Site Loader

Содержание

Заряд электрона отрицательный. Из чего состоит электрон? Масса и заряд электрона

Ток, заряд электрона — эти слова знает каждый.

Так что же представляет собой электричество, как оно образуется и передается? Дать ответы на эти вопросы непросто. Для этого нужно ознакомиться со значительным кругом явлений, называемых электрическими. Рассмотрим вначале происхождение слова «электричество».

Еще ученые древней Греции обнаружили, что после натирания предметов из янтаря к ним притягиваются легкие тела. Янтарь по-гречески — «электрон»; именно от этого слова происходит название «электрический».

Во второй половине XVI века английский ученый Гильберт открыл, что не только янтарь обладает свойством притягивания легких тел. Такое свойство приобретают при трении также многие вещества, например, смола, стекло. Это явление получило название электризации. Вещество, приобретающее при трении такое свойство, стали называть наэлектризованным.

Электризацию тел ученые объясняли появлением электричества на теле или электрического заряда.

Чтобы тело стало наэлектризованным, необязательно его натирать; можно, например, к нему прикоснуться любым предварительно наэлектризованным предметом. Так, опыт показывает, что наэлектризованные тела отталкиваются или притягиваются. Исходя из этого, пришли к выводу, что есть различный по виду электрический заряд. Это противоположные друг другу заряды.

Одни из таких зарядов условно стали называть положительными, а другие — отрицательными. Наблюдение над тем, как взаимодействуют наэлектризованные тела, позволили установить, что одноименные заряды будут отталкиваться, а разноименные — притягиваться.

Вопрос о том, что собой представляет электрический заряд, интересовал ученых давно. Сначала предполагали, что электрические явления вызваны электрической жидкостью, не имеющей веса. Одни ученые предполагали, что каждое тело имеет две электрические жидкости: положительную и отрицательную, причем излишек одной формирует положительную электризацию тела, а излишек другой — отрицательную. Если же они присутствуют в равных количествах, то действие обеих жидкостей уничтожает друг друга. В таком случае тело становится незаряженным. Другие ученые считали, что есть только одна электрическая жидкость, которая содержится в определенном количестве в каждом незаряженном теле. Излишек ее в теле формирует положительную электризацию, а недостаток — отрицательную. Однако постепенно анализ новых опытных фактов принудил отказаться от гипотезы об электрической жидкости.

Так, было открыто, что электричество обладает атомарной структурой, т.е. оно может делиться на составные части, каждая из которых представляет собой так называемый элементарный электрический заряд. Такой вывод позволило сделать, с одной стороны, исследование прохождения электричества сквозь растворы солей и кислот, а затем исследование электричества в газах. И, наконец, опыт показал, что элементарные электрические заряды переносят мельчайшие частички вещества.

Опыты, проведенные в конце XIX века английским физиком Томсоном, дали возможность открыть отдельную частицу вещества, имеющую наименьший электрический заряд, а в дальнейшем получилось измерить и его величину.

Таким образом, наименьшая частица вещества, которая обладает элементарным отрицательным зарядом, получила название электрон.

Электрический заряд электрона — одно из важнейших неотделимых его свойств.

Его масса m = 9,1˖10⁻²⁸ г.

Заряд электрона е = — 4,8˖10⁻¹⁰ единиц.

Электрон — одна из частичек, которые входят в состав каждого вещества. Вещества состоят из атомов, в состав которых входит положительно заряженное ядро и электроны, которые движутся вокруг него. Отрицательный заряд электрона совершенно одинаков в любом веществе, однако их количество и распределение около ядра различно. Когда атом пребывает в нейтральном состоянии, положительный равняется сумме отрицательных зарядов всех электронов, которые вращаются вокруг него.

Бывает, что атом теряет электроны; в таком случае положительный заряд ядра становится больше суммы зарядов оставшихся электронов, тогда весь атом станет заряженным положительно. Когда тело заряжено отрицательно, означает, что электроны в нем находятся в избытке.

Движение электронов определяет перераспределение электрических зарядов в веществах, положительную и отрицательную электризацию тел и другие явления.

ЭЛЕКТРОН, элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом, входящая в состав всех атомов, а следовательно, и любого обычного вещества. Это — самая легкая из электрически заряженных частиц. Электроны участвуют почти во всех электрических явлениях. В металле часть электронов не связана с атомами и может свободно перемещаться, благодаря чему металлы хорошо проводят электричество. В плазме, т.е. ионизованном газе, положительно заряженные атомы также перемещаются свободно, но, имея гораздо большую массу, движутся значительно медленнее электронов, а потому вносят меньший вклад в электрический ток. Благодаря малой массе электрон оказался частицей, наиболее вовлеченной в развитие квантовой механики, частной теории относительности и их объединение — релятивистскую квантовую теорию поля. Считается, что в настоящее время полностью известны уравнения, описывающие поведение электронов во всех реально осуществимых физических условиях. (Правда, решение этих уравнений для систем, содержащих большое число электронов, таких, как твердое тело и конденсированная среда, все еще сопряжено с трудностями.)

Все электроны тождественны и подчиняются статистике Ферми — Дирака . Это обстоятельство выражается в принципе Паули, согласно которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Одно из следствий принципа Паули заключается в том, что состояния наиболее слабо связанных электронов — валентных электронов, определяющих химические свойства атомов, — зависят от атомного номера (зарядового числа), который равен числу электронов в атоме. Атомный номер равен также заряду ядра, выраженному в единицах заряда протона

е . Другое следствие состоит в том, что электронные «облака», окутывающие ядра атомов, сопротивляются их перекрытию, вследствие чего обычное вещество обладает свойством занимать определенное пространство. Как и полагается элементарной частице, число основных характеристик электрона невелико, а именно масса (m e » 0,51 МэВ » 0,91Ч 10 -27 г), заряд (- e » — 1,6Ч 10 -19 Кл) и спин (1 / 2 ћ » 1/ 2 Ч 0,66Ч 10 -33 ДжЧ с, где — постоянная Планка h , деленная на 2p ). Через них выражаются все остальные характеристики электрона, например магнитный момент (» 1,001m 3 » 1,001Ч 0,93Ч 10 -23 Дж/Тл), за исключением еще двух констант, характеризующих слабое взаимодействие электронов (
см
. ниже ).

Первые указания на то, что электричество не является непрерывным потоком, а переносится дискретными порциями, были получены в опытах по электролизу. Результатом явился один из законов Фарадея (1833): заряд каждого иона равен целому кратному заряда электрона, называемого ныне элементарным зарядом е . Наименование «электрон» вначале относилось к этому элементарному заряду. Электрон же в современном смысле слова был открыт Дж.Томсоном в 1897. Тогда было уже известно, что при электрическом разряде в разреженном газе возникают «катодные лучи», несущие отрицательный электрический заряд и идущие от катода (отрицательно заряженного электрода) к аноду (положительно заряженному электроду). Исследуя влияние электрического и магнитного полей на пучок катодных лучей, Томсон пришел к выводу: если предположить, что пучок состоит из частиц, заряд которых не превышает элементарного заряда ионов

е , то масса таких частиц будет в тысячи раз меньше массы атома. (Действительно, масса электрона составляет примерно 1/1837 массы легчайшего атома, водорода.) Незадолго до этого Х.Лоренц и П.Зееман уже получили доказательства того, что электроны входят в состав атомов: исследования воздействия магнитного поля на атомные спектры (эффект Зеемана) показали, что у заря

1. Дискретность электрического заряда. Электрон. Строение атома

Возьмём два одинаковых электрометра и один из них зарядим (рис. а). Его заряд соответствует \(6\) делениям шкалы.

00_01_8.png

Если соединить эти электрометры стеклянной палочкой, то никаких изменений не произойдёт. Это подтверждает тот факт, что стекло является диэлектриком. Если же для соединения электрометров использовать металлический стержень А (рис. б), держа его за не проводящую электричество ручку В, то можно заметить, что первоначальный заряд разделится на две равные части: половина заряда перейдёт с первого шара на второй. Теперь заряд каждого электрометра соответствует \(3\) делениям шкалы. Продолжим опыт. Разъединим электрометры и коснёмся второго шара рукой. От этого он потеряет заряд — разрядится. Соединим его снова с первым шаром, на котором осталась половина первоначального заряда. Оставшийся заряд снова разделится на две равные части, и на первом шаре останется четвёртая часть первоначального заряда. Таким же образом можно получить одну восьмую часть, одну шестнадцатую часть первоначального заряда и т.д.

Возникает вопрос, до каких пор можно уменьшать заряд? Существует ли предел деления электрического заряда? Чтобы выяснить это, понадобилось выполнить более сложные и точные опыты, чем описанный выше, так как очень скоро оставшийся на шаре заряд оказывается столь малым, что обнаружить его при помощи школьного электрометра не удаётся. Более точные опыты показали, что электрический заряд нельзя уменьшать бесконечно: он имеет предел делимости.

Электрический заряд — это физическая величина, которую обозначают буквой q.

За единицу электрического заряда принят кулон (Кл). Частицу, имеющую самый маленький заряд, назвали электроном. Этот заряд нельзя «снять» с электрона. Заряд электрона обозначают буквой е. Заряд электрона является отрицательным. \(e = -0,00000000000000000016\) Кл = \(-\)1,6 ·10 −19\(\)Кл. Этот заряд в миллиарды раз меньше того, что обычно получают в опытах по электризации тел трением.
Чтобы узнать заряд тела, необходимо заряд электрона умножить на количество зарядов n:
q=e ·n.
Электрон — очень маленькая частица. Его масса \(m =\)9,1 ·10 −31 кг. Крылышко мухи имеет массу примерно в \(5·10²²\) большую, чем масса электрона.

Если тело не заряжено и при электризации оно приобрело электроны, то оно зарядится отрицательно. Его заряд будет равен сумме зарядов полученных электронов.

 

Обрати внимание!

Если тело заряжено отрицательно и при электризации оно ещё приобретает электроны, то отрицательный заряд тела возрастает.

Пример:

Например, до электризации тело с зарядом \(2е\) в ходе электризации приобретает ещё \(4\) заряда электрона. Тогда после электризации заряд тела равен \(2е + 4е = 6е\).

 

Обрати внимание!

Если тело заряжено отрицательно и при электризации оно теряет электроны, то отрицательный заряд тела уменьшается.

Например, до электризации тело с зарядом \(8е\) в ходе электризации теряет \(3\) заряда электрона. Тогда после электризации заряд тела равен \(8е — 3е = 5е\).

 

Все вещества состоят из атомов.

 

Обрати внимание!

Атом состоит из ядра, а вокруг него движутся электроны.

Модель атома можно представить себе следующим образом:

 

atom2.jpg

 

Обрати внимание!

Ядро тоже имеет свой состав: протоны и нейтроны.

 

Информация об этих частицах дана в таблице.

 

Частицы

Обозначение

Заряд 
(условные единицы)

Заряд,
Кл

Масса,
кг

Протон

p

+1

1,6 ·10−19

1,7 ·10−27

Нейтрон

n

0

0

1,7 ·10−27

Электрон

e

-1

minus1,6 ·10−19

9,1 ·10−31

slide_1.jpg

 

Обрати внимание!

Атом не имеет заряда, т.к. количество электронов в атоме равно количеству протонов.

Количество нейтронов в атомах может быть отлично от количества протонов и электронов.
Атом, потерявший один или несколько электронов, не будет нейтральным, а будет иметь заряд  «+». Его называют положительным ионом.

Атом, потерявший один или несколько электронов, называют положительным ионом.

Атом, к которому присоединился электрон, приобретает заряд «-» и становится отрицательным ионом.

Атом, к которому присоединился один или несколько электронов, называется отрицательным ионом.

Нейтральный атом

Отрицательный ион

Положительный ион

liatom.gif

Число протонов и электронов одинаково

Число электронов больше числа протонов

Число электронов меньше числа протонов

 

Узнать, сколько тех или иных частиц содержит нейтральный атом, поможет периодическая система химических элементов (таблица Менделеева). Любой элемент в таблице имеет порядковый номер и относительную атомную массу.

 

Risunok1.jpg

 

Обрати внимание!

Количество протонов, а также электронов в нейтральном атоме всегда совпадает с порядковым номером.
Количество нейтронов равно разности относительной атомной массы (выраженной целым числом) и порядкового номера.

Например:

 

Элемент

Порядковый номер

Относительная  атомная масса

Число протонов

Число электронов

Число нейтронов

Медь

29

63,546

29

29

64 — 29=35

 

Зная строение атома, можно объяснить электризацию тел.

 

Обрати внимание!

При трении двух тел электроны переходят с одного тела (где силы притяжения к ядру меньше) на другое (в котором эти силы больше).

Зная строение атома, можно объяснить существование проводников и диэлектриков.

Проводник — это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов.

Так, в металлах это — электроны, в растворах солей, кислот, щелочей — положительные и отрицательные ионы. Например, когда прикасаются металлической проволокой к отрицательно заряженному электрометру, свободные электроны передвигаются по проволоке, а электрометр разряжается.

Изолятор (или диэлектрик) — тело, не содержащее внутри свободные электрические заряды.

Поэтому прикосновение деревянной линейки к заряженному электрометру не вызывает никаких изменений.
Зная строение атома, можно объяснить явление притяжения ненаэлектризованных тел к наэлектризованным.

242px-F13.jpg

 

В металлической гильзе есть свободные электроны. Под действием электрического поля палочки они приходят в движение, так как начинают притягиваться к ней. В результате происходит перераспределение заряда. Электроны скапливаются на стороне, которая ближе к палочке, и она заряжается отрицательно. На противоположной стороне недостаток электронов, поэтому она заряжается положительно. Но в целом заряд гильзы равен нулю (в соответствии с законом сохранения заряда).

 

 

Если палочка будет заряжена отрицательно, то свободные электроны будут отталкиваться от неё и перемещаться в противоположную сторону.

 

 

По такому же принципу происходит отклонение листочков незаряженного электроскопа при поднесении к нему (не касаясь) заряженной палочки.

00_01_8_.png

 

 

Электрическое поле палочки вызывает перераспределение зарядов в металлическом стержне электроскопа. В верхней части будет избыток электронов, а в нижней — недостаток. Поэтому оба листочка зарядятся положительно и оттолкнутся друг от друга.

Источники:

Пёрышкин А.В. Физика, 8 класс// ДРОФА, 2013.

http://class-fizika.narod.ru/8_22.htm
http://fizika.in/elektrodinamika/elekrostatika/70-elektroskop-delimost-elektricheskogo-zaryada.html

на задворках атомов / Habr

Электроны, крохотные объекты, населяющие задворки атомов, играют ведущую роль в химии, переносят электрический ток по нашим электрическим сетям и внутри ударов молний, и составляют «катодные лучи», использовавшиеся для создания изображений в телевидении XX века и на экранах компьютеров. Это наиболее типичный пример (вроде бы) элементарных частиц.

Под «элементарными» я подразумеваю, что электроны неделимы и не состоят из частиц меньшего размера. При помощи «вроде бы» я напоминаю, что они элементарны, насколько нам позволяют судить об этом современные знания – то, что мы знаем об электронах, получено в экспериментах, а наши эксперименты не обладают бесконечной властью. Если электроны не элементарны, но настолько малы, что наши текущие эксперименты не могут их разломать – они будут выглядеть элементарными во всех экспериментах, проведённых нами в прошлом и настоящем, но не во всех будущих экспериментах. Так что, когда-нибудь – ведь 80 лет назад люди считали, что протоны могут быть элементарными, но им не хватало знаний, а 150 лет назад люди считали, что атомы могут быть элементарными, но им не хватало знаний – мы можем обнаружить, что электроны не элементарны. Но пока, поскольку все доступные нам эксперименты демонстрируют, что они элементарны, мы будем условно предполагать, что так и есть – помня, что это частично экспериментальный факт, и частично – предположение!

Электрон стал первой из обнаруженных субатомных частиц (первым найденным объектом, чей размер был меньше атома). Во времена его открытия, в 1890-х (обычно пишут 1897 год, но это открытие было в некотором роде постепенным), научные дебаты по поводу того, состоит ли материя из атомов, или же атомы были просто выдумкой, удобной для описания поведения материи, подходили к концу. Но даже те, кто верил в существование атомов, не обязательно считали, что атомы были неделимы (как предполагало их имя, произошедшее от греческого «неразрезаемый»). Поколение спустя, к середине 1930-х, физики подтвердили существование атомов, поняли их базовую структуру и узнали, как подсчитывать их свойства с высокой точностью. Эти подсчёты они провели с помощью уравнений из теории поведения материи 1920-х годов, называемой «квантовая механика», ставшей необходимой потому, что знаменитые уравнения Ньютона не справлялись с описанием работы атомов. Многие ключевые проверки точности квантовой механики были связаны с точными измерениями поведения электронов внутри и снаружи атомов.

Все электроны идентичны и неразличимы; если я поменяю два из них местами, вы не сможете этого обнаружить. Так что я могу писать о «свойстве электрона», а вы можете быть уверены в том, что эти свойства таковы для всех электронов. Какие же свойства присущи им?

Масса!


У электрона есть масса – она мала по сравнению с массой любого атома, поэтому про неё обычно можно забыть в начальных классах химии, но она не настолько мала, чтобы забыть о ней в физике частиц и даже в понимании структуры атомов. Хотя электроны не вносят значительного вклада в массу атома, масса электрона необходима для определения размера атома. В этом, в частности, заключается важность поля и частицы Хиггса. Эту массу можно записать по-разному, и каждый из способов даёт вам свою перспективу:
  • Она равна примерно 9 × 10-31 кг = 0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 9 кг.
  • Она равна примерно 0,05% (точнее, 1/1838) массы атома водорода – легчайшего атома в природе. Большая часть его массы содержится в его ядре.
  • Энергия, хранящаяся в массе электрона, E = mc2, равна 0,000 511 ГэВ. Это в 200 000 раз больше энергии, переносимой одним фотоном зелёного цвета. В физике частиц масса частицы часто записывается через обратное взаимоотношение энергии и массы: для стационарной частицы m = E / c2. В этих терминах масса электрона равна 0,000511 ГэВ / c2.

Электрический заряд!


У электрона есть электрический заряд – а значит, на него действуют электрическое и магнитное поля. На электрически заряженную частицу в присутствии электрического поля будет действовать электрическая сила. Именно такие силы удерживают электроны внутри их атомов.

Насколько велик электрический заряд электрона? Представьте себе статическое электричество – вы прошли в ботинках по ковру, а затем, прикоснувшись к дверной ручке, другому человеку или компьютеру (!!!), вы почувствуете искру. Эта искра переносит заряд из одного места в другое – и обычно она в 10 миллионов миллионов раз больше заряда, переносимого электроном. Физики измеряют заряд с использованием произвольно выбранной единицы под названием кулон (так же, как время измеряется в секундах и длина в метрах). В типичном заряде статического электричества содержится одна миллионная доля кулона. Величину заряда электрона обычно обозначают e, и e примерно равно 1,6 × 10-19 Кл.

Размер?


Размер электрона неизвестен; он может оказаться точечным объектом без размера, или у него может быть чрезвычайно малый размер, радиус которого не превышает 10-18 м. Это, по меньшей мере, в 100 000 000 раз меньше радиуса атома. В ином случае мы бы видели признаки размера электрона в экспериментах.

Как на самом деле выглядит электрон? Как я писал в статье про атомы, определить понятие размера элементарной частицы сложно, поскольку электрон, хотя его и называют частицей, не является какой-нибудь пылинкой или крупинкой соли или песка. У него также есть и волновые свойства. В атоме электроны в каком-то смысле распределены по всему атому, как распространяется звуковая волна от барабана. В этом смысле, находясь внутри атома, они имеют размер всего атома.

Но это контекстуальный, а не присущий самому электрону размер. Я так и буду называть это «контекстуальным размером». Измените контекст – выньте электрон из атома, поместите его в маленькую металлическую коробку – и распределение электрона может вырасти или ужаться. У протона, наоборот, есть присущий ему размер, примерно в 100 000 раз меньше атома. Ни в каком смысле нельзя сделать протон меньше присущего ему размера, не разломав его. Короче, контекстуальный размер не может быть меньше внутреннего размера. Уменьшив контекстуальный размер электрона до минимума, в основном через рассеяние электронов высокой энергии с других частиц, мы искали их внутренний размер. Пока что ничего не нашли.

Так что, можно сказать, что эксперименты показывают, что присущий электрону размер меньше, чем 10-18 м. А как далеко электрон распространяется в виде волны, зависит от контекста.

Спин@


Про это свойство вы могли и не слышать. Оно может покорёжить вам мозг (как покорёжило мне!)

Среди странных свойств квантового мира есть очень странный факт (впервые открытый в 1920-х Гаудсмитом и Уленбеком, пытавшимися осмыслить данные, полученные с измерений электронов в атоме) — элементарные частицы могут крутиться, даже не имея размера! Представить это невозможно: мне, по крайней мере, это недоступно. Скажем это в практическом смысле: электроны и многие другие частицы природы ведут себя так, будто это маленькие вращающиеся волчки – если их поглощает другой объект, это заставляет этот объект немного крутиться. Представьте себе, как вращающийся кусок мягкой глины падает на способный крутиться стол. Глина прилипнет к столу, и стол начнёт вращаться.

Что ещё более странно, каждый из типов частиц всегда вращается с одной и той же скоростью! Мы говорим, что у электронов спин равен 1/2; это самая малая ненулевая скорость вращения, которой способна обладать частица. Нам также известны другие типы элементарных частиц со спином 1/2, 1, и (как мы думаем) 0, и не-элементарных частиц со спинами 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, и далее, до очень больших значений.

Магнетизм↑


Электрически заряженный вращающийся шар вёл бы себя, как магнит, и вы можете догадаться, что поскольку у электронов есть заряд и спин, они ведут себя, как магниты. И вы правы! То, что электроны ведут себя, как маленькие магниты, помогает подтвердить тот факт, что они на самом деле вращаются. Обычные, повседневные магниты, сделанные из, допустим, железа, приобретают свой магнетизм от электронов; множества и множества электронов, чьи спины аккуратно выровнены, могут создать большой магнит из множеств и множеств маленьких!

А вы уверены в том, что электроны реально существуют?


Не пора ли в этой статье продемонстрировать изображение электрона?


Электрически заряженная частица проходит через специально подготовленную пузырьковую камеру, оставит за собой след из пузырьков. Пузырьки быстро раздуваются до видимого размера, а затем этот след можно сфотографировать. Магнитное поле изгибает путь частиц; направление изгиба сообщает вам, был ли заряд частицы положительным или отрицательным. Это знаменитое фото 1933 года демонстрирует тонкий искривлённый путь пузырьков, отмеченный красными стрелками, ведущий себя точно так же, как след электрона – за исключением того, что след электрона выгнулся бы вправо. Изгиб не в ту сторону доказывает, что у частицы, оставившей след, заряд положительный, и поэтому след оставлен позитроном, античастицей электрона. Горизонтальная черта и диагональные линии – это артефакты фотографии и экспериментальной установки.

В отличие от молекул и атомов, достаточно крупных для того, чтобы сделать их фотографии при помощи особых микроскопов, изображение электрона сделать невозможно. Он просто слишком мал и неуловим. Мы можем делать изображения следов электронов, проходящих сквозь материю, как на рисунке (там показан антиэлектрон, позитрон, но электрон выглядел бы практически точно так же), но мы не можем получать изображения электронов напрямую.

Но наша уверенность в существовании электронов очень сильна, а наши знания их свойств весьма точны. Откуда берётся это уверенность?

Это важный вопрос, поскольку один из самых частых вопросов, который задают специалистам по физике частиц – это знаем ли мы на самом деле, что эти частицы существуют, или же мы обманываем себя (и всех остальных), и тратим кучу денег на ерунду, которая оказывается всего лишь горячим воздухом, выходящим из наших голов.

Да, мы знаем, что мы делаем. И мы знаем об этом уже более ста лет. Часть нашей уверенности получена благодаря таким изображениям, которое приведено выше. Но есть и множество других источников уверенности, о которых я, возможно, напишу позже.

Заряд электрона — это… Что такое Заряд электрона?


Заряд электрона

Элемента́рный электри́ческий заря́д — минимальная порция (квант) электрического заряда. Равен приблизительно 1,602 176 487(40)×10−19Кл в системе СИ (и 4,803×10−10 ед.СГСЭ в системе СГС). Тесно связан с постоянной тонкой структуры, описывающей электромагнитное взаимодействие.

Квантование электрического заряда

Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен элементарному. Такое предположение было высказано Б. Франклином в 1752 г. и в дальнейшем неоднократно проверялось экспериментально. Вычислен элементарный заряд был в 1874 г. М. Фарадеем, а впервые экспериментально измерен в Милликеном в 1908 г.

Тот факт, что электрический заряд встречается в природе лишь в виде целого числа элементарных зарядов, можно назвать квантованием электрического заряда. Заметим, что в классической электродинамике вопрос о причинах квантования заряда не обсуждается, поскольку заряд является внешним параметром, а не динамической переменной. Удовлетворительного обьяснения, почему заряд обязан квантоваться, пока не найдено, однако уже получен ряд интересных наблюдений.

  • Если в природе существует магнитный монополь, то, согласно квантовой механике, его магнитный заряд обязан находиться в определённом соотношении с зарядом любой выбранной элементарной частицы. Отсюда автоматически следует, что одно только существование магнитного монополя влечёт за собой квантование заряда. Дело лишь за малым: обнаружить в природе магнитный монополь.
  • В современной физике элементарных частиц разрабатываются модели наподобие преонной, в которых все известные фундаментальные частицы оказывались бы простыми комбинациями новых, ещё более фундаментальных частиц. В этом случае квантование заряда наблюдаемых частиц не представляется удивительным, поскольку оно возникает «по построению».
  • Не исключено также, что все параметры наблюдающихся частиц будут описаны в рамках единой теории поля, подходы к которой разрабатываются в настоящее время. В таких теориях величина электрического заряда частиц должна вычисляться из крайне небольшого числа фундаментальных параметров, возможно, связанных со структурой пространства-времени на сверхмалых расстояниях. Если такая теория будет построена, тогда то, что мы наблюдаем как элементарный электрический заряд, окажется некоторым дискретным инвариантом пространства-времени. Однако, конкретных общепринятых результатов в этом направлении пока не получено.

Дробный электрический заряд

С открытием кварков стало понятно, что элементарные частицы могут обладать дробным электрическим зарядом, например, 1/3 и 2/3 элементарного. Однако подобные частицы существуют только в связанных состояниях (конфайнмент), таким образом, все известные свободные частицы имеют электрический заряд, кратный элементарному, хотя рассеяние на частицах с дробным зарядом наблюдалось.

Неоднократные поиски свободных объектов с дробным электрическим зарядом, проводимые различными методиками в течение длительного времени, не дали результата.

Стоит, однако, отметить, что электрический заряд квазичастиц может быть не кратен целому. В частности, именно квазичастицы с дробным электрическим зарядом отвечают за дробный квантовый эффект Холла.

Wikimedia Foundation. 2010.

  • Заряд элементарный
  • Зарядовая четность

Смотреть что такое «Заряд электрона» в других словарях:

  • заряд электрона — (напр. в электрофильтре) [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN electronic charges …   Справочник технического переводчика

  • заряд электрона — elektrono krūvis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elementarusis elektrono krūvis, lygus e, t. y. e = (1,602 176 53 ± 0,000 000 14) · 10⁻¹⁹ C. atitikmenys: angl. electron charge; electronic charge vok. Elektronenladung,… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • заряд электрона — elektrono krūvis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. electron charge; electronic charge vok. Elektronenladung, f rus. заряд электрона, m pranc. charge d’électron, f; charge électronique, f …   Fizikos terminų žodynas

  • удельный заряд электрона — savitasis elektrono krūvis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. specific electron charge; specific electronic charge vok. spezifische Ladung des Elektrons, f rus. удельный заряд электрона, m pranc. charge spécifique de l’électron, f …   Fizikos terminų žodynas

  • Заряд электрический — Классическая электродинамика Магнитное поле соленоида Электричество · Магнетизм Электростатика Закон Кулона …   Википедия

  • ЗАРЯД ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ — (Charge) количество электричества, связанное с данным телом. Положительный З. Э. создается избытком протонов, отрицательный избытком электронов, причем заряд каждого протона или электрона равен 1,6∙10 19 кулона Самойлов К. И. Морской… …   Морской словарь

  • ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД — ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД, источник электромагнитного поля; величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия заряженных частиц. В СИ измеряется в кулонах (кл). Существует 2 вида электрических зарядов (впервые установлено… …   Современная энциклопедия

  • Пространственный заряд — Пространственный заряд  распределенный нескомпенсированный электрический заряд одного знака. Пространственные заряды возникают в вакуумных и газоразрядных лампах в пространстве между электродами, а также в неоднородных областях… …   Википедия

  • элементарный заряд — заряд электрона — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы заряд электрона EN electron chargeelementary …   Справочник технического переводчика

  • электрический заряд — величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия заряженных частиц; источник электромагнитного поля. Электрический заряд любых заряженных тел  целое кратное элементарного электрический заряда е. Электрический заряд… …   Энциклопедический словарь

Книги

  • Унитарная квантовая теория и новые источники энергии, Л. Г. Сапогин, Ю. А. Рябов, В. А. Бойченко. Изложена новая квантовая теория, рассматривающая микрочастицу как сгусток некоторого поля. Решается проблема корпускулярно-волнового дуализма. В теории нет законов сохранения для одиночных… Подробнее  Купить за 1258 руб
  • Унитарная квантовая теория и новые источники энергии, Л. Г. Сапогин, Ю. А. Рябов, В. А. Бойченко. Изложена новая квантовая теория, рассматривающая микрочастицу как сгусток некоторого поля. Решается проблема корпускулярно-волнового дуализма. В теории нет законов сохранения для одиночных… Подробнее  Купить за 1244 грн (только Украина)
  • Унитарная квантовая теория и новые источники энергии, Сапогин Л.Г.. Изложена новая квантовая теория, рассматривающая микрочастицу как сгусток некоторого поля. Решается проблема корпускулярно-волнового дуализма. В теории нет законов сохранения для одиночных… Подробнее  Купить за 962 руб
Другие книги по запросу «Заряд электрона» >>

Электрический заряд. Суммарный и отрицательный заряды

 

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: электризация тел, взаимодействие зарядов, два вида заряда, закон сохранения электрического заряда.

Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.

Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение — гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.

1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные тела (имеющие электрический заряд).

2. Гравитационное взаимодействие — это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.

3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.

Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда . Электрический заряд — это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы. Единицей измерения заряда является кулон (Кл).

 

Два вида заряда

 

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия — притяжение и отталкивание — удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные.

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды разных знаков друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1; подвешенным на нитях шарикам сообщены заряды того или иного знака.

q

Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен Кл. Величина

Кл

называется элементарным зарядом. Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:

Если , то тело имеет избыточное количество электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же , то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на больше.

 

Электризация тел

 

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация — это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.

Один из способов электризовать тело — сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк — отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть — положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением. С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову 😉

Другой тип электризации называется электростатической индукцией, или электризацией через влияние. В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других — отрицательные.

N

Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис. 2. На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд . Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая — положительно.

Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3 (изображение с сайта en.wikipedia.org).

q

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.

q

Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней — положительный.

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд — хорошо известная вам молния.

 

Закон сохранения заряда

 

Вернёмся к примеру электризации трением — натирании палочки тканью. В этом случае палочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после взаимодействия.

Мы видим здесь закон сохранения заряда, который гласит: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими телами:

Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.

При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряженных частиц ушло с палочки — столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элементарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно сохраняется!

Например, на рис. 5 показан процесс , при котором порция электромагнитного излучения (так называемый фотон) превращается в две заряженные частицы — электрон и позитрон . Такой процесс оказывается возможным при некоторых условиях — например, в электрическом поле атомного ядра.

e^+

Рис. 5. Рождение пары электрон–позитрон

Заряд позитрона равен по модулю заряду электрона и противоположен ему по знаку. Закон сохранения заряда выполнен! Действительно, в начале процесса у нас был фотон, заряд которого равен нулю, а в конце мы получили две частицы с нулевым суммарным зарядом.

Закон сохранения заряда (наряду с существованием наименьшего элементарного заряда) является на сегодняшний день первичным научным фактом. Объяснить, почему природа ведёт себя именно так, а не иначе, физикам пока не удаётся. Мы можем лишь констатировать, что эти факты подтверждаются многочисленными физическими экспериментами.

Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряда

Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряда

«Физика — 10 класс»

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

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

Что такое электрический заряд?
Какие существуют заряды?

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

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

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

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

Так, в атоме водорода, изображённом схематически на рисунке 14.1, электрон притягивается к ядру (протону) с силой, в 1039 раз превышающей силу гравитационного притяжения.


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

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

Взаимодействие заряженных частиц называется электромагнитным.

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

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

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

Два знака электрических зарядов.

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

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

Элементарный заряд.

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

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

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

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

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

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

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

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

Равенство зарядов при электризации

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

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

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

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

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

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

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

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

Закон сохранения электрического заряда.

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

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

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется.

q1 + q2 + q3 + … + qn = const.         (14.1)

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

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

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

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

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



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

Что такое электродинамика — Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряд — Закон Кулона. Единица электрического заряда — Примеры решения задач по теме «Закон Кулона» — Близкодействие и действие на расстоянии — Электрическое поле — Напряжённость электрического поля. Силовые линии — Поле точечного заряда и заряженного шара. Принцип суперпозиции полей — Примеры решения задач по теме «Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции полей» — Проводники в электростатическом поле — Диэлектрики в электростатическом поле — Потенциальная энергия заряженного тела в однородном электростатическом поле — Потенциал электростатического поля и разность потенциалов — Связь между напряжённостью электростатического поля и разностью потенциалов. Эквипотенциальные поверхности — Примеры решения задач по теме «Потенциальная энергия электростатического поля. Разность потенциалов» — Электроёмкость. Единицы электроёмкости. Конденсатор — Энергия заряженного конденсатора. Применение конденсаторов — Примеры решения задач по теме «Электроёмкость. Энергия заряженного конденсатора»

Закон сохранения электрического заряда — Википедия

Зако́н сохране́ния электри́ческого заря́да — закон физики, утверждающий, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется:

q1+q2+q3+……+qn=const.{\displaystyle q_{1}+q_{2}+q_{3}+……+q_{n}=const.}

Закон сохранения заряда выполняется абсолютно точно. На данный момент его происхождение объясняют следствием принципа калибровочной инвариантности[1][2]. Требование релятивистской инвариантности приводит к тому, что закон сохранения заряда имеет локальный характер: изменение заряда в любом наперёд заданном объёме равно потоку заряда через его границу. В изначальной формулировке был бы возможен следующий процесс: заряд исчезает в одной точке пространства и мгновенно возникает в другой. Однако такой процесс был бы релятивистски неинвариантен: из-за относительности одновременности в некоторых системах отсчёта заряд появился бы в новом месте до того, как исчез в предыдущем, а в некоторых — заряд появился бы в новом месте спустя некоторое время после исчезновения в предыдущем. То есть был бы отрезок времени, в течение которого заряд не сохраняется. Требование локальности позволяет записать закон сохранения заряда в дифференциальной и интегральной форме.

Физическая теория утверждает, что каждый закон сохранения основан на соответствующем фундаментальном принципе симметрии. Со свойствами симметрий пространства-времени связаны законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Законы сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов связаны не со свойствами пространства-времени, а с симметрией физических законов относительно фазовых преобразований в абстрактном пространстве квантовомеханических операторов и векторов состояний. Заряженные поля в квантовой теории поля описываются комплексной волновой функциейϕ(x)=|ϕ(x)|eiψ(x){\displaystyle \phi (x)=|\phi (x)|e^{i\psi (x)}}, где x — пространственно-временная координата. Частицам с противоположными зарядами соответствуют функции поля, различающиеся знаком фазы ψ{\displaystyle \psi }, которую можно считать угловой координатой в некотором фиктивном двумерном «зарядовом пространстве». Закон сохранения заряда является следствием инвариантности лагранжиана относительно глобального калибровочного преобразования типа ϕ′=eiαQϕ{\displaystyle \phi ‘=e^{i\alpha Q}\phi }, где Q — заряд частицы, описываемой полем ϕ{\displaystyle \phi }, а α{\displaystyle \alpha } — произвольное вещественное число, являющееся параметром и не зависящее от пространственно-временных координат частицы[3]. Такие преобразования не меняют модуля функции, поэтому они называются унитарными U(1).[4][5]

Предположим, что поле описывается комплексной величиной ψ{\displaystyle \psi } (волновая функция) и функция Лагранжа инвариантна относительно калибровочных преобразований ψ→ψeiα{\displaystyle \psi \to \psi e^{i\alpha }}, ψ∗→ψ∗e−iα{\displaystyle \psi ^{*}\to \psi ^{*}e^{-i\alpha }}. При этом преобразовании все физически наблюдаемые величины (например, плотность вероятности ψ∗ψ{\displaystyle \psi ^{*}\psi }, энергия и импульс) не изменяются. Такое поле можно рассматривать как носитель заряда ρ=−iϵ(∂L∂ψ˙ψ−∂L∂ψ∗˙ψ∗){\displaystyle \rho =-i\epsilon \left({\frac {\partial L}{\partial {\dot {\psi }}}}\psi -{\frac {\partial L}{\partial {\dot {\psi ^{*}}}}}\psi ^{*}\right)} и тока sk=−iϵ(∂L∂∂ψ∂xkψ−∂L∂∂ψ∗∂xkψ∗){\displaystyle s_{k}=-i\epsilon \left({\frac {\partial L}{\partial {\frac {\partial \psi }{\partial x_{k}}}}}\psi -{\frac {\partial L}{\partial {\frac {\partial \psi ^{*}}{\partial x_{k}}}}}\psi ^{*}\right)}, которые удовлетворяют уравнению непрерывности:∂ρ∂t+divs=0{\displaystyle {\frac {\partial \rho }{\partial t}}+divs=0}[6]

Предположим, что нам известен процесс, нарушающий закон сохранения заряда, в ходе которого, затратив энергию E{\displaystyle E}, можно создать заряд e{\displaystyle e}. Пользуясь этим процессом, создадим заряд e{\displaystyle e}, затратив энергию E{\displaystyle E} в клетке Фарадея с потенциалом φ{\displaystyle \varphi }. Извлечём затем созданный заряд и переместим его подальше от клетки. Получим энергию в виде работы электростатических сил eφ{\displaystyle e\varphi }. Обратим теперь процесс создания заряда и получим ранее затраченную энергию E{\displaystyle E}. Повторяя такой процеcc, можно создать вечный двигатель I рода. Следовательно, допущение о возможности нарушения закона сохранения электрического заряда является ложным. Данное рассуждение показывает связь между законом сохранения электрического заряда и предположением о ненаблюдаемости абсолютной величины электрического потенциала.[7]

Закон сохранения заряда в интегральной форме[править | править код]

Вспомним, что плотность потока электрического заряда есть просто плотность тока. Тот факт, что изменение заряда в объёме равно полному току через поверхность, можно записать в математической форме:

∂∂t∫ΩρdV=−∮∂Ω⁡j→⋅dS →.{\displaystyle {\frac {\partial }{\partial t}}\int \limits _{\Omega }\rho dV=-\oint \limits _{\partial \Omega }{\vec {j}}\cdot d{\vec {S\ }}.}

Здесь Ω{\displaystyle \Omega } — некоторая произвольная область в трёхмерном пространстве, ∂Ω{\displaystyle \partial \Omega } — граница этой области, ρ{\displaystyle \rho } — плотность заряда, j→{\displaystyle {\vec {j}}} — плотность тока (плотность потока электрического заряда) через границу.

Закон сохранения заряда в дифференциальной форме[править | править код]

Переходя к бесконечно малому объёму и используя по мере необходимости теорему Стокса, можно переписать закон сохранения заряда в локальной дифференциальной форме (уравнение непрерывности):

∂ρ∂t+divj→=0.{\displaystyle {\frac {\partial \rho }{\partial t}}+{\mbox{div}}{\vec {j}}=0.}

Закон сохранения заряда в электронике[править | править код]

Правила Кирхгофа для токов напрямую следуют из закона сохранения заряда. Объединение проводников и радиоэлектронных компонентов представляется в виде незамкнутой системы. Суммарный приток зарядов в данную систему равен суммарному выходу зарядов из системы. В правилах Кирхгофа предполагается, что электронная система не может значительно изменять свой суммарный заряд.

Экспериментальная проверка несохранения заряда[править | править код]

Наилучшей экспериментальной проверкой закона сохранения электрического заряда является поиск таких распадов элементарных частиц, которые были бы разрешены в случае нестрогого сохранения заряда. Такие распады никогда не наблюдались[8]. Лучшее экспериментальное ограничение на вероятность нарушения закона сохранения электрического заряда получено из поиска фотона с энергией равной половине массы покоя электрона mec2/2 ≈ 255 кэВ, возникающего в гипотетическом распаде электрона на нейтрино и фотон — в этом гипотетическом процессе распада электрона предполагаются сохранения импульса, момента импульса, энергии и лептонного заряда:

  e → νγ   время жизни «возбуждённого» состояния электрона по результатам измерений больше 6,6⋅1028 лет (90 % CL)[9][10]

однако существуют теоретические аргументы в пользу того, что такой однофотонный распад не может происходить даже в случае, если заряд не сохраняется[11]. Другой необычный несохраняющий заряд процесс — спонтанное превращение электрона в позитрон[12] и исчезновение заряда (переход в дополнительные измерения, туннелирование с браны и т. п.). Наилучшие экспериментальные ограничения на исчезновение электрона вместе с электрическим зарядом и на бета-распад нейтрона без эмиссии электрона:

  e → любые частицы время жизни больше 6,4⋅1024 лет (68 % CL)[13]
n → pνν относительная вероятность несохраняющего заряд распада менее 8⋅10−27 (68 % CL) при бета-распаде нейтрона в ядре галлия-71, превращающегося при этом в германий-71[14]
  1. Яворский Б. М. «Справочник по физике для инженеров и студентов вузов» / Б. М. Яворский, А. А. Детлаф, А. К. Лебедев, 8-ое изд., М., ООО «Издательство Оникс», ООО «Издательство Мир и образование», 2006, ISBN 5-488-00330-4 (ООО «Издательство Оникс»), ISBN 5-94666-260-0 (ООО «Издательство Мир и образование»), ISBN 985-13-5975-0 (ООО «Харвест»), УДК 530(035) ББК 22.3, Разд. VII «Основы ядерной физики и физики элементарных частиц», Гл. 4 «Элементарные частицы», п. 3 «Гравитация. Квантовая электродинамика.», с. 952;
  2. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Теоретическая физика», учебн. пособ. для вузов, в 10 т. / т. 4, «Квантовая электродинамика», 4-е изд., исправл., М., «Физматлит», 2001, 720 с., тир. 2000 экз., ISBN 5-9221-0058-0 (т. 4), гл. 5 «Излучение», п. 43 «Оператор электромагнитного взаимодействия», с. 187—190.
  3. Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. — М., Просвещение, 1984. — С. 281-282
  4. ↑ Окунь Л. Б.Лептоны и кварки, изд 3-е, стереотипное, М.: Едиториал УРСС, 2005, 352 с., ISBN 5-354-01084-5, гл. 19 Калибровочная инвариантность. Глобальная абелева симметрия U(1)., с. 179
  5. Яворский Б. М. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. / Б. М. Яворский, А. А. Детлаф, А. К. Лебедев, 8-е изд. перераб. и испр., М., ООО «Издательство Оникс», ООО «Издательство Мир и Образование», 2006, 1056 стр., ил., ISBN 5-488-00330-4 (ООО «Издательство Оникс»), ISBN 5-94666-260-0 (Издательство «Мир и Образование»), ISBN 985-13-5975-0 (ООО «Харвест»), Раздел VII. Основы ядерной физики и физики элементарных частиц. Глава 4. «Элементарные частицы» п. 1 «Принципы теории» стр. 912—925.
  6. Г. Вентцель Введение в квантовую теорию волновых полей. — М., ОГИЗ, 1947. — с. 23-24
  7. Вигнер Э.И. Инвариантность и законы сохранения. Этюды о симметрии. — М.: Едиториал УРСС, 2002. — С. 17-18. — ISBN 5-354-00191-9.
  8. J. Beringer (англ.)русск. et al. Tests of Conservation Laws (англ.) // Phys. Rev. D : journal. — 2012. — Vol. 86. — P. 010001.
  9. Agostini, M.; (Borexino Coll.) et al. Test of Electric Charge Conservation with Borexino (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2015. — Vol. 115, no. 23. — P. 231802. — doi:10.1103/PhysRevLett.115.231802. — arXiv:1509.01223.
  10. Back, H. O.; (Borexino Coll.) et al. Search for electron decay mode e → γ + ν with prototype of Borexino detector (англ.) // Physics Letters B (англ.)русск. : journal. — 2002. — Vol. 525, no. 1—2. — P. 29—40. — doi:10.1016/S0370-2693(01)01440-X. — Bibcode: 2002PhLB..525…29B.
  11. Okun L. B. Comments on Testing Charge Conservation and Pauli Exclusion Principle (англ.) // Comments on Nuclear and Particle Physics : journal. — 1989. — Vol. 19, no. 3. — P. 99—116. (недоступная ссылка)
  12. Mohapatra R. N. Possible Nonconservation of Electric Charge (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 1987. — Vol. 59, no. 14. — P. 1510—1512. — doi:10.1103/PhysRevLett.59.1510. — Bibcode: 1987PhRvL..59.1510M. (недоступная ссылка)
  13. Belli P. (англ.)русск. et al. Charge non-conservation restrictions from the nuclear levels excitation of 129Xe induced by the electron’s decay on the atomic shell (англ.) // Physics Letters B (англ.)русск. : journal. — 1999. — Vol. 465, no. 1—4. — P. 315—322. — doi:10.1016/S0370-2693(99)01091-6. — Bibcode: 1999PhLB..465..315B..
  14. Norman E.B., Bahcall J.N., Goldhaber M. Improved limit on charge conservation derived from 71Ga solar neutrino experiments (англ.) // Physical Review : journal. — 1996. — Vol. D53, no. 7. — P. 4086—4088. — doi:10.1103/PhysRevD.53.4086. — Bibcode: 1996PhRvD..53.4086N. (недоступная ссылка)

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *