ikaayt
17.04.2020 15:42:32
Физика 7-9 класс
50 баллов
Заряд небольшого шарика равен q=−6,952⋅10−16 Кл. Избыток или недостаток электронов наблюдается у заряженного тела? Чему равно количество избыточных электронов (электронов, которых не хватает)?
Ирина Каминкова
17.04.2020 16:35:24
Заряд отрицательный, значит, наблюдается избыток электронов.
Число избыточных электронов: N = q/e
e = -1,6⋅10−19 Кл — заряд одного электрона
N = (-6,952⋅10−16) /(- 1,6⋅10−19) = 4345
Ответ эксперта
Все предметы
Рейтинг пользователей
- Калькуляторы
- Справочник
- Словарь
Возьмём два одинаковых электрометра и один из них зарядим (рис. а). Его заряд соответствует (6) делениям шкалы.
Рис. (1). Электрометры
Если соединить эти электрометры стеклянной палочкой, то никаких изменений не произойдёт. Это подтверждает тот факт, что стекло является диэлектриком. Если же для соединения электрометров использовать металлический стержень А (рис. б), держа его за не проводящую электричество ручку В, то можно заметить, что первоначальный заряд разделится на две равные части: половина заряда перейдёт с первого шара на второй. Теперь заряд каждого электрометра соответствует (3) делениям шкалы. Продолжим опыт. Разъединим электрометры и коснёмся второго шара рукой. От этого он потеряет заряд — разрядится. Соединим его снова с первым шаром, на котором осталась половина первоначального заряда. Оставшийся заряд снова разделится на две равные части, и на первом шаре останется четвёртая часть первоначального заряда. Таким же образом можно получить одну восьмую часть, одну шестнадцатую часть первоначального заряда и т.д.
Возникает вопрос, до каких пор можно уменьшать заряд? Существует ли предел деления электрического заряда? Чтобы выяснить это, понадобилось выполнить более сложные и точные опыты, чем описанный выше, так как очень скоро оставшийся на шаре заряд оказывается столь малым, что обнаружить его при помощи школьного электрометра не удаётся. Более точные опыты показали, что электрический заряд нельзя уменьшать бесконечно: он имеет предел делимости.
Электрический заряд — это физическая величина, которую обозначают буквой (q).
За единицу электрического заряда принят кулон (Кл). Частицу, имеющую самый маленький заряд, назвали электроном. Этот заряд нельзя «снять» с электрона. Заряд электрона обозначают буквой е. Заряд электрона является отрицательным. (e = -0,00000000000000000016) Кл = (-)
1,6
·10
−19
()Кл. Этот заряд в миллиарды раз меньше того, что обычно получают в опытах по электризации тел трением.
Чтобы узнать заряд тела, необходимо заряд электрона умножить на количество зарядов n:
q=e
·n
.
Электрон — очень маленькая частица. Его масса (m =)9,1
·10
−31 кг. Крылышко мухи имеет массу примерно в (5·10²²) большую, чем масса электрона.
Если тело не заряжено и при электризации оно приобрело электроны, то оно зарядится отрицательно. Его заряд будет равен сумме зарядов полученных электронов.
Обрати внимание!
Если тело заряжено отрицательно и при электризации оно ещё приобретает электроны, то отрицательный заряд тела возрастает.
Пример:
Например, до электризации тело с зарядом (2е) в ходе электризации приобретает ещё (4) заряда электрона. Тогда после электризации заряд тела равен (2е + 4е = 6е).
Обрати внимание!
Если тело заряжено отрицательно и при электризации оно теряет электроны, то отрицательный заряд тела уменьшается.
Например, до электризации тело с зарядом (8е) в ходе электризации теряет (3) заряда электрона. Тогда после электризации заряд тела равен (8е — 3е = 5е).
Все вещества состоят из атомов.
Обрати внимание!
Атом состоит из ядра, а вокруг него движутся электроны.
Модель атома можно представить себе следующим образом:
Рис. (2). Модель атома
Обрати внимание!
Ядро тоже имеет свой состав: протоны и нейтроны.
Информация об этих частицах дана в таблице.
|
Частицы |
Обозначение |
Заряд |
Заряд, |
Масса, |
|
Протон |
p |
+1 |
1,6 |
1,7 |
|
Нейтрон |
n |
0 |
(0) |
1,7 |
|
Электрон |
e |
-1 |
(-1,6·10^{-19}) |
9,1 |
Рис. (3). Состав атома
Обрати внимание!
Атом не имеет заряда, т.к. количество электронов в атоме равно количеству протонов.
Количество нейтронов в атомах может быть отлично от количества протонов и электронов.
Атом, потерявший один или несколько электронов, не будет нейтральным, а будет иметь заряд «+». Его называют положительным ионом.
Атом, потерявший один или несколько электронов, называют положительным ионом.
Атом, к которому присоединился электрон, приобретает заряд «-» и становится отрицательным ионом.
Атом, к которому присоединился один или несколько электронов, называется отрицательным ионом.
|
Нейтральный атом |
Отрицательный ион |
Положительный ион |
|
|
|
|
|
Рис. (4). Число протонов и электронов одинаково |
Рис. (5). Число электронов больше числа протонов |
Рис. (6). Число электронов меньше числа протонов |
Узнать, сколько тех или иных частиц содержит нейтральный атом, поможет периодическая система химических элементов (таблица Менделеева). Любой элемент в таблице имеет порядковый номер и относительную атомную массу.
Рис. (7). Обозначение элемента в периодической таблице
Обрати внимание!
Количество протонов, а также электронов в нейтральном атоме всегда совпадает с порядковым номером.
Количество нейтронов равно разности относительной атомной массы (выраженной целым числом) и порядкового номера.
Например:
|
Элемент |
Порядковый номер |
Относительная атомная масса |
Число протонов |
Число электронов |
Число нейтронов |
|
Медь |
29 |
63,546 |
29 |
29 |
64 — 29=35 |
Зная строение атома, можно объяснить электризацию тел.
Обрати внимание!
При трении двух тел электроны переходят с одного тела (где силы притяжения к ядру меньше) на другое (в котором эти силы больше).
Зная строение атома, можно объяснить существование проводников и диэлектриков.
Проводник — это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов.
Так, в металлах это — электроны, в растворах солей, кислот, щелочей — положительные и отрицательные ионы. Например, когда прикасаются металлической проволокой к отрицательно заряженному электрометру, свободные электроны передвигаются по проволоке, а электрометр разряжается.
Изолятор (или диэлектрик) — тело, не содержащее внутри свободные электрические заряды.
Поэтому прикосновение деревянной линейки к заряженному электрометру не вызывает никаких изменений.
Зная строение атома, можно объяснить явление притяжения ненаэлектризованных тел к наэлектризованным.
Рис. (8). Воздействие положительно заряженной палочки на гильзу
В металлической гильзе есть свободные электроны. Под действием электрического поля палочки они приходят в движение, так как начинают притягиваться к ней. В результате происходит перераспределение заряда. Электроны скапливаются на стороне, которая ближе к палочке, и она заряжается отрицательно. На противоположной стороне недостаток электронов, поэтому она заряжается положительно. Но в целом заряд гильзы равен нулю (в соответствии с законом сохранения заряда).
Рис. (9). Распределение заряда при воздействии на нейтральную гильзу положительно заряженной палочки
Если палочка будет заряжена отрицательно, то свободные электроны будут отталкиваться от неё и перемещаться в противоположную сторону.
Рис. (10). Распределение заряда при воздействии на нейтральную гильзу отрицательно заряженной палочки
По такому же принципу происходит отклонение листочков незаряженного электроскопа при поднесении к нему (не касаясь) заряженной палочки.
Рис. (11). Распределение заряда на электроскопе
Электрическое поле палочки вызывает перераспределение зарядов в металлическом стержне электроскопа. В верхней части будет избыток электронов, а в нижней — недостаток. Поэтому оба листочка зарядятся положительно и оттолкнутся друг от друга.
Источники:
Рис. 1. Электрометры. © ЯКласс.
Рис. 2. Модель атома. © ЯКласс.
Рис. 3. Состав атома. © ЯКласс.
Рис. 4. Число протонов и электронов одинаково. © ЯКласс.
Рис. 5. Число электронов больше числа протонов. © ЯКласс.
Рис. 6. Число электронов меньше числа протонов. © ЯКласс.
Рис. 7. Обозначение элемента в периодической таблице. © ЯКласс.
Рис. 8. Воздействие положительно заряженной палочки на гильзу. © ЯКласс.
Рис. 9. Распределение заряда при воздействии на нейтральную гильзу положительно заряженной палочки. © ЯКласс.
Рис. 10. Распределение заряда при воздействии на нейтральную гильзу отрицательно заряженной палочки. © ЯКласс.
Рис. 11. Распределение заряда на электроскопе. © ЯКласс.
В прошлых уроках мы рассмотрели электрические явления, где одним телам передавался заряд от других, как взаимодействовали друг с другом наэлектризованные тела. Также вы уже обладаете знаниями о строении атомов и существовании электрического поля.
Используя эти знания, в данном уроке мы более глубоко рассмотрим физику электрических явлений и объясним, что же в них происходит.
Электрическая нейтральность
Все тела состоят из атомов. Атомы же состоят из протонов, нейтронов и электронов. При этом большое значение для нас имеет число протонов и электронов в атоме, ведь они определяют его заряд. Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. При этом заряд одного протона численно равен заряду одного электрона.
В обычных условиях, число электронов в атоме равно числу протонов. В таком случае положительный заряд всех протонов компенсируется отрицательным зарядом всех электронов. Суммарно выходит, что такой атом будет не иметь никакого заряда — будет электрически нейтральным.
Электрически нейтральное тело — это тело, в котором сумма всех отрицательных зарядов равна по абсолютному значению сумме всех положительных зарядов, и оно в целом не имеет заряда.
Положительно и отрицательно заряженные тела
Но некоторые тела имеют некоторый электрический заряд. В чем же суть, если изначально все атомы электрически нейтральны?
Электрически нейтральное тело получит отрицательный заряд, если получит дополнительные электроны от какого-нибудь другого тела. Тогда количество электронов в нем станет больше количества протонов.
Тело заряжено отрицательно в том случае, если оно обладает избыточным, по сравнению с нормальным, числом электронов.
Соответственно, если нейтральное тело, наоборот, теряет электроны и количество протонов в нем становится больше количества электронов, то оно обретает положительный заряд.
Тело обладает положительным зарядом, если у него недостаточно электронов.
Получается, что тела электризуются (получают электрический заряд), если они теряют или получают электроны.
Обратите внимание, что электризация происходит за счет изменения числа электронов, а не протонов. Протоны и нейтроны связаны сильнейшими взаимодействиями в ядре. Изменение числа протонов приводит к образованию атома нового химического элемента.
Потеря и приобретение веществами дополнительных электронов
Рассмотрим еще раз опыт с электризацией палочек о шелк и мех (рисунок 1).
Потерев стеклянную палочку о шелк, палочка обретает положительный заряд (рисунок 1, а). Значит, она теряет электроны.
Куда они деваются? Дело в том, что при трении электроны переходят со стеклянной палочки на шелк. В итоге, шелк обладает избыточным количеством электронов. Он обретает отрицательный заряд.
Теперь возьмем изначально нейтральную эбонитовую палочку и потрем ее о мех (рисунок 1, б). Она получит отрицательный заряд, а мех — положительный.
Объясняется это так же тем, что в ходе трения электроны переходят с меха на палочку. В итоге, на эбонитовой палочке образуется избыток электронов, а на мехе — их недостаток.
Почему при трении электроны переходят со стеклянной палочки на шелк и с меха на эбонитовую палочку, а не наоборот? Дело в том, что при взаимодействии двух тел из разных веществ электроны теряет то вещество, в котором силы притяжения электронов к ядру атомов меньше. Они переходят к тому веществу, в котором эти силы больше.
Закон сохранения электрического заряда
Если мы количественно определим заряды, которые в предыдущих опытах обретают мех и эбонитовая палочка (или шелк и стеклянная палочка), то увидим, что они равны.
Это логично, ведь сколько электронов ушло с меха, столько и получила эбонитовая палочка. Получается, что заряд не создается из ничего. Он был и изначально (просто суммарно в атоме был равен нулю), а после трения — разделился другим образом между телами.
Другие эксперименты только подтверждают этот факт. Так, при электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда.
Закон сохранения электрического заряда:
алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной при любых взаимодействиях в замкнутой системе:
$q_1 + q_2 + q_3 + … + q_n = const$,
где $q$ — электрический заряд.
Обратите внимание! Этот закон выполняется только в замкнутой системе. Что это означает?
Замкнутая система — это такая система, в которую не входят извне и не выходят наружу никакие электрические заряды.
Свободные электроны
А какие именно электроны теряют вещества?
Снова вернемся к строению атома. В различных атомах электроны находятся на разных расстояниях от ядра. Взгляните, например на атом лития (рисунок 2).
Электроны, которые дальше находятся от ядра, слабее притягиваются к нему. Те, что находятся ближе к ядру, притягиваются сильнее. Особенно слабо удерживаются удаленные электроны в металлах.
Получается, что в металлах происходит следующее:
наиболее удаленные от ядра электроны могут покидать свое место и свободно двигаться между атомами этого вещества.
Такие электроны называют свободными. Зафиксируем это новое определение.
Свободные электроны — это электроны, которые покинули свое место в атоме, и свободно перемещаются между другими атомами вещества.
Ранее вы уже слышали о делении веществ на проводники и непроводники (диэлектрики). А сейчас мы докопались до их сути. Их природу определяет наличие или отсутствие именно свободных электронов. В проводниках они есть, а в диэлектриках — нет. Подробнее об этом мы поговорим в следующем уроке.
Передача электрического заряда
Проверим вышесказанное о проводниках. Если в них есть свободные электроны, то они могут переносить (передавать) электрических заряд.
Проведем опыт. Возьмем два электроскопа. Одних из них оставим незаряженным, а второй зарядим отрицательно. Соединим их с помощью металлического стержня (рисунок 3). Он будет являться проводником.
Мы увидим, что второй электроскоп тоже зарядился отрицательно.
Давайте объясним, как это произошло. В стержне есть свободные электроны. Когда мы соединяем его с электроскопами, они оказываются в электрическом поле заряженного электроскопа.
В итоге, эти свободные электроны придут в движение. Они направляются в сторону незаряженного электроскопа. Почему в его сторону? Заряженный электроскоп имеет отрицательный заряд и электроны тоже. Они отталкиваются и двигаются от него в единственное противоположное направление — в сторону незаряженного электроскопа. В результате и этот электроскоп обретает отрицательный заряд.
Притяжение наэлектризованных тел к ненаэлектризованным
Объясним еще одно электрическое явление. Мы говорили о том, что электрическое поле действует только на тела, которые имеют заряд. Но, если мы поднесем заряженную стеклянную палочку к изначально нейтральной гильзе из металлической фольги, то она будет притягиваться. Почему?
Рассмотрим это явление поэтапно (рисунок 3).
Гильза сделана из металла. Это означает, что в ней есть свободные электроны. Как только гильза окажется в электрическом поле палочки, на эти электроны будет действовать электрическая сила. Они придут в движение.
Наша палочка заряжена положительно. Свободные электроны гильзы перейдут на тот ее конец, который ближе к палочке (рисунок 3, а). Теперь этот конец гильзы заряжен отрицательно.
Соответственно, на другом конце гильзы образуется недостаток электронов. Другая сторона окажется заряжена положительно.
Отрицательно заряженный край гильзы притянется к положительно заряженной палочке (разноименные заряды притягиваются). Гильза коснется палочки. При этом часть свободных электронов перейдет с нее на палочку (рисунок 3, б).
Потеряв электроны, гильза оказывается положительно заряженной (рисунок 3, в).
Деление электрического заряда между телами
Посмотрим, как разделяется электрический заряд между двумя телами.
Проделаем простой опыт. Снова возьмем два одинаковых электроскопа. Один из них зарядим. Соединим их металлическим стержнем (рисунок 4).
После их соединения, мы увидим, что второй электроскоп зарядился. Половина заряда перешла на второй электроскоп. Первоначальный заряд поделился на две равные части.
Но что будет с зарядом, если электроскопы будут неодинаковые? Например, шар незаряженного электроскопа будет больше, чем шар первого.
Опыты показывают, что в таком случае на шар незаряженного электроскопа перейдет больше, чем половина заряда.
Чем больше тело, которому передают заряд, тем большая часть заряда на него перейдет.
Слышали о заземлении? Оно основано как раз на вышесказанном факте. Соединив заряженное тело с землей, почти весь его заряд передается земному шару. Происходит это потому, что Земля очень велика по сравнению с другими телами, находящимися на ней. Так заземленное тело практически становится электрически нейтральным.
Упражнения
Упражнение №1
Почему можно наэлектризовать трением эбонитовую палочку, держа ее в руке, а металлический стержень нельзя?
Эбонит считается диэлектриком, электроны притягиваются к ядрам атомов с большой силой. Получив избыточные электроны при электризации, эбонит удерживает и их.
Металлический стержень — проводник. Даже если он получит дополнительные электроны, часть их будет спокойно перемещаться и перейдет на наше тело.
Упражнение №2
При наливании бензина корпус бензовоза при помощи металлического проводника обязательно соединяют с землей. Зачем это делают?
Дело в том, что на металлическом корпусе бензовоза может скапливаться определенный заряд (статическое электричество). Он может спровоцировать появление искры, что крайне взрывоопасно в сочетании с бензином и его парами.
Соединяя корпус бензовоза с землей, его заземляют. Заряд с корпуса уходит в землю и становится электрически нейтральным, появление искры невозможно.
Упражнение №3
Пластмассовая линейка, потертая шерстяной тканью, получила отрицательный заряд. Избыток или недостаток электронов образовался на ткани?
Если линейка получила дополнительные электроны, значит, по закону сохранения заряда, эти электроны потеряла ткань. Т.е., при электризации линейки электроны с ткани перешли на нее. Получается, что на ткани образовался недостаток электронов. Ткань обрела положительный заряд.
5
Электростатика электрический заряд. Закон кулона.
1.Электрический заряд.
Любому ученику
средней школы известен опыт, в котором
расчёска, потёртая о волосы, начинает
притягивать маленькие кусочки бумаги.
Такое забавное явление оказывается
очень тесно связано с красивым и грозным
явлением природы – молнией. В первом
случае происходит электризация расчёски,
а во втором – электризация облаков.
Природа этих явлений стала понятнее
после того, как было выяснено строение
вещества.
Все вещества
условно можно разделить на два класса
– сложные и простые. Сложные вещества
состоят из молекул, которые, в свою
очередь, состоят из атомов. Простые же
вещества состоят просто из атомов. В
любом случае атом – этот тот элементарный
кирпичик, из которого строятся все
вещества. Долгое время считалось, что
атом неделим. Однако оказалось, что и
сам атом имеет сложное строение.
Согласно
представлениям классической физики,
атом состоит из ядра и вращающихся
вокруг него электронов. Ядро и электроны
связаны в атоме друг с другом особыми
силами, называемыми электрическими.
Эти силы возникают благодаря тому, что
ядро и электроны обладают некоторым
свойством, называемым зарядом;
говорим, что ядро и электроны заряжены.
Заряды бывают двух видов – положительный
и отрицательный. Электрон заряжен
отрицательно, а ядро положительно. Ядро
неоднородно, оно в свою очередь состоит
из протонов и нейтронов. Положительный
заряд ядра обеспечивается положительно
заряженными протонами. Нейтроны заряда
не несут; говорим, что они нейтральны.
В качестве примера
на рисунке изображён атом гелия, где р
– положительно заряженные протоны и n
– нейтральные нейтроны, находящиеся в
ядре, е—
— отрицательно заряженные электроны,
вращающиеся вокруг ядра.
В обычном состоянии
количество протонов и электронов в
атоме одинаково. Поэтому положительный
заряд протонов компенсируется
отрицательным зарядом электронов и
атом, в целом, оказывается нейтральным.
Следовательно, и всё вещество тоже
нейтрально, т.е. не заряжено.
Электроны, как
более подвижные частицы, могут покидать
свои атомы.
Если, по каким-либо
причинам, часть электронов с одного
физического тела перешла на другое, то
на первом теле образовался недостаток
электронов и суммарный положительный
заряд протонов не может быть скомпенсирован.
В этом случае говорим, что тело заряжено
положительно. На другом теле образовался
избыток электронов, заряд которых также
не может быть скомпенсирован. Тогда
говорим, что тело заряжено отрицательно.
Электрон является
носителем элементарного, т.е. наименьшего,
электрического заряда. Так как на теле
может присутствовать недостаток или
избыток только целого числа электронов,
то заряд физического тела всегда кратен
заряду электрона. Математически это
выражается так:
|Q|
= n
|e—|
где
|е—|
— модуль заряда электрона, n
– количество избыточных или недостающих
электронов и |Q|
— модуль
величины заряда тела.
Опыт показывает,
что если приблизить друг к другу два
одноимённо заряженных тела, то они будут
отталкиваться, а если приблизить два
разноимённо заряженных тела, то они
будут притягиваться.
Взаимодействие
двух заряженных тел называется
электромагнитным взаимодействием. Сила
этого взаимодействия зависит от величины
заряда обоих тел. Поэтому понятие
электрического заряда определяется
следующим образом.
Электрический
заряд – это физическая величина,
характеризующая интенсивность
электромагнитного взаимодействия
заряженных тел.
Единица измерения
заряда [q]=1
Кл (кулон)
1 кулон — это
заряд, прошедший через поперечное
сечение проводника за 1 с при силе тока
1 А.
Заряд одного
электрона – 1,6 10-19
Кл.
Vashington
Электрон имеет минимальный отрицательный электрический заряд. Если тело заряжено положительно, то в нем есть недостаток электронов .