 9.10938356 \times 10^{-31} | -1.602176634 \times 10^{-19} |
Обычно символы p^+, e^- и n_0 используются для обозначения протона, электрона и нейтрона соответственно. Протоны и нейтроны находятся в ядре атома, а электроны вращаются вокруг него. Более 99,9% массы атома сосредоточено в его ядре.
Число протонов в ядре определяет элемент, к которому относится атом. Число нейтронов определяет изотоп данного элемента, а число электронов указывает на его степень ионизации. Традиционно атом считается нейтральным, а если в нем избыток или недостаток электронов, он называется ионом. Ионы могут быть отрицательными (анионы) или положительными (катионы).
Электрические свойства вещества
Электрические свойства вещества зависят от его внутренней структуры и от того, как атомы или молекулы взаимодействуют друг с другом. Хотя нейтральный атом может казаться не имеющим заряда, это не означает, что он не может участвовать в электрических явлениях. Важно помнить, что природа электрического заряда зависит от взаимодействия между атомами и молекулами, а также от их способности переносить или делиться электронами, образуя связи.