Как пишется в физике заряд

This article is about charge in the most general physics sense. For charge as relates to electrical phenomena, see electric charge. For other uses of charge, see Charge.

In physics, a charge is any of many different quantities, such as the electric charge in electromagnetism or the color charge in quantum chromodynamics. Charges correspond to the time-invariant generators of a symmetry group, and specifically, to the generators that commute with the Hamiltonian. Charges are often denoted by the letter Q, and so the invariance of the charge corresponds to the vanishing commutator , where H is the Hamiltonian. Thus, charges are associated with conserved quantum numbers; these are the eigenvalues q of the generator Q.

Abstract definition[edit]

Abstractly, a charge is any generator of a continuous symmetry of the physical system under study. When a physical system has a symmetry of some sort, Noether’s theorem implies the existence of a conserved current. The thing that «flows» in the current is the «charge», the charge is the generator of the (local) symmetry group. This charge is sometimes called the Noether charge.

Thus, for example, the electric charge is the generator of the U(1) symmetry of electromagnetism. The conserved current is the electric current.

In the case of local, dynamical symmetries, associated with every charge is a gauge field; when quantized, the gauge field becomes a gauge boson. The charges of the theory «radiate» the gauge field. Thus, for example, the gauge field of electromagnetism is the electromagnetic field; and the gauge boson is the photon.

The word «charge» is often used as a synonym for both the generator of a symmetry, and the conserved quantum number (eigenvalue) of the generator. Thus, letting the upper-case letter Q refer to the generator, one has that the generator commutes with the Hamiltonian [Q, H] = 0. Commutation implies that the eigenvalues (lower-case) q are time-invariant: dq/dt = 0.

So, for example, when the symmetry group is a Lie group, then the charge operators correspond to the simple roots of the root system of the Lie algebra; the discreteness of the root system accounting for the quantization of the charge. The simple roots are used, as all the other roots can be obtained as linear combinations of these. The general roots are often called raising and lowering operators, or ladder operators.

The charge quantum numbers then correspond to the weights of the highest-weight modules of a given representation of the Lie algebra. So, for example, when a particle in a quantum field theory belongs to a symmetry, then it transforms according to a particular representation of that symmetry; the charge quantum number is then the weight of the representation.

Examples[edit]

Various charge quantum numbers have been introduced by theories of particle physics. These include the charges of the Standard Model:

• The color charge of quarks. The color charge generates the SU(3) color symmetry of quantum chromodynamics.
• The weak isospin quantum numbers of the electroweak interaction. It generates the SU(2) part of the electroweak SU(2) × U(1) symmetry. Weak isospin is a local symmetry, whose gauge bosons are the W and Z bosons.
• The electric charge for electromagnetic interactions. In mathematics texts, this is sometimes referred to as the -charge of a Lie algebra module.

Charges of approximate symmetries:

• The strong isospin charges. The symmetry groups is SU(2) flavor symmetry; the gauge bosons are the pions. The pions are not elementary particles, and the symmetry is only approximate. It is a special case of flavor symmetry.
• Other quark-flavor charges, such as strangeness or charm. Together with the
  u
  –
  d
  isospin mentioned above, these generate the global SU(6) flavor symmetry of the fundamental particles; this symmetry is badly broken by the masses of the heavy quarks. Charges include the hypercharge, the X-charge and the weak hypercharge.

Hypothetical charges of extensions to the Standard Model:

• The hypothetical magnetic charge is another charge in the theory of electromagnetism. Magnetic charges are not seen experimentally in laboratory experiments, but would be present for theories including magnetic monopoles.

In supersymmetry:

• The supercharge refers to the generator that rotates the fermions into bosons, and vice versa, in the supersymmetry.

In conformal field theory:

• The central charge of the Virasoro algebra, sometimes referred to as the conformal central charge or the conformal anomaly. Here, the term ‘central’ is used in the sense of the center in group theory: it is an operator that commutes with all the other operators in the algebra. The central charge is the eigenvalue of the central generator of the algebra; here, it is the energy–momentum tensor of the two-dimensional conformal field theory.^[1]

In gravitation:

• Eigenvalues of the energy–momentum tensor correspond to physical mass.

Charge conjugation[edit]

In the formalism of particle theories, charge-like quantum numbers can sometimes be inverted by means of a charge conjugation operator called C. Charge conjugation simply means that a given symmetry group occurs in two inequivalent (but still isomorphic) group representations. It is usually the case that the two charge-conjugate representations are complex conjugate fundamental representations of the Lie group. Their product then forms the adjoint representation of the group.

Thus, a common example is that the product of two charge-conjugate fundamental representations of SL(2,C) (the spinors) forms the adjoint rep of the Lorentz group SO(3,1); abstractly, one writes

That is, the product of two (Lorentz) spinors is a (Lorentz) vector and a (Lorentz) scalar. Note that the complex Lie algebra sl(2,C) has a compact real form su(2) (in fact, all Lie algebras have a unique compact real form). The same decomposition holds for the compact form as well: the product of two spinors in su(2) being a vector in the rotation group O(3) and a singlet. The decomposition is given by the Clebsch–Gordan coefficients.

A similar phenomenon occurs in the compact group SU(3), where there are two charge-conjugate but inequivalent fundamental representations, dubbed and , the number 3 denoting the dimension of the representation, and with the quarks transforming under and the antiquarks transforming under . The Kronecker product of the two gives

That is, an eight-dimensional representation, the octet of the eight-fold way, and a singlet. The decomposition of such products of representations into direct sums of irreducible representations can in general be written as

for representations . The dimensions of the representations obey the «dimension sum rule»:

Here, is the dimension of the representation , and the integers being the Littlewood–Richardson coefficients. The decomposition of the representations is again given by the Clebsch–Gordan coefficients, this time in the general Lie-algebra setting.

See also[edit]

• Casimir operator

References[edit]

This article is about charge in the most general physics sense. For charge as relates to electrical phenomena, see electric charge. For other uses of charge, see Charge.

In physics, a charge is any of many different quantities, such as the electric charge in electromagnetism or the color charge in quantum chromodynamics. Charges correspond to the time-invariant generators of a symmetry group, and specifically, to the generators that commute with the Hamiltonian. Charges are often denoted by the letter Q, and so the invariance of the charge corresponds to the vanishing commutator , where H is the Hamiltonian. Thus, charges are associated with conserved quantum numbers; these are the eigenvalues q of the generator Q.

Abstract definition[edit]

Abstractly, a charge is any generator of a continuous symmetry of the physical system under study. When a physical system has a symmetry of some sort, Noether’s theorem implies the existence of a conserved current. The thing that «flows» in the current is the «charge», the charge is the generator of the (local) symmetry group. This charge is sometimes called the Noether charge.

Thus, for example, the electric charge is the generator of the U(1) symmetry of electromagnetism. The conserved current is the electric current.

In the case of local, dynamical symmetries, associated with every charge is a gauge field; when quantized, the gauge field becomes a gauge boson. The charges of the theory «radiate» the gauge field. Thus, for example, the gauge field of electromagnetism is the electromagnetic field; and the gauge boson is the photon.

The word «charge» is often used as a synonym for both the generator of a symmetry, and the conserved quantum number (eigenvalue) of the generator. Thus, letting the upper-case letter Q refer to the generator, one has that the generator commutes with the Hamiltonian [Q, H] = 0. Commutation implies that the eigenvalues (lower-case) q are time-invariant: dq/dt = 0.

So, for example, when the symmetry group is a Lie group, then the charge operators correspond to the simple roots of the root system of the Lie algebra; the discreteness of the root system accounting for the quantization of the charge. The simple roots are used, as all the other roots can be obtained as linear combinations of these. The general roots are often called raising and lowering operators, or ladder operators.

The charge quantum numbers then correspond to the weights of the highest-weight modules of a given representation of the Lie algebra. So, for example, when a particle in a quantum field theory belongs to a symmetry, then it transforms according to a particular representation of that symmetry; the charge quantum number is then the weight of the representation.

Examples[edit]

Various charge quantum numbers have been introduced by theories of particle physics. These include the charges of the Standard Model:

• The color charge of quarks. The color charge generates the SU(3) color symmetry of quantum chromodynamics.
• The weak isospin quantum numbers of the electroweak interaction. It generates the SU(2) part of the electroweak SU(2) × U(1) symmetry. Weak isospin is a local symmetry, whose gauge bosons are the W and Z bosons.
• The electric charge for electromagnetic interactions. In mathematics texts, this is sometimes referred to as the -charge of a Lie algebra module.

Charges of approximate symmetries:

• The strong isospin charges. The symmetry groups is SU(2) flavor symmetry; the gauge bosons are the pions. The pions are not elementary particles, and the symmetry is only approximate. It is a special case of flavor symmetry.
• Other quark-flavor charges, such as strangeness or charm. Together with the
  u
  –
  d
  isospin mentioned above, these generate the global SU(6) flavor symmetry of the fundamental particles; this symmetry is badly broken by the masses of the heavy quarks. Charges include the hypercharge, the X-charge and the weak hypercharge.

Hypothetical charges of extensions to the Standard Model:

• The hypothetical magnetic charge is another charge in the theory of electromagnetism. Magnetic charges are not seen experimentally in laboratory experiments, but would be present for theories including magnetic monopoles.

In supersymmetry:

• The supercharge refers to the generator that rotates the fermions into bosons, and vice versa, in the supersymmetry.

In conformal field theory:

• The central charge of the Virasoro algebra, sometimes referred to as the conformal central charge or the conformal anomaly. Here, the term ‘central’ is used in the sense of the center in group theory: it is an operator that commutes with all the other operators in the algebra. The central charge is the eigenvalue of the central generator of the algebra; here, it is the energy–momentum tensor of the two-dimensional conformal field theory.^[1]

In gravitation:

• Eigenvalues of the energy–momentum tensor correspond to physical mass.

Charge conjugation[edit]

In the formalism of particle theories, charge-like quantum numbers can sometimes be inverted by means of a charge conjugation operator called C. Charge conjugation simply means that a given symmetry group occurs in two inequivalent (but still isomorphic) group representations. It is usually the case that the two charge-conjugate representations are complex conjugate fundamental representations of the Lie group. Their product then forms the adjoint representation of the group.

Thus, a common example is that the product of two charge-conjugate fundamental representations of SL(2,C) (the spinors) forms the adjoint rep of the Lorentz group SO(3,1); abstractly, one writes

That is, the product of two (Lorentz) spinors is a (Lorentz) vector and a (Lorentz) scalar. Note that the complex Lie algebra sl(2,C) has a compact real form su(2) (in fact, all Lie algebras have a unique compact real form). The same decomposition holds for the compact form as well: the product of two spinors in su(2) being a vector in the rotation group O(3) and a singlet. The decomposition is given by the Clebsch–Gordan coefficients.

A similar phenomenon occurs in the compact group SU(3), where there are two charge-conjugate but inequivalent fundamental representations, dubbed and , the number 3 denoting the dimension of the representation, and with the quarks transforming under and the antiquarks transforming under . The Kronecker product of the two gives

That is, an eight-dimensional representation, the octet of the eight-fold way, and a singlet. The decomposition of such products of representations into direct sums of irreducible representations can in general be written as

for representations . The dimensions of the representations obey the «dimension sum rule»:

Here, is the dimension of the representation , and the integers being the Littlewood–Richardson coefficients. The decomposition of the representations is again given by the Clebsch–Gordan coefficients, this time in the general Lie-algebra setting.

See also[edit]

• Casimir operator

References[edit]

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

Электростатика Закон Кулона Теорема Гаусса Электрический дипольный момент Электрический заряд Электрическая индукция Электрическое поле Электростатический потенциал Магнитостатика Закон Био — Савара — Лапласа Закон Ампера Магнитный момент Магнитное поле Магнитный поток Электродинамика Векторный потенциал Диполь Потенциалы Лиенара — Вихерта Сила Лоренца Ток смещения Униполярная индукция Уравнения Максвелла Электрический ток Электродвижущая сила Электромагнитная индукция Электромагнитное излучение Электромагнитное поле Электрическая цепь Закон Ома Законы Кирхгофа Индуктивность Радиоволновод Резонатор Электрическая ёмкость Электрическая проводимость Электрическое сопротивление Электрический импеданс Ковариантная формулировка Тензор электромагнитного поля Тензор энергии-импульса 4-потенциал 4-ток Известные учёные Генри Кавендиш Майкл Фарадей Никола Тесла Андре-Мари Ампер Густав Роберт Кирхгоф Джеймс Клерк (Кларк) Максвелл Генри Рудольф Герц Альберт Абрахам Майкельсон Роберт Эндрюс Милликен

См. также: Портал:Физика

Электри́ческий заря́д — 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 СИ — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с. Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда (q₁ = q₂ = 1 Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9·10⁹ H, т.е. с силой, с которой гравитация Земли притягивала бы предмет с массой порядка 1 миллиона тонн.

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». 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) — численная характеристика носителей заряда и заряженных тел, которая может принимать положительные и отрицательные значения. 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 ее 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 предположением о существовании двух различных видов зарядов. Один вид электрического заряда называют положительным, а другой — отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются друг от друга.

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

При электризации тела через влияние в нём нарушается равномерное распределение 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^[5] 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 изолированна, то алгебраическая сумма зарядов всех частиц, в том числе и вновь появившихся в такой системе, всегда равна нулю.

Закон сохранения заряда — один из основополагающих законов физики. Закон сохранения заряда был впервые экспериментально подтверждён в 1843 году великим английским ученым 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 объему. 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, растворы кислот), 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 может вращаться вокруг горизонтальной оси. При соприкосновении заряженного тела со стрежнем 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.

См. также

• Заряд (физика)
• Точечный электрический заряд
• Элементарный электрический заряд
• Плотность заряда
• Заряд электрона

Литература

• М. Ю. Хлопов. Заряд // Физическая энциклопедия / Д. М. Алексеев, А. М. Балдин, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов, Б. К. Вайнштейн, С. В. Вонсовский, А. В. Гапонов-Грехов, С. С. Герштейн, И. И. Гуревич, А. А. Гусев, М. А. Ельяшевич, М. Е. Жаботинский, Д. Н. Зубарев, Б. Б. Кадомцев, И. С. Шапиро, Д. В. Ширков; под общ. ред. А. М. Прохорова. — М.: Советская энциклопедия, 1988—1998.

Примечания

Многие из окружающих нас физических явлений, происходящих в природе, не находят объяснения в законах механики, термодинамики и молекулярно-кинетической теории. Такие явления основываются на влиянии сил, действующих между телами на расстоянии и независимых от масс взаимодействующих тел, что сразу отрицает их возможную гравитационную природу. Данные силы называются электромагнитными.

Еще древние греки имели некоторое представление об электромагнитных силах. Однако только в конце XVIII века началось систематическое, количественное изучение физических явлений, связанных с электромагнитным взаимодействием тел.

Благодаря кропотливому труду большого количества ученых в XIX веке было завершено создание абсолютно новой стройной науки, занимающейся изучением магнитных и электрических явлений. Так один из важнейших разделов физики, получил название электродинамики.

Создаваемые электрическими зарядами и токами электрические и магнитные поля стали ее основными объектами изучения.

Электрическое поле

Понятие заряда в электродинамике играет ту же роль, что и гравитационная масса в механике Ньютона. Оно входит в фундамент раздела и является для него первичным.

Электрический заряд представляет собой физическую величину, которая характеризует свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Буквами q или Q в электродинамике обычно обозначают электрический заряд.

В комплексе все известные экспериментально доказанные факты дают нам возможность сделать следующие выводы:

Существует два рода электрических зарядов. Это, условно названные, положительные и отрицательные заряды.

Заряды могут переходить (к примеру, при непосредственном контакте) между телами. Электрический заряд, в отличие от массы тела, не является его неотъемлемой характеристикой. Одно конкретное тело в различных условиях может принимать разное значение заряда.

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В данном факте проявляется очередное принципиальное различие электромагнитных и гравитационных сил. Гравитационные силы всегда представляют собой силы притяжения.

Закон сохранения электрического заряда является одним из фундаментальных законов природы.

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел неизменна:

q1+q2+q3+…+qn=const.

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

С точки зрения современной науки, носителями зарядов являются элементарные частицы. Любой обычный объект состоит из атомов. В их состав входят несущие положительный заряд протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны являются составной частью атомных ядер, электроны же образуют электронную оболочку атомов. По модулю электрические заряды протона и электрона эквивалентны и равняются значению элементарного заряда e.

В нейтральном атоме количество электронов в оболочке и протонов в ядре одинаково. Число любых из списка приведенных частиц называется атомным номером.

Подобный атом имеет возможность как потерять, так и приобрести один или несколько электронов. Когда такое происходит, нейтральный атом становится положительно или отрицательно заряженным ионом.

Заряд может переходить от одного тела к другому лишь порциями, в которых содержится целое число элементарных зарядов. Выходит, что электрический заряд тела является дискретной величиной: 

q=±ne (n=0, 1, 2,…).

Физические величины, имеющие возможность принимать исключительно дискретный ряд значений, называются квантованными.

Элементарный заряд e представляет собой квант, то есть наименьшую возможную порцию электрического заряда.

Несколько выбивается из всего вышесказанного факт существования в современной физике элементарных частиц так называемых кварков – частиц с дробным зарядом ±13e и ±23e.

Однако наблюдать кварки в свободном состоянии ученым так и не довелось.

Для обнаружения и измерения электрических зарядов в лабораторных условиях обычно используют 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. Соприкасаясь со стержнем электрометра, заряженное тело провоцирует распределение по стержню и стрелке электрических зарядов одного знака. Воздействие сил электрического отталкивания становится причиной отклонения стрелки на некоторый угол, по которому можно определить заряд, переданный стержню электрометра.

Рисунок 1.1.1. Перенос заряда с заряженного тела на электрометр.

Электрометр – достаточно грубый прибор. Его чувствительность не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. В 1785 году был впервые открыт закон взаимодействия неподвижных зарядов. Первооткрывателем стал французский физик Ш. Кулон. В своих опытах он измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора для измерения электрического заряда – крутильных весов (рис. 1.1.2), обладающих крайне высокой чувствительностью. Коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы приблизительной 10–9 Н.

Идея измерений основывалась на догадке физика о том, что при контакте заряженного шарика с таким же незаряженным, имеющийся заряд первого разделится на равные части между телами. Так был получен способ изменять заряд шарика в два или более раз.

Кулон в своих опытах измерял взаимодействие между шариками, размеры которых значительно уступали разделяющему их расстоянию, из-за чего ими можно было пренебречь. Подобные заряженные тела принято называть точечными зарядами.

Рисунок 1.1.2. Прибор Кулона.

Рисунок 1.1.3. Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов.

Основываясь на множестве опытов, Кулон установил следующий закон:

Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними: F=kq1·q2r2.

Силы взаимодействия являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3), а также подчиняются третьему закону Ньютона:
F1→=-F2→.

Кулоновским или же электростатическим взаимодействием называют воздействие друг на друга неподвижных электрических зарядов.

Раздел электродинамики, посвященный изучению кулоновского взаимодействия, называется электростатикой.

Закон Кулона может быть применим по отношению к точечным заряженным телам. На практике, он в полной мере выполняется в том случае, если размерами заряженных тел можно пренебречь из-за значительно превышающего их расстояния между объектами взаимодействия.

Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависим от выбора системы единиц.

В Международной системе СИ единицу измерения электрического заряда представляет 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 в большинстве случаев записывается в виде следующего выражения: 

k=14πε0.

В котором ε0=8,85·10-12Кл2Н·м2 является электрической постоянной.

В системе СИ элементарный заряд e равняется:

e=1,602177·10-19 Кл≈1,6·10-19 Кл.

Опираясь на опыт, можно сказать, 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.

Принцип суперпозиции

На рисунке 1.1.4 на примере электростатического взаимодействия трёх заряженных тел поясняется принцип суперпозиции.

Рисунок 1.1.4. Принцип суперпозиции электростатических сил F→=F21→+F31→; F2→=F12→+F32→; F3→=F13→+F23→.

Рисунок 1.1.5. Модель взаимодействия точечных зарядов.

Несмотря на то, что принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы, его использование требует некоторой осторожности, когда он применяется по отношению к взаимодействию заряженных тел конечных размеров. Примером таковых могут послужить два проводящих заряженных шара 1 и 2. Если к подобной системе, состоящей из двух обладающих зарядом шаров поднести еще один заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 претерпит изменения по причине перераспределения зарядов.

Принцип суперпозиции предполагает, что силы электростатического взаимодействия между двумя любыми телами не зависят от наличия других обладающих зарядом тел, при условии, что распределение зарядов фиксировано (задано).

Электрический заряд

Связанные понятия

Магни́тный моме́нт, магни́тный дипо́льный моме́нт — основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества (источником магнетизма, согласно классической теории электромагнитных явлений, являются электрические макро- и микротоки; элементарным источником магнетизма считают замкнутый ток).

Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον — янтарь) — стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Считается фундаментальной (не имеющей, насколько это известно, составных частей) и является одной из основных структурных единиц вещества. Классифицируется как фермион (обладает спином, равным ½) и как лептон. Единственный (наравне со своей античастицей — позитроном) из известных заряженных лептонов, являющийся стабильным. Электроны образуют электронные оболочки атомов, строение которых определяет…

Квазичасти́ца (от лат. quas(i) «наподобие», «нечто вроде») — понятие в квантовой механике, введение которого позволяет существенно упростить описание сложных квантовых систем со взаимодействием, таких как твердые тела и квантовые жидкости.

Электромагнитное поле (и его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчета — каждое зависит от обоих — электрического и магнитного — в старой, и это ещё одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и магнитное поля как проявления единого электромагнитного поля.

Энергетический уровень — собственные значения энергии квантовых систем, то есть систем, состоящих из микрочастиц (электронов, протонов и других элементарных частиц) и подчиняющихся законам квантовой механики. Каждый уровень характеризуется определённым состоянием системы, или подмножеством таковых в случае вырождения. Понятие применимо к атомам (электронные уровни), молекулам (различные уровни, соответствующие колебаниям и вращениям — колебательные и вращательные уровни), атомным ядрам (внутриядерные…

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Электрическое поле — одна из двух компонент электромагнитного поля, представляющая собой векторное поле, существующее вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также возникающее при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.

Ды́рка — квазичастица, носитель положительного заряда, равного элементарному заряду, в полупроводниках.

Электромагни́тное взаимоде́йствие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света) в виде поперечных электромагнитных волн и переносчик электромагнитного взаимодействия. Это безмассовая частица, способная существовать в вакууме, только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. В физике фотоны обозначаются…

Элемента́рный электри́ческий заря́д — фундаментальная физическая постоянная, минимальная порция (квант) электрического заряда, наблюдающегося в природе у свободных долгоживущих частиц. Равен приблизительно 1,602 176 6208(98)⋅10−19 Кл в Международной системе единиц (СИ) (4,803 204 673(29)⋅10−10 Фр в системе СГСЭ). Тесно связан с постоянной тонкой структуры, описывающей электромагнитное взаимодействие.

Дипо́ль — идеализированная система, служащая для приближённого описания поля, создаваемого более сложными системами зарядов, а также для приближенного описания действия внешнего поля на такие системы. Дипольное приближение, выполнение которого обычно подразумевается, когда говорится о поле диполя, основано на разложении потенциалов поля в ряд по степеням радиус-вектора, характеризующего положение зарядов-источников, и отбрасывании всех членов выше первого порядка. Полученные функции будут эффективно…

Фоно́н — квазичастица, введённая советским учёным Игорем Таммом. Фонон представляет собой квант колебательного движения атомов кристалла.

Поляризация вакуума — совокупность виртуальных процессов рождения и аннигиляции пар частиц в вакууме, обусловленных квантовыми флуктуациями. Эти процессы формируют нижнее (вакуумное) состояние систем взаимодействующих квантовых полей.

Электростатика (др. -греч. ήλεκτρον — янтарь) — раздел учения об электричестве, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов.

Эффекти́вная ма́сса — величина, имеющая размерность массы и применяемая для удобного описания движения частицы в периодическом потенциале кристалла. Можно показать, что электроны и дырки в кристалле реагируют на электрическое поле так, как если бы они свободно двигались в вакууме, но с некой эффективной массой, которую обычно определяют в единицах массы электрона me (9,11×10−31 кг). Эффективная масса электрона в кристалле, вообще говоря, отлична от массы электрона в вакууме и может быть как положительной…

Зонная теория твёрдого тела — квантовомеханическая теория движения электронов в твёрдом теле.

Электри́ческий ди́польный моме́нт — векторная физическая величина, характеризующая, наряду с суммарным зарядом (и реже используемыми высшими мультипольными моментами), электрические свойства системы заряженных частиц (распределения зарядов) в смысле создаваемого ею поля и действия на неё внешних полей. Главная после суммарного заряда и положения системы в целом (её радиус-вектора) характеристика конфигурации зарядов системы при наблюдении её издали.

Неупру́гое рассе́яние — столкновение частиц (включая столкновения с фотонами), сопровождающееся изменением их внутреннего состояния, превращением в другие частицы или дополнительным рождением новых частиц.

Ку́перовская па́ра — связанное состояние двух взаимодействующих через фонон электронов. Обладает нулевым спином и зарядом, равным удвоенному заряду электрона. Впервые подобное состояние было описано Леоном Купером в 1956 году, рассмотревшим лишь упрощенную двухчастичную задачу. Коррелированные пары электронов ответственны за явление сверхпроводимости.

Позитро́н (от англ. positive «положительный» + electron «электрон») — античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд −1 и массу, равную массе электрона. При аннигиляции позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже — трёх и более) гамма-квантов.

Носи́тели заря́да — общее название подвижных частиц или квазичастиц, которые несут электрический заряд и способны обеспечивать протекание электрического тока.

Во́лны де Бро́йля — волны вероятности (или волны амплитуды вероятности), определяющие плотность вероятности обнаружения объекта в заданной точке конфигурационного пространства. В соответствии с принятой терминологией говорят, что волны де Бройля связаны с любыми частицами и отражают их волновую природу.

Виртуа́льная части́ца — объект, который характеризуется почти всеми квантовыми числами, присущими одной из реальных элементарных частиц, но для которого нарушена свойственная последней связь между энергией и импульсом частицы. Понятие о виртуальных частицах возникло в квантовой теории поля. Такие частицы, родившись, не могут «улететь на бесконечность»; они обязаны либо поглотиться какой-либо частицей, либо распасться на реальные частицы. Известные в физике фундаментальные взаимодействия протекают…

Спин-орбитальное взаимодействие — в квантовой физике взаимодействие между движущейся частицей и её собственным магнитным моментом, обусловленным спином частицы. Наиболее часто встречающимся примером такого взаимодействия является взаимодействие электрона, находящегося на одной из орбит в атоме, с собственным спином. Такое взаимодействие, в частности, приводит к возникновению так называемой тонкой структуры энергетического спектра электрона и расщеплению спектроскопических линий атома.

Теплово́е движе́ние — процесс хаотичного (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество. Чем выше температура, тем больше скорость движения частиц. Чаще всего рассматривается тепловое движение атомов и молекул.

Фундамента́льная части́ца — бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную. На сегодняшний день термин применяется преимущественно для лептонов и кварков (по 6 частиц каждого рода, вместе с античастицами, составляют набор из 24 фундаментальных частиц) в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий).

Изотопи́ческий спин (изоспи́н) — одна из внутренних характеристик (квантовое число), определяющая число зарядовых состояний адронов. В частности, протон и нейтрон (общее наименование этих элементарных частиц — нуклоны) различаются значением проекции изоспина, тогда как абсолютные значения их изоспина одинаковы. Последнее выражает свойство изотопической инвариантности сильного взаимодействия. Понятие изотопического спина было введено Гейзенбергом в 1932 г.Изоспин сохраняется во всех процессах, обусловленных…

Это список частиц в физике элементарных частиц, включающий не только открытые, но и гипотетические элементарные частицы, а также составные частицы, состоящие из элементарных частиц.

Чётность — свойство физической величины сохранять свой знак (или изменять на противоположный) при некоторых дискретных преобразованиях. Она выражается числом, принимающим два значения: +1 и −1.

Тунне́льный эффект, туннели́рование — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике и даже полностью противоречащее ей. Аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки…

Магно́н — квазичастица, соответствующая элементарному возбуждению системы взаимодействующих спинов. В кристаллах с несколькими магнитными подрешётками (например, антиферромагнетиках) могут существовать несколько сортов магнонов, имеющих различные энергетические спектры. Магноны подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Магноны взаимодействуют друг с другом и с другими квазичастицами. Существование магнонов подтверждается экспериментами по рассеянию нейтронов, электронов и света, которое сопровождается…

Вырождение (квантовая механика) — явление, при котором некоторая физическая величина (например. энергия, импульс и т. д.), характеризующая квантовую физическую систему, принимает одно и то же значение для разных состояний квантовой физической системы. Кратностью вырождения называется число различных состояний квантовой физической системы, имеющих одно и то же значение физической величины.

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые на практике невозможно расщепить на составные части.

Слабый изоспин в теоретической физике соответствует идее изоспина для сильного взаимодействия, но применённой для слабого взаимодействия. Обычно обозначается T или IW.

Заря́женная части́ца — частица, обладающая электрическим зарядом. Заряженными могут быть как элементарные частицы, так составные: атомарные и молекулярные ионы, многоатомные комплексы (кластеры, пылинки, капли). Заряд частиц всегда кратен элементарному заряду (если не учитывать кварковую модель адронов).

Возбуждение в физике — переход системы из основного энергетического состояния в состояние с большей энергией.

Релятиви́стская части́ца — частица, движущаяся с релятивистской скоростью, то есть скоростью, сравнимой со скоростью света. Движение таких частиц, рассматриваемых как классические (неквантовые) материальные точки, описывается специальной теорией относительности. Безмассовые частицы (фотоны, гравитоны, глюоны и т. д.) всегда являются релятивистскими, поскольку могут существовать, лишь двигаясь со скоростью света.

Электри́ческая постоя́нная (ранее также носила название диэлектрической постоянной) — физическая константа, скалярная величина, входящая в выражения некоторых законов электромагнетизма, в том числе закона Кулона, при записи их в рационализованной форме, соответствующей Международной системе единиц (СИ).

Вы́нужденное излуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) между двумя состояниями (с более высокого на более низкий энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого равна разности энергий этих состояний. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу, поляризацию, а также направление распространения, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными…

Уровни Ландау — энергетические уровни заряженной частицы в магнитном поле. Впервые получены как решение уравнения Шрёдингера для заряженной частицы в магнитном поле Л. Д. Ландау в 1930 году. Решением этой задачи являются волновые функции электрона в гармоническом потенциале. Уровни Ландау играют существенную роль во всех кинетических явлениях в присутствии магнитного поля.

Спонтанное излучение или спонтанное испускание — процесс самопроизвольного испускания электромагнитного излучения квантовыми системами (атомами, молекулами) при их переходе из возбуждённого состояния в стабильное.

Безма́ссовые части́цы (люксо́ны) — частицы, масса покоя которых равна нулю. Не имеют аналога в нерелятивистской механике.

Электроны проводимости — это электроны, способные переносить электрический заряд в кристалле, отрицательно заряженные квазичастицы в металлах и полупроводниках, электронные состояния в зоне проводимости.

По́ле в физике — физический объект, классически описываемый математическим скалярным, векторным, тензорным, спинорным полем (или некоторой совокупностью таких математических полей), подчиняющимся динамическим уравнениям (уравнениям движения, называемым в этом случае уравнениями поля или полевыми уравнениями — обычно это дифференциальные уравнения в частных производных). Другими словами, физическое поле представляется некоторой динамической физической величиной (называемой полевой переменной), определённой…

Магнитная восприимчивость — физическая величина, характеризующая связь между магнитным моментом (намагниченностью) вещества и магнитным полем в этом веществе.

В физике элементарных частиц калибровочные бозоны — это бозоны, которые действуют как переносчики фундаментальных взаимодействий природы. Точнее, элементарные частицы, взаимодействия которых описываются калибровочной теорией, оказывают действие друг на друга при помощи обмена калибровочными бозонами, обычно как виртуальными частицами.

Поле Хиггса или хиггсовское поле — поле, обеспечивающее спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий благодаря нарушению симметрии вакуума, названо по имени разработчика его теории, британского физика Питера Хиггса. Квант этого поля — хиггсовская частица (хиггсовский бозон).

Атомная орбиталь — одноэлектронная волновая функция, полученная решением уравнения Шрёдингера для данного атома; задаётся: главным n, орбитальным l, и магнитным m — квантовыми числами.

Упоминания в литературе (продолжение)

Так же как гравитационная масса тела в механике Ньютона, заряд в электродинамике относится к фундаментальным, основным понятиям.

Электрический заряд

Это физическая величина, означающая свойство некоторых частиц или тел вовлекаться в электромагнитные взаимодействия. В физике электрический заряд принято обозначать q, реже Q.

Из установленных экспериментальных фактов следуют следующие выводы:

• в природе есть два типа электрических зарядов, условно «позитивные» (+) и «негативные» (-);
• заряды передаются от одного тела к другому (допустим в случае прямого соприкосновения двух объектов). Поэтому электрический заряд, в отличие от массы тела, не является постоянной характеристикой конкретного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разные заряды.
• Одинаковые заряды отталкиваются, противоположные – притягиваются. То есть «+» отталкивает «+», «-» отталкивает «-». Но «+» притягивает «-» и наоборот.

Закон Кулона

К одним из основных законов природы относится установленный экспериментально закон сохранения заряда (более известный как «Закон Кулона»).

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов сохраняется:

q1+q2+q3+…+qn=constq_1 + q_2 + q_3 + … + q_n = const

Этот закон также значит, что в изолированной системе не могут происходить процессы появления или исчезновения зарядов только одного знака. То есть заряды рождаются и умирают парами («+» с «-»).

В современной науке, носителями заряда являются элементарные частицы. Все тела во Вселенной состоят из атомов. Но атомы в свою очередь состоят из таких элементарных частиц. Положительно заряженных протонов, отрицательных электронов и частиц без заряда — нейтронов. Протоны и нейтроны входят в состав ядра атома (поэтому оно позитивно заряжено), а электроны в состав оболочки (негативно заряженная). В нейтральном атоме заряд ядра равняется заряду всех электронов в оболочке. Заряд протона и электрона одинаковые по значению.

Экспериментально показано, что заряд может передаваться от одного тела к другому только целыми порциями или дискретно:

q=±ne(n=0,1,2,…),q = ± ne (n = 0, 1, 2, …),

ee – заряд электрона.

Измерение величины заряда

Стандартным методом обнаружения и измерения заряда, является прибор — электрометр. Он состоит из металлического стержня и стрелки, вращающейся вокруг горизонтальной оси. Стержень и стрелка изолированны от металлического корпуса прибора. Когда заряженное тело касается стержня прибора, электрические заряды одного знака перетекают по стержню и стрелке. Силы электростатического отталкивания поворачивают стрелку на некоторый угол. По величине угла можно судить о заряде, который был передан стержню электрометра.

На практике часто используют понятие точечного заряда. Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого можно пренебречь.

Сила взаимодействия 2 зарядов

Сила взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональна модулю зарядов и обратно пропорциональна расстоянию между этими зарядами.

F=k∣q1∣⋅∣q2∣r2F = k frac{| q_1| cdot | q_2|}{r^2}

Закон Кулона хорошо согласуется когда заряды точечные, т.е когда размер заряженных тел гораздо меньше расстоянию между ними. Величина коэффициента kk зависит от выбора системы единиц.

В Международной системе СИ, принятой в большинстве стран:

k=14πε0k = frac {1} {4 pi varepsilon_0}

Также в СИ за 1 единицу заряда принят кулон (обозначается Кл). Кулон — это заряд, который проходит за время 1 с (одна секунда) через поперечное сечение проводника при силе тока 1А (один ампер).

Тест по теме «Электрический заряд. Закон Кулона»

Формула заряда

Определение и формула заряда

Электрический заряд обозначают при помощи буквы q. Заряды разделяют на положительные и отрицательные. Заряды, имеющие один знак, испытывают силы отталкивания. Заряды противоположных знаков притягиваются.

В опытах Р. Милликена было показано, что электрический заряд – дискретная величина. Заряд любого тела – это целая величина, которая кратна элементарному заряду (заряду электрона );

   

где n – целое число.

Единицей измерения заряда в системе международных единиц (СИ) является кулон. Это производная единица. Один кулон – это электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника, при силе тока в 1 ампер за одну секунду.

Заряд встречается в огромном количестве формул, которые относят к электромагнетизму. Отметим основные.

Закон сохранения заряда

Закон сохранения заряда это фундаментальный закон природы. Его сущность в том, что в любой замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов остается неизменной при реализации любых процессов в этой системе:

   

Величина электрического заряда тела не зависит от выбора системы отсчета, не зависит от вида движения (покоя) тела. Иначе говоря, что электрический заряд — это релятивистски инвариантная величина.

Определение типа вещества (проводник, диэлектрик) связано с концентрацией свободных зарядов в веществе.

Закон Кулона

Одним из основных законов в электростатике является известный закон Кулона. Он описывает взаимодействие неподвижных точечных зарядов. Этот закон предложен Ш. Кулоном в 1785 г.

Точечный заряд, — это заряженное тело, размерами которого можно пренебречь, по сравнению с расстояниями до других тел, имеющих заряды. Точечный заряд – это физическая абстракция.

В математическом виде закон Кулона записывают так:

   

– сила, с которой заряд действует на заряд – радиус-вектор, который соединяет и ; r- расстояние между рассматриваемыми зарядами (модуль вектора ). При этом на заряд со стороны заряда действует сила равная по модулю силе , но противоположная по направлению; – электрическая постоянная; – диэлектрическая проницаемость вещества в котором находятся рассматриваемые заряды. Закон в виде (3) записан для международной системы единиц (СИ).

Напряжённость поля точечного заряда

Напряженность поля связана с силой Кулона () как:

   

где – величина пробного заряда, на который действует поле с силой при его размещении в рассматриваемой точке.

Неподвижное точечное заряженное тело создает вокруг себя электростатическое поле, напряженность () которого связана с величиной заряда (q) этого тела:

   

– радиус-вектор проведенный от заряда к точке в которой рассматривают поле. Положительные заряды являются истоками поля, а отрицательные – стоками.

Потенциал поля точечного заряда

Потенциал () электрического поля, которое создает точечный заряд (q) в некоторой точке, находящейся на расстоянии r от заряда, создающего поле равен:

   

Работа в электростатическом поле

Работу, которую совершают силы электростатического поля при перемещении заряда (q) из точки поля с потенциалом в точку, имеющую потенциал , можно вычислить как:

   

Сила тока и заряд

Током называют упорядоченное движение заряженных частиц. При этом силу тока находят как:

   

где – изменение заряда за период времени .

Примеры решения задач

Общие сведения

В 1666 году Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения. В его описании он использовал силы, названные гравитационными. Их действия объяснялись влиянием астрономических объектов. Было установлено, что величина силы зависит от массы взаимодействующих тел. Но вместе с этим учёные, проводя эксперименты, наблюдали явления притяжения или отталкивания тел небольших размеров, не связанные с гравитацией.

Появилось предположение о существовании некой субстанции. Выдвинул его Бенджамин Франклин в 1749 году. Именно в его работах впервые появилось слово «заряд». Но ещё задолго до этого в VI веке древнегреческий учёный Фалес смог обнаружить электрическое взаимодействие.

На то время он не смог объяснить природу возникающих сил и просто констатировал опытный факт. Философ обнаружил, что если потереть камень из янтаря об мех, он начинает притягивать к себе лёгкие частицы, например, пылинки. Только в 1600 году Гилберт использовал для описания явление слово «электричество», которое в переводе с греческого обозначает «янтарность».

Через 60 лет немец Отто фон Герике соорудил устройство, названное электростатической машиной. Она состояла из металлического штатива, вставленного в серный шар. С её помощью он смог узнать, что предметы могут не только притягиваться, но и отталкиваться. Эксперименты, проводимые французом Шарлем Дюфе, показали, что существует 2 типа электричества. Позже Франклин объяснил это существованием двух видов частиц:

• положительных;
• отрицательных.

Знак был присвоен условно, чтобы удобно было исследовать явление. Опыты показали, что 2 одинаково заряженных элемента отталкиваются друг от друга, в то время как разноимённые притягиваются. Проявление же тех или иных свойств телами, как, оказалось, зависит от кристаллического строения тела. Учёные установили, что в его основе лежит межатомное взаимодействие.

Частицей-носителем свойств элемента является атом. Он состоит из протонов и нейтронов, образующих ядро. Вокруг последнего по орбиталям вращаются электроны. Атом считается положительно заряженным, а электрон — отрицательно. Причём величина зарядов обоих знаков одинаковая, то есть тело находится в энергетическом равновесии.

Опыт Кулона

Закон взаимодействия зарядов был сформулирован и эмпирически подтверждён Кулоном в 1785 году. Для этого физик сконструировал специальное устройство — крутильные весы. Этот прибор мог измерять малые силы, возникающие при заряженности тел. Причём для удобства им была введена величина — точечный заряд.

По сути, это идеализация, позволяющая доступно описать поле заряженного тела. Под таким зарядом понимают наэлектризованный предмет, размерами которого можно пренебречь. Появились основания предположить, что вся энергия сосредоточена в одной точке. Прибор учёного состоял из следующих элементов:

• шёлковой нити;
• двух металлических шариков;
• проградуированной шкалы;
• бумажного диска;
• коромысла.

Суть эксперимента заключалась в следующем. Подвесив к тонкой нити коромысло, на котором были закреплены 2 шарика, Кулон опустил эту конструкцию в стеклянный сосуд. Нить помещалась на половину глубины ёмкости. Причём напротив шаров по внешнему диаметру сосуда была закреплена шкала. Затем он опускал заряженный шар и наблюдал реакцию.

Заключалась она в повороте коромысла на определённую величину. Таким образом, было не только открыто явление, в котором обнаружился факт существования в природе элементарных носителей электрических зарядов, но и электризация тел при их контакте. Учёный, замеряя угол поворота, сформулировал закон. Он гласил, что сила с которой происходит взаимодействие двух заряженных элементарных зарядов прямо пропорциональна произведению их значений по модулю и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В математическом виде это утверждение описывается следующей формулой: F = k * (q1 * q2)/r², где k — коэффициент пропорциональности. В международной системе единиц измерения он определяется как k = ¼pE. Причём E — скалярная величина равная 8,85 * 10^-12 Ф / м. Называется она электрической постоянной и определяется средой, в которой происходит взаимодействие.

Эксперимент Кулона помог установить электромагнитную сущность взаимодействия электрических зарядов, понять, что частица обладает энергией, которую она может передавать и из-за которой происходит электрическое взаимодействие тел. Но также стало ясно, что если система изолирована от внешних воздействий, она находится в энергетическом равновесии, то есть действует закон сохранения энергии.

Свойства зарядов

Количественно энергию, переносимую частицами, принято измерять в кулонах (Кл). Заряд — это некая фундаментальная величина природы. Сказать, что это такое, физики не могут. Зато они научились объяснять их взаимодействия и смогли выяснить свойства явления. Они установили, что заряд вокруг себя создаёт электрическое поле. Когда под его действие попадает другая частица, она начинает испытывать на себе его воздействие. Если убрать второй заряд, сила взаимодействия мгновенно не поменяется.

Эта теория была выдвинута экспериментатором Майклом Фарадеем и названа им правилом близкодействия. Оказалось, что носитель испытывает действие электрического поля, даже если рядом нет другой заряженной частицы, то есть воспринимает электромагнитные волны.

Кроме этого, учёные смогли обнаружить следующие свойства, присущие заряду:

1. Существует только 2 вида заряженных частиц — положительные и отрицательные.
2. В природе нет преобладания плюсовых или минусовых зарядов, а их суммарное число одинаковое.
3. При электризации процесс сопровождается не появлением новых носителей, а их разделением.
4. Размер минимального положительного заряда (протона), который удалось открыть, составляет 1,6021892 * 10^-19 Кл. Это значение по модулю равно электрону.
5. Он инвариантен, то есть его значение не зависит от выбранной системы отсчёта.
6. Энергия, которой обладает заряженная частица, может принимать любые дискретные значения.

Последнее свойство было доказано советским физиком Иоффе в начале XX века. Он взял 2 металлические пластины. Одну из них он зарядил отрицательно, а другую положительно. Между ними помещал пылинки цинка. В результате физик наблюдал их взаимодействие с прообразом плоского конденсатора. Под действием электрического поля и ультрафиолетового излучения, из цинка вылетали электроны, и скорость пылинок изменялась.

Измеряя её, он увидел, что заряд цинковых пылинок менялся на строгую величину. Но измерить её он не смог из-за сложной формы пыли. Рассчитать значение элементарной энергии получилось у Роберта Милликена. Вместо цинка, он использовал капельки масла. Учёный смог вычислить силу сопротивления воздуха, а затем определить, величину элементарного заряда. Она составила: 4,803242±0,000014×10^-10 единиц (если значение будет измеряться в СГСЭ).

Это наименьшее значение, которое можно получить в природе. Остальные величины образуются квантованием, то есть общий заряд всегда равен целому числу элементарных.

Закон сохранения

Пожалуй, одним из самых важных принципов в физике считается закон сохранения зарядов. С его проявлением можно столкнуться, например, натирая эбонитовую палочку об шерсть. В этом случае заряд как бы появляется на двух предметах одновременно. Но это не значит, как кажется, что рождаются частицы.

На самом деле заряд был и раньше в телах, но при этом сосредоточен в равных количествах. При контакте же происходит разделение элементарных носителей. С шерсти электроны переходят на эбонит, поэтому он заряжается отрицательно, а ткань — положительно. Происходит электризация. Суммарный же заряд остаётся неизменным. Он равен нулю. Это и есть проявление электросохранения.

Пусть имеются 2 физических тела. Они обладают пробными зарядами q1 и q2. Если их привести в соприкосновение, а затем развести, полученную каждым объектом энергию можно найти по формуле: q = (q1 + q2)/2

Таким образом, определение закона сохранения зарядов будет звучать так: алгебраическая сумма энергии, сосредоточенной в элементарных частицах для изолированной системы, остаётся неизменной при любых процессах. Как оказалось, правило проявляет себя не только в макромире, но и в микромире. В подтверждение сказанному можно рассмотреть 2 примера:

1. Стеклянная палочка и шёлк. Общий заряд, а его обозначают буквой q, равняется нулю. Если потереть шёлк об стеклянную палочку, ткань зарядится отрицательно, а стекло — положительно. Проявление закона можно описать: q^— ш + q⁺ с = 0.
2. Ядро. Оно состоит из положительного заряженного протон и не имеющего знака нейтрона. Если последний покинет ядро, например, при атомной реакции, он распадётся на 3 вида частиц: протон (p), электрон (е) и нейтрин (ν): n → p + e + ν. Так как заряды протона и нейтрона компенсируют друг друга, а нейтрина равен нулю, q = qe + qp + qv = 0.

Протоны являются частью атомов, поэтому их число может измениться только во время ядерной реакции. Так как при электризации тел такого явления произойти не может, их количество постоянное. Значит, в процессе участвуют только электроны, и отрицательность тела возникает из-за их переизбытка, вызванного передачей. А получение положительного заряда телом, вопреки частой ошибке, означает не увеличение протонов, а уход электронов, то есть энергия передаётся порциями, состоящими из целого числа отрицательных частиц.