Interested Article - Электрический заряд

Электри́ческий заря́д ( коли́чество электри́чества ) — физическая скалярная величина , показывающая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии .

Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году .

Единица измерения электрического заряда в Международной системе единиц (СИ) — кулон . Один кулон равен электрическому заряду, проходящему через поперечное сечение проводника с током силой в 1 А за время 1 с . Если два тела, каждое из которых обладает электрическим зарядом ( q ₁ = q ₂ = 1 Кл ), расположены в вакууме на расстоянии 1 м , то они взаимодействуют приблизительно с силой в 9⋅10 ⁹ H .

История

Майкл Фарадей за опытами в своей лаборатории

Бенджамин Франклин проводит свой знаменитый опыт с летающим змеем, в котором доказывает, что молния — это электричество.

Ещё в глубокой древности было известно, что янтарь ( др.-греч. ἤλεκτρον — электрон ), потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы. А уже в конце XVI века английский врач Уильям Гильберт назвал тела, способные после натирания притягивать лёгкие предметы, наэлектризованными .

В 1729 году Шарль Дюфе установил, что существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным» соответственно. Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл Бенджамин Франклин .

В начале XX века американский физик Роберт Милликен опытным путём показал , что электрический заряд дискретен , то есть заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда .

Электростатика

Электростатикой называют раздел учения об электричестве , в котором изучаются взаимодействия и свойства систем электрических зарядов, неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчёта .

Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) может принимать и положительные, и отрицательные значения; она является численной характеристикой носителей заряда и заряженных тел. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов, взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля , зависят от знака зарядов.

Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, равных примерно 1,6⋅10 ⁻¹⁹ Кл в системе СИ или 4,8⋅10 ⁻¹⁰ ед. СГСЭ . Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы . Наименьшей по массе устойчивой в свободном состоянии частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд , является электрон (его масса равна 9,11⋅10 ⁻³¹ кг ). Наименьшая по массе устойчивая в свободном состоянии античастица с положительным элементарным зарядом — позитрон , имеющая такую же массу, как и электрон . Также существует устойчивая частица с одним положительным элементарным зарядом — протон ( масса равна 1,67⋅10 ⁻²⁷ кг ) и другие, менее распространённые частицы. Выдвинута гипотеза (1964 г.), что существуют также частицы с меньшим зарядом (±⅓ и ±⅔ элементарного заряда) — кварки ; однако они не выделены в свободном состоянии (и, по-видимому, могут существовать лишь в составе других частиц — адронов ), в результате любая свободная частица несёт лишь целое число элементарных зарядов.

Электрический заряд любой элементарной частицы — величина релятивистски инвариантная. Он не зависит от системы отсчёта, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится, он присущ этой частице в течение всего времени её жизни, поэтому элементарные заряженные частицы зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решёток твёрдых тел скомпенсированы.

Взаимодействие зарядов

Взаимодействие электрически заряженных тел: одноимённо заряженные тела отталкиваются, разноимённо — притягиваются друг к другу

Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе носителей электрических зарядов, — электризация тел при соприкосновении . Способность носителей электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух различных видов электрических зарядов . Один вид электрического заряда называют положительным, а другой — отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются друг от друга.

При соприкосновении двух электрически нейтральных тел в результате трения заряды переходят от одного тела к другому. В каждом из них нарушается равенство суммы положительных и отрицательных зарядов, и тела заряжаются разноимённо.

При электризации тела через влияние в нём нарушается равномерное распределение заряда. Они перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток положительного заряда, а в другой — отрицательных. Если две эти части разъединить, то они будут заряжены разноимённо.

Симметрия в физике
Преобразование	Соответствующая инвариантность	Соответствующий закон сохранения
↕ Трансляции времени	Однородность времени	…энергии
⊠ C , P , CP и T -симметрии	Изотропность времени	…чётности
↔ Трансляции пространства	Однородность пространства	…импульса
↺ Вращения пространства	Изотропность пространства	…момента импульса
⇆ Группа Лоренца (бусты)	Относительность лоренц-ковариантность	…движения центра масс
~ Калибровочное преобразование	Калибровочная инвариантность	…заряда

Закон сохранения электрического заряда

Совокупный электрический заряд замкнутой системы сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду , то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.

В рассматриваемой системе могут образовываться новые электрически заряженные частицы, например, электроны — вследствие явления ионизации атомов или молекул, ионы — за счёт явления электролитической диссоциации и др. Однако, если система электрически изолирована, то алгебраическая сумма зарядов всех частиц, в том числе и вновь появившихся в такой системе, всегда сохраняется.

Закон сохранения электрического заряда — один из основополагающих законов физики. Он был впервые экспериментально подтверждён в 1843 году английским учёным Майклом Фарадеем и считается на настоящее время одним из фундаментальных законов сохранения в физике (подобно законам сохранения импульса и энергии ). Всё более чувствительные экспериментальные проверки закона сохранения заряда, продолжающиеся и поныне, пока не выявили отклонений от этого закона.

Свободные носители заряда

В зависимости от концентрации свободных носителей электрических зарядов тела делятся на проводники , диэлектрики и полупроводники .

Проводники — тела, в которых носители электрического заряда могут перемещаться по всему его объёму. Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода ( металлы ), в которых перемещение носителей элементарных электрических зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями; 2) проводники второго рода (например, расплавленные соли , растворы кислот ), в которых перенос носителей зарядов (положительных и отрицательных ионов ) ведёт к химическим изменениям.
Диэлектрики (например стекло , пластмасса ) — тела, в которых практически отсутствуют свободные носители электрического заряда.
Полупроводники (например, германий , кремний ) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Измерение

Для обнаружения и измерения совокупного электрического заряда тела применяется электроскоп , который состоит из металлического стержня — электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным телом носители электрического заряда стекают через электрод на листочки фольги, листочки оказываются одноимённо заряженными и поэтому отклоняются друг от друга.

Также может применяться электрометр , в простейшем случае состоящий из металлического стержня и стрелки, которая способна вращаться вокруг горизонтальной оси. При соприкосновении электрически заряженного тела со стержнем электрометра носители электрического заряда распределяются по стержню и стрелке, и силы отталкивания, действующие между носителями одноимённых электрических зарядов на стержне и стрелке, вызывают её поворот. Для измерения малых электрических зарядов используются более чувствительные электронные электрометры.

См. также

Примечания

Или, более точно, 1,602176487(40)⋅10 ⁻¹⁹ Кл.
Или, более точно, 4,803250(21)⋅10 ⁻¹⁰ ед СГСЭ.
Обычная для позитрона неустойчивость, связанная с аннигиляцией электрон-позитронной пары, при этом не рассматривается
Но это далеко не единственный способ электризации тел. Электрические заряды могут возникнуть, например, под действием света
Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М. : Физматлит ; Изд-во МФТИ , 2004. — Т. III. Электричество. — С. 16. — 656 с. — ISBN 5-9221-0227-3 .
Электрически замкнутая система — это система, у которой через ограничивающую её поверхность не могут проникать электрически заряженные частицы (система, не обменивающаяся зарядами с внешними телами).

Литература

М. Ю. Хлопов. // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Советская энциклопедия (т. 1—2); Большая Российская энциклопедия (т. 3—5), 1988—1999. — ISBN 5-85270-034-7 .

Ссылки

Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1953). . American Journal of Physics . 21 (5): 351. Bibcode : . doi : .
Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1953). . American Journal of Physics . 21 (5): 356. Bibcode : . doi : .