Электрический заряд и его свойства


Электрический заряд

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.

Электрический заряд
q, Q
Размерность T I
Единицы измерения
СИ кулон
СГСЭ статкулон (франклин)
СГСМ абкулон
Другие единицы ампер-час, фарадей, элементарный заряд
Примечания
скалярная величина, Квантуется

Единица измерения заряда в Международной системе единиц (СИ) — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника с током 1 А за время 1 с . Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда ( q 1 = q 2 = 1 Кл ) расположили в вакууме на расстоянии 1 м , то они взаимодействовали бы с силой 9⋅10 9 H , то есть с силой, с которой гравитация Земли притягивает предмет массой порядка 1 миллиона тонн.

Содержание

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.

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 −19 Кл [1] в системе СИ или 4,8⋅10 −10 ед. 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.

Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — электризация тел при соприкосновении [4] . Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух различных видов 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 зарядов. Они перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток положительных зарядов, а в другой — отрицательных. Если две эти части разъединить, то они будут заряжены разноимённо.

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.

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

  • Проводники — тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму. Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (металлы), в которых перенос зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями; 2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворыкислот), в которых перенос зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведёт к химическим изменениям.
  • Диэлектрики (например стекло, пластмасса) — тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды.
  • Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электроскоп, который состоит из металлического стержня — электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным предметом заряды 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 заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке, и силы отталкивания, действующие между одноимёнными зарядами на стержне и стрелке, вызывают её поворот. Для измерения малых зарядов используются более чувствительные электронные электрометры.

Заряд электрический — это что такое?

Знакомьтесь – электрический заряд

Каждый человек знаком с ситуацией, когда, касаясь предмета рукой, он ощущает лёгкое покалывание, иногда ему даже слышится слабый треск. Часто говорят, что предмет «бьёт током», он наэлектризован. Всему виной электрический заряд.

Заряд — что же это такое

Электрический заряд представляет собой физическую величину. Электрически заряженное тело способно генерировать электромагнитное поле для взаимодействия с другими телами (предметами).

Этот термин был применен автором закона Кулона — французом Шарлем Кулоном в 1785. Заряд измеряется в кулонах (Кл) и обозначается как q (или Q).

Q= 1 Кл подразумевает электрический заряд, путешествующий через поперечное сечение проводника за одну секунду при силе тока в 1 Ампер.

Из истории

  • Древние греки обратили внимание на странное поведение янтаря: при трении о шерсть он вдруг начинал притягивать нетяжёлые предметы.
  • Англичанин Уильям Гильберт дал телами, притягивающим предметы, название «наэлектризованных». Свои опыты с магнитами и электромагнитными свойствами тел он подробно описал в книге «О магните, магнитных телах и большом магните—Земле» («De magnete, magneticisque corparibus et magne magnete tellure», 1600 г.).
  • Французский ученый-физик Ш. Дюфе (1698 – 1739) наблюдал различия зарядов, сообщаемых стеклу, натираемому о шёлк, и смоле при трении её о шерсть, и классифицировал их как «стеклянный» и «смоляной». Позже применительно к зарядам стали употребляться термины «положительный» и «отрицательный» соответственно. В процессе опытов Дюфе открыл любопытное свойство заряженных тел: предметы с одноименными зарядами расходятся в пространстве (отталкивают друг друга), заряженные разноимённо — притягиваются.

Немного физики

В 1843 году англичанин Майкл Фарадей провёл серию экспериментов, в результате которых опытным путем был подтверждён закон сохранения электрического заряда.

Согласно этому положению положительные и отрицательные заряды суммируются, при этом данная алгебраическая сумма остается неизменной при условии замкнутости системы.

В состоянии покоя тело электрически нейтрально. Для него характерно наличие взаимно компенсирующих разноимённых зарядов одинаковой величины. Взаимная электризация тел вызывает обмен зарядами, суммарное же их значение при этом не меняется.

Электрический заряд – одно из базовых понятий физики, а закон его сохранения является основополагающим законом современного мироздания.

Интересный факт

Слово «электричество» имеет древнегреческое происхождение (др.-греч. ἤλεκτρον – «янтарь»).
Свойство янтаря электризовать предметы было замечено греками ещё в древности.

На Руси янтарь называли «илектр», а собственно слово «янтарь» пришло в русский язык, предположительно, из литовского (gintaras), ведь именно Литва считает эти «застывшие слезы сосны» своим символом.

Здесь упоминание янтаря можно встретить повсюду: от названия гостиницы до пивной этикетки.

ru.knowledgr.com

Электрический заряд — физическая собственность вопроса, который заставляет его испытывать силу, когда помещено в электромагнитное поле. Есть два типа электрических зарядов: положительный и отрицательный. Положительно заряженные вещества отражены от других положительно заряженных веществ, но привлечены к отрицательно заряженным веществам; отрицательно заряженные вещества отражены от отрицания и привлечены к положительному. Объект отрицательно заряжен, если он имеет избыток электронов, и иначе положительно заряжен или не заряжен. СИ произошел, единица электрического заряда — кулон (C), хотя в электротехнике также распространено использовать ампер-час (Ах), и в химии распространено использовать заряд электрона (e) в качестве единицы. Символ Q часто используется, чтобы обозначить обвинение. Раннее знание того, как заряженные вещества взаимодействуют, теперь называют классической электродинамикой и все еще очень точно, если квантовые эффекты не должны рассматривать.

Электрический заряд — фундаментальная сохраненная собственность некоторых субатомных частиц, которая определяет их электромагнитное взаимодействие. Электрически заряженный вопрос под влиянием и производит, электромагнитные поля. Взаимодействие между движущимся обвинением и электромагнитным полем — источник электромагнитной силы, которая является одной из четырех фундаментальных сил (См. также: магнитное поле).

Эксперименты двадцатого века продемонстрировали, что электрический заряд квантуется; то есть, это прибывает в сеть магазинов целого числа отдельных маленьких единиц, названных зарядом электрона, e, приблизительно равняйтесь (за исключением частиц, названных кварком, у которого есть обвинения, которые являются сетью магазинов целого числа e/3). У протона есть обвинение +e, и у электрона есть обвинение −e. Исследование заряженных частиц, и как их взаимодействия установлены фотонами, называют квантовой электродинамикой.

Обзор

Обвинение — фундаментальная собственность форм вопроса, которые показывают электростатическую привлекательность или отвращение в присутствии другого вопроса.

Электрический заряд — характерная собственность многих субатомных частиц. Обвинения автономных частиц — сеть магазинов целого числа заряда электрона e; мы говорим, что электрический заряд квантуется. Майкл Фарадей, в его экспериментах электролиза, был первым, чтобы отметить дискретную природу электрического заряда. Эксперимент нефтяного снижения Роберта Милликена продемонстрировал этот факт непосредственно и измерил заряд электрона.

В соответствии с соглашением, обвинение электрона — −1, в то время как тот из протона +1. Заряженные частицы, у обвинений которых есть тот же самый знак, отражают друг друга, и частицы, у обвинений которых есть различные знаки, привлекают. Закон кулона определяет количество электростатической силы между двумя частицами, утверждая, что сила пропорциональна продукту их обвинений и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Обвинение античастицы равняется обвинению соответствующей частицы, но с противоположным знаком. У кварка есть фракционные обвинения или − или +, но автономный кварк никогда не наблюдался (теоретическая причина этого факта — асимптотическая свобода).

Электрический заряд макроскопического объекта — сумма электрических зарядов частиц, которые составляют его. Это обвинение часто маленькое, потому что вопрос сделан из атомов, и у атомов, как правило, есть равные количества протонов и электронов, когда их обвинения уравновешиваются, приводя к чистому обвинению ноля, таким образом делая атом нейтральным.

Ион — атом (или группа атомов), который потерял один или несколько электронов, дав ему чистый положительный заряд (катион), или это получило один или несколько электронов, дав ему чистый отрицательный заряд (анион). Ионы Monatomic сформированы из единственных атомов, в то время как многоатомные ионы сформированы из двух или больше атомов, которые были соединены вместе в каждом случае, приводящем к иону с положительным или отрицательным чистым обвинением.

Во время формирования макроскопических объектов учредительные атомы и ионы обычно объединяются, чтобы сформировать структуры, составленные из нейтральных ионных составов, электрически связанных с нейтральными атомами. Таким образом макроскопические объекты склоняются к тому, чтобы быть нейтральными в целом, но макроскопическими объектами, редко совершенно чистый нейтральный.

Иногда макроскопические объекты содержат ионы, распределенные всюду по материалу, твердо связанному в месте, давая полный чистый положительный или отрицательный заряд объекту. Кроме того, макроскопические объекты, сделанные из проводящих элементов, могут более или менее легко (в зависимости от элемента), берут или испускают электроны, и затем поддерживают чистый отрицательный или положительный заряд неопределенно. Когда чистый электрический заряд объекта отличный от нуля и неподвижный, явление известно как статическое электричество. Это может легко быть произведено, протерев два несходных материала вместе, такие как натирание янтаря с мехом или стекла с шелком. Таким образом непроводящие материалы могут быть заряжены до существенной степени, или положительно или отрицательно. Управление, принятое от одного материала, перемещено в другой материал, оставив противоположное обвинение той же самой величины позади. Закон сохранения обвинения всегда применяется, давая объект, от которого отрицательный заряд был принят положительное управление той же самой величиной, и наоборот.

Даже когда чистое обвинение объекта — ноль, обвинение может быть распределено неоднородно в объекте (например, из-за внешнего электромагнитного поля, или связал полярные молекулы). В таких случаях объект, как говорят, поляризован. Обвинение из-за поляризации известно как связанный заряд, в то время как обвинение на объекте, произведенном электронами, полученными или потерянными снаружи объекта, называют свободным обвинением. Движение электронов в проводящих металлах в определенном направлении известно как электрический ток.

Единицы

Единица СИ количества электрического заряда — кулон, который эквивалентен приблизительно (e, обвинение протона). Следовательно, обвинение электрона приблизительно. Кулон определен как количество обвинения, которое прошло через поперечное сечение электрического проводника, несущего один ампер в течение одной секунды. Символ Q часто используется, чтобы обозначить количество электричества или обвинения. Количество электрического заряда может быть непосредственно измерено с electrometer, или косвенно измерено с баллистическим гальванометром.

После нахождения квантовавшего характера обвинения в 1891 Джордж Стони предложил единицу ‘электрон’ для этой основной единицы электрического обвинения. Это было перед открытием частицы Дж.Дж. Томсоном в 1897. Единицу сегодня рассматривают как неназванную, называемую «зарядом электрона», «основная единица обвинения», или просто как «e». Мера обвинения должна быть кратным числом заряда электрона e, даже если в крупных масштабах обвинение, кажется, ведет себя как реальное количество. В некоторых контекстах это значащее, чтобы говорить о частях обвинения; например, в зарядке конденсатора, или во фракционном квантовом эффекте Зала.

В системах единиц кроме СИ, таких как cgs, электрический заряд выражен как комбинация только трех фундаментальных количеств, таких как длина, масса и время а не четыре как в СИ, где электрический заряд — комбинация длины, массы, время и электрический ток.

История

Как сообщил древнегреческий математик Фалес Милета приблизительно 600 до н.э, обвинение (или электричество) могло быть накоплено, протерев мех на различных веществах, таких как янтарь. Греки отметили, что заряженные янтарные кнопки могли привлечь легкие объекты, такие как волосы. Они также отметили, что, если они протерли янтарь довольно долго, они могли бы даже заставить электрическую искру подскакивать. Эта собственность происходит из triboelectric эффекта.

В 1600 английский ученый Уильям Гильберт вернулся к теме в Де Манете и выдумал Новое латинское слово electricus от  (электрон), греческое слово для янтаря, который скоро дал начало английским «электрическим» словам и «электричество». Он сопровождался в 1660 Отто фон Гюрике, который изобрел то, что было, вероятно, первым электростатическим генератором. Другими европейскими пионерами был Роберт Бойл, который в 1675 заявил, что электрическая привлекательность и отвращение могут действовать через вакуум; Стивен Грэй, кто в 1729 секретные материалы как проводники и изоляторы; и К. Ф. дю Фэй, которая предложила в 1733, чтобы электричество прибыло в два варианта, которые отменяют друг друга, и выразил это с точки зрения теории с двумя жидкостями. Когда стекло было натерто шелком, дю Фэй сказала, что стакан был обвинен в стекловидном электричестве, и, когда янтарь был натерт мехом, янтарь, как говорили, был обвинен в смолистом электричестве. В 1839 Майкл Фарадей показал, что очевидное подразделение между статическим электричеством, электрическим током и биоэлектричеством было неправильным, и все были последствием поведения единственного вида электричества, появляющегося в противоположных полярностях. Это произвольно, какую полярность называют положительной и который называют отрицательным. Положительный заряд может быть определен как обвинение, оставленное на стеклянном пруте, будучи натертым шелком.

Одним из передовых экспертов по электричеству в 18-м веке был Бенджамин Франклин, который спорил в пользу теории с одной жидкостью электричества. Франклин вообразил электричество, как являющееся типом невидимой жидкости существующий во всем вопросе; например, он полагал, что это был стакан в Лейденской фляге, которая держала накопленное обвинение. Он установил то изолирование протирки, поверхности вместе заставили эту жидкость изменять местоположение, и что поток этой жидкости составляет электрический ток. Он также установил это, когда вопрос содержал слишком мало жидкости, это было «отрицательно» заряжено, и когда у этого был избыток, это было «положительно» заряжено. По причине, которая не была зарегистрирована, он отождествил термин «положительный» со стекловидным электричеством и «отрицательный» со смолистым электричеством. В приблизительно то же самое время Уильям Уотсон достиг того же самого объяснения.

Статическое электричество и электрический ток

Статическое электричество и электрический ток — два отдельных явления. Они оба включают электрический заряд и могут произойти одновременно в том же самом объекте. Статическое электричество относится к электрическому заряду объекта и связанного электростатического выброса, когда два объекта объединены, которые не в равновесии. Электростатический выброс создает изменение в обвинении каждого из двух объектов. Напротив, электрический ток — поток электрического заряда через объект, который не производит чистого убытка или выгоды электрического заряда.

Электрификация трением

Когда кусок стекла и кусок смолы — ни один из которых показывают любые электрические свойства — протерты вместе и оставлены с протертыми поверхностями в контакте, они все еще не показывают электрических свойств. Когда отделено, они привлекают друг друга.

Второй кусок стекла, натертого вторым куском смолы, затем отделенной и приостановленной около прежних кусков стекла и смолы, вызывает эти явления:

  • Два куска стекла отражают друг друга.
  • Каждый кусок стекла привлекает каждый кусок смолы.
  • Два куска смолы отражают друг друга.

Эта привлекательность и отвращение — электрические явления, и тела, которые показывают их, как говорят, наэлектризованы, или электрически заряжены. Тела могут быть наэлектризованы многими другими способами, а также трением. Электрические свойства двух кусков стекла подобны друг другу, но напротив тех из двух кусков смолы: стакан привлекает то, что смола отражает и отражает то, что привлекает смола.

Если тело, наэлектризованное каким-либо способом вообще, ведет себя, как стакан делает, то есть, если это отражает стакан и привлекает смолу, тело, как говорят, ‘стекловидным образом’ наэлектризовано, и если это привлекает стакан и отражает смолу, это, как говорят, ‘смолистым образом’ наэлектризовано. Все наэлектризованные тела, как находят, или стекловидным образом или смолистым образом наэлектризованы.

Это — установленное соглашение научного сообщества определить стекловидную электрификацию как положительные, и смолистую электрификацию как отрицательные. Точно противоположные свойства двух видов электрификации оправдывают наше указание на них противоположными знаками, но заявление положительного знака одному, а не к другому виду должно быть рассмотрено как произвольное соглашение, так же, как это — вопрос соглашения в математической диаграмме, чтобы счесть положительные расстояния к правой руке.

Никакая сила, или привлекательности или отвращения, не может наблюдаться между наэлектризованным телом и телом, не наэлектризованным.

Фактически, все тела наэлектризованы, но, может казаться, не так относительным подобным обвинением соседних объектов в окружающей среде. Объект, далее наэлектризованный + или – создает эквивалентное или противоположное обвинение по умолчанию в соседних объектах, пока те обвинения не могут уравняться. Эффекты привлекательности могут наблюдаться в высоковольтных экспериментах, в то время как более низкие эффекты напряжения просто более слабы и поэтому менее очевидны. Привлекательность и силы отвращения шифруются Законом Кулона (привлекательность уменьшается на площади расстояния, у которого есть заключение для ускорения в поле тяготения, предполагая, что тяготение может быть просто электростатическим явлением между относительно слабыми обвинениями с точки зрения масштаба). См. также эффект Казимира.

Теперь известно, что модель Фрэнклин/уотсона была существенно правильна. Есть только один вид электрического обвинения, и только одна переменная требуется, чтобы отслеживать сумму обвинения. С другой стороны, просто знание обвинения не является полным описанием ситуации. Вопрос составлен из нескольких видов электрически заряженных частиц, и у этих частиц есть много свойств, не просто заряжают.

Наиболее распространенные перевозчики обвинения — положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон. Движение любой из этих заряженных частиц составляет электрический ток. Во многих ситуациях это достаточно, чтобы говорить об обычном токе без отношения к тому, несут ли это положительные заряды, перемещающиеся в направлении обычного тока или отрицательными зарядами, перемещающимися в противоположное направление. Эта макроскопическая точка зрения — приближение, которое упрощает электромагнитные понятия и вычисления.

На другом конце полюса, если Вы смотрите на микроскопическую ситуацию, каждый видит, что есть много способов нести электрический ток, включая: поток электронов; поток электронных «отверстий», которые действуют как положительные частицы; и и отрицательные и положительные частицы (ионы или другие заряженные частицы) текущий в противоположных направлениях в электролитическом растворе или плазме.


Остерегайтесь этого в общем и важном случае металлических проводов, направление обычного тока напротив скорости дрейфа фактических перевозчиков обвинения, т.е., электроны. Это — источник беспорядка для новичков.

Свойства

Кроме свойств, описанных в статьях об электромагнетизме, обвинение — релятивистский инвариант. Это означает, что у любой частицы, у которой есть обвинение Q, независимо от того как быстро это идет, всегда есть обвинение Q. Эта собственность была экспериментально проверена, показав, что обвинение одного ядра гелия (два протона и два нейтрона, связанные в ядре и перемещающийся на высоких скоростях), совпадает с двумя ядрами дейтерия (один протон и один связанный нейтрон, но перемещающийся намного более медленно, чем они были бы, если они были в ядре гелия).

Сохранение электрического заряда

Полный электрический заряд изолированной системы остается постоянным независимо от изменений в пределах самой системы. Этот закон врожденный ко всем процессам, известным физике, и может быть получен в местной форме из постоянства меры волновой функции. Сохранение обвинения приводит к текущему обвинением уравнению непрерывности. Более широко чистое изменение, ответственное, плотность ρ в пределах объема интеграции V равна интегралу области по плотности тока J через закрытую поверхность S = ∂V, который в свою очередь равен чистому току I:

Таким образом сохранение электрического заряда, как выражено уравнением непрерывности, дает результат:

Обвинение, переданное между временами и, получено, объединив обе стороны:

где я — чистый ток направленный наружу через закрытую поверхность, и Q — электрический заряд, содержавший в пределах объема, определенного поверхностью.

Электрический заряд , свойства заряда

ЗАРЯД, СВОЙСТВА ЗАРЯДА

Электрический заряд — это физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Единица заряда — [q] кулон.

Свойства электрического заряда :

1. Электрический заряд не является знакоопределенной величиной, существуют как положительные, так и отрицательные заряды.

2. Электричесий заряд — величина инвариантная. Он не изменяется при движении носителя заряда.

3. Электричесий заряд аддитивен.

4. Электричесий заряд кратен элементарному. q = Ne. Это свойство заряда называется квантованностью.

5. Суммарный электричесий заряд всякой изолированной системы сохраняется. Это свойство есть закон сохранения электрического заряда.

Закон сохранения электрического заряда — электрические заряды не создаются и не исчезают, а только передаются от одного тела к другому или перераспределяются внутри тела.

Великие ученые, которые внесли огромный вклад в развитие науки, были разносторонними людьми. Например, знаменитый русский ученый Михаил Ломоносов биография которого была очень интересна и насыщена разными событиями, был не только ученым, но и поэтом.

Электрический заряд

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
Электрический заряд
q, Q
Размерность T I
Единицы измерения
СИ кулон
СГСЭ статкулон (франклин)
СГСМ абкулон
Другие единицы ампер-час, фарадей, элементарный заряд
Примечания
скалярная величина, Квантуется
Классическая электродинамика
Электричество · Магнетизм

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 заряда в Международной системе единиц (СИ) — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника с током 1 А за время 1 с . Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда ( q 1 = q 2 = 1 Кл ) расположили в вакууме на расстоянии 1 м , то они взаимодействовали бы с силой 9·10 9 H , то есть с силой, с которой гравитация Земли притягивает предмет массой порядка 1 миллиона тонн.

Содержание

История

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 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 −19 Кл [1] в системе СИ или 4,8·10 −10 ед. 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

Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — это электризация тел при соприкосновении [4] . Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух различных видов 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 зарядов. Они перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток положительных зарядов, а в другой — отрицательных. Если две эти части разъединить, то они будут заряжены разноимённо.

Закон сохранения электрического заряда

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 заряды

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

  • Проводники — это тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму. Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (металлы), в которых перенос зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями; 2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворыкислот), в которых перенос зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведёт к химическим изменениям.
  • Диэлектрики (например стекло, пластмасса) — тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды.
  • Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Измерение

Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электроскоп, который состоит из металлического стержня — электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным предметом заряды 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 заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке, и силы отталкивания, действующие между одноимёнными зарядами на стержне и стрелке, вызывают её поворот. Для измерения малых зарядов используются более чувствительные электронные электрометры.

Электрический заряд

Из всех известных фундаментальных типов взаимодействия наиболее распространенными являются электромагнитные. Простейший пример этих взаимодействий — притяжение и отталкивание наэлектризованных тел.

Впервые его наблюдал Фал ее (VII в. до н.э.), используя янтарную палочку, потертую о шерсть. Позже В.Гильберт (XVI в.) обнаружил, что свойством притягивать легкие предметы обладают, кроме янтаря, фарфор и многие другие тела, предварительно натертые кожей или другими мягкими материалами. Это явление В. Гильберт назвал электризацией (electron по-гречески — янтарь).

О телах, способных к таким взаимодействиям, говорят, что они электрически заряжены, т.е. им сообщен электрический заряд.

Электрический заряд q — это количественная мера способности тел к электромагнитным взаимодействиям.

Единицей электрического заряда в СИ является кулон. 1 кулон есть электрический заряд, переносимый через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока 1 А.

Опыты по электризации тел трением, взаимодействию незаряженной станиолевой гильзы с заряженной палочкой показывают, что:

  1. существуют два рода электрических зарядов, которые условно называют положительными и отрицательными; заряд элементарных частиц — протонов, входящих в состав любого ядра, называют положительным, а заряд электронов — отрицательным;
  2. при взаимодействии одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. На этом свойстве зарядов основано действие простейших приборов — электроскопа и электрометра;
  3. современная физика приводит к выводу о существовании элементарного заряда, являющегося неотъемлемым свойством ряда элементарных частиц. Впервые немецкий физик Г. Гельмгольц в 1881 г. высказал гипотезу, объясняющую электрические явления существованием электрически заряженных элементарных частиц. Впоследствии эта гипотеза подтвердилась открытием электрона (в 1897 г. английским физиком У. Томсоном) и протона (в 1919 г. Э. Резерфордом).

Электрон — это элементарная частица, заряд которой е = -1,6·10 -19 Кл, масса me = 9,1·10 -31 кг. Протон имеет положительный заряд е = 1,6·10 -19 Кл, а масса протона в 1836 раз больше массы электрона;
электрический заряд дискретен (это доказано опытным путем американским физиком Р. Милликеном и русским физиком А. Ф. Иоффе). Это значит, что любой заряд, больший элементарного, состоит из целого числа элементарных зарядов q = ±N·e, где N = 1, 2, 3.

В теле, электрически нейтральном, число протонов и электронов одинаково и они равномерно распределены по объему. Если число электронов в теле меньше числа протонов, то оно заряжено положительно, а если заряд обусловлен избытком электронов, то тело заряжено отрицательно.

Именно этот избыточный заряд определяет собой электрические свойства тела, и его называют зарядом тела, q = (N+ — N-) e, где N+ — число протонов, N- — число электронов.

Процесс, приводящий к появлению на телах или разных частях тела избыточного заряда, называют электризацией;

  • заряд инвариантен, т.е. не зависит от характера движения заряженной частицы, ни от ее взаимодействия с другими частицами, ни от выбора системы отсчета. Об этом свидетельствуют многие факты. Так, неионизированный атом и молекула нейтральны: заряды электронной оболочки атома и ядра в точности равны друг другу. А между тем характер движения электронов и ядер совершенно различен. Кроме того, при химических превращениях движение электронов в оболочках атомов изменяется, что приводит к изменению характера спектров атомов. Если бы заряд зависел от скорости движения частиц, то в химических реакциях могли бы появиться нескомпенсированные электрические заряды, но это не обнаружено.
  • Электрический заряд и его свойства

    3.1. Электрический заряд

    Еще в древности люди обратили внимание на то, что потертый шерстью кусочек янтаря начинает притягивать к себе различные мелкие предметы: пылинки, ниточки и тому подобное. Вы сами можете легко убедиться, что пластмассовая расческа, потертая о волосы, начинает притягивать небольшие кусочки бумаги. Это явление называется электризацией, а силы, действующие при этом – электрическими силами. Оба названия происходят от греческого слова » электрон» , что означает » янтарь» .
    При трении расчески о волосы или эбонитовой палочки о шерсть предметы заряжаются, на них образуются электрические заряды. Заряженные тела взаимодействуют друг с другом и между ними возникают электрические силы.
    Электризоваться трением могут не только твердые тела, но и жидкости, и даже газы.
    При электризации тел вещества, из которых состоят электризующиеся тела, в другие вещества не превращаются. Таким образом, электризация – физическое явление.
    Существует два разных рода электрических зарядов. Совершенно условно они названы » положительным» зарядом и » отрицательным» зарядом (а можно было бы назвать их » черный» и » белый» , или » прекрасный» и » ужасный» , или как-то иначе).
    Положительно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные предметы так же, как стекло, наэлектризованное трением о шелк.
    Отрицательно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные предметы так же, как сургуч, наэлектризованный трением о шерсть.
    Основное свойство заряженных тел и частиц: одноименно заряженные тела и частицы отталкиваются, а разноименно заряженные – притягиваются. В опытах с источниками электрических зарядов вы познакомитесь и с некоторыми другими свойствами этих зарядов: заряды могут » перетекать» с одного предмета на другой, накапливаться, между заряженными телами может происходить электрический разряд и так далее. Подробно эти свойства вы изучите в курсе физики.

    Электрический заряд (Q или q) – физическая величина, он может быть больше или меньше, и, следовательно, его можно измерять. Но непосредственно сравнивать заряды друг с другом физики пока не могут, поэтому сравнивают не сами заряды, а действие, которое заряженные тела оказывают друг на друга, или на другие тела, например, силу с которой одно заряженное тело действует на другое.

    Силы (F), действующие на каждое из двух точечных заряженных тел противоположно направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела. Их величины равны между собой, прямо пропорциональны произведению зарядов этих тел (q1) и (q2) и обратно пропорциональны квадрату расстояния (l) между ними.

    Это соотношение носит название » закон Кулона» в честь открывшего его в 1785 г. французского физика Шарля Кулона (1763-1806). Важнейшая для химии зависимость кулоновских сил от знака заряда и расстояния между заряженными телами наглядно показана на рис. 3.1.

    Единица измерений электрического заряда – кулон (определение в курсе физики). Заряд величиной в 1 Кл протекает через электрическую лампочку мощностью 100 ватт примерно за 2 секунды (при напряжении 220 В).

    До конца XIX века природа электричества оставалась неясной, но многочисленные эксперименты привели ученых к выводу, что величина электрического заряда не может изменяться непрерывно. Было установлено, что существует наименьшая, далее неделимая порция электричества. Заряд этой порции получил название » элементарный электрический заряд» (обозначается буквой е). Он оказался равен 1,6 . 10– 19 Кл. Это очень маленькая величина – через нить той же электрической лампочки за 1 секунду проходит почти 3 миллиарда миллиардов элементарных электрических зарядов.
    Любой заряд является величиной, кратной элементарному электрическому заряду, поэтому элементарный электрический заряд удобно использовать в качестве единицы измерений малых зарядов. Таким образом,

    1е = 1,6 . 10– 19 Кл.

    На рубеже XIX и XX веков физики поняли, что носителем элементарного отрицательного электрического заряда является микрочастица, получившая название электрон (Джозеф Джон Томсон, 1897 г.). Носитель элементарного положительного заряда – микрочастица под названием протон – был обнаружен несколько позже (Эрнест Резерфорд, 1919 г.). Тогда же было доказано, что положительный и отрицательный элементарные электрические заряды равны по абсолютной величине

    Таким образом, элементарный электрический заряд – это заряд протона.
    С другими характеристиками электрона и протона вы познакомитесь в следующей главе.

    Несмотря на то, что в состав физических тел входят заряженные частицы, в обычном состоянии тела незаряжены, или электронейтральны. Также электронейтральны и многие сложные частицы, например, атомы или молекулы. Суммарный заряд такой частицы или такого тела оказывается равным нулю потому, что число электронов и число протонов, входящих в состав частицы или тела, равны.

    Тела или частицы становятся заряженными, если электрические заряды разделяются: на одном теле (или частице) оказывается избыток электрических зарядов одного знака, а на другом – другого. В химических явлениях электрический заряд какого-либо одного знака (положительный или отрицательный) не может ни появиться, ни исчезнуть, так как не могут появиться или исчезнуть носители элементарных электрических зарядов только одного знака.

    ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД, ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД, ОСНОВНОЕ СВОЙСТВО ЗАРЯЖЕННЫХ ТЕЛ И ЧАСТИЦ, ЗАКОН КУЛОНА, ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД
    1.Как заряжается шелк при трении о стекло? А шерсть при трении о сургуч?
    2.Какое число элементарных электрических зарядов составляет 1 кулон?
    3.Определите силу, с который притягиваются друг к другу два тела с зарядами +2 Кл и –3 Кл, находящиеся друг от друга на расстоянии 0,15 м.
    4.Два тела с зарядами +0,2 Кл и –0,2Кл находятся на расстоянии 1 см друг от друга. Определите силу с которой они притягиваются.
    5.С какой силой отталкиваются друг от друга две частицы, несущие одинаковый заряд, равный +3 е, и находящиеся на расстоянии 2 Е? Значение константы в уравнении закона Кулона k = 9 . 10 9 Н . м 2 /Кл 2 .
    6.С какой силой притягивается электрон к протону, если расстояние между ними 0,53 Е? А протон к электрону?
    7.Два одноименно и одинаково заряженных шарика соединены непроводящей заряды нитью. Середина нити неподвижно закреплена. Нарисуйте, как расположатся в пространстве эти шарики в условиях, когда силой тяжести можно пренебречь.
    8.Как в этих же условиях будут расположены в пространстве три таких же шарика, привязанных одинаковыми по длине нитями к одной опоре? А четыре?
    Опыты по притяжению и отталкиванию заряженных тел.

    Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
    Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
    Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
    Copyright (C) Химический факультет МГУ
    Написать письмо редактору

    Электрический заряд и его свойства


    «Физика — 10 класс»

    Вначале рассмотрим наиболее простой случай, когда электрически заряженные тела находятся в покое.

    Раздел электродинамики, посвящённый изучению условий равновесия электрически заряженных тел, называют электростатикой.

    Что такое электрический заряд?
    Какие существуют заряды?

    Со словами электричество, электрический заряд, электрический ток вы встречались много раз и успели к ним привыкнуть. Но попробуйте ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» Само понятие заряд — это основное, первичное понятие, которое не сводится на современном уровне развития наших знаний к каким-либо более простым, элементарным понятиям.

    Попытаемся сначала выяснить, что понимают под утверждением: «Данное тело или частица имеет электрический заряд».

    Все тела построены из мельчайших частиц, которые неделимы на более простые и поэтому называются элементарными.

    Элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу согласно закону всемирного тяготения. С увеличением расстояния между частицами сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату этого расстояния. Большинство элементарных частиц, хотя и не все, кроме того, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая также убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила во много раз превосходит силу тяготения.

    Так, в атоме водорода, изображённом схематически на рисунке 14.1, электрон притягивается к ядру (протону) с силой, в 10 39 раз превышающей силу гравитационного притяжения.

    Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются заряженными.

    Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.

    Взаимодействие заряженных частиц называется электромагнитным.

    Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий.

    Электрический заряд элементарной частицы — это не особый механизм в частице, который можно было бы снять с неё, разложить на составные части и снова собрать. Наличие электрического заряда у электрона и других частиц означает лишь существование определённых силовых взаимодействий между ними.

    Мы, в сущности, ничего не знаем о заряде, если не знаем законов этих взаимодействий. Знание законов взаимодействий должно входить в наши представления о заряде. Эти законы непросты, и изложить их в нескольких словах невозможно. Поэтому нельзя дать достаточно удовлетворительное краткое определение понятию электрический заряд.

    Два знака электрических зарядов.

    Все тела обладают массой и поэтому притягиваются друг к другу. Заряженные же тела могут как притягивать, так и отталкивать друг друга. Этот важнейший факт, знакомый вам, означает, что в природе есть частицы с электрическими зарядами противоположных знаков; в случае зарядов одинаковых знаков частицы отталкиваются, а в случае разных притягиваются.

    Заряд элементарных частиц — протонов, входящих в состав всех атомных ядер, называют положительным, а заряд электронов — отрицательным. Между положительными и отрицательными зарядами внутренних различий нет. Если бы знаки зарядов частиц поменялись местами, то от этого характер электромагнитных взаимодействий нисколько бы не изменился.

    Элементарный заряд.

    Кроме электронов и протонов, есть ещё несколько типов заряженных элементарных частиц. Но только электроны и протоны могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Остальные же заряженные частицы живут менее миллионных долей секунды. Они рождаются при столкновениях быстрых элементарных частиц и, просуществовав ничтожно малое время, распадаются, превращаясь в другие частицы. С этими частицами вы познакомитесь в 11 классе.

    К частицам, не имеющим электрического заряда, относится нейтрон. Его масса лишь незначительно превышает массу протона. Нейтроны вместе с протонами входят в состав атомного ядра. Если элементарная частица имеет заряд, то его значение строго определено.

    Заряженные тела. Электромагнитные силы в природе играют огромную роль благодаря тому, что в состав всех тел входят электрически заряженные частицы. Составные части атомов — ядра и электроны — обладают электрическим зарядом.

    Непосредственно действие электромагнитных сил между телами не обнаруживается, так как тела в обычном состоянии электрически нейтральны.

    Атом любого вещества нейтрален, так как число электронов в нём равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.

    Макроскопическое тело заряжено электрически в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с каким-либо одним знаком заряда. Так, отрицательный заряд тела обусловлен избытком числа электронов по сравнению с числом протонов, а положительный — недостатком электронов.

    Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело, т. е. наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного или перенести на нейтральное тело отрицательный заряд.

    Это можно сделать с помощью трения. Если провести расчёской по сухим волосам, то небольшая часть самых подвижных заряженных частиц — электронов перейдёт с волос на расчёску и зарядит её отрицательно, а волосы зарядятся положительно.

    Равенство зарядов при электризации

    С помощью опыта можно доказать, что при электризации трением оба тела приобретают заряды, противоположные по знаку, но одинаковые по модулю.

    Возьмём электрометр, на стержне которого укреплена металлическая сфера с отверстием, и две пластины на длинных рукоятках: одна из эбонита, а другая из плексигласа. При трении друг о друга пластины электризуются.

    Внесём одну из пластин внутрь сферы, не касаясь её стенок. Если пластина заряжена положительно, то часть электронов со стрелки и стержня электрометра притянется к пластине и соберётся на внутренней поверхности сферы. Стрелка при этом зарядится положительно и оттолкнётся от стержня электрометра (рис. 14.2, а).

    Если внести внутрь сферы другую пластину, вынув предварительно первую, то электроны сферы и стержня будут отталкиваться от пластины и соберутся в избытке на стрелке. Это вызовет отклонение стрелки от стержня, причём на тот же угол, что и в первом опыте.

    Опустив обе пластины внутрь сферы, мы вообще не обнаружим отклонения стрелки (рис. 14.2, б). Это доказывает, что заряды пластин равны по модулю и противоположны по знаку.

    Электризация тел и её проявления. Значительная электризация происходит при трении синтетических тканей. Снимая с себя рубашку из синтетического материала в сухом воздухе, можно слышать характерное потрескивание. Между заряженными участками трущихся поверхностей проскакивают маленькие искорки.

    С явлением электризации приходится считаться на производстве. Так, нити пряжи на текстильных фабриках электризуются за счёт трения, притягиваются к веретёнам и роликам и рвутся. Пряжа притягивает пыль и загрязняется.

    В типографиях происходит электризация бумаги при печати, и листы слипаются. Чтобы это не происходило, применяют специальные устройства для стекания заряда. Однако электризация тел при тесном контакте иногда используется, например, в различных электрокопировальных установках и др.

    Закон сохранения электрического заряда.

    Опыт с электризацией пластин доказывает, что при электризации трением происходит перераспределение имеющихся зарядов между телами, до этого нейтральными. Небольшая часть электронов переходит с одного тела на другое. При этом новые частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают.

    При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда. Этот закон справедлив для системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы, т. е. для изолированной системы.

    В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется.

    где q1, q2 и т. д. — заряды отдельных заряженных тел.

    Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл. Если число заряженных элементарных частиц не меняется, то выполнение закона сохранения заряда очевидно. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, давая жизнь новым частицам.

    Однако во всех случаях заряженные частицы рождаются только парами с одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами; исчезают заряженные частицы тоже только парами, превращаясь в нейтральные. И во всех этих случаях алгебраическая сумма зарядов остаётся одной и той же.

    Справедливость закона сохранения заряда подтверждают наблюдения над огромным числом превращений элементарных частиц. Этот закон выражает одно из самых фундаментальных свойств электрического заряда. Причина сохранения заряда до сих пор неизвестна.

    Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

    Электростатика — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

    Глоссарий. Физика

    Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквой q.

    Основные 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.

    Электрический заряд и его свойства

    Основные теоретические сведения

    Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая способность частиц или тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q. В системе СИ электрический заряд измеряется в Кулонах (Кл). Свободный заряд в 1 Кл – это гигантская величина заряда, практически не встречающаяся в природе. Как правило, Вам придется иметь дело с микрокулонами (1 мкКл = 10 –6 Кл), нанокулонами (1 нКл = 10 –9 Кл) и пикокулонами (1 пКл = 10 –12 Кл). Электрический заряд обладает следующими свойствами:

    1. Электрический заряд является видом материи.

    2. Электрический заряд не зависит от движения частицы и от ее скорости.

    3. 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.

    4. Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

    5. Все заряды взаимодействуют друг с другом. При этом одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Силы взаимодействия зарядов являются центральными, то есть лежат на прямой, соединяющей центры зарядов.

    6. Существует минимально возможный (по модулю) электрический заряд, называемый элементарным зарядом. Его значение:

    e = 1,602177·10 –19 Кл ≈ 1,6·10 –19 Кл.

    Электрический заряд любого тела всегда кратен элементарному заряду:

    где: N – целое число. Обратите внимание, невозможно существование заряда, равного 0,5е; 1,7е; 22,7е и так далее. Физические величины, которые могут принимать только дискретный (не непрерывный) ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда.

    7. 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. Из закона сохранения заряда так же следует, если два тела одного размера и формы, обладающие зарядами q1 и q2 (совершенно не важно какого знака заряды), привести в соприкосновение, а затем обратно развести, то заряд каждого из тел станет равным:

    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 (то есть минимально возможному) 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. Обратите внимание, что положительные протоны входят в состав ядра атома, поэтому их число может изменяться только при ядерных реакциях. Очевидно, что при электризации тел ядерных реакций не происходит. Поэтому в любых электрических явлениях число протонов не меняется, изменяется только число электронов. Так, сообщение телу отрицательного заряда означает передачу ему лишних электронов. А сообщение положительного заряда, вопреки частой ошибке, означает не добавление протонов, а отнимание электронов. Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число электронов.

    Иногда в задачах электрический заряд распределен по некоторому телу. Для описания этого распределения вводятся следующие величины:

    1. Линейная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по нити:

    где: L – длина нити. Измеряется в Кл/м.

    2. Поверхностная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по поверхности тела:

    где: S – площадь поверхности тела. Измеряется в Кл/м 2 .

    3. Объемная плотность заряда. Используется для описания распределения заряда по объему тела:

    где: V – объем тела. Измеряется в Кл/м 3 .

    Обратите внимание на то, что масса электрона равна:

    Закон Кулона

    Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь. На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

    Силы взаимодействия неподвижных точечных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

    где: ε – диэлектрическая проницаемость среды – безразмерная физическая величина, показывающая, во сколько раз сила электростатического взаимодействия в данной среде будет меньше, чем в вакууме (то есть во сколько раз среда ослабляет взаимодействие). Здесь k – коэффициент в законе Кулона, величина, определяющая численное значение силы взаимодействия зарядов. В системе СИ его значение принимается равным:

    Силы взаимодействия точечных неподвижных зарядов подчиняются третьему закону Ньютона, и являются силами отталкивания друг от друга при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения друг к другу при разных знаках. Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.

    Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел, равномерно заряженных сфер и шаров. В этом случае за расстояния r берут расстояние между центрами сфер или шаров. На практике закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними. Коэффициент k в системе СИ иногда записывают в виде:

    где: ε = 8,85∙10 –12 Ф/м – электрическая постоянная.

    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.

    Запомните также два важных определения:

    Проводники – вещества, содержащие свободные носители электрического заряда. Внутри проводника возможно свободное движение электронов – носителей заряда (по проводникам может протекать электрический ток). К проводникам относятся металлы, растворы и расплавы электролитов, ионизированные газы, плазма.

    Диэлектрики (изоляторы) – вещества, в которых нет свободных носителей заряда. Свободное движение электронов внутри диэлектриков невозможно (по ним не может протекать электрический ток). Именно диэлектрики обладают некоторой не равной единице диэлектрической проницаемостью ε.

    Для диэлектрической проницаемости вещества верно следующее (о том, что такое электрическое поле чуть ниже):

    Последнее изменение этой страницы: 2020-05-10; просмотров: 34.

    Каждый электрик должен знать:  Как подключить люстру к одноклавишному выключателю
    Добавить комментарий
    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