Chaj elektrik

Jeneral

Chaj elektrik se yon nosyon abstrè, ki konparab ak sa ki nan mas, ki ede eksplike sèten konpòtman. Kontrèman ak mas, chaj elektrik la ka pran de fòm, ki eksperyans mennen nou konsidere kòm "opoze"; nou abitrèman kalifye yo kòm "pozitif" ak "negatif".

De chaj nan menm nati a, de chaj pozitif pou egzanp, repouse youn ak lòt, pandan y ap de chaj nan nati opoze atire youn ak lòt. Fenomèn sa a rele entèraksyon elektwomayetik.

Entèraksyon ant chaj ak yon champ elektwomayetik se sous youn nan kat fòs fondamantal. Chan elektwomayetik sa yo, nan mekanik klasik, obeyi ekwasyon Maxwell yo.

Chaj elektrik ka mezire dirèkteman ak yon elektwomèt. inite li se coulomb. Patikil yo obsève yo gen chaj ki se miltip nonb antye relatif chaj elemantè ki se yon konstan fizik fondamantal (eksepte patikil ki rele kark ki gen yon chaj elektrik ki koresponn ak yon nonb antye ki miltipliye pa e/). 3). Kark yo gen chaj fraksyon nan -1/3 oswa +2/3, men kark gratis pa janm te obsève. Rezon teyorik yo bay pou eksplike obsèvasyon sa a se liberte asymptotic. Robert Millikan te demontre nati diskrè chaj elektrik la nan eksperyans ki pote non li.

Istwa

Ansyen Lagrès yo te dekouvri chaj elektrik ki te note ke friksyon fouri sou plizyè sibstans, tankou am.bre, pwodui yon move balans nan chaj elektrik (triboelectric fenomèn). Moun Lagrès yo te note ke bouton amber chaje ta ka atire objè limyè tankou cheve. Yo remake tou ke si yo fwote Amber la ase lontan, yo ka menm jwenn yon etensèl. Mo "elektrisite" a soti nan Ansyen grèk (grc) ἤλεκτρον / (grc-Latn) ḗlektron, "amb".

Nan 18th^e syèk, etid elektrisite a te vin popilè. Eksperyans elektwostatik yo fèt pandan sa yo, lè l sèvi avèk aparèy ki aji kòm kondansateur tankou boutèy Leyden, vòltaj ase wo pou lakòz chòk. Atravè yon seri eksperyans (1733), entandan Fay distenge de kalite elektrisite: elektrisite vitre (+) ak elektrisite rezin (-) ki koresponn ak de kalite konpòtman matyè yo. pandan elèktrifikasyon pa friksyon.

An menm tan, Benjamin Franklin te imajine elektrisite kòm yon kalite likid envizib ki prezan nan tout matyè. Li postule ke friksyon sifas izolasyon yo mete likid sa a an mouvman e ke yon koule nan likid sa a konstitye yon kouran elektrik. Li tou postule ke matyè ki gen twò piti nan likid sa a chaje negatif, otreman chaje pozitivman. Abitrèman, omwen pou yon rezon nou pa konnen, li idantifye tèm "pozitif" la ak kalite chaj akeri yon baton vè fwote sou swa, epi "negatif" ak sa ki te resevwa pa yon. baton jòn fwote ak four. Petèt akòz potansyèl elektrik matyè a.

Konvansyon ak reyalite

Kounye a nou konnen modèl Franklin te twò senp. Matyè aktyèlman konpoze de de kalite elektrisite: patikil elemantè yo rele "proton" ki pote yon chaj elektrik pozitif ak patikil yo rele "elektron" ki pote yon chaj elektrik negatif.

kouran elektrik ka gen diferan kòz: yon koule nan patikil negatif, pou egzanp nan yon kondiktè metalik, oswa yon koule nan patikil pozitif, oswa menm yon koule nan patikil negatif ak pozitif nan direksyon opoze, pou egzanp nan yon iyonik. solisyon.

Pou diminye konpleksite sa a, elektrisyen toujou anplwaye konvansyon Franklin epi imajine kouran elektrik, ke yo rekonèt kòm "kouran konvansyonèl", kòm yon koule nan patikil sèlman pozitif.

Kouran konvansyonèl senplifye konsèp ak kalkil, men kache lefèt ke nan kèk kondiktè (elektwolit, semi-kondiktè, ak plasma) de kalite chaj elektrik deplase nan direksyon opoze, oswa ke nan metal, chaj negatif yo prèske sèlman responsab pou koule nan kouran an.

Envaryans

Apa de pwopriyete yo dekri konsènan elektwomayetik, chaj la se yon invariant nan teori relativite: yon patikil chaj q, kèlkeswa vitès li, kenbe chaj li q.

Inite

Nan sistèm entènasyonal inite yo, chaj elektrik la gen inite coulomb^[1], nan senbòl C, ki konstitye yon inite ki sòti, non ki soti nan fizisyen franse Charles-Augustin Coulomb. Dapre definisyon, se kantite chaj ki pote nan yon segond pa yon kouran elektrik ki gen yon entansite yon anpè^[2]. An konsekans 1 C = 1 A s, ak chaj elektrik Q gen dimansyon [Q]=I.T.

Nan kontèks endistriyèl oswa jeni, ampere-èdtan (A h, ki ekri tou anpè-èdtan) oswa submiltip li yo souvan itilize olye de koulonb la, pou egzanp pou endike kapasite yon. batri, ak 1 A h = 3 600 C. Avantaj nan inite sa a se pou kapab byen vit evalye tan an fonksyone nan yon batri bay yon kouran nan entansite yo bay, pou egzanp yon batri ki gen yon kapasite de 30 A h delivre yon kouran nan entansite a 1 A teyorikman ta ka opere pou trant èdtan, kenz èdtan si aktyèl la se 2 A

Lwa Coulomb

An 1785, fizisyen franse Charles-Augustin Coulomb te demontre, lwa Coulomb a pèmèt nou eksprime fòs ${\displaystyle {\vec {f}}_{12}}$ egzèse pa yon chaj elektrik ki gen valè ${\displaystyle q_{1}}$ sou yon lòt chaj elektrik ki gen valè ${\displaystyle q_{2}}$ , tou de sipoze pwen^{[N 4]}, ak fiks nan ankadreman referans etid la.

Lalwa Coulomb a ekri:

<matematik>\vec{f}_{12}=K\frac{q_1 q_2}{r_{12}^2}\frac{\vec{r}_{12}}{r_{12}}</ matematik>,

ak :

• K konstan pwopòsyonèl, ki nan sistèm inite entènasyonal la se nan fòm ${\displaystyle K={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}\simeq }$ 9 × 10⁹ F⁻¹ m, ak ${\displaystyle \epsilon _{0}\simeq }$ 8,854 × 10⁻¹² F m⁻¹ ki se pèmitivite vakyòm dielektrik;
• ${\displaystyle {\vec {r}}_{12}}$ se vektè ki konekte pwen kote chaj ${\displaystyle q_{1}}$ ak ${\displaystyle q_{2}}$ yo plase, respektivman, nan nòmal. ${\displaystyle r_{12}}$ .

Klèman, si chaj yo gen menm siy la, Lè sa a, fòs la se 'repulsif', tandiske otreman li se atire.

Lwa Coulomb a gen yon fòm ki sanble ak Lwa Newton pou gravitasyon inivèsèl, ki pèmèt nou eksprime fòs ${\displaystyle {\vec {F}}_{12}}$ egzèse. pa yon mas ${\displaystyle m_{1}}$ sou yon lòt mas ${\displaystyle m_{2}}$ ^{[N 5]}, ki sipoze fè pwen, epi ki ekri ak menm konvansyon ak anvan:

<matematik>\vec{F}_{12}=-G\frac{m_1 m_2}{r_{12}^2}\frac{\vec{r}_{12}}{r_{12}}< / matematik>,

ak G konstan gravitasyonèl inivèsèl, G = 6,674 08 × 10⁻¹¹ m³ kg⁻¹ s⁻².

Lè w konpare de ekspresyon yo, li klè ke de fòs yo varye envers ak kare distans la, yo tou de nan ranje enfini, e ke chaj elektrik la jwe menm wòl nan elektwostatik kòm mas (gravitasyonèl) pou gravitasyon inivèsèl la.

Sepandan, de gwo diferans yo ta dwe remake:

• fòs gravitasyonèl inivèsèl la toujou atire, ki reflete pa prezans siy "-" nan ekspresyon lwa Newton an;
• feblès fòs gravitasyonèl la vle di diferans nan entansite ant de fòs yo souvan konsiderab^{[N 6]}.

Nòt

Referans