Електричний заряд

Класична електродинаміка

Електрика Магнетизм Електростатика Закон Кулона Теорема Гаусса Електричний дипольний момент Електричний заряд Електрична індукція Електричне поле Електростатичний потенціал Магнітостатики Закон Біо - Савара - Лапласа Закон Ампера Магнітний момент Магнітне поле Магнітний потік Електродинаміка Векторний потенціал Диполь Потенціали Ліенара - Вихерта Сила Лоренца Струм зміщення Уніполярна індукція Рівняння Максвелла Електричний струм Електрорушійна сила Електромагнітна індукція Електромагнітне випромінювання Електромагнітне поле Електричне коло Закон Ома Закони Кірхгофа Індуктивність Радіохвилеводи Резонатор Електрична ємність Електрична провідність Електричний опір Електричний імпеданс Коваріантна формулювання Тензор електромагнітного поля Тензор енергії-імпульсу 4-потенціал 4-ток Відомі вчені Генрі Кавендіш Майкл Фарадей Андре-Марі Ампер Густав Роберт Кірхгоф Джеймс Клерк (Кларк) Максвелл Генрі Рудольф Герц Альберт Абрахам Майкельсон Роберт Ендрюс Міллікен

Див також "Фізичний портал"

Електричний заряд - це пов'язане з тілом властивість, що дозволяє йому бути джерелом електричного поля і брати участь в електромагнітних взаємодіях. Заряд є кількісною характеристикою. Одиниця вимірювання заряду в СІ - кулон - електричний заряд, що проходить через поперечний переріз провідника при силі струму 1 А за час 1 з. Вперше електричний заряд був введений в законі Кулона в 1785. Заряд в один кулон дуже великий. Якби два носії заряду (q1 = q2 = 1кл) розташували в вакуумі на відстані 1 м, то вони взаємодіяли б із силою 9 10 ⁹ H.

1. Історія

Майкл Фарадей за дослідами в своїй лабораторії

Бенджамін Франклін проводить свій знаменитий досвід з літаючим змієм, в якому доводить, що блискавка - це електрика

Ще в давні часи було відомо, що бурштин, потертий про шерсть, притягує легкі предмети. А вже наприкінці XVI століття англійський лікар Вільям Гільберт назвав тіла, здатні після натирання притягати легкі предмети, наелектризованими.

В 1729 Шарль Дюфе встановив, що існує два види зарядів. Один утворюється при терті скла об шовк, а інший - смоли про шерсть. Тому Дюфе назвав заряди "скляним" і "смоляним". Поняття про позитивний і негативний заряд ввів Бенджамін Франклін.

На початку XX століття американський фізик Роберт Міллікен досвідченим шляхом показав, що електричний заряд дискретний, тобто заряд якого тіла складає ціле кратне від елементарного електричного заряду

2. Електростатика

Електростатика називають розділ вчення про електриці, в якому вивчаються взаємодії та властивості систем електричних зарядів, нерухомих відносно вибраної інерціальної системи відліку.

Величина електричного заряду (інакше, просто електричний заряд) - чисельна характеристика носіїв заряду і заряджених тіл, яка може приймати позитивні і негативні значення. Ця величина визначається таким чином, що силова взаємодія, переносний полем між зарядами, прямо пропорційно величині зарядів, взаємодіючих між собою частинок або тіл, а напряму сил, що діють на них з боку електромагнітного поля, залежать від знаку зарядів.

Електричний заряд будь-якої системи тіл складається з цілого числа елементарних зарядів, рівних 1,6 10 ^-19 Кл ^[1] в системі СІ або 4,8 10 ^-10 од СГСЕ ^[2]. Носіями електричного заряду є електрично заряджені елементарні частинки. Найменшою по масі спокою стійкою часткою, що має один негативний елементарний електричний заряд, є електрон (його маса спокою дорівнює 9,11 10 ^-31 кг). Найменша по масі спокою стійка античастинка з позитивним зарядом елементарним - позитрон, що має таку ж масу, як і електрон ^[3]. Також існує стійка частинка з одним позитивним зарядом елементарним - протон ( маса спокою рівна 1,67 10 ^-27 кг) та інші, менш поширені, частки.

Електричний заряд будь елементарної частки - величина релятивістськи інваріантна. Він не залежить від системи відліку, а значить, не залежить від того, рухається цей заряд або мешкає, він властивий цій частці протягом усього часу її життя, тому елементарні заряджені частинки часто ототожнюють з їх електричними зарядами. В цілому, в природі негативних зарядів стільки ж, скільки позитивних. Електричні заряди атомів і молекул дорівнюють нулю, а заряди позитивних і негативних іонів в кожній клітинці кристалічних граток твердих тіл скомпенсовані.

3. Взаємодія зарядів

Взаємодія зарядів: однойменно заряджені тіла відштовхуються, різнойменно - притягуються один до одного

Найпростіше і повсякденне явище, в якому виявляється факт існування в природі електричних зарядів, - це електризація тіл при зіткненні ^[4]. Здатність електричних зарядів як до взаємного тяжіння, так і до взаємного відштовхуванню пояснюється припущенням про існування двох різних видів зарядів. Один вид електричного заряду називають позитивним, а інший - негативним. Різнойменно заряджені тіла притягуються, а однойменно заряджені - відштовхуються один від одного.

При зіткненні двох електрично нейтральних тіл в результаті тертя заряди переходять від одного тіла до іншого. У кожному з них порушується рівність суми позитивних і негативних зарядів, і тіла заряджаються різнойменно.

При електризації тіла через вплив в ньому порушується рівномірний розподіл зарядів. Вони перерозподіляються так, що в одній частині тіла виникає надлишок позитивних зарядів, а в іншій - негативних. Якщо дві ці частини роз'єднати, то вони будуть заряджені різнойменно.

4. Закон збереження електричного заряду

Електричний заряд замкнутої системи ^[5] зберігається в часі і квантуется - змінюється порціями, кратними елементарного електричного заряду, тобто, іншими словами, алгебраїчна сума електричних зарядів тіл або часток, що утворюють електрично ізольовану систему, не змінюється при будь-яких процесах, що відбуваються в цій системі.

У розглянутій системі можуть утворюватися нові електрично заряджені частки, наприклад, електрони - внаслідок явища іонізації атомів або молекул, іони - за рахунок явища електролітичної дисоціації та ін Однак, якщо система електрично ізолювання, то алгебраїчна сума зарядів всіх частинок, у тому числі й знову що з'явилися в такій системі, завжди дорівнює нулю.

Закон збереження заряду - один з основоположних законів фізики. Закон збереження заряду був експериментально підтверджений у 1843 великим англійським вченим Майклом Фарадеєм і вважається на даний час одним з фундаментальних законів збереження у фізиці (подібно законами збереження імпульсу і енергії).

5. Вільні заряди

Залежно від концентрації вільних зарядів тіла діляться на провідники, діелектрики і напівпровідники.

• Провідники - це тіла, в яких електричний заряд може переміщатися по всьому його об'єму. Провідники діляться на дві групи: 1) провідники першого роду ( метали), в яких перенос зарядів (вільних електронів) не супроводжується хімічними перетвореннями, 2) провідники другого роду (наприклад, розплавлені солі, розчини кислот), в яких перенос зарядів (позитивних і негативних іонів) веде до хімічних змін.

• Діелектрики (наприклад скло, пластмаса) - тіла, в яких практично відсутні вільні заряди.

• Напівпровідники (наприклад, германій, кремній) займають проміжне положення між провідниками і діелектриками.

6. Вимірювання

Найпростіший електроскоп

Для виявлення та вимірювання електричних зарядів застосовується електроскоп, який складається з металевого стрижня - електрода і підвішених до нього двох листочків фольги. При дотику до електроду зарядженим предметом заряди стікають через електрод на листочки фольги, листочки виявляються однойменно зарядженими і тому відхиляються один від одного.

Також може застосовуватися електрометрії, що складається з металевого стержня і стрілки, що може обертатися навколо горизонтальної осі. При зіткненні зарядженого тіла зі стрижнем електрометра електричні заряди розподіляються по стрижні і стрілкою, і сили відштовхування, що діють між однойменними зарядами на стержні і стрілкою, викликають її поворот.

Примітки