Электрический заряд
Электри́ческий заря́д (коли́чество электри́чества) — физическая скалярная величина, показывающая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.
| Электрический заряд | |
|---|---|
| q, Q | |
| Размерность | TI |
| Единицы измерения | |
| СИ | кулон |
| СГСЭ | статкулон (франклин) |
| СГСМ | |
| Другие единицы | ампер-час, фарадей, элементарный заряд |
| Примечания | |
| скалярная величина, Квантуется | |
Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году.
Единица измерения электрического заряда в Международной системе единиц (СИ) — кулон. Один кулон равен электрическому заряду, проходящему через поперечное сечение проводника с током силой в 1 А за время 1 с. Если два тела, каждое из которых обладает электрическим зарядом (q1 = q2 = 1 Кл), расположены в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействуют приблизительно с силой в 9⋅109H.
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 отсчёта.
Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд), как и любая сила, может принимать только положительные значения. Запись с отрицательным знаком обозначает обратное направление. Она является численной характеристикой носителей заряда и заряженных тел. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов, взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля, зависят от знака зарядов.
Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, равных примерно 1,6⋅10−19Кл в системе СИ или 4,8⋅10−10ед. СГСЭ. Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы. Наименьшей по массе устойчивой в свободном состоянии частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд, является электрон (его масса равна 9,11⋅10−31 кг). Наименьшая по массе устойчивая в свободном состоянии античастица с положительным элементарным зарядом — позитрон, имеющая такую же массу, как и электрон. Также существует устойчивая частица с одним положительным элементарным зарядом — протон (масса равна 1,67⋅10−27 кг) и другие, менее распространённые частицы. Выдвинута гипотеза (1964 г.), что существуют также частицы с меньшим зарядом (±⅓ и ±⅔ элементарного заряда) — кварки; однако они не выделены в свободном состоянии (и, по-видимому, могут существовать лишь в составе других частиц — адронов), в результате любая свободная частица несёт лишь целое число элементарных зарядов.
Электрический заряд любой элементарной частицы — величина релятивистски инвариантная. Он не зависит от системы отсчёта, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится, он присущ этой частице в течение всего времени её жизни, поэтому элементарные заряженные частицы зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решёток твёрдых тел скомпенсированы.
Взаимодействие зарядов
Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе носителей электрических зарядов, — электризация тел при соприкосновении. Способность носителей электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух различных видов электрических зарядов. Один вид электрического заряда называют положительным, а другой — отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются друг от друга.
При соприкосновении двух электрически нейтральных тел в результате трения заряды переходят от одного тела к другому. В каждом из них нарушается равенство суммы положительных и отрицательных зарядов, и тела заряжаются разноимённо.
При электризации тела через влияние в нём нарушается равномерное распределение заряда. Они перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток положительного заряда, а в другой — отрицательных. Если две эти части разъединить, то они будут заряжены разноимённо.
| Симметрия в физике | ||
|---|---|---|
| Преобразование | Соответствующая инвариантность | Соответствующий закон сохранения |
| ↕ Трансляции времени | Однородность времени | …энергии |
| ⊠ C, P, CP и T-симметрии | Изотропность времени | …чётности |
| ↔ Трансляции пространства | Однородность пространства | …импульса |
| ↺ Вращения пространства | Изотропность пространства | …момента импульса |
| ⇆ Группа Лоренца (бусты) | Относительность лоренц-ковариантность | …движения центра масс |
| ~ Калибровочное преобразование | Калибровочная инвариантность | …заряда |
Закон сохранения электрического заряда
Совокупный электрический заряд замкнутой системы сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.
В рассматриваемой системе могут образовываться новые электрически заряженные частицы, например, электроны — вследствие явления ионизации атомов или молекул, ионы — за счёт явления электролитической диссоциации и др. Однако, если система электрически изолирована, то алгебраическая сумма зарядов всех частиц, в том числе и вновь появившихся в такой системе, всегда сохраняется.
Закон сохранения электрического заряда — один из основополагающих законов физики. Он был впервые экспериментально подтверждён в 1843 году английским учёным Майклом Фарадеем и считается на настоящее время одним из фундаментальных законов сохранения в физике (подобно законам сохранения импульса и энергии). Всё более чувствительные экспериментальные проверки закона сохранения заряда, продолжающиеся и поныне, пока не выявили отклонений от этого закона.
Свободные носители заряда
В зависимости от концентрации свободных носителей электрических зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.
- Проводники — тела, в которых носители электрического заряда могут перемещаться по всему его объёму. Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (металлы), в которых перемещение носителей элементарных электрических зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями; 2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот), в которых перенос носителей зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведёт к химическим изменениям.
- Диэлектрики (например стекло, пластмасса) — тела, в которых практически отсутствуют свободные носители электрического заряда.
- Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
Измерение
Для обнаружения и измерения совокупного электрического заряда тела применяется электроскоп, который состоит из металлического стержня — электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным телом носители электрического заряда стекают через электрод на листочки фольги, листочки оказываются одноимённо заряженными и поэтому отклоняются друг от друга.
Также может применяться электрометр, в простейшем случае состоящий из металлического стержня и стрелки, которая способна вращаться вокруг горизонтальной оси. При соприкосновении электрически заряженного тела со стержнем электрометра носители электрического заряда распределяются по стержню и стрелке, и силы отталкивания, действующие между носителями одноимённых электрических зарядов на стержне и стрелке, вызывают её поворот. Для измерения малых электрических зарядов используются более чувствительные электронные электрометры.
См. также
- Заряд (физика)
- Точечный электрический заряд
- Элементарный электрический заряд
- Плотность заряда
Примечания
- Или, более точно, 1,602176487(40)⋅10−19 Кл.
- Или, более точно, 4,803250(21)⋅10−10 ед СГСЭ.
- Обычная для позитрона неустойчивость, связанная с аннигиляцией электрон-позитронной пары, при этом не рассматривается
- Но это далеко не единственный способ электризации тел. Электрические заряды могут возникнуть, например, под действием света
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004. — Т. III. Электричество. — С. 16. — 656 с. — ISBN 5-9221-0227-3.
- Электрически замкнутая система — это система, у которой через ограничивающую её поверхность не могут проникать электрически заряженные частицы (система, не обменивающаяся зарядами с внешними телами).
Литература
- М. Ю. Хлопов. Заряд // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия (т. 1—2); Большая Российская энциклопедия (т. 3—5), 1988—1999. — ISBN 5-85270-034-7.
Ссылки
- Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1953). The Prenatal History of Electrical Science. American Journal of Physics. 21 (5): 351. Bibcode:1953AmJPh..21..343R. doi:10.1119/1.1933449.
- Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1953). The Prenatal History of Electrical Science. American Journal of Physics. 21 (5): 356. Bibcode:1953AmJPh..21..343R. doi:10.1119/1.1933449.
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Электрический заряд, Что такое Электрический заряд? Что означает Электрический заряд?
Elektri cheskij zarya d koli chestvo elektri chestva fizicheskaya skalyarnaya velichina pokazyvayushaya sposobnost tel byt istochnikom elektromagnitnyh polej i prinimat uchastie v elektromagnitnom vzaimodejstvii Elektricheskij zaryadq QRazmernost TIEdinicy izmereniyaSI kulonSGSE statkulon franklin SGSMDrugie edinicy amper chas faradej elementarnyj zaryadPrimechaniyaskalyarnaya velichina Kvantuetsya Vpervye elektricheskij zaryad byl vvedyon v zakone Kulona v 1785 godu Edinica izmereniya elektricheskogo zaryada v Mezhdunarodnoj sisteme edinic SI kulon Odin kulon raven elektricheskomu zaryadu prohodyashemu cherez poperechnoe sechenie provodnika s tokom siloj v 1 A za vremya 1 s Esli dva tela kazhdoe iz kotoryh obladaet elektricheskim zaryadom q 1 q 2 1 Kl raspolozheny v vakuume na rasstoyanii 1 m to oni vzaimodejstvuyut priblizitelno s siloj v 9 109H IstoriyaMajkl Faradej za opytami v svoej laboratoriiBendzhamin Franklin provodit svoj znamenityj opyt s letayushim zmeem v kotorom dokazyvaet chto molniya eto elektrichestvo Eshyo v glubokoj drevnosti bylo izvestno chto yantar dr grech ἤlektron elektron potyortyj o sherst prityagivaet lyogkie predmety A uzhe v konce XVI veka anglijskij vrach Uilyam Gilbert nazval tela sposobnye posle natiraniya prityagivat lyogkie predmety naelektrizovannymi V 1729 godu Sharl Dyufe ustanovil chto sushestvuet dva roda zaryadov Odin obrazuetsya pri trenii stekla o shyolk a drugoj smoly o sherst Poetomu Dyufe nazval zaryady steklyannym i smolyanym sootvetstvenno Ponyatie o polozhitelnom i otricatelnom zaryade vvyol Bendzhamin Franklin V nachale XX veka amerikanskij fizik Robert Milliken opytnym putyom pokazal chto elektricheskij zaryad diskreten to est zaryad lyubogo tela sostavlyaet celoe kratnoe ot elementarnogo elektricheskogo zaryada ElektrostatikaOsnovnaya statya Elektrostatika Elektrostatikoj nazyvayut razdel ucheniya ob elektrichestve v kotorom izuchayutsya vzaimodejstviya i svojstva sistem elektricheskih zaryadov nepodvizhnyh otnositelno vybrannoj inercialnoj sistemy otschyota Velichina elektricheskogo zaryada inache prosto elektricheskij zaryad kak i lyubaya sila mozhet prinimat tolko polozhitelnye znacheniya Zapis s otricatelnym znakom oboznachaet obratnoe napravlenie Ona yavlyaetsya chislennoj harakteristikoj nositelej zaryada i zaryazhennyh tel Eta velichina opredelyaetsya takim obrazom chto silovoe vzaimodejstvie perenosimoe polem mezhdu zaryadami pryamo proporcionalno velichine zaryadov vzaimodejstvuyushih mezhdu soboj chastic ili tel a napravleniya sil dejstvuyushih na nih so storony elektromagnitnogo polya zavisyat ot znaka zaryadov Elektricheskij zaryad lyuboj sistemy tel sostoit iz celogo chisla elementarnyh zaryadov ravnyh primerno 1 6 10 19Kl v sisteme SI ili 4 8 10 10ed SGSE Nositelyami elektricheskogo zaryada yavlyayutsya elektricheski zaryazhennye elementarnye chasticy Naimenshej po masse ustojchivoj v svobodnom sostoyanii chasticej imeyushej odin otricatelnyj elementarnyj elektricheskij zaryad yavlyaetsya elektron ego massa ravna 9 11 10 31 kg Naimenshaya po masse ustojchivaya v svobodnom sostoyanii antichastica s polozhitelnym elementarnym zaryadom pozitron imeyushaya takuyu zhe massu kak i elektron Takzhe sushestvuet ustojchivaya chastica s odnim polozhitelnym elementarnym zaryadom proton massa ravna 1 67 10 27 kg i drugie menee rasprostranyonnye chasticy Vydvinuta gipoteza 1964 g chto sushestvuyut takzhe chasticy s menshim zaryadom i elementarnogo zaryada kvarki odnako oni ne vydeleny v svobodnom sostoyanii i po vidimomu mogut sushestvovat lish v sostave drugih chastic adronov v rezultate lyubaya svobodnaya chastica nesyot lish celoe chislo elementarnyh zaryadov Elektricheskij zaryad lyuboj elementarnoj chasticy velichina relyativistski invariantnaya On ne zavisit ot sistemy otschyota a znachit ne zavisit ot togo dvizhetsya etot zaryad ili pokoitsya on prisush etoj chastice v techenie vsego vremeni eyo zhizni poetomu elementarnye zaryazhennye chasticy zachastuyu otozhdestvlyayut s ih elektricheskimi zaryadami V celom v prirode otricatelnyh zaryadov stolko zhe skolko polozhitelnyh Elektricheskie zaryady atomov i molekul ravny nulyu a zaryady polozhitelnyh i otricatelnyh ionov v kazhdoj yachejke kristallicheskih reshyotok tvyordyh tel skompensirovany Vzaimodejstvie zaryadovVzaimodejstvie elektricheski zaryazhennyh tel odnoimyonno zaryazhennye tela ottalkivayutsya raznoimyonno prityagivayutsya drug k drugu Samoe prostoe i povsednevnoe yavlenie v kotorom obnaruzhivaetsya fakt sushestvovaniya v prirode nositelej elektricheskih zaryadov elektrizaciya tel pri soprikosnovenii Sposobnost nositelej elektricheskih zaryadov kak k vzaimnomu prityazheniyu tak i k vzaimnomu ottalkivaniyu obyasnyaetsya sushestvovaniem dvuh razlichnyh vidov elektricheskih zaryadov Odin vid elektricheskogo zaryada nazyvayut polozhitelnym a drugoj otricatelnym Raznoimyonno zaryazhennye tela prityagivayutsya a odnoimyonno zaryazhennye ottalkivayutsya drug ot druga Pri soprikosnovenii dvuh elektricheski nejtralnyh tel v rezultate treniya zaryady perehodyat ot odnogo tela k drugomu V kazhdom iz nih narushaetsya ravenstvo summy polozhitelnyh i otricatelnyh zaryadov i tela zaryazhayutsya raznoimyonno Pri elektrizacii tela cherez vliyanie v nyom narushaetsya ravnomernoe raspredelenie zaryada Oni pereraspredelyayutsya tak chto v odnoj chasti tela voznikaet izbytok polozhitelnogo zaryada a v drugoj otricatelnyh Esli dve eti chasti razedinit to oni budut zaryazheny raznoimyonno Simmetriya v fizikePreobrazovanie Sootvetstvuyushaya invariantnost Sootvetstvuyushij zakon sohraneniya Translyacii vremeni Odnorodnost vremeni energii C P CP i T simmetrii Izotropnost vremeni chyotnosti Translyacii prostranstva Odnorodnost prostranstva impulsa Vrasheniya prostranstva Izotropnost prostranstva momenta impulsa Gruppa Lorenca busty Otnositelnost lorenc kovariantnost dvizheniya centra mass Kalibrovochnoe preobrazovanie Kalibrovochnaya invariantnost zaryadaZakon sohraneniya elektricheskogo zaryadaOsnovnaya statya Zakon sohraneniya elektricheskogo zaryada Sovokupnyj elektricheskij zaryad zamknutoj sistemy sohranyaetsya vo vremeni i kvantuetsya izmenyaetsya porciyami kratnymi elementarnomu elektricheskomu zaryadu to est drugimi slovami algebraicheskaya summa elektricheskih zaryadov tel ili chastic obrazuyushih elektricheski izolirovannuyu sistemu ne izmenyaetsya pri lyubyh processah proishodyashih v etoj sisteme V rassmatrivaemoj sisteme mogut obrazovyvatsya novye elektricheski zaryazhennye chasticy naprimer elektrony vsledstvie yavleniya ionizacii atomov ili molekul iony za schyot yavleniya elektroliticheskoj dissociacii i dr Odnako esli sistema elektricheski izolirovana to algebraicheskaya summa zaryadov vseh chastic v tom chisle i vnov poyavivshihsya v takoj sisteme vsegda sohranyaetsya Zakon sohraneniya elektricheskogo zaryada odin iz osnovopolagayushih zakonov fiziki On byl vpervye eksperimentalno podtverzhdyon v 1843 godu anglijskim uchyonym Majklom Faradeem i schitaetsya na nastoyashee vremya odnim iz fundamentalnyh zakonov sohraneniya v fizike podobno zakonam sohraneniya impulsa i energii Vsyo bolee chuvstvitelnye eksperimentalnye proverki zakona sohraneniya zaryada prodolzhayushiesya i ponyne poka ne vyyavili otklonenij ot etogo zakona Svobodnye nositeli zaryadaV zavisimosti ot koncentracii svobodnyh nositelej elektricheskih zaryadov tela delyatsya na provodniki dielektriki i poluprovodniki Provodniki tela v kotoryh nositeli elektricheskogo zaryada mogut peremeshatsya po vsemu ego obyomu Provodniki delyatsya na dve gruppy 1 provodniki pervogo roda metally v kotoryh peremeshenie nositelej elementarnyh elektricheskih zaryadov svobodnyh elektronov ne soprovozhdaetsya himicheskimi prevrasheniyami 2 provodniki vtorogo roda naprimer rasplavlennye soli rastvory kislot v kotoryh perenos nositelej zaryadov polozhitelnyh i otricatelnyh ionov vedyot k himicheskim izmeneniyam Dielektriki naprimer steklo plastmassa tela v kotoryh prakticheski otsutstvuyut svobodnye nositeli elektricheskogo zaryada Poluprovodniki naprimer germanij kremnij zanimayut promezhutochnoe polozhenie mezhdu provodnikami i dielektrikami IzmerenieProstejshij elektroskop Dlya obnaruzheniya i izmereniya sovokupnogo elektricheskogo zaryada tela primenyaetsya elektroskop kotoryj sostoit iz metallicheskogo sterzhnya elektroda i podveshennyh k nemu dvuh listochkov folgi Pri prikosnovenii k elektrodu zaryazhennym telom nositeli elektricheskogo zaryada stekayut cherez elektrod na listochki folgi listochki okazyvayutsya odnoimyonno zaryazhennymi i poetomu otklonyayutsya drug ot druga Takzhe mozhet primenyatsya elektrometr v prostejshem sluchae sostoyashij iz metallicheskogo sterzhnya i strelki kotoraya sposobna vrashatsya vokrug gorizontalnoj osi Pri soprikosnovenii elektricheski zaryazhennogo tela so sterzhnem elektrometra nositeli elektricheskogo zaryada raspredelyayutsya po sterzhnyu i strelke i sily ottalkivaniya dejstvuyushie mezhdu nositelyami odnoimyonnyh elektricheskih zaryadov na sterzhne i strelke vyzyvayut eyo povorot Dlya izmereniya malyh elektricheskih zaryadov ispolzuyutsya bolee chuvstvitelnye elektronnye elektrometry Sm takzheZaryad fizika Tochechnyj elektricheskij zaryad Elementarnyj elektricheskij zaryad Plotnost zaryadaPrimechaniyaIli bolee tochno 1 602176487 40 10 19 Kl Ili bolee tochno 4 803250 21 10 10 ed SGSE Obychnaya dlya pozitrona neustojchivost svyazannaya s annigilyaciej elektron pozitronnoj pary pri etom ne rassmatrivaetsya No eto daleko ne edinstvennyj sposob elektrizacii tel Elektricheskie zaryady mogut vozniknut naprimer pod dejstviem sveta Sivuhin D V Obshij kurs fiziki M Fizmatlit Izd vo MFTI 2004 T III Elektrichestvo S 16 656 s ISBN 5 9221 0227 3 Elektricheski zamknutaya sistema eto sistema u kotoroj cherez ogranichivayushuyu eyo poverhnost ne mogut pronikat elektricheski zaryazhennye chasticy sistema ne obmenivayushayasya zaryadami s vneshnimi telami LiteraturaM Yu Hlopov Zaryad Fizicheskaya enciklopediya v 5 t Gl red A M Prohorov M Sovetskaya enciklopediya t 1 2 Bolshaya Rossijskaya enciklopediya t 3 5 1988 1999 ISBN 5 85270 034 7 SsylkiMediafajly na Vikisklade Roller Duane Roller D H D 1953 The Prenatal History of Electrical Science American Journal of Physics 21 5 351 Bibcode 1953AmJPh 21 343R doi 10 1119 1 1933449 Roller Duane Roller D H D 1953 The Prenatal History of Electrical Science American Journal of Physics 21 5 356 Bibcode 1953AmJPh 21 343R doi 10 1119 1 1933449
