Електричен заряд: определение, свойства и закон на Кулон

Електричен заряд: ясно определение, ключови свойства и практични примери. Научете закона на Кулон, електрически ток и как зарядът влияе на материята.

Електрическият заряд е основно физическо свойство на електроните, протоните и другите субатомни частици. Електроните носят отрицателен заряд, а протоните — положителен. Частиците с противоположни заряди се привличат, а тези с еднакви — се отблъскват. Това поведение се описва от общоизвестното правило за взаимодействие на зарядите, частично формулирано още от експериментите на Шарл-Огюстен дьо Кулон. Законът, който количествено определя силата на това взаимодействие, е закон на Кулон.

Нещата, които съдържат равен брой електрони и протони, са електрически неутрални. Ако броят на електроните е по-голям от броя на протоните, предметът е отрицателно зареден; ако броят на електроните е по-малък, предметът е положително зареден. Когато два обекта имат различни заряди, между тях действа електростатична сила — привличане или отблъскване. Ако един обект има излишък от електрони и друг — дефицит, електроните могат да преминат от първия към втория, като при това протича електрически ток. Този поток на заряди е основата на електричеството в проводници.

Квант и запазване на заряда

Електрическият заряд е квантован: всеки заряд е целочислен кратен на елементарния заряд e. Стойността на елементарния заряд е приблизително e = 1.602 × 10^−19 кулон (C). Общият електрически заряд във затворена система се запазва — това е законът за запазване на заряда.

Единици и основни величини

• Единица на заряд: кулон (C). Един кулон е зарядът, пренесен от ток 1 ампер за 1 секунда.
• Ток (ампери): амперажът измерва броя на заряди, преминаващи през напречно сечение за единица време; 1 A = 1 C/s. (в текста е споменат като ампераж).
• Напрежение (волтове): напрежението е разлика в електрически потенциал между две точки и определя „електрическото налягане“, което може да предизвика движение на заряди; единица волт (V). В текста се споменава напрежение и примери с 25 000–30 000 волта при статично разреждане.
• Електрично поле: обозначава се E и дава силата върху единичен положителен заряд: E = F/q, където F е силата върху заряд q.

Закон на Кулон (количествена формула)

Законът на Кулон дава големината на електростатичната сила между две точкови заряди q1 и q2, разположени на разстояние r една от друга:

F = k · |q1 · q2| / r^2

където k е електростатичната константа k = 1 / (4π ε0) ≈ 8.988 × 10^9 N·m^2/C^2, а ε0 е диелектричната проницаемост на вакуума (ε0 ≈ 8.854 × 10^−12 F/m). Векторната форма на закона включва посоката: силата е по правата, свързваща двата заряда, и е привлекателна или отблъскваща в зависимост от знака на произведението q1·q2.

Принцип на суперпозиция

Електростатичните сили върху даден заряд, причинени от множество други заряди, се сумират векторно. Това означава, че чистата сила е векторната сума на силите, дължащи се на всеки отделен заряд.

Проводници, изолатори и поляризация

В проводниците (например метали) електроните се движат свободно и зарядът може да се разпредели бързо по повърхността. В изолаторите (пластмаси, стъкло и др.) електроните са свързани и зарядът остава локализиран. Дори в изолатори може да се появи поляризация — притежаваните от молекулите малки отмествания на положителни и отрицателни центрове, които създават местни електрически диполи.

Начини за наелектризиране

• Тресене (триене): прехвърляне на електрони при контакт и раздалечаване (например разбъркване на чорапи по килим), често причинява статични искри.
• Проводящ контакт: директно прехвърляне на заряд при допир между проводящи предмети.
• Индукция: преместване на заряди в обект под действие на близък зареден предмет, без директен контакт.

Практични примери и безопасност

При триене (например когато разбъркате краката си по килима) и последващо допиране на метална дръжка може да усетите малка искра. Ако има достатъчно допълнителни електрони, силата на отблъскване може да предизвика пренос на електрони през въздушния промеждутък — това е статичният електрически удар. Дължината на искрата е показател за напрежението. В текста е посочено, че типичното напрежение при такъв удар е между 25 000 и 30 000 волта, но токът е много краткотраен и обикновено не нанася вреда.

При мълнии напреженията и токовете са много по-големи — потоци от електрони между облак и земя (или между облаци) могат да бъдат смъртоносни. Ако тялото на човек бъде включено в пътя на такъв ток, последиците могат да бъдат тежки или фатални. Затова при буря трябва да се избягва открито пространство и изкачване по проводими предмети.

Допълнителни наблюдения

• Когато човек получи положителен или отрицателен заряд, космите на тялото могат да се изправят — те носят заряд и взаимно се отблъскват.
• Електричеството в ежедневието (домашни уреди, електронни устройства) се основава на контролирано движение на заряди и на използване на напрежение и ток в безопасни граници.
• Устройства като ван де Грааф генератор демонстрират явленията на статичното електричество и усилват напрежението, за да предизвикат видими ефекти (искри, изправяне на косми и т.н.).

Тези понятия — заряд, ток, напрежение, електрично поле и закон на Кулон — образуват основата на електростатиката и са отправна точка за по-нататъшното изучаване на електромагнетизма и практическите приложения в електротехниката и електрониката.

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво е електрически заряд?

Въпрос: Кой е открил закона за зарядите?

В: Какво описва законът на Кулон?

В: По какво се различават неутралните обекти от тези с положителни или отрицателни заряди?

Въпрос: Какво се случва, когато два обекта с различни заряди влязат в контакт?

Въпрос: Как се образува електрическият ток?

В: Защо в някои случаи електрическите удари са опасни, а в други - не?

Търсене по буква