Nabíjecí jednotky. Coulombův zákon

Jak se nazývá jednotka měření elektrického náboje? Tento článek vám pomůže pochopit toto téma.

Jednotka elektrického náboje v Mezinárodní soustavě jednotek (SI) se nazývá coulomb. 1 coulomb je elektrický náboj procházející průřezem vodiče s proudem 1A za 1s.

Tedy 1 přívěsek (1Cl) = 1A*1s

V roce 1881 v Paříži na 1. mezinárodním kongresu elektrikářů byl přívěsek poprvé přijat jako jednotka měření elektrického náboje. Přívěsek byl zaveden do Mezinárodní soustavy jednotek (SI) v roce 1960. Coulomb (C) je odvozená jednotka SI.

Název, označení a definice přívěsku v Rusku upravuje státní norma GOST 8.417-2002, která upravuje mnoho jednotek měření.

V Rusku má přívěsek označení Kl. Mezinárodní označení přívěsku je C.

Jednotka měření elektrického náboje, coulomb, je pojmenována po vynikajícím francouzském vědci a inženýrovi Charlesi Augustinovi de Coulomb. Po Charlesi Coulombovi je pojmenován také zákon vzájemného působení elektrických nábojů, tzv. Coulombův zákon.

Samotný elektrický náboj (množství elektřiny) je fyzikální skalární veličina, která určuje schopnost těles být zdrojem elektromagnetických polí a účastnit se elektromagnetické interakce.

Jaké zařízení měří elektrický náboj?

Zařízení, které určuje elektrický náboj, se nazývá elektroskop.

Elektroskop (z řeckých slov „elektron“ a skopeo – pozorovat, detekovat) je zařízení pro indikaci přítomnosti elektrického náboje.

Princip činnosti elektroskopu je založen na tom, že na podobně nabitá tělesa působí vzájemně se odpuzující síly.

Elektrický náboj můžete měřit také pomocí elektrometru, v nejjednodušším případě se skládá z kovové tyče a ukazovátka, které se může otáčet kolem vodorovné osy

Můžete se zeptat, jak se liší elektroměr od elektroskopu? Elektroskop a elektroměr jsou zařízení pro detekci nábojů. Elektroměr má ukazatel, který také umožňuje odhadnout (změřit) elektrický náboj.

To znamená, že elektroskop najde náboj a elektroměr také změří sílu náboje (měřit, vypočítat)

Přívěsek v křížovkách a scanwordech

V křížovce nebo scanwordu můžete najít následující otázky: „Jednotka měření elektrického náboje je 5 písmen“ nebo „Jaký vědec je jednotkou měření elektrického náboje 5 písmen pojmenovaných po“. Správná odpověď na tyto otázky je přirozeně: „Přívěsek“.

Nyní víte, jak se nazývá jednotka měření elektrického náboje

V důsledku dlouhých pozorování vědci zjistili, že opačně nabitá tělesa se přitahují a podobně nabitá tělesa se naopak odpuzují. To znamená, že mezi tělesy vznikají interakční síly. Francouzský fyzik C. Coulomb experimentálně studoval vzorce interakce mezi kovovými kuličkami a zjistil, že síla interakce mezi dvěma bodovými elektrickými náboji bude přímo úměrná součinu těchto nábojů a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi:

Kde k je koeficient úměrnosti, závisí na volbě jednotek měření fyzikálních veličin, které jsou ve vzorci zahrnuty, a také na prostředí, ve kterém se elektrické náboje q 1 a q 2 nacházejí. r je vzdálenost mezi nimi.

Odtud můžeme usoudit, že Coulombův zákon bude platit pouze pro bodové náboje, tedy pro taková tělesa, jejichž velikosti lze ve srovnání se vzdálenostmi mezi nimi zcela zanedbat.

Ve vektorové podobě bude Coulombův zákon vypadat takto:

Kde q 1 a q 2 jsou náboje a r je vektor poloměru, který je spojuje; r = |r|.

Síly, které působí na náboje, se nazývají centrální. Směřují v přímce spojující tyto náboje a síla působící od náboje q 2 na náboj q 1 je rovna síle působící od náboje q 1 na náboj q 2 a má opačné znaménko.

Pro měření elektrických veličin lze použít dvě číselné soustavy - soustavu SI (základní) a někdy lze použít soustavu CGS.

V soustavě SI je jednou z hlavních elektrických veličin jednotka proudu - ampér (A), jednotkou elektrického náboje pak bude jeho derivace (vyjádřená v jednotce proudu). Jednotkou náboje v SI je coulomb. 1 coulomb (C) je množství „elektřiny“, která projde průřezem vodiče za 1 s při proudu 1 A, tedy 1 C = 1 A s.

Koeficient k ve vzorci 1a) v SI se rovná:

A Coulombův zákon lze napsat v takzvané „racionalizované“ podobě:

Mnoho rovnic popisujících magnetické a elektrické jevy obsahuje faktor 4π. Pokud se však tento faktor zavede do jmenovatele Coulombova zákona, pak zmizí z většiny vzorců magnetismu a elektřiny, které se velmi často používají v praktických výpočtech. Tato forma zápisu rovnice se nazývá racionalizovaná.

Hodnota ε 0 v tomto vzorci je elektrická konstanta.

Základními jednotkami systému GHS jsou mechanické jednotky GHS (gram, sekunda, centimetr). Nové základní jednotky kromě výše uvedených tří nejsou v systému GHS zavedeny. Předpokládá se, že koeficient k ve vzorci (1) je roven jednotce a je bezrozměrný. Podle toho bude Coulombův zákon v neracionalizované podobě vypadat takto:

V systému CGS se síla měří v dynech: 1 dyn = 1 g cm/s 2 a vzdálenost v centimetrech. Předpokládejme, že q = q 1 = q 2, pak ze vzorce (4) dostaneme:

Je-li r = 1 cm a F = 1 dyn, pak z tohoto vzorce vyplývá, že v soustavě CGS se za jednotku náboje bere bodový náboj, který (ve vakuu) působí na stejný náboj, odstraněný z něj při vzdálenost 1 cm, silou 1 din. Taková jednotka náboje se nazývá absolutní elektrostatická jednotka množství elektřiny (náboje) a značí se CGS q. Jeho rozměry:

Pro výpočet hodnoty ε 0 porovnáme výrazy pro Coulombův zákon zapsané v systémech SI a GHS. Dva bodové náboje po 1 C, které jsou umístěny ve vzdálenosti 1 m od sebe, budou interagovat silou (podle vzorce 3):

V GHS bude tato síla rovna:

Síla interakce mezi dvěma nabitými částicemi závisí na prostředí, ve kterém se nacházejí. Pro charakterizaci elektrických vlastností různých médií byl zaveden koncept relativní dielektrické penetrace ε.

Hodnota ε je pro různé látky různá - pro feroelektrika leží její hodnota v rozmezí 200 - 100 000, pro krystalické látky od 4 do 3000, pro sklo od 3 do 20, pro polární kapaliny od 3 do 81, pro ne -polární kapaliny od 1, 8 do 2,3; pro plyny od 1,0002 do 1,006.

Dielektrická konstanta (relativní) závisí také na okolní teplotě.

Vezmeme-li v úvahu dielektrickou konstantu prostředí, ve kterém jsou náboje umístěny, má Coulombův zákon SI tvar:

Dielektrická konstanta ε je bezrozměrná veličina a nezávisí na volbě jednotek měření a pro vakuum se považuje za rovnou ε = 1. Pak pro vakuum má Coulombův zákon tvar:

Vydělením výrazu (6) číslem (5) dostaneme:

V souladu s tím relativní dielektrická konstanta ε ukazuje, kolikrát je síla interakce mezi bodovými náboji v nějakém médiu, které jsou umístěny ve vzájemné vzdálenosti r menší než ve vakuu, ve stejné vzdálenosti.

Pro rozdělení elektřiny a magnetismu se systém GHS někdy nazývá Gaussův systém. Před příchodem systému SGS fungovaly systémy SGSE (SGS electric) pro měření elektrických veličin a systémy SGSM (SGS magnetické) pro měření magnetických veličin. První rovná jednotka byla brána jako elektrická konstanta ε 0 a druhá rovna magnetické konstantě μ 0.

V systému SGS se vzorce elektrostatiky shodují s odpovídajícími vzorci SGSE a vzorce magnetismu, pokud obsahují pouze magnetické veličiny, se shodují s odpovídajícími vzorci v SGSM.

Pokud však rovnice současně obsahuje jak magnetické, tak elektrické veličiny, pak se tato rovnice zapsaná v Gaussově systému bude lišit od stejné rovnice, ale zapsané v systému SGSM nebo SGSE faktorem 1/s nebo 1/s 2 . Veličina c je rovna rychlosti světla (c = 3·10 10 cm/s) se nazývá elektrodynamická konstanta.

Coulombův zákon v systému GHS bude mít tvar:

Příklad

Dvěma naprosto identickým kapkám oleje chybí jeden elektron. Síla newtonovské přitažlivosti je vyvážena silou Coulombova odpuzování. Poloměry kapiček je nutné určit, pokud vzdálenosti mezi nimi výrazně přesahují jejich lineární rozměry.

Řešení

Vzhledem k tomu, že vzdálenost r mezi kapkami je výrazně větší než jejich lineární rozměry, lze kapky brát jako bodové náboje a pak se Coulombova odpudivá síla bude rovnat:

Kde e je kladný náboj kapky oleje, rovný náboji elektronu.

Sílu newtonovské přitažlivosti lze vyjádřit vzorcem:

Kde m je hmotnost kapky a γ je gravitační konstanta. Podle podmínek úlohy F k = F n, tedy:

Hmotnost kapky je vyjádřena součinem hustoty ρ a objemu V, tedy m = ρV, a objem kapky o poloměru R je roven V = (4/3)πR 3, z čehož získáme :

V tomto vzorci jsou známé konstanty π, ε 0, γ; e = 1; je také znám elektronový náboj e = 1,6·10 -19 C a hustota oleje ρ = 780 kg/m 3 (referenční údaje). Dosazením číselných hodnot do vzorce dostaneme výsledek: R = 0,363·10 -7 m.

« Fyzika - 10. třída"

Jaké interakce se nazývají elektromagnetické?
Jak spolu poplatky interagují?

Začněme studovat kvantitativní zákony elektromagnetických interakcí. Základním zákonem elektrostatiky je zákon vzájemného působení dvou stacionárních bodově nabitých těles.

Základní zákon elektrostatiky experimentálně stanovil Charles Coulomb v roce 1785 a nese jeho jméno.

Pokud je vzdálenost mezi tělesy mnohonásobně větší než jejich velikosti, pak ani tvar, ani velikosti nabitých těles významně neovlivňují interakce mezi nimi.

Pamatujte, že zákon univerzální gravitace je formulován i pro tělesa, která lze považovat za hmotné body.

Nazývají se nabitá tělesa, jejichž velikost a tvar lze při jejich vzájemném působení zanedbat bodové poplatky.

Síla interakce mezi nabitými tělesy závisí na vlastnostech prostředí mezi nabitými tělesy. Prozatím budeme předpokládat, že k interakci dochází ve vakuu. Zkušenost ukazuje, že vzduch má velmi malý vliv na sílu interakce mezi nabitými tělesy, ta se ukazuje být téměř stejná jako ve vakuu.

Coulombovy experimenty.

Myšlenka Coulombových experimentů je podobná myšlence Cavendishova experimentu k určení gravitační konstanty. Objev zákona o vzájemném působení elektrických nábojů byl usnadněn tím, že tyto síly se ukázaly být velké a díky tomu nebylo potřeba používat zvlášť citlivé zařízení, jako při testování zákona univerzální gravitace v pozemských podmínkách. Pomocí torzních vah bylo možné zjistit, jak na sebe stacionární nabitá tělesa vzájemně působí.

Torzní váha se skládá ze skleněné tyče zavěšené na tenkém pružném drátu (obr. 14.3). K jednomu konci tyče je připevněna malá kovová kulička a a na druhém protizávaží c. Další kovová koule b je pevně upevněna na tyči, která je zase namontována na víku váhy.

Když jsou koule nabité stejnými náboji, začnou se navzájem odpuzovat. Aby se udržely v pevné vzdálenosti, musí být pružný drát zkroucen pod určitým úhlem, dokud výsledná elastická síla nevyrovná Coulombovu sílu odpuzování kuliček. Síla interakce mezi kuličkami je určena úhlem zkroucení drátu.

Torzní váhy umožnily studovat závislost síly interakce nabitých kuliček na hodnotách nábojů a na vzdálenosti mezi nimi. V té době věděli, jak měřit sílu a vzdálenost. Jediná obtíž se týkala náboje, pro který nebyly ani jednotky k měření. Coulomb našel jednoduchý způsob, jak změnit náboj jedné z koulí 2, 4 nebo vícekrát tak, že ji spojí se stejnou nenabitou koulí. V tomto případě byl náboj rovnoměrně rozdělen mezi kuličky, což v určitém poměru snížilo zkoumaný náboj. Experimentálně byla stanovena nová hodnota interakční síly s novým nábojem.

Coulombův zákon.

Coulombovy experimenty vedly k vytvoření zákona nápadně připomínajícího zákon univerzální gravitace.

Síla interakce mezi dvěma stacionárními bodovými náboji ve vakuu je přímo úměrná součinu modulů náboje a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi.

Síla interakce mezi náboji se nazývá Coulombova síla.

Označíme-li nábojové moduly |q 1 a |q 2 | a vzdálenost mezi nimi r, pak lze Coulombův zákon zapsat v následujícím tvaru:

kde k je koeficient úměrnosti, číselně rovný síle interakce jednotkových nábojů ve vzdálenosti rovné jednotkové délce. Jeho význam závisí na volbě jednotkového systému.

Zákon univerzální gravitace má stejný tvar (14.2), jen místo náboje zahrnuje gravitační zákon hmotnosti a roli koeficientu k hraje gravitační konstanta.

Je snadné zjistit, že dvě nabité kuličky zavěšené na nitích se buď přitahují, nebo se odpuzují. Z toho vyplývá interakční síly mezi dvěma stacionárními bodovými náboji směřují podél přímky spojující tyto náboje(obr. 14.4).

Takové síly se nazývají centrální. V souladu s třetím Newtonovým zákonem je 1,2 = - 2,1.

Jednotka elektrického náboje.

Volba jednotky náboje, stejně jako jiných fyzikálních veličin, je libovolná. Bylo by přirozené brát náboj elektronu jako jednotku, což se v atomové fyzice dělá, ale tento náboj je příliš malý, a proto není vždy vhodné jej použít jako jednotku náboje.

V Mezinárodní soustavě jednotek (SI) není jednotka náboje jednotkou základní, ale odvozenou a není pro ni zaveden žádný standard. Spolu s metrem, sekundou a kilogramem zavedla SI základní jednotku pro elektrické veličiny - jednotku proudu - ampér. Referenční hodnota ampéru je stanovena magnetickými interakcemi proudů.

Jednotkou náboje SI je přívěšek nastavit pomocí jednotky proudu.

Jeden přívěsek (1 C) je náboj procházející průřezem vodiče za 1 s při síle proudu 1 A: 1 C = 1 A 1 s.

Jednotkou koeficientu k v Coulombově zákoně při zápisu v jednotkách SI je N m 2 / Cl 2, protože podle vzorce (14.2) máme

kde síla interakce nábojů je vyjádřena v newtonech, vzdálenost je v metrech, náboj je v coulombech. Číselnou hodnotu tohoto koeficientu lze určit experimentálně. K tomu je nutné změřit interakční sílu F mezi dvěma známými náboji |q 1 | a |q 2 |, umístěné v dané vzdálenosti r, a dosaďte tyto hodnoty do vzorce (14.3). Výsledná hodnota k bude rovna:

k = 9109 Nm2/Cl2. (14.4)

Náboj 1 C je velmi velký Síla interakce mezi dvěma bodovými náboji, každý 1 C, umístěnými ve vzdálenosti 1 km od sebe, je o něco menší než síla, kterou zeměkoule přitahuje zátěž o hmotnosti 1 tuny. Proto informujte malé těleso (o velikosti asi pár metrů) náboj 1 C není možný.

Nabité částice, které se vzájemně odpuzují, nemohou zůstat na těle. V přírodě neexistují žádné jiné síly, které by za těchto podmínek mohly kompenzovat Coulombovo odpuzování.

Ale ve vodiči, který je obecně neutrální, není obtížné uvést náboj 1 C do pohybu. V běžné žárovce o výkonu 200 W při napětí 220 V je totiž proudová síla o něco menší než 1 A. Navíc za 1 s projde průřezem vodiče náboj téměř rovný 1 C .

Místo koeficientu k se často používá jiný koeficient, který se nazývá elektrická konstanta ε 0. Souvisí s koeficientem k následujícím vztahem:

Coulombův zákon má v tomto případě podobu

Pokud náboje interagují v médiu, pak síla interakce klesá:

kde ε - permitivita médium, které ukazuje, kolikrát je síla interakce nábojů v médiu menší než ve vakuu.

Minimální náboj, který existuje v přírodě, je náboj elementárních částic. V jednotkách SI je modul tohoto náboje roven:

e = 1,610-19Cl. (14,5)

Náboj, který lze tělu udělit, je vždy násobkem minimálního náboje:

kde N je celé číslo. Když je náboj tělesa výrazně větší v modulu minimálního náboje, pak nemá smysl násobnost kontrolovat, ale když se bavíme o náboji částic, atomových jader, jejich náboj musí být vždy roven celému číslu modulů elektronového náboje.

Siemens (symbol: Cm, S) jednotka měření elektrické vodivosti v soustavě SI, převrácená hodnota ohmu. Před druhou světovou válkou (v SSSR do 60. let 20. století) se siemens nazývala jednotka elektrického odporu odpovídající odporu ... Wikipedia

Sievert (symbol: Sv, Sv) jednotka měření efektivních a ekvivalentních dávek ionizujícího záření v Mezinárodní soustavě jednotek (SI), používaná od roku 1979. 1 sievert je množství energie pohlcené kilogramem... .. Wikipedie

Tento termín má jiné významy, viz Becquerel. Becquerel (symbol: Bq, Bq) je jednotka měření aktivity radioaktivního zdroje v Mezinárodní soustavě jednotek (SI). Jeden becquerel je definován jako činnost zdroje ve ... ... Wikipedii

Volt (označení: V (rusky), V (latinsky)) je jednotka měření elektrického napětí v soustavě SI. Volt se rovná elektrickému napětí, které v elektrickém obvodu způsobí stejnosměrný proud 1 ampér při výkonu 1 watt. Jednotka je pojmenována po... ... Wikipedii

Farad (symbol: Ф, F) je jednotka měření elektrické kapacity v soustavě SI (dříve nazývaná farad). 1 farad se rovná elektrické kapacitě kondenzátoru, při které náboj 1 coulomb vytvoří mezi deskami kondenzátoru napětí 1 volt. F =... ... Wikipedie

Tento termín má jiné významy, viz Newton. Newton (symbol: N) je jednotka síly v mezinárodní soustavě jednotek (SI). Přijímaný mezinárodní název je newton (označení: N). Newtonova odvozená jednotka. Na základě druhé... ...Wikipedie

Tento termín má jiné významy, viz Siemens. Siemens (ruské označení: Sm; mezinárodní označení: S) jednotka měření elektrické vodivosti v mezinárodní soustavě jednotek (SI), převrácená hodnota ohmu. Prostřednictvím jiných... ...Wikipedie

Tento termín má jiné významy, viz Pascal (významy). Pascal (symbol: Pa, mezinárodní: Pa) je jednotka tlaku (mechanické napětí) v mezinárodní soustavě jednotek (SI). Pascal se rovná tlaku... ... Wikipedie

Tento termín má jiné významy, viz Tesla. Tesla (Ruské označení: T; mezinárodní označení: T) jednotka měření indukce magnetického pole v Mezinárodní soustavě jednotek (SI), číselně se rovná indukci takového ... ... Wikipedia

Tento termín má jiné významy, viz Gray. Šedá (symbol: Gr, Gy) je jednotka měření absorbované dávky ionizujícího záření v Mezinárodní soustavě jednotek (SI). Absorbovaná dávka se rovná jedné šedé, pokud je výsledkem... ... Wikipedie