Заряд на – Проект Заряд | Автономное энергоснабжение. Свободная и альтернативная энергия будущего. Бестопливные генераторы и «вечные двигатели» в каждый дом!

Содержание

Электрический заряд — Википедия

Электри́ческий заря́д (коли́чество электри́чества) — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году. Электрический заряд не существует без носителя заряда.

Единица измерения электрического заряда в Международной системе единиц (СИ) — кулон — совокупный электрический заряд носителей элементарных электрических зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника с током 1 А за время 1 с. Электрический заряд в один кулон очень велик. Если бы два тела, каждое из которых обладает электрическим зарядом (q1 = q2 = 1 Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9⋅109H, то есть с силой равной по величине силе, с которой гравитация Земли притягивает предмет массой порядка 1 миллиона тонн.

Бенджамин Франклин проводит свой знаменитый опыт с летающим змеем, в котором доказывает, что молния — это электричество.

Ещё в глубокой древности было известно, что янтарь (др.-греч. ἤλεκτρον — электрон), потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы. А уже в конце XVI века английский врач Уильям Гильберт назвал тела, способные после натирания притягивать лёгкие предметы, наэлектризованными.

В 1729 году Шарль Дюфе установил, что существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным» соответственно. Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл Бенджамин Франклин.

В начале XX века американский физик Роберт Милликен опытным путём показал, что электрический заряд дискретен, то есть заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда.

Электростатикой называют раздел учения об электричестве, в котором изучаются взаимодействия и свойства систем электрических зарядов, неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчета.

Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) может принимать и положительные, и отрицательные значения; она является численной характеристикой носителей заряда и заряженных тел. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов, взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля, зависят от знака зарядов.

Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, равных примерно 1,6⋅10−19Кл[1]

в системе СИ или 4,8⋅10−10ед. СГСЭ[2]. Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы. Наименьшей по массе устойчивой в свободном состоянии частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд, является электрон (его масса равна 9,11⋅10−31 кг). Наименьшая по массе устойчивая в свободном состоянии античастица с положительным элементарным зарядом — позитрон, имеющая такую же массу, как и электрон[3]. Также существует устойчивая частица с одним положительным элементарным зарядом — протон (масса равна 1,67⋅10−27 кг) и другие, менее распространённые частицы. Выдвинута гипотеза (1964 г.), что существуют также частицы с меньшим зарядом (±⅓ и ±⅔ элементарного заряда) — кварки; однако они не выделены в свободном состоянии (и, по-видимому, могут существовать лишь в составе других частиц — адронов), в результате любая свободная частица несёт лишь целое число элементарных зарядов.

Электрический заряд любой элементарной частицы — величина релятивистски инвариантная. Он не зависит от системы отсчёта, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится, он присущ этой частице в течение всего времени её жизни, поэтому элементарные заряженные частицы зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решеток твёрдых тел скомпенсированы.

Взаимодействие электрически заряженных тел: одноимённо заряженные тела отталкиваются, разноимённо — притягиваются друг к другу

Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе носителей электрических зарядов, — электризация тел при соприкосновении[4]. Способность носителей электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух различных видов электрических зарядов[5]. Один вид электрического заряда называют положительным, а другой — отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются друг от друга.

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

При электризации тела через влияние в нём нарушается равномерное распределение носителей зарядов. Они перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток носителей положительных зарядов, а в другой — отрицательных. Если две эти части разъединить, то они будут заряжены разноимённо.

Закон сохранения электрического заряда[править | править код]

Совокупный электрический заряд замкнутой системы[6] сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.

В рассматриваемой системе могут образовываться новые электрически заряженные частицы, например, электроны — вследствие явления ионизации атомов или молекул, ионы — за счёт явления электролитической диссоциации и др. Однако, если система электрически изолирована, то алгебраическая сумма зарядов всех частиц, в том числе и вновь появившихся в такой системе, всегда сохраняется.

Закон сохранения электрического заряда — один из основополагающих законов физики. Он был впервые экспериментально подтверждён в 1843 году английским учёным Майклом Фарадеем и считается на настоящее время одним из фундаментальных законов сохранения в физике (подобно законам сохранения импульса и энергии). Всё более чувствительные экспериментальные проверки закона сохранения заряда, продолжающиеся и поныне, пока не выявили отклонений от этого закона.

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.
Простейший электроскоп

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.

  1. ↑ Или, более точно, 1,602176487(40)⋅10−19 Кл.
  2. ↑ Или, более точно, 4,803250(21)⋅10
    −10
    ед СГСЭ.
  3. ↑ Обычная для позитрона неустойчивость, связанная с аннигиляцией электрон-позитронной пары, при этом не рассматривается
  4. ↑ Но это далеко не единственный способ электризации тел. Электрические заряды могут возникнуть, например, под действием света
  5. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004. — Т. III. Электричество. — С. 16. — 656 с. — ISBN 5-9221-0227-3.
  6. ↑ Электрически замкнутая система — это система, у которой через ограничивающую её поверхность не могут проникать электрически заряженные частицы (система, не обменивающаяся зарядами с внешними телами).

Заряжаем аккумулятор правильно — ответы на вопросы — журнал За рулем

Пора заряжать или пока не стоит? Можно ли делать это на морозе? Снимать батарею с автомобиля или нет? Как заряжать при нечастых поездках? На эти и другие вопросы автовладельцев отвечают эксперты.

Материалы по теме

Наполнять банку электричеством — выражение из словаря В. И. Даля: так он пояснил значение слова «заряжать». К современным автомобильным батареям из шести банок оно подходит идеально. Правда, банки на поверку оказываются разными — как по конструкции, так и по состоянию. Как же заполнять их ­электричеством?

Все АКБ условно можно разбить на малообслуживаемые, необслуживаемые и полностью необслуживаемые. Самые древние из них — малообслуживаемые, с решетками из свинцово‑сурьмянистого сплава, самые крутые — полностью необслуживаемые, с решетками из максимально чистого свинца. Надо отметить, что под «необслуживаемостью» понимаются увеличенные интервалы доливки воды или полное отсутствие этой процедуры в течение всего срока службы. Но любая необслуживаемая батарея требует периодического контроля наравне с другими компонентами автомобиля. Вопреки распространенному заблуждению, особой разницы в зарядке батарей этих трех типов нет.

Надо заряжать или не надо?

Материалы по теме

Существует простой объективный способ оценить состояние батареи. Нужно измерить вольтметром напряжение на клеммах аккумулятора, при этом отключать его от бортсети автомобиля не нужно. Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) должно составлять 12,6–12,7 В. Важно, чтобы между остановкой двигателя и замером напряжения прошло несколько часов (в идеале — не менее десяти), иначе показания могут оказаться завышенными.В малообслуживаемых и необслуживаемых батареях с пробками или блоком пробок в крышке можно проверить еще и плотность электролита — понадобится ареометр (он же денсиметр). Это позволит оценить заряженность батареи «побаночно». Плотность электролита в полностью заряженном аккумуляторе должна быть 1,27 г/см³. Это значение идеально с точки зрения эффективности работы активных материалов и внутреннего сопротивления аккумулятора. Плотность меньше 1,25 г/см³ используют в жарких странах, где характеристики коротких разрядов не так важны. Кстати, при такой плотности снижается скорость коррозии, что продлевает срок службы. Плотность выше 1,29–1,30 г/см³ используют на Крайнем Севере, где недозаряженная батарея подвергается опасности замерзнуть.
Возможен ли заряд на морозе?
Чем ниже температура окружающего воздуха, тем хуже батарея принимает заряд. Нормальный температурный ди­апазон для заряда — 0…+ 25 °C. ­Поэтому зимой вероятность, что аккумуляторы успеют восстановиться за время поездки, зависит от скорости прогрева электролита. А на нее сильно влияет расположение батареи на автомобиле — под капотом, в багажнике или вообще снаружи. С этой точки зрения в наихудшем положении ­оказываются развозные грузовички с наружным расположением АКБ.

Материалы по теме

Как заряжать при нечастых поездках?
Многие автомобили чаще стоят на приколе, чем ездят. Их владельцы нередко применяют так называемые подзарядки — зарядные устройства, постоянно подпитывающие аккумуляторы малыми токами для поддержания 100‑процентной заряженности. Такой режим нельзя назвать полезным: он увеличивает скорость коррозии решеток пластин и сокращает срок службы батареи. Поэтому, если машина находится без движения более трех недель, лучше подзарядить батарею привычным способом — от зарядного устройства или от генератора после пуска мотора. А перед очередной постановкой «на хранение» батарею следует полностью зарядить, иначе высока вероятность столкнуться с глубоким разрядом, отказом автомобиля нормально пускаться и необходимостью покупать новую батарею.
Зарядное устройство или генератор — что лучше заряжает?

При нормальных условиях эксплуатации зарядное устройство не нужно. Батарея должна заряжаться от генератора. И заряд при постоянном напряжении исправного автомобиля — самый правильный и полезный для АКБ.

Задача стационарного зарядного устройства — восстановить батарею пусть не полностью, но достаточно для того, чтобы генератор уже дозарядил на 100%. При заряде постоянным током во избежание перезаряда и «выкипания», то есть расхода воды из электролита, стационарное зарядное устройство прерывает работу на уровне 14,4 В, переходя в режим подзаряда минимальным током при хранении. Это обычно не позволяет зарядить батарею полностью. А генератор заряжает ее в режиме постоянного напряжения.

В зависимости от настроек системы электроснабжения автомобиля ди­апазон регулирования напряжения составляет 13,8–14,5 В. Ток заряда определяется внутренни

Электрический заряд. Закон сохранения заряда. Видеоурок. Физика 10 Класс

С электричеством вы сталкиваетесь постоянно. Вы видели молнию, вы освещаете комнату с помощью электрической лампочки, электрообогреватель выделяет тепло – все эти явления связаны с движением электрического заряда. С неподвижным электрическим зарядом вы тоже сталкивались, когда после расчесывания получали наэлектризованные волосы. Они разлетаются в разные стороны. Электрические заряды находятся без преувеличения везде, из них состоит любое вещество! На этом уроке мы выясним то, что нам известно про заряды.

Как известно, в природе встречаются заряды двух типов – положительные и отрицательные. Разноименные заряды притягиваются, одноименные – отталкиваются. Это взаимодействие происходит на любом расстоянии. Как же они тогда взаимодействуют? Для этого существует электрическое поле. Вокруг каждого заряда существует такое поле и если в него попадает еще один заряд, то он начинает «чувствовать» это поле: на него начинают действовать силы притяжения или отталкивания соответственно.

В природе есть много ненаблюдаемого. Например, мы не видим ветер, но видим, как он раскачивает ветви деревьев. Мы не видим температуру, но мы видим, как нагретые тела расширяются. По расширению, например, ртути в термометре, мы можем температуру измерять (см. рис. 1).

Рис. 1. Расширение ртути

Т. е. мы наблюдаем проявление чего-то и на основе этих наблюдений судим о том, чего непосредственно не наблюдаем. Заряд мы тоже изучаем по его проявлению. Мы не видим заряды, но наблюдаем их взаимодействие. Один заряд действует на другой на расстоянии через электрическое поле. Поле заряда – это пространство, где на другие заряды будет действовать сила.

Взаимодействие тел через поле нам уже знакомо. Тело, обладающее массой, создает вокруг себя поле – гравитационное, которое проявляется в действии на другое тело, обладающее массой. Их взаимодействие подчиняется закону всемирного тяготения (см. рис. 2).

Рис. 2. Взаимодействие массивных тел


Закон всемирного тяготения

Вокруг тела, обладающего массой, возникает гравитационное поле. Посредством этого поля массы взаимодействуют, притягиваются. Сила их притяжения пропорциональна величине каждой из масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (см. рис. 3):

 – константа, гравитационная постоянная, равна .

Рис. 3. Закон всемирного тяготения

Квадрат расстояния встречается во многих физических формулах, так что это позволяет говорить о законе, связывающем величину эффекта с квадратом расстояния от источника воздействия:

Эта пропорциональность справедлива для гравитационного, электрического, магнитного действия, силы звука, света, радиации, распространяющихся от источника. Связано это, конечно, с тем, что площадь поверхности сферы распространения эффекта увеличивается пропорционально квадрату расстояния (см. рис. 4). Это будет выглядеть естественным, если вспомнить, что площадь сферы пропорциональна квадрату радиуса:

и тогда понятно, что сила действия от источника вдали от него должна распределяться по сфере всё большего радиуса.

Рис. 4. Площадь сферы распространения эффекта увеличивается с увеличением радиуса сферы


 Итак, электрические заряды взаимодействуют через электрическое поле, которое они вокруг себя создают.

Электрический заряд – физическая величина, которая показывает способность тел участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

Разные заряды будут взаимодействовать с разными силами. Измерить силы обычным способом – это легко разрешимая задача. По величине силы мы можем судить о величине заряда. Понятно, что чем больше заряды, тем сильнее они взаимодействуют. Но понятия больший или меньший заряд – нечеткие, а величину заряда нужно измерить точно.

Измерить заряд, используя уже известные единицы измерения, не получится. Мы не измерим заряд ни в метрах, ни, например, в килограммах. Это сущность, для которой нужна новая единица измерения. Единица измерения заряда – кулон.

Обозначается заряд чаще всего буквой .


Единицы измерения заряда

Заряд проявляется в воздействии на другой заряд. Измерять его можно по этому воздействию, то есть измерять силу, с которой этот заряд действует на другой заряд на некотором расстоянии. Тогда единицы измерения заряда можно выразить через килограмм, метр и секунду. Так раньше и поступали в системе СГС. В системе СИ заряд удобно измерять в Кл (кулонах).

Процесс сообщения телу электрического заряда называется электризацией. Часто он происходит при трении тел друг о друга. Например, если потереть эбонитовую палочку о шерсть (см. рис. 5), то и она, и шерсть приобретут электрические заряды (эбонитовая палочка зарядится отрицательно, а шерсть – положительно).

Рис. 5. Заряжание эбонитовой палочки

Проверить это просто: если поднести два наэлектризованных кусочка шерсти друг к другу, то они будут отталкиваться, так как заряжены зарядом одинакового знака (см. рис. 6).

Рис. 6. Оба кусочка шерсти заряжены положительно

Из этого следует вывод, что заряды одного типа отталкиваются. Если расчесывать волосы, то расческа заряжается отрицательно, а волосы – положительно (см. рис. 7).

Рис. 7. Заряжание волос

Собственно, поэтому, после расчесывания, волосы разлетаются в разные стороны (каждый волос заряжен положительно и отталкивается от остальных (см. рис. 8)).

Рис. 8. Каждый волос заряжен положительно

Путем простых опытов мы обнаружили, что существует два типа зарядов, которые взаимодействуют следующим образом: однотипные заряды отталкиваются, разнотипные – притягиваются.


Как определить, какой именно заряд приобретает тело при трении

Мы проводим много опытов с расческами, тканями и палочками, чтобы они приобретали электрический заряд. Одна и та же шерсть заряжается отрицательно при трении о стекло и положительно при трении о полиэтилен. Как можно заранее знать, какой тип заряда приобретает материал? Есть ли какое-то правило? Можно заниматься практическим определением (такие опыты были проведены много раз), и были получены трибоэлектрические ряды некоторых материалов (см. рис. 9), в которых любой взятый материал при трении с материалом, расположенным ниже него в ряду, заряжается положительно, и наоборот. Разные экспериментаторы получали свои ряды, и на рисунке их можно увидеть.

Рис. 9. Трибоэлектрические ряды


Сейчас известно, что носителями двух типов заряда являются элементарные частицы: электрон и протон. Элементарные частицы неделимы, поэтому заряд одной частицы, равный , – это минимальный заряд, обозначается часто  или . Эти частицы имеют массу:  и  для электрона и протона соответственно.

Что же происходит с телами при электризации? Представьте себе два одинаковых металлических шара, но только один из них заряжен отрицательно, а другой не заряжен (см. рис. 10).

Рис. 10. Заряженный и незаряженный шары

Известно, что все тела состоят из атомов, а те, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов, электронов (см. рис. 11).

Рис. 11. Атом

Протоны заряжены положительно, электроны – отрицательно. Будем называть их элементарными зарядами, то есть неделимыми. Так вот, в большинстве случаев в атоме количество протонов равняется количеству электронов и получается, что они полностью компенсируют друг друга и в целом атом нейтрален. Важно понимать, что в атоме заряды никуда не исчезают, там по-прежнему есть положительные и отрицательные частицы, просто их действие на далекие предметы полностью компенсируется (см. рис. 12).

Рис. 12. Действие частиц компенсировано

А вот в шаре, заряженном отрицательно, электронов больше, чем протонов, поэтому в целом в теле количество отрицательных элементарных зарядов больше, чем количество положительных элементарных зарядов, и тело заряжено отрицательно (см. рис. 13).

Рис. 13. Количество электронов в заряженном шаре

Заряд макроскопического тела (состоящего из большого количества атомов) – это величина, показывающая разность между положительными и отрицательными зарядами в теле. Если это количество одинаково, то заряд нулевой. Величина элементарного заряда известна и равна . Соответственно, заряд протона договорились считать положительным , а заряд электрона – отрицательным .

Что же происходит при трении тел друг о друга, например пластика о шерсть? Электроны с внешних оболочек атомов, входящих в состав шерсти, «перепрыгивают» на пластмассу (см. рис. 14).

Рис. 14. Движение электронов при трении

Получается, что в шерсти становится меньше отрицательных электронов и она заряжается положительно, а пластмасса – отрицательно, так как в ней появляется избыточное количество электронов. Можно даже сказать: если при контакте заряд одного тела увеличивается, то у другого уменьшается.

Что касается искр между людьми, то это происходит, если хотя бы один человек «заряжен&raqu

Заряд (физика) — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

В физике понятие заря́да используется для описания нескольких физических величин, таких как электрический заряд в электромагнетизме или цветовой заряд в квантовой хромодинамике. Все эти заряды связаны с сохранением квантовых чисел.

В более абстрактном смысле заряд является некоторым генератором непрерывной симметрии исследуемой физической системы. Если физическая система обладает какой-либо симметрией, то по теореме Нётер следует существование сохраняющегося тока. Субстанция, которая «течёт» в этом токе, является «зарядом», который является генератором (локальной) группы симметрии. Этот заряд иногда называют зарядом Нётер.

Так, например, электрический заряд является генератором U(1) симметрии электромагнетизма. Сохраняющийся ток есть электрический ток.

В случае местной, динамической симметрии, любой заряд связан с калибровочным полем, а при квантовании калибровочное поле становится калибровочным бозоном. По теории заряды «излучают» калибровочные поля. Например, калибровочным полем электромагнетизма является электромагнитное поле, а калибровочным бозоном является фотон.

Иногда слово «заряд» используется как синоним «генератора», при этом подразумевается генератор симметрии. Точнее, если группа симметрии является группой Ли, то заряд понимается как соответствие системе корней группы Ли; дискретность системы корней соответствует квантованию заряда.

В физике элементарных частиц введены различные заряды для квантовых чисел. К ним относятся заряды из стандартной модели:

Заряды для приближённых симметрий:

  • Заряд сильного изоспина. Симметрия относится к группе SU(2) ароматной симметрии, калибровочными бозонами являются пионы. Пионы не являются фундаментальными частицами, а симметрия является лишь приближённой. Это частный случай ароматной симметрии.
  • Заряды ароматных кварков, таких как странность или очарование. Они генерируют глобальную SU(6) ароматную симметрию элементарных частиц. Эта симметрия сильно нарушается массой тяжёлых кварков.

Гипотетические заряды расширений Стандартной модели:

  • Магнитный заряд, ещё один заряд из теории электромагнетизма. Магнитные заряды не обнаружены экспериментально в лабораторных опытах, но они используются в теории, в том числе в теории магнитных монополей.

В формализме теории элементарных частиц заряды типа квантовых чисел иногда могут быть обращены посредством оператора зарядового сопряжения, называемого С. Зарядовое сопряжение просто означает, что данная группа симметрий имеет место в двух неэквивалентных (но все ещё изоморфных) представлениях группы. Это обычно бывает, когда два зарядово-сопряжённых представления являются фундаментальными представленими групп Ли. Их произведение затем формирует присоединённое представление группы Ли.

Таким образом, распространённым случаем является то, что произведение двух зарядово-сопряжённых фундаментальных представлений SL(2,C) (спиноров) формирует сопряжённый представитель группы Лоренца SO(3,1). В абстрактном виде можно записать:

2⊗2¯=3⊕1. {\displaystyle 2\otimes {\overline {2}}=3\oplus 1.\ }

Электрический заряд — это… Что такое Электрический заряд?

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 9·109H, т.е. с силой, с которой гравитация Земли притягивала бы предмет с массой порядка 1 миллиона тонн.

История

Бенджамин Франклин проводит свой знаменитый опыт с летающим змеем, в котором доказывает, что молния — это электричество.

Ещё в глубокой древности было известно, что янтарь (др.-греч. ἤλεκτρον — электрон), потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы. А уже в конце XVI века английский врач Уильям Гильберт назвал тела, способные после натирания притягивать лёгкие предметы, наэлектризованными.

В 1729 году Шарль Дюфе установил, что существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным». 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 1,6·10−19Кл[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

Взаимодействие зарядов: одноименно заряженные тела отталкиваются, разноименно — притягиваются друг к другу

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.

Измерение

Простейший электроскоп

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

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

  1. Или, более точно, 1,602176487(40)·10−19 Кл.
  2. Или, более точно, 4,803250(21)·10−10 ед СГСЭ.
  3. Обычная для позитрона неустойчивость, связанная с аннигиляцией электрон-позитронной пары, при этом не рассматривается
  4. Но это далеко не единственный способ электризации тел. Электрические заряды могут возникнуть, например, под действием света
  5. Электрически замкнутая система — это система, у которой через ограничивающую её поверхность не могут проникать электрически заряженные частицы (система, не обменивающаяся зарядами с внешними телами).

ЗАРЯД — это… Что такое ЗАРЯД?

— физ. величина, являющаяся источником поля, посредством к-рого осуществляется взаимодействие частиц, обладающих этой характеристикой (электрич. 3., слабый 3., цветовой заряд).3. наз. также нек-рые аддитивные физ. величины, сохраняющиеся (точно или приближённо) в процессах превращения частиц, обусловленных определёнными типами взаимодействия (напр., барионное число, лептонное число, гиперзаряд, странность). При операции зарядового сопряжения все 3. меняют свой знак (т. е. частица и античастица обладают равными по величине, но противоположными по знаку 3.). Законам сохранения 3. отвечает инвариантность теории относительно глобальных калибровочных преобразований (т. е. преобразований в пространстве внутренних симметрии). Для того чтобы сохраняющаяся величина выступала в качестве источника поля, теория должна быть инвариантной относительно л о к а л ь н ы х калибровочных преобразований (см. Калибровочная инвариантность). Создаваемые в этом случае поля являются векторными полями, а отвечающие им частицы — кванты полей — обладают спином 1 и должны быть безмассовыми. Взаимодействие между 3., осуществляемое посредством таких полей, должно быть, вообще говоря, дальнодействующим (если нет спонтанного нарушения симметрии, благодаряк-рому кванты полей могут приобретать массу). В электродинамике электрич. 3. играет именно эту двоякую роль, являясь, с одной стороны, сохраняющейся величиной (см. Заряда сохранения закон), а с другой — источником электромагн. поля и его безмассовых квантов (фотонов).Барионному числу, странности и т. п. не соответствует к.-л. дальнодействующее поле. Эти 3. могут быть связаны только с глобальной калибровочной симметрией. Если в природе реализуется только строгая локальная калибровочная симметрия, то глобальная симметрия может быть приближённой и эти 3. не должны быть строго сохраняющимися. Калибровочные поля)3. являются генераторами группы внутр. симметрии в пространстве состояний. Однако не все они могут характеризовать состояние физ. системы, а только коммутирующая друг с другом часть. квантовой электродинамике имеется только одно калибровочное поле — электромагнитное, отвечающее теории инвариантности относительно локальных калибровочных преобразований с абелевой группой симметрии U(1). В случае группы симметрии SU(п )существует n2-1 разл. типов калибровочных полей и зарядов, из к-рых п-1 коммутируют друг с другом, т. е. могут характеризовать состояние физ. системы. При этом кванты полей обладают 3. и обязательно взаимодействуют между собой. Закон взаимодействия соответствующих полей однозначно задаётся условием калибровочной инвариантности. Если локальные калибровочные преобразования отведают простой или полупростой группе Ли, например группе SU(n), то взаимодействие всех 3. характеризуется одной и той же константой взаимодействия. Примерами теорий с неск. 3. являются калибровочная теория электрослабого взаимодействия (ЭСВ), основанная на калибровочной группе SU(2) X U(1), и калибровочная теория сильного взаимодействия — квантовая хромодинамика (КХД), основанная на калибровочной группе цветовой симметрии SU(З)C. В теории ЭСВ имеются две константы, связь между к-рыми характеризуется параметром теории sin2qW (где qW Вайнберга угол). В КХД есть всего одна константа взаимодействия всех восьми цветовых 3. (и квантов соответствующих цветовых полей — глюонов)aS. Величины констант из-за радиац. поправок, обусловленных поляризаций вакуума, слабо (логарифмически) зависят от квадрата передаваемого 4-импульса |q2|, если |q2| достаточно велико, т. е. расстояние между частицами достаточно мало. Эта зависимость определяется на основе ренормализационной группы. Константа КХД уменьшается с ростом |q2| (т. е. с уменьшением расстояния между цветовыми 3.), что отвечает асимптотической свободе сильного взаимодействия, и растёт с уменьшением |q2|(с увеличением расстояния). Ввиду гипотетич. явления удержания цвета объекты с цветовым 3. в свободном состоянии не существуют. Экстраполяция тенденции изменения величин констант КХД и ЭСВ в область асимптотически больших переданных 4-импульсов (|q2|1/2~1015 ГэВ/с) приводит к одинаковой величине всех трёх констант. Это обстоятельство позволяет рассматривать сходство в описании взаимодействий ЭСВ и КХД как проявление единой фундаментальной калибровочной природы всех взаимодействий. Представление о такой единой природе реализуется в моделях великого объединения, рассматривающих заряды ЭСВ и КХД в рамках единой группы калибровочных преобразований. топологических зарядов. Во всех имеющихся моделях великого объединения предсказывается существование топологически устойчивыхрешений, описывающих частицы с магн. 3. и массой ~ 1016 ГэВ/с 2 магнитных монополей. Существование магн. монополей связано с квантованием электрич. 3. в таких моделях. М. Ю. Хлопов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Электрический заряд. Закон Кулона

Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.

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

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

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

•             Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

•             Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда.

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

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 современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e.

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:

Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков – частиц с дробным зарядом   и   Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.

В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр (или электроскоп) – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.

Рисунок 1.1.1.

Перенос заряда с заряженного тела на электрометр

Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Шарлем Кулоном в 1785 г. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка 10–9 Н.

Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами.

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

Рисунок 1.1.2.

Прибор Кулона

 

Рисунок 1.1.3.

Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

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

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона:

Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.

Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).

Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (Ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.

Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:

Где   – электрическая постоянная.

В системе СИ элементарный заряд e равен:

Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции:

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Рис. 1.1.4 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел.

Рисунок 1.1.4.

Принцип суперпозиции электростатических сил

 

Модель. Взаимодействие точечных зарядов

Принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы. Однако, его применение требует определенной осторожности, в том случае, когда речь идет о взаимодействии заряженных тел конечных размеров (например, двух проводящих заряженных шаров 1 и 2). Если к системе из двух заряженных шаров поднсти третий заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 изменится из-за перераспределения зарядов.

Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном) распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о