18.1: Umeme wa Umeme na Malipo - Uhifadhi wa Malipo

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza malipo ya umeme, na ueleze jinsi aina mbili za malipo zinavyoingiliana.
• Eleza hali tatu za kawaida zinazozalisha umeme wa tuli.
• Hali ya sheria ya uhifadhi wa malipo.

Ni nini kinachofanya wrap ya plastiki kushikamana? Umeme tuli. Sio tu matumizi ya umeme wa tuli ya kawaida siku hizi, kuwepo kwake kumejulikana tangu nyakati za kale. rekodi ya kwanza ya madhara yake tarehe ya Wagiriki wa kale ambao alibainisha zaidi ya miaka 500 B.C. kwamba polishing kahawia muda kuwezeshwa ili kuvutia bits ya majani (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Neno moja la umeme linatokana na neno la Kigiriki kwa amber (elektroni).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Borneo amber ilipigwa huko Sabah, Malaysia, kutoka mishipa ya shale-mchanga-mudstone. Wakati kipande cha amber kinachopigwa na kipande cha hariri, amber hupata elektroni zaidi, ikitoa malipo mabaya. Wakati huo huo, hariri, baada ya kupoteza elektroni, inakuwa kushtakiwa vyema. (mikopo: Sebakoamber, Wikimedia Commons).

Tabia nyingi za umeme wa tuli zinaweza kuchunguzwa kwa kusugua vitu pamoja. Rubbing inajenga cheche unayopata kutoka kutembea kwenye carpet ya pamba, kwa mfano. Static kushikamana yanayotokana katika dryer nguo na mvuto wa majani kwa amber hivi karibuni polished pia kutokana na rubbing. Vile vile, matokeo ya umeme kutoka kwa harakati za hewa chini ya hali fulani ya hali ya hewa. Unaweza pia kusugua puto juu ya nywele zako, na umeme tuli kuundwa unaweza kisha kufanya puto kushikamana na ukuta. Pia tunapaswa kuwa waangalifu wa umeme wa tuli, hasa katika hali ya hewa kavu. Tunapopiga petroli, tunaonya kujitenga wenyewe (baada ya kupiga kiti) kwenye uso wa chuma kabla ya kunyakua bomba la gesi. Wahudumu katika vyumba vya uendeshaji wa hospitali wanapaswa kuvaa nyongeza na ukanda wa conductive wa foil alumini kwenye makalio ili kuepuka kuunda cheche ambazo zinaweza kuwaka gesi za anesthesia zinazowaka pamoja na oksijeni inayotumiwa.

Baadhi ya sifa za msingi za umeme wa tuli ni pamoja na:

• Madhara ya umeme wa tuli yanaelezewa na kiasi cha kimwili ambacho hakijaanzishwa hapo awali, kinachoitwa malipo ya umeme.
• Kuna aina mbili tu za malipo, moja inayoitwa chanya na nyingine inayoitwa hasi.
• Kama mashtaka kurudisha, wakati tofauti na mashtaka kuvutia.
• Nguvu kati ya mashtaka hupungua kwa umbali.

Tunajuaje kuna aina mbili za malipo ya umeme? Wakati vifaa mbalimbali vinapigwa pamoja kwa njia za kudhibitiwa, mchanganyiko fulani wa vifaa huzalisha aina moja ya malipo kwenye nyenzo moja na aina tofauti kwa upande mwingine. Kwa mkataba, tunaita aina moja ya malipo “chanya”, na aina nyingine “hasi.” Kwa mfano, wakati kioo kinachopikwa na hariri, kioo kinakuwa chaji chanya na hariri inashtakiwa vibaya. Kwa kuwa kioo na hariri vina mashtaka kinyume, huvutia kama nguo ambazo zimeunganishwa pamoja kwenye dryer. Vipande viwili vya kioo vinavyotengenezwa na hariri kwa namna hii vitarudiana, kwa kuwa kila fimbo ina malipo mazuri juu yake. Vile vile, nguo mbili za hariri ambazo zimechapwa zitarudisha, kwani nguo zote mbili zina malipo mabaya. Kielelezo\(\PageIndex{2}\) inaonyesha jinsi vifaa hivi rahisi inaweza kutumika kuchunguza asili ya nguvu kati ya mashtaka.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Fimbo ya kioo inakuwa kushtakiwa vyema wakati wa kusukwa na hariri, wakati hariri inakuwa kushtakiwa vibaya. (a) Fimbo ya kioo inavutiwa na hariri kwa sababu mashtaka yao ni kinyume. (b) Vipande viwili vya kioo vilivyopigwa sawa. (c) Vipande viwili vya hariri vinavyoshtakiwa vinarudia.

Maswali ya kisasa zaidi yanatokea. Mashtaka haya yanatoka wapi? Je, unaweza kujenga au kuharibu malipo? Je, kuna kitengo kidogo cha malipo? Hasa nguvu inategemea kiasi cha malipo na umbali kati ya mashtaka? Maswali kama hayo yalitokea kwa Benjamin Franklin na watafiti wengine mapema, na wao maslahi yetu hata leo.

Malipo Yanayobeba na elektroni na protoni

Franklin aliandika katika barua na vitabu vyake kwamba angeweza kuona madhara ya chaji ya umeme lakini hakuelewa kilichosababisha jambo hilo. Leo tuna faida ya kujua kwamba jambo la kawaida linatengenezwa kwa atomi, na kwamba atomi zina chaji chanya na hasi, kwa kawaida kwa kiasi sawa.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\) kinaonyesha mfano rahisi wa atomi na elektroni hasi zinazozunguka kiini chake chanya. Kiini ni chanya kutokana na kuwepo kwa protoni za kushtakiwa vyema. Karibu malipo yote katika asili ni kutokana na elektroni na protoni, ambazo ni mbili kati ya vitalu vitatu vya ujenzi wa jambo kubwa. (Ya tatu ni neutron, ambayo haina upande wowote, bila malipo.) Vipande vingine vya kubeba malipo huzingatiwa katika mionzi ya cosmic na kuoza kwa nyuklia, na huundwa katika kasi za chembe. Wote isipokuwa elektroni na protoni huishi muda mfupi tu na ni nadra sana kwa kulinganisha.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Hii rahisi (na si kwa wadogo) mtazamo wa atomi inaitwa mfano wa sayari wa atomi. Electroni hasi obiti nzito sana chanya kiini, kama sayari obiti jua nzito sana. Hapo kufanana kuishia, kwa sababu majeshi katika atomu ni sumakuumeme, ilhali wale walio katika mfumo wa sayari ni mvuto. Kiasi cha kawaida cha macroscopic cha suala kina idadi kubwa ya atomi na molekuli na, kwa hiyo, idadi kubwa zaidi ya mashtaka ya mtu binafsi na mazuri.

Mashtaka ya elektroni na protoni yanafanana kwa ukubwa lakini kinyume na ishara. Zaidi ya hayo, vitu vyote vya kushtakiwa katika asili ni virutubisho muhimu vya kiasi hiki cha msingi cha malipo, maana yake ni kwamba mashtaka yote yanafanywa kwa mchanganyiko wa kitengo cha msingi cha malipo. Kawaida, mashtaka yanaundwa na mchanganyiko wa elektroni na protoni. Ukubwa wa malipo haya ya msingi ni

\[|q_e|=1.60\times 10^{-19}C \nonumber\]

Ishara\(q\) hutumiwa kwa kawaida kwa malipo na usajili \(e\)unaonyesha malipo ya elektroni moja (au proton).

Kitengo cha malipo ya SI ni coulomb (C). Idadi ya protoni zinazohitajika kufanya malipo ya 1.00 C ni

\[1.00C\times \dfrac{1 proton}{1.60\times 10^{-19}C}=6.25\times 10^{18} protons \nonumber\]

Vilevile\(6.25\times 10^{18}\) elektroni zina chaji ya pamoja ya -1.00 coulomb. Kama vile kuna kidogo kidogo ya kipengele (atomi), kuna kidogo kidogo ya malipo. Hakuna malipo ya moja kwa moja aliona ndogo kuliko\(∣q_e∣\) (angalia Mambo Kubwa na Ndogo: Asili ndogo ya Charge), na mashtaka yote aliona ni mafungu muhimu ya\(∣q_e∣\).

MAMBO MAKUBWA NA MADOGO: ASILI YA SUBMICROSCOPIC YA MALIPO

Isipokuwa kwa chembe za kigeni, za muda mfupi, malipo yote katika asili yanafanywa na elektroni na protoni. Electroni hubeba malipo tuliyoyaita hasi. Protoni hubeba malipo ya ukubwa sawa ambayo tunaita kuwa chanya. (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)) Mashtaka ya elektroni na proton huchukuliwa kama vitalu vya msingi, kwani mashtaka mengine yote ni wingi muhimu wa wale waliofanywa na elektroni na protoni. Electroni na protoni pia ni mbili ya vitalu vitatu vya msingi vya ujenzi wa jambo la kawaida. Neutroni ni ya tatu na ina chaji jumla ya sifuri.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\) kinaonyesha mtu anayegusa jenereta ya Van de Graaff na kupokea malipo mazuri ya ziada. Mtazamo uliopanuliwa wa nywele unaonyesha kuwepo kwa aina zote mbili za mashtaka lakini ni ziada ya chanya. Kuondolewa kwa haya mazuri kama mashtaka husababisha nywele za nywele kurudisha nywele nyingine za nywele na kusimama. Blowup zaidi inaonyesha mimba ya msanii wa elektroni na protoni labda kupatikana katika atomu katika strand ya nywele.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Wakati mtu huyu anagusa jenereta ya Van de Graaff, baadhi ya elektroni huvutiwa na jenereta, na kusababisha ziada ya malipo mazuri, na kusababisha nywele zake kusimama mwisho. Mashtaka katika nywele moja yanaonyeshwa. Mimba ya msanii wa elektroni na protoni inaonyesha chembe zilizobeba mashtaka hasi na mazuri. Hatuwezi kuona kweli chembe hizi kwa nuru inayoonekana kwa sababu ni ndogo sana (elektroni inaonekana kuwa nukta ndogo), lakini tunajua mengi kuhusu mali zao za kupimika, kama vile mashtaka wanayobeba.

Electroni inaonekana kuwa haina substructure; kinyume chake, wakati substructure ya protoni inachunguzwa kwa kueneza elektroni juhudi sana kutoka kwao, inaonekana kwamba kuna chembe zenye uhakika ndani ya protoni. Hizi ndogo chembe, aitwaye quarks, haijawahi kuzingatiwa moja kwa moja, lakini wanaaminika kubeba mashtaka ya sehemu kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{5}\). Mashtaka juu ya elektroni na protoni na chembe nyingine zote zinazoonekana moja kwa moja ni umoja, lakini substructures hizi za quark hubeba mashtaka ya aidha\(-\dfrac{1}{3}\) au\(+\dfrac{2}{3}\). Kuna majaribio ya kuendelea kuchunguza malipo ya sehemu moja kwa moja na kujifunza mali ya quarks, ambayo labda ni substructure ya mwisho ya suala.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Mimba ya Msanii wa mashtaka ya quark ya sehemu ndani ya proton. Kikundi cha mashtaka matatu ya quark huongeza hadi malipo moja mazuri kwenye proton:\(-\dfrac{1}{3}q_{e}+\dfrac{2}{3}q_{e}+\dfrac{2}{3}q_{e}=+1q_{e}\).

Kugawanyika kwa Malipo katika Atomi

Mashtaka katika atomi na molekuli yanaweza kutenganishwa—kwa mfano, kwa kusugua vifaa pamoja. Baadhi ya atomi na molekuli zina mshikamano mkubwa zaidi kwa elektroni kuliko wengine na zitashtakiwa vibaya kwa kuwasiliana kwa karibu katika kusugua, na kuacha nyenzo zingine zenye kushtakiwa vyema. (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)) Malipo mazuri yanaweza pia kuingizwa na rubbing. Njia nyingine isipokuwa rubbing pia zinaweza kutenganisha mashtaka. Betri, kwa mfano, hutumia mchanganyiko wa vitu vinavyoingiliana kwa njia ya kutenganisha mashtaka. Uingiliano wa kemikali unaweza kuhamisha malipo hasi kutoka kwa dutu moja hadi nyingine, na kufanya terminal moja ya betri hasi na kuacha moja ya kwanza chanya.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Wakati vifaa vinavyotengenezwa pamoja, mashtaka yanaweza kutengwa, hasa ikiwa nyenzo moja ina mshikamano mkubwa wa elektroni kuliko mwingine. (a) Wote amber na nguo ni awali neutral, na mashtaka sawa chanya na hasi. Sehemu ndogo tu ya mashtaka yanahusika, na wachache tu huonyeshwa hapa. (b) Unapokwisha kusambazwa pamoja, malipo mengine hasi huhamishiwa kwenye amber, na kuacha kitambaa na malipo mazuri. (c) Wakati wa kutenganishwa, amber na nguo sasa zina mashtaka ya wavu, lakini thamani kamili ya mashtaka ya chanya na hasi yatakuwa sawa.

Hakuna malipo ni kweli kuundwa au kuharibiwa wakati mashtaka ni kutengwa kama tumekuwa kujadili. Badala yake, mashtaka yaliyopo yanahamishwa. Kwa kweli, katika hali zote jumla ya malipo ni daima mara kwa mara. Sheria hii ya kutii kwa ulimwengu wote inaitwa sheria ya uhifadhi wa malipo.

SHERIA YA UHIFADHI WA MALIPO

Jumla ya malipo ni mara kwa mara katika mchakato wowote.

Katika hali zaidi ya kigeni, kama vile kasi ya chembe\(\Delta m\), wingi, inaweza kuundwa kutoka nishati kwa kiasi\(\Delta m=\dfrac{E}{c^{2}}\). Wakati mwingine, molekuli iliyoundwa inashtakiwa, kama vile wakati elektroni inapoundwa. Kila chembe ya kushtakiwa inapoundwa, mwingine mwenye chaji kinyume daima huundwa pamoja nayo, ili malipo ya jumla yaliyoundwa ni sifuri. Kawaida, chembe hizo mbili ni wenzao wa “juu-antimater”. Kwa mfano, antielektroni kwa kawaida ingeundwa kwa wakati mmoja kama elektroni. Antielectron ina malipo mazuri (inaitwa positron), na hivyo malipo ya jumla yameundwa ni sifuri. (Kielelezo\(\PageIndex{7}\)) Chembe zote zina wenzao wa antimater na ishara tofauti. Wakati wenzao wa suala na antimater huletwa pamoja, wao huangamiza kabisa. Kwa kuangamiza, tunamaanisha kwamba wingi wa chembe mbili hubadilishwa kuwa nishati E, tena kutii uhusiano\(\Delta m=\dfrac{E}{c^{2}}\). Kwa kuwa chembe hizo mbili zina malipo sawa na kinyume, malipo ya jumla ni sifuri kabla na baada ya kuangamizwa; hivyo, malipo ya jumla yanahifadhiwa.

KUFANYA UHUSIANO: SHERIA ZA HIFADHI

Idadi ndogo tu ya kiasi cha kimwili huhifadhiwa ulimwenguni pote. Malipo ni moja-nishati, kasi, na kasi ya angular ni wengine. Kwa sababu zimehifadhiwa, wingi huu wa kimwili hutumiwa kuelezea matukio zaidi na kuunda uhusiano zaidi kuliko nyingine, kiasi kidogo cha msingi. Tunaona kwamba kiasi kilichohifadhiwa kinatupa ufahamu mkubwa katika sheria zilizofuatiwa na asili na vidokezo kwa shirika la asili. Uvumbuzi wa sheria za uhifadhi umesababisha uvumbuzi zaidi, kama vile nguvu dhaifu ya nyuklia na substructure ya quark ya protoni na chembe nyingine.

Kielelezo\(\PageIndex{7}\): (a) Wakati nishati ya kutosha iko, inaweza kubadilishwa kuwa jambo. Hapa jambo lililoundwa ni jozi ya elektroni-antielectron. (\(m_e\)ni molekuli ya elektroni.) Malipo ya jumla kabla na baada ya tukio hili ni sifuri. (b) Wakati jambo na antimater linapogongana, huangamiza; malipo ya jumla yanahifadhiwa kwenye sifuri kabla na baada ya kuangamizwa.

Sheria ya uhifadhi wa malipo ni kabisa—haijawahi kuzingatiwa kukiuka. Malipo, basi, ni kiasi maalum cha kimwili, kujiunga na orodha fupi sana ya kiasi kingine katika asili ambayo daima huhifadhiwa. Kiasi kingine kilichohifadhiwa ni pamoja na nishati, kasi, na kasi ya angular.

PHET EXPLORATIONS: BALLOONS NA UMEME TULI

Kwa nini puto inashikilia jasho lako? Panda puto kwenye jasho, kisha uache kwenda kwenye puto na inaruka juu na vijiti kwenye jasho. Tazama mashtaka katika sweta, balloons, na ukuta.

Muhtasari

• Kuna aina mbili tu za malipo, ambazo tunaita chanya na hasi.
• Kama mashtaka yanarudisha, tofauti na mashtaka huvutia, na nguvu kati ya mashtaka hupungua kwa mraba wa umbali.
• Wengi wa malipo mazuri katika asili hufanywa na protoni, wakati idadi kubwa ya malipo hasi hutolewa na elektroni.
• Malipo ya umeme ya elektroni moja ni sawa na ukubwa na kinyume na ishara kwa malipo ya proton moja.
• Ioni ni atomi au molekuli ambayo ina chaji ya jumla isiyo na sifuri kutokana na kuwa na idadi isiyo sawa ya elektroni na protoni.
• Kitengo cha SI cha malipo ni coulomb (C), na protoni na elektroni zilizo na mashtaka ya ishara tofauti lakini ukubwa sawa; ukubwa wa malipo haya ya msingi\(|q_{e}|\) ni
• \(|q_{e}|=1.60\times 10^{-19}C\)
• Wakati wowote malipo yameundwa au kuharibiwa, kiasi sawa cha chanya na hasi kinahusika.
• Mara nyingi, mashtaka yaliyopo yanatenganishwa na vitu vya neutral ili kupata malipo ya wavu.
• Mashtaka yote mazuri na mabaya yanapo katika vitu vya neutral na yanaweza kutenganishwa na kusugua kitu kimoja na mwingine. Kwa vitu vya macroscopic, kushtakiwa vibaya inamaanisha ziada ya elektroni na kushtakiwa vyema inamaanisha kupungua kwa elektroni.
• Sheria ya uhifadhi wa malipo inahakikisha kwamba wakati wowote malipo yanapoundwa, malipo sawa ya ishara kinyume huundwa kwa wakati mmoja.

faharasa

malipo ya umeme

mali ya kimwili ya kitu kinachosababisha kuvutia kuelekea au kupinduliwa kutoka kitu kingine cha kushtakiwa; kila kitu kilichopakiwa kinazalisha na kinaathiriwa na nguvu inayoitwa nguvu ya umeme

sheria ya uhifadhi wa malipo

inasema kwamba wakati wowote malipo yanapoundwa, kiasi sawa cha malipo na ishara kinyume kinaundwa wakati huo huo

elektroni

chembe inayozunguka kiini cha atomi na kubeba kitengo kidogo cha malipo hasi

protoni

chembe katika kiini cha atomi na kubeba malipo mazuri sawa na ukubwa na kinyume kwa ishara kwa kiasi cha malipo hasi iliyofanywa na elektroni