Что такое электрический заряд и какими свойствами он обладает
Электри́ческий заря́д (коли́чество электри́чества) — это физическая скалярная величина, определяющая 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. Электрический заряд в один кулон очень велик. Если бы два тела, каждое из которых обладает электрическим зарядом (q1 = q2 = 1 Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9⋅109H, то есть с силой равной по величине силе, с которой гравитация Земли притягивает предмет массой порядка 1 миллиона тонн.
История[править | править код]
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[править | править код]
Электростатикой называют раздел учения об электричестве, в котором изучаются взаимодействия и свойства систем электрических зарядов, неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчета.
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⋅10−19Кл[1] в системе СИ или 4,8⋅10−10ед. СГСЭ[2]. 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[3]. 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 решеток твёрдых тел скомпенсированы.
Взаимодействие зарядов[править | править код]
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[4]. Способность носителей электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух различных видов электрических зарядов[5]. 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.
Закон сохранения электрического заряда[править | править код]
Совокупный электрический заряд замкнутой системы[6] 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[править | править код]
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[править | править код]
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[править | править код]
- Заряд (физика)
- Точечный электрический заряд
- Элементарный электрический заряд
- Плотность заряда
- Заряд электрона
Литература[править | править код]
- М. Ю. Хлопов. Заряд // 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.
Примечания[править | править код]
- ↑ 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).
Главная
Онлайн учебники
База репетиторов России
Тренажеры по физике
Подготовка к ЕГЭ 2017 онлайн
Глава 1. Электродинамика
Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. Эти силы называют электромагнитными силами.
О существовании электромагнитных сил знали еще древние греки. Но систематическое, количественное изучение физических явлений, в которых проявляется электромагнитное взаимодействие тел, началось только в конце XVIII века. Трудами многих ученых в XIX веке завершилось создание стройной науки, изучающей электрические и магнитные явления. Эта наука, которая является одним из важнейших разделов физики, получила название электродинамики.
Основными объектами изучения в электродинамике являются электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами и токами.
Электрическое поле
1.1. Электрический заряд. Закон Кулона
Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.
Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.
Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.
Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:
Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический
заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.
Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда.
В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:
Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.
С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e.
В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.
Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:
Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков – частиц с дробным зарядом
и Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.
В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.
| Рисунок 1.1.1. Перенос заряда с заряженного тела на электрометр |
Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка 10–9 Н.
Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами.
Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.
| Рисунок 1.1.2. Прибор Кулона |
| Рисунок 1.1.3. Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов |
На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:
Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:
Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.
Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.
Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).
Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.
Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:
где
– электрическая постоянная.
В системе СИ элементарный заряд e равен:
e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.
Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.
Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.
Рис. 1.1.4 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел.
 |
Модель. |
Принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы. Однако, его применение требует определенной осторожности, в том случае, когда речь идет о взаимодействии заряженных тел конечных размеров (например, двух проводящих заряженных шаров 1 и 2). Если к системе из двух заряженных шаров поднсти третий заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 изменится из-за перераспределения зарядов.
Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном) распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.
Научное обоснование многих электрических явлений стало возможным благодаря опытам Кулона, на основании которых учёный ввёл термин «точечный электрический заряд». Исследуя природу электризации, французский физик с помощью изобретённых им крутильных весов, открыл закон взаимодействия точечных зарядов, известный нам как закон Кулона.
Впоследствии этот основополагающий закон помог учёным сформировать представление о строении атомов, объяснить природу электричества. Это способствовало созданию источников электрического тока, без которого современного уровня научно-технического прогресса не удалось бы достигнуть.
История
На существование электрических зарядов обращали внимание мыслители ещё до нашей эры. Однако они не способны были объяснить их природу и, тем более, описать взаимодействие.
Прошло много веков до того момента, когда учёные вплотную занялись изучением электрических явлений, что и привело их к открытиям в данной области. В частности Уильям Гильберт ещё в XVI веке, не понимая природы электричества, называл наэлектризованными тела, которые притягивали другие вещества.
В 1729 году, наблюдая за электризацией различных тел, Шарль Дюфе пришёл к выводу о существовании зарядов двух видов, которые называл «стеклянными» (так как они проявляли себя на стеклянной палочке) и «смоляными» (возникающими при электризации смол). Позже Бенджамином Франклином понятия «стеклянные» и «смоляные» были заменены на более общие термины: «положительные» и «отрицательные». Данными терминами мы пользуемся по сегодняшний день.
Несмотря на то, что эти исследователи понимали факт распределения зарядов, они не смогли объяснить природу явления. Вплотную приблизился к пониманию элементарных частиц как носителей зарядов учёный-физик Ш. Кулон. Придуманный им термин «точечный заряд» помог учёному понять взаимодействие элементарных частиц, что привело его к открытию закона.
На основании своего открытия, физик уже мог объяснить причину взаимодействия точечных заряженных тел (см. рис. 1).
Рис. 1. Взаимодействие наэлектризованных тел
Дискретность (неделимость) элементарных заряженных частиц доказал Роберт Милликен. Учёный подтвердил, что заряженное тело содержит целое число элементарных частиц. Он пришёл к выводу, что делимость заряда имеет предел. Носителем элементарного заряда является электрон.
На рисунке 2 изображён опыт, подтверждающий делимость заряда. Опыт показывает, что деление кратно, это наталкивает на мысль о существовании элементарных частиц.
Рис. 2. Делимость заряда
Целостная картина сложилась после обнародования предложенной Резерфордом наглядной планетарной модели атома. Модель предполагает, что атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Это довольно упрощённая модель, но она уже объясняла многие электрические процессы, включая электризацию тел.
Рис. 3. Современная интерпретация планетарной модели атома
Что такое электрический заряд?
Данный термин обозначает то, что заряженное тело способно создавать электрическое поле. В более широком значении, зарядом называют количество электричества – скалярную величину, являющейся источником электромагнитного поля, участвующую в процессах электромагнитных взаимодействий. Электрический заряд не может существовать без носителя.
Элементарными носителями отрицательных зарядов являются электроны. Антиподом электрона является позитрон – устойчивая античастица, равная по массе электрону, но со знаком «+». Существует ещё одна устойчивая, положительно заряженная элементарная частица – протон.
Частицы, заряжены дробными частями (кварки), могут существовать только в составе адронов, поэтому их не считают носителями.
Заряженные протоны, из которых состоит ядро атома, тесно связаны ядерными силами. Они не могут свободно вырываться с ядра атома. Поэтому в качестве свободных носителей положительного заряда принято считать ион – атом, с орбиты которого удалился электрон. Образование отрицательных ионов происходит за счёт присоединения к ним свободных электронов.
Заряженность нейтральных атомов и молекул нулевая, а число положительных и отрицательных ионов в ячейках кристаллических решёток скомпенсировано. Поэтому тела в обычных условиях электростатически нейтральны. Между нейтральными атомами взаимодействие отсутствует.
Свойства
Установлено, что неподвижный заряд q неразрывно связан с электрическим полем, представителем особого вида материи. Поле является материальным носителем взаимодействия между элементарными частицами. Это свойство поля проявляется даже в случае отсутствия вещества между взаимодействующими телами.
Электрическое поле действует с силой F на пробный заряд q′, расположенный в любой точке поля.
Векторная величина:
характеризует действие электричества и называется напряженностью поля. Линии, касательные к которым совпадают с вектором напряжённости, образуют линии напряжённости. Густота линий напряжённости определяет величину напряжённости.
Линии напряженности электростатического поля точечного заряда представляют собой лучи, выходящие из одной точки (для положительного) или входящего в точку (для отрицательного) (см. рис. 4).
Рис. 4. Линии напряжённости поля
Электростатическое взаимодействие электромагнитных полей можно наблюдать на поведении заряженных шариков. Если эбонитовую или стеклянную палочку наэлектризовать трением и приблизить её к крохотным бузиновым шарикам, то мы увидим, как в результате силовых взаимодействий частицы отталкиваются (если они одинаковых знаков), либо притягиваются (разнознаковые).
Насыщение свободными носителями зарядов различных веществ не одинаково. Больше всего свободных электронов содержится в металлах. Поскольку заряженные электроны способны перемещаться под действием электрического поля, они являются основными транспортировщиками электрического тока в металлах. При этом движения электронов не приводит к каким-либо химическим изменениям.
Перенос зарядов в расплавленных солях или в растворах кислот осуществляется ионами. Они могут быть заряжены как положительно, так и отрицательно. В отличие от металлов, перераспределение зарядов в этих жидкостях сопровождается химическими реакциями. Поэтому растворы называют проводниками второго рода, то есть такими, которые под действием постоянных токов приводят к изменению химического состава вещества.
Таким образом, вещества условно подразделяют по типу проводимости:
- проводники первого рода (металлы);
- проводники второго рода (соляные, щелочные и кислотные растворы);
- полупроводники (электронно-дырочная проводимость);
- диэлектрики (вещества не способные проводить электричество из-за отсутствия свободных носителей).
Единица измерения
Единицей измерения заряда в международной системе СИ принято 1 кулон – совокупный заряд элементарных частиц, преодолевающих сечение проводника с током в 1 А, за единицу времени (секунду). Это огромная величина. Силу взаимодействия величиной в 1 Кл на расстоянии 1 м можно сравнить с действием гравитационного притяжения Землёй тела, массой 1 млн. т (9 × 109 Н).
Взаимодействие зарядов
Многочисленные опыты показали, что заряженные элементарные частицы взаимодействуют между собой. Носители одноименных зарядов отталкиваются, а носители разноименных зарядов – притягиваются (см.рис. 5).
Рис. 5. Взаимодействие элементарных частиц
Силу взаимодействия точечных зарядов определяют по формуле, вытекающей из закона Кулона: F = (k*q1*q2)/r2 , где q1 и q2 –две заряженные точки, расположенные на расстоянии r, а k – коэффициент, размерность которого зависит от выбранной системы измерений, а значение – от свойств окружающей среды. Закон Кулона – один из фундаментальных законов физики.
Рис. 6. Интерпретация закона кулона
Закон сохранения электрического заряда
Экспериментально установлено, что в замкнутой системе выполняется один из основополагающих законов физики – закон сохранения. В изолированной системе суммарный заряд не исчезает, а сохраняется во времени. Кроме того, он квантуется, то есть изменяется порциями, кратными заряду элементарной частицы.
Алгебраическая сумма зарядов – величина постоянная: q1 + q2 + … + qn = const (см. рис. 7).
Рис. 7. Сохранение статического электричества
Закон сформулирован Б.Франклином (1747 г.) и подтверждён М. Фарадеем в 1843 г.
Способы измерения
Самый простой прибор для измерения – электроскоп. Он состоит из двух лепестков из фольги, расположенных на металлическом стержне. Конструкция накрыта стеклянным колпаком.
Если наэлектризованным телом прикоснуться к стержню, то лепестки наэлектризуются. Поскольку знаки на них одинаковые, то кулонова сила оттолкнёт их в разные стороны. По величине угла отклонения можно оценить величину статического электричества поступившего на лепестки.
Более сложный прибор – электрометр (схематическое изображение на рис. 8). Прибор состоит из стержня электрометра, стрелки и шкалы. Принцип действия аналогичен электроскопу (стрелка отталкивается от стержня). Благодаря наличию шкалы отклонение стрелки электрометра показывает количественную величину переданного электричества.
Рис. 8. Схематическое изображение электрометра
Мы уже упоминали, что Кулон в своих опытах пользовался крутильными весами. Этот измерительный прибор позволил учёному открыть знаменитый закон, названный в честь его имени.