Предположим, вы поднесли расческу к небольшим полоскам бумаги; полоски бумаги притягиваются к гребенке и даже цепляются за нее (рис. 1.1.2). На кухне быстро стяните рулон пищевой пленки; он имеет тенденцию прилипать к большинству любых неметаллических материалов (таких как пластик, стекло или продукты питания). Если потереть воздушный шар о стену в течение нескольких секунд, он прилипнет к стене. Вероятно, наиболее раздражающим эффектом статического электричества является удар током дверной ручки (или друга) после того, как вы шаркаете ногами по некоторым видам коврового покрытия.

(рис. 1.1.2)  

Многие из этих явлений известны на протяжении столетий. Древнегреческий философ Фалес Милетский (624–546 гг. до н. э.) записал, что, когда янтаря (твердая, полупрозрачная, окаменевшая смола вымерших деревьев) энергично натирали куском меха, создавалась сила, вызывающая появление меха и янтаря притягиваться друг к другу (рис. 1.1.3). Кроме того, он обнаружил, что натертый янтарь не только притягивает мех, а мех притягивает янтарь, но и то, и другое может воздействовать на другие (неметаллические) объекты, даже если они не соприкасаются с этими объектами (рис. 1.1.4).

(рис. 1.1.3)  

(рис. 1.1.4)  

Рисунок 1. 1.4.

Английский физик Уильям Гилберт  (1544–1603) также изучал эту силу притяжения, используя различные вещества. Он работал с янтарем, а кроме того, экспериментировал с горным хрусталем и различными драгоценными и полудрагоценными камнями. Он также экспериментировал с несколькими металлами. Он обнаружил, что металлы никогда не проявляли такой силы, в отличие от минералов. Более того, хотя наэлектризованный янтарный жезл притянет кусок меха, он оттолкнет другой наэлектризованный янтарный жезл; точно так же два наэлектризованных куска меха будут отталкивать друг друга.

Это предполагало наличие двух типов электрического свойства; это свойство со временем стало называться электрическим зарядом . Разница между двумя типами электрического заряда заключается в направлениях электрических сил, которые вызывает каждый тип заряда: эти силы являются отталкивающими, когда один и тот же тип заряда существует на двух взаимодействующих объектах, и притягивающими, когда заряды противоположного типа. Единицей электрического заряда в системе СИ является кулона (Кл) в честь французского физика Шарля Августина де 9.0204 Кулон  (1736–1806).

Наиболее своеобразный аспект этой новой силы заключается в том, что она не требует физического контакта между двумя объектами, чтобы вызвать ускорение. Это пример так называемой «дальнодействующей» силы. (Или, как позднее выразился Альберт Эйнштейн, «действие на расстоянии».) За исключением гравитации, все другие силы, которые мы обсуждали до сих пор, действуют только тогда, когда два взаимодействующих объекта действительно соприкасаются.

Американский физик и государственный деятель Бенджамин Франклин  обнаружил, что может концентрировать заряд в «лейденской банке », которая по существу представляла собой стеклянную банку с двумя листами металлической фольги, один внутри и один снаружи, со стеклом между ними (рис. 1.1.5). Это создавало большую электрическую силу между двумя листами фольги.

(рис. 1.1.5)  

Франклин указал, что наблюдаемое поведение можно объяснить, если предположить, что один из двух типов заряда остается неподвижным, в то время как другой тип заряда перетекает с одного куска фольги на другой. Далее он предложил называть избыток того, что он назвал «электрическим флюидом», «положительным электричеством», а его недостаток — «отрицательным электричеством». Его предложение, с некоторыми незначительными изменениями, является моделью, которую мы используем сегодня. (С экспериментами, которые он смог провести, это была чистая догадка; у него не было возможности определить знак движущегося заряда. К сожалению, он ошибся; теперь мы знаем, что движущиеся заряды — это те заряды, которые Франклин назвал отрицательные, а положительные заряды остаются в значительной степени неподвижными. К счастью, как мы увидим, не имеет практического или теоретического значения, какой выбор мы делаем, пока мы остаемся последовательными в своем выборе.)

Давайте перечислим конкретные наблюдения, которые мы имеем об этой электрической силе :

• Сила действует без физического контакта между двумя объектами.
• Сила может быть как притягивающей, так и отталкивающей: если два взаимодействующих объекта имеют одинаковый знак заряда, сила отталкивающая; если заряды противоположного знака, сила притяжения. Эти взаимодействия называются электростатическим отталкиванием и электростатическим притяжением 9.0205 соответственно.
• Не на все объекты действует эта сила.
• Величина силы уменьшается (быстро) с увеличением расстояния между объектами.

Точнее, экспериментально мы находим, что величина силы уменьшается по мере увеличения квадрата расстояния между двумя взаимодействующими объектами. Так, например, когда расстояние между двумя взаимодействующими объектами удваивается, сила между ними уменьшается в четыре раза по сравнению с исходной системой. Мы также можем заметить, что окружение заряженных объектов влияет на величину силы. Однако мы рассмотрим этот вопрос в следующей главе.

Свойства электрического заряда

В дополнение к существованию двух типов заряда было обнаружено несколько других свойств заряда.

• Заряд квантуется.  Это означает, что электрический заряд поступает дискретно, и существует наименьшее возможное количество заряда, которое может иметь объект. В системе СИ это наименьшее количество . Никакая свободная частица не может иметь меньше заряда, чем это, и, следовательно, заряд любого объекта — заряд всех объектов — должен быть целым числом, кратным этой сумме. Все макроскопические заряженные объекты имеют заряд, потому что электроны либо присоединяются к ним, либо отнимаются от них, что приводит к суммарному заряду.
• Величина заряда не зависит от типа.  Иными словами, наименьший возможный положительный заряд (до четырех значащих цифр) равен , а наименьший возможный отрицательный заряд равен ; эти значения точно равны. Просто так проявились законы физики в нашей Вселенной.
• Заряд сохраняется.  Заряд нельзя ни создать, ни уничтожить; его можно только переносить с места на место, с одного предмета на другой. Часто мы говорим об «отмене» двух сборов; это словесная стенограмма. Это означает, что если два объекта с одинаковыми и противоположными зарядами физически близки друг к другу, то (противонаправленные) силы, которые они прикладывают к какому-либо другому заряженному объекту, компенсируются, так что результирующая сила равна нулю. Однако важно, чтобы вы понимали, что заряды на объектах ни в коем случае не исчезают. Чистый заряд Вселенной постоянен.
• Заряд сохраняется в закрытых системах.  В принципе, если отрицательный заряд исчезнет с вашего лабораторного стола и снова появится на Луне, закон сохранения заряда сохранится. Однако этого никогда не происходит. Если общий заряд вашей локальной системы на лабораторном столе меняется, будет измеримый поток заряда в систему или из нее. Опять же, заряды могут перемещаться и действительно перемещаются, а их эффекты могут и отменяются, но чистый заряд в вашем локальном окружении (если он закрыт) сохраняется. Последние два пункта называются  закон сохранения заряда .

Источник зарядов: структура атома

Как только стало ясно, что вся материя состоит из частиц, которые стали называть атомами, также быстро стало ясно, что в состав атома входят как положительно заряженные, так и отрицательно заряженные частицы. Следующий вопрос заключался в том, каковы физические свойства этих электрически заряженных частиц?

Отрицательно заряженная частица была открыта первой. В 1897, английский физик Дж. Дж. Томсон изучал то, что тогда было известно как катодные лучи . За несколько лет до этого английский физик Уильям Крукс показал, что эти «лучи» заряжены отрицательно, но его эксперименты не могли сказать ничего большего. (Тот факт, что они несли отрицательный электрический заряд, был веским доказательством того, что это были вовсе не лучи, а частицы.) Томсон подготовил чистый пучок этих частиц и отправил их через скрещенные электрические и магнитные поля, регулируя различные значения напряженности поля до тех пор, пока чистое отклонение балки было равно нулю. С помощью этого эксперимента он смог определить отношение заряда к массе частицы. Это соотношение показало, что масса частицы была намного меньше, чем у любой другой ранее известной частицы — фактически в 1837 раз меньше. В конце концов, эту частицу стали называть электрон .

Поскольку атом в целом электрически нейтрален, следующий вопрос заключался в том, чтобы определить, как положительные и отрицательные заряды распределяются внутри атома. Сам Томсон воображал, что его электроны заключены в нечто вроде положительно заряженной пасты, размазанной по всему объему атома. Однако в 1908 году новозеландский физик Эрнест Резерфорд показал, что положительные заряды атома существуют внутри крошечного ядра, называемого ядром 9.0205 — который занимал лишь очень малую часть общего объема атома, но удерживал массу. Кроме того, он показал, что отрицательно заряженные электроны постоянно вращаются вокруг этого ядра, образуя своего рода электрически заряженное облако, окружающее ядро ​​(рис. 1.1.6). Резерфорд пришел к выводу, что ядро ​​состоит из маленьких массивных частиц, которые он назвал протонами .

(рис. 1.1.6)  

Рисунок 1. 1.6.  Эта упрощенная модель атома водорода показывает положительно заряженное ядро ​​(состоящее, в случае водорода, из одного протона), окруженное электронным «облаком». Заряд электронного облака равен (и противоположен по знаку) заряду ядра, но электрон не имеет определенного положения в пространстве; следовательно, его представление здесь в виде облака. Нормальные макроскопические количества материи содержат огромное количество атомов и молекул и, следовательно, еще большее количество отдельных отрицательных и положительных зарядов.

Поскольку было известно, что разные атомы имеют разную массу и что обычно атомы электрически нейтральны, было естественно предположить, что разные атомы имеют разное число протонов в ядре с одинаковым числом отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг положительно заряженных электронов. ядра, что делает атомы в целом электрически нейтральными. Однако вскоре было обнаружено, что хотя самый легкий атом, водород, действительно имеет один протон в качестве ядра, следующий по тяжести атом — гелий — имеет в два раза больше протонов (два), но четыре раза в раза больше массы водорода.

Эта загадка была разрешена в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком , когда был открыт нейтрон . Нейтрон, по сути, является электрически нейтральным близнецом протона, без электрического заряда, но (почти) с такой же массой, что и протон. Таким образом, ядро ​​гелия имеет два нейтрона вместе с двумя протонами. (Более поздние эксперименты должны были показать, что, хотя нейтрон в целом электрически нейтрален, у него есть внутренний заряд структура . Кроме того, хотя массы нейтрона и протона почти равны, они не совсем равны: масса нейтрона лишь немного больше массы протона. Этот небольшой избыток массы оказался очень важным.)

Таким образом, в 1932 г. атом представлял собой маленькое массивное ядро, состоящее из комбинации протонов и нейтронов, окруженное совокупностью электронов, совместное движение которых формировало своего рода отрицательно заряженное «облако» вокруг ядра (рис. 1.1.7). В электрически нейтральном атоме общий отрицательный заряд совокупности электронов равен общему положительному заряду ядра. Электроны с очень малой массой могут быть более или менее легко удалены или добавлены к атому, изменяя суммарный заряд атома (хотя и не меняя его типа). Атом, заряд которого изменился таким образом, называется ион . У положительных ионов были удалены электроны, тогда как у отрицательных ионов были добавлены лишние электроны. Мы также используем этот термин для описания молекул, которые не являются электрически нейтральными.

(рис. 1.1.7)  

Рисунок 1.1.7.  Ядро атома углерода состоит из шести протонов и шести нейтронов. Как и в водороде, окружающие шесть электронов не имеют определенного местоположения, и поэтому их можно рассматривать как своего рода облако, окружающее ядро.

Однако история атома на этом не заканчивается. Во второй половине двадцатого века в ядре атома было обнаружено гораздо больше субатомных частиц: среди прочих пионов, нейтрино и кварков. За исключением фотона, ни одна из этих частиц не имеет прямого отношения к изучению электромагнетизма, поэтому мы не будем обсуждать их далее в этом курсе.

Примечание по терминологии

Как отмечалось ранее, электрический заряд — это свойство, которым может обладать объект. Это похоже на то, как объект может иметь свойство, которое мы называем массой, свойство, которое мы называем плотностью, свойство, которое мы называем температурой, и так далее. Технически мы всегда должны говорить что-то вроде: «Предположим, у нас есть частица, несущая заряд». Однако вместо этого очень часто говорят: «Предположим, у нас есть — заряд». Точно так же мы часто говорим что-то вроде «Шесть зарядов расположены в вершинах правильного шестиугольника». Заряд — это не частица; скорее это свойство  частицы. Тем не менее, эта терминология чрезвычайно распространена (и часто используется в этой книге, как и везде). Итак, держите в уме, что мы на самом деле имеем в виду, когда говорим о «заряде».

Цитаты Кандела

Контент под лицензией CC, конкретное указание авторства

• Загрузите бесплатно по адресу http://cnx.