Заряд (физика) | это… Что такое Заряд (физика)?

В физике понятие заря́д 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.

Формальное определение

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.

Примеры

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

• Цветовой заряд кварков. Цветовой заряд генерирует цветовую симметрию SU(3) квантовой хромодинамики.
• Слабый изоспин квантовых чисел электрослабого взаимодействия. Он генерирует SU(2) часть электрослабой SU(2) × U(1) симметрии. Слабый изоспин является локальной симметрией, калибровочными бозонами которой являются W- и Z-бозоны.
• Электрический заряд для электромагнитных взаимодействий.

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 продукт 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:

См. также

• Электрический заряд
• Цветной заряд

Электрический заряд. Электроскоп | 8 класс

Содержание

В начале XX века английский физик Джозеф Джон Томсон делает важное для мира науки открытие. Он находит в экспериментах с катодными лучами элементарную частицу атома — электрон. Учитывая свойства данной частицы, было логично сразу предположить, что именно электрон является носителем элементарного, то есть более не делимого, заряда. Оставалось одно: измерить заряд количественно.

Во время наших исследований электростатических явлений нам нередко приходилось прибегать к использованию термина «заряд». Заряды, как мы говорили, скапливаются на поверхности, перераспределяются, перемещаются, вроде как притягиваются или отталкиваются — вот и выходит, что заряд, а не что-либо еще, является причиной каждого электрического явления.

Только… что-то не то. Мы охватили огромное количество вопросов за последние несколько уроков, частично включая даже теорию возникновения материи, однако при этом так и не наметили на пути остановку, где бы заряд выходил на первый план.

Именно заряд, не следствия из его свойств вроде статического электричества. Раз заряд — причина, почему вообще изучение электричества имеет место быть, нам стоит сделать последний рывок перед тем, как статика превратится в динамику. Сегодня мы побываем в экспериментальной лаборатории человека, который получил Нобелевскую премию в 1923 году за капельку масла, наконец перейдем к формулам и тем самым ответим на финальный и, пожалуй, наиболее важный вопрос введения в электрические процессы: что же такое заряд?

Опыт Милликена
Пусть и не с беспрецедентной точностью, но ему одним из первых удалось выразить заряд цифрой. Это Роберт Милликен — американский физик-экспериментатор.

Раз в составе атома есть мобильные частицы, способные взаимодействовать с себе подобными частицами внутри прочих атомов, они, вероятнее всего, являются базисом электрических процессов, если последние рассматривать на атомном уровне. Следовательно, частицы эти обладают неким свойством, что позволяют им при взаимодействии и перераспределении «переносить» вместе с собой электричество — можно грубо сказать, что электричество как бы в них «вшито».

⚡ Второе предположение представим в виде цепочки размышлений:

• электричество — нечто вроде свойства субатомных частиц;
• внутри атома находятся два разных вида чем-то похожих друг на друга по «электрическим свойствам» частиц — протоны и электроны;
• частицы эти по свойствам взаимно исключаются, так как обычно атом находится в состоянии покоя;
• электроны мобильнее протонов, ведь протоны сконцентрированы в ядре;
• тогда если измерить количество «электрического свойства» для индивидуального электрона, аналогичное будет работать и для протона.

Попробуем же посчитать это количество. Пусть снизу у нас имеется тело с переизбытком электронов, а сверху тело с недостатком электронов. Если тела объединить в единую систему, они создадут зону взаимного притяжения — атомы с переизбытком электронов будут стремиться «скинуть» лишнее в сторону, где преобладает недостаток.

Капельки масла — что может быть лучше. На капельку, падающую в обычных условиях, действует две силы — сила гравитации $m\vec{g}$ и сила сопротивления среды $F_{С}$. Движение при этом под действием силы гравитации происходит вниз. С помощью специального устройства можно зафиксировать предельную скорость падения, когда сила сопротивления сравнивается с гравитационной.

Равнодействующая сил в таком случае равна нулю, и тело, как следствие, падает равномерно, не в ускоренном состоянии. Это позволит рассчитать вес и массу.

Электрическая сила

Когда капелька начинает движение под действием электрической силы, интересно, что направление движения меняется: электрическая сила в нашем эксперименте превосходит гравитационную и аэродинамическую. Можно также дождаться нуля равнодействующей, за счет этого определить предельную скорость подъема, что позволит нам в свою очередь вычислить, сколько электрической силы действует на капельку.

{"questions":[{"content":"Посмотрите на капельку масла на последнем изображении. Выберите и отметьте все силы, которые на нее действуют.[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Аэродинамическое сопротивление","Электрическая сила","Гравитационная сила","Сила реакции опоры","Скоростная сила"],"answer":[0,1,2]}},"hints":["На капельку действуют <b>три</b> разных силы."]}]}

Электрическая сила отличается по своему «нутру» от механических сил: к примеру, и гравитационная сила, и электрическая обе действуют на объект без прямого контакта, условно на расстоянии, однако при этом электрическая сила явно действует не на массу, а как раз обуславливается количеством в теле «электрического свойства». Чем больше количество «электрического свойства», тем больше электрическая сила, — по аналогии, чем больше масса, тем быстрее тело притягивается к Земле. {-19}$$

Определение электрического заряда

Милликену подобным элегантным опытом удалось приблизительно подсчитать, каким количеством заряда обладает один электрон. Заодно продемонстрировать, что «электрическое свойство», то есть заряд — реальная физическая величина и абсолютно конкретное явление.  

Перейдем от абстракций к определениям:

Электрический заряд — фундаментальная величина, определяющая способность частицы вступать в электрические взаимодействия.

Повторимся, что заряд отдаленно напоминает массу — его наличие в природе так же фундаментально, и именно поэтому это слово и было использовано нами в определении выше. Заряд просто существует, являясь свойством субатомных частиц. Его источник — частички, протоны и нейтроны, которые его «переносят».

Элементарное значение заряда, более не делимое, мы с вами уже вывели. Давайте еще раз его запишем, чуть точнее, и дадим ему единицу измерения:

Элементарное значение заряда $e$ равняется $1,602 176 634\cdot10^{−19}$. {-19}\,Кл$.

Заряд: протон, нейтрон, электрон

Протон	Электрон	Нейтрон
e	-e	0

Впрочем, ничего нового, всего лишь иными словами. Несмотря на то, что преимущественно электрон сидит во главе электрического стола и обуславливает своим числом общий заряд тела, аналогичный заряд, с количественной точки зрения, присутствует и у протона, положительной частицы. Ровно сколько элементарного заряда переносит один электрон, ровно столько же — протон. С противоположным знаком. Нейтрон, как мы помним, зарядом не обладает. Его задача — «образовывать» массу атома. Поэтому его заряд принимают за ноль. Ну, о том, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются, думаем, говорить вновь не нужно.

{"questions":[{"content":"Итого, вместо громоздкой постоянной в виде $1,602 176 634\\cdot10^{−19}$ в физике принято обозначать элементарный заряд литерой $e$: к ней можно добавить знак, чтобы показать отрицательный заряд $\\text{-}e$, можно добавить множитель $3e$, и так далее.  Главное, не забывать об этом буквенном сокращении. 
В качестве закрепления расположите частицы напротив их заряда, выраженного как $e$.  [[matcher-1]]","widgets":{"matcher-1":{"type":"matcher","labels":["Электрон","Протон","Нейтрон"],"items":["$\\text{-}e$","$e$","0"]}}}]}

Однако кое-что поясним. Когда произносят слово «заряд», обычно имеют в виду заряд тела, никак не частиц. Набить атом лишними протонами или изъять их — задача чрезмерно трудоемкая, поэтому не забывайте, что положительный заряд тела чаще всего образуется за счет недостатка электронов: когда протонов в атоме становится больше электронов, общий заряд смещается в положительную сторону.

С переизбытком электронов то же самое. В обычном атоме количество протонов и электронов совпадает, и стоит электронам изменить свое количество, меняется заряд атома. Как следствие — всего тела.

Устройство для определения заряда — электроскоп

Простейшее устройство, с помощью которого можно обнаружить наличие заряда, называется электроскоп. В стеклянный сосуд, с предварительно откачанным воздухом, помещают металлический стержень — он выполняет роль проводника электричества. На концах стержня снизу подвешиваются тонкие листочки фольги.

Если прикоснуться к концу стержня сверху заряженным предметом, электроны, от стержня до листочков, начнут перераспределяться.

Подумайте, а каким образом перераспределяются электроны? Зачем нужен проводник? Что произойдет с листочками, когда к ним прикоснуться заряженным предметом?

Свойства электрического заряда

Свойства зарядов не ограничиваются наличием разнородности в характере взаимодействия. И тем, что разнородное притягивается. Даже по этим двум положениям очевидно, что заряд — прямое следствие электронной структуры атома, поэтому ряд прочих свойств так же обуславливается фактом, что внутри атома располагается фиксированное количество электронов и протонов. На основе этого мы можем, как минимум, выделить еще три свойства-следствия.

Именно:

— исчисляемость заряда;
— сложение заряда;
— закон сохранения заряда.

Заряд складывается и вычитается

Заряды по своей природе похожи на слагаемые в математике, и все благодаря исчисляемости электронов. Дабы это проиллюстрировать, представим атом, к которому присоединилось два лишних электрона.

Вместе с собой они принесли «двойную порцию» отрицательного элементарного заряда. Для наглядности вновь обратимся к углероду, под порядковым номером 6. Следовательно, атом углерода содержит 6 протонов и столько же электронов. Пусть два электрона присоединились к углероду, что изменило его состав частиц до 8 электронов и 6 протонов.

Общий заряд атома до присоединения: $-6e+6e=0$.

Заряд после присоединения: $-6e+6e-2e=-2e$.

Правда… тело состоит из огромного количества атомов, и выражать его суммарный заряд суммой элементарных зарядов — труд титанический. Вспомним, что заряд одного электрона выражается значением $-0. 00000000000000000016\,Кл$. Поэтому обычно дается заряд для всего тела и обозначается отдельной литерой $q$. Однако алгебраического подхода к суммированию заряда это не меняет.

Так что можно записать следующую формулу в общем для системы тел:

$$\sum{Q_{общ}}=q_1+q_2+q_3+…+q_n,$$

где $Q_{общ}$ — общий заряд системы, $q_n$ — значение заряда тела, $n$ — количество тел в системе.

Заряд сохраняется

Электроны из ниоткуда не возникают и никуда бесследно не исчезают. Звучит знакомо, согласитесь? Вот почему, говоря о распределении заряда в замкнутой системе, упоминают закон сохранения заряда. Заряд переходит от одного тела к другому и сохраняется, подобно энергии. Безусловно, если систему разомкнуть, к примеру, от вакуума перейти к наличию в среде воздуха, электроны могут присоединяться к атомам элементов, содержащихся в воздухе, или «умыкнуть» парочку электронов. После кто-то откроет окно, воздушные массы придут в движение и электроны, некогда входящие в состав заряда системы, улетят путешествовать дальше. Тем не менее, заряд не исчез. Всего лишь передислоцировался.   

Выразить данное свойство формулой можно так:

$$\sum{Q_{общ}}=q_1+q_2+q_3+…+q_n=const$$

Закон сохранения электрического заряда. Алгебраическая сумма зарядов замкнутой системы остается постоянной величиной.

{"questions":[{"content":"В замкнутой системе находятся <b>три</b> тела. $\\sum{Q_{общ}}$ системы положителен и равняется $15\\,Кл$. Известно, что одно заряжено положительно и имеет величину заряда $3\\,Кл$, второе заряжено отрицательно и имеет величину заряда $5\\,Кл$. Чему равняется заряд третьего тела? <br />[[input-1]]<br />Третье тело заряжено [[fill_choice-6]].","widgets":{"input-1":{"type":"input","unit":"Кл","answer":"17"},"fill_choice-6":{"type":"fill_choice","options":["положительно","отрицательно"],"answer":0}},"step":1,"hints":["Если система замкнута, суммарное значение заряда постоянно и считается по формуле: $$\\sum{Q_{общ}}=q_1+q_2+q_3+…+q_n$$","У нас есть $\\sum{Q_{общ}}$ и значение двух имеющихся в системе зарядов. {18}$ электронов. Сообщает нам это о том, что заряд всегда поддается исчислению с точки зрения элементарных частиц. Скажем, если некое тело обладает зарядом $q$, то связь его с количеством электронов и протонов может быть выражена следующим образом:
$$q=n_2\cdot{e}-n_1\cdot{e},$$
где $q$ — заряд тела, $e$ — постоянная элементарного заряда, $n_2$ — количество протонов в теле, $n_1$ — количество электронов.
Поскольку протоны располагаются в ядре и редко имеют отношение к общему заряду тела, формулу можно упростить, оставив в ней только компоненту с количеством электронов. Все-таки электронный дисбаланс в подавляющем большинстве случаев приводит к тому, что тело обладает неким показателем заряда.
Отсюда имеем следующее:
$$q=n_E\cdot{e}$$
где $q$ — заряд тела, $e$ — постоянная элементарного заряда, $n_E$ — показатель электронного дисбаланса (значение переизбытка или недостатка электронов). 
{"questions":[{"content":"Образавр экспериментировал с трибоэлектричеством в лаборатории. {-19}}$$","Вычисляйте. 🤗"]}]}
Итоги раздела
Поздравляем!
Где-то было сложно, где-то было много, но вы справились и полностью завершили раздел введения в электрические процессы. Теперь вы отличаете трибоэлектричество от пироэлектричества, умеете показывать фокусы с турмалином, владеете необычными терминами вроде «валентность» и знаете, что такое заряд. Ни много ни мало, но это отличная база, чтобы следовать дальше.
Пока что электричество для нас — это сосредоточение заряда. Его движение практически не описывалось, в особенности на длинные дистанции. Однако самые восхитительные вещи, должны вам доложить, все же происходят, когда заряд путешествует не локально от тела к телу, а охватывает огромные расстояния. Например, от вашей розетки до электростанции. Как «накопить» столь существенный заряд? Как заставить электроны перемещаться на дистанции в сотни километров? Перемещаются ли электроны вовсе?
Ответы на эти и многие другие вопросы вас удивят. И их мы охватим уже в следующем разделе.
А сейчас — «повторение — мать учения». Приглашаем пройти тестирование по разделу, закрепить изученное, а также ознакомиться с рубрикой «Занимательное дополнение» и приоткрыть завесу тайны над одним из самых загадочных электростатических явлений природы — молнией.
 5.1 Электрический заряд — Университетская физика, том 2 
 Цели обучения 
 К концу этого раздела вы сможете:
 
 Описать концепцию электрического заряда
 Качественно объясните силу, которую создает электрический заряд
 Вы наверняка знакомы с электронными устройствами, которые активируются нажатием переключателя, от компьютеров до сотовых телефонов и телевизоров. И вы наверняка видели электричество во вспышке молнии во время сильной грозы. Но вы также, скорее всего, испытывали электрические эффекты другими способами, возможно, не осознавая, что была задействована электрическая сила. Давайте взглянем на некоторые из этих действий и посмотрим, что мы можем узнать из них об электрических зарядах и силах.
 
 Открытия 
 Вы, вероятно, сталкивались с явлением статического электричества: когда вы впервые достаете одежду из сушилки, многие (не все) вещи склонны слипаться; для некоторых тканей их может быть очень трудно разделить. Другой пример возникает, если вы быстро снимаете шерстяной свитер — вы можете почувствовать (и услышать), как статическое электричество притягивает вашу одежду и, возможно, даже ваши волосы. Если вы расчешите волосы в сухой день, а затем поднесете расческу к тонкой струе воды, выходящей из крана, вы обнаружите, что струя воды изгибается (притягивается) к расческе (рис. 5.2).
 Рисунок
5.2 
 Электрически заряженная расческа притягивает струю воды издалека. Обратите внимание, что вода не касается гребенки. (кредит: Джейн Уитни)
 
 Предположим, вы поднесли расческу к небольшим полоскам бумаги; полоски бумаги притягиваются к гребенке и даже цепляются за нее (рис. 5.3). 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.
 
 Рисунок
5.3 
 После расчесывания волос эта расческа притягивает маленькие полоски бумаги на расстоянии, без физического контакта. Исследование этого поведения помогло привести к концепции электрической силы. (кредит: Джейн Уитни)
 Многие из этих явлений известны на протяжении столетий. Древнегреческий философ Фалес Милетский (624–546 гг. до н. э.) записал, что, когда янтарь (твердая полупрозрачная окаменевшая смола вымерших деревьев) энергично терся о кусок меха, создавалась сила, которая заставляла мех и янтарь соприкасаться. притягиваться друг к другу (рис. 5.4). 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.
  5.5).
 Рисунок
5.4 
 Янтарь Борнео добывается в Сабахе, Малайзия, из сланцево-песчаниковых жил. Когда кусок янтаря трется о кусок меха, янтарь получает больше электронов, придавая ему суммарный отрицательный заряд. При этом мех, потеряв электроны, становится положительно заряженным. (кредит: «Себакоамбер»/Wikimedia Commons)
 Рисунок
5,5 
 Когда материалы трутся друг о друга, заряды могут быть разделены, особенно если один материал имеет большее сродство к электронам, чем другой. а) Янтарь и ткань изначально нейтральны, имеют одинаковые положительные и отрицательные заряды. Задействована лишь малая часть зарядов, и здесь показаны только некоторые из них. (b) При трении янтарь переносит некоторый отрицательный заряд, оставляя ткань с чистым положительным зарядом. (c) При разделении янтарь и ткань теперь имеют суммарные заряды, но абсолютное значение суммарных положительных и отрицательных зарядов будет равным.
 
 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, что существует два типа 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 СИ является кулон (Кл) в честь французского физика Шарля-Огюстена де Кулона (1736–1806).
 
 Наиболее необычный 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 позже выразился Джеймс Клерк Максвелл, «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 представляла собой стеклянную банку с двумя листами металлической фольги, один внутри и один снаружи, со стеклом между ними (рис. 5.6). . Это создавало большую электрическую силу между двумя листами фольги.
 Рисунок
5.6 
 Лейденская банка (ранняя версия того, что сейчас называется конденсатором) позволяла экспериментаторам накапливать большое количество электрического заряда. Бенджамин Франклин использовал такую ​​банку, чтобы продемонстрировать, что молния ведет себя точно так же, как электричество, которое он получал от оборудования в своей лаборатории.
 
 Франклин указал, что наблюдаемое поведение можно объяснить, если предположить, что один из двух типов заряда остается неподвижным, а 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 этой электрической силы, которые у нас есть:
 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 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 равно e≡1,602×10-19Ce≡1,602×10-19C. 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.  Другими словами, наименьший возможный положительный заряд (с точностью до четырех значащих цифр) равен +1,602×10-19C+1,602×10-19C, а наименьший возможный отрицательный заряд равен -1,602×10-19C-1,602×10-19C; 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 все равно 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 законом 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  катодных лучей  . 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 электроном.
 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, которое занимает лишь очень малую часть общего объема атома, но содержит более 9 зарядов.9% масс. (См. Линейный импульс и столкновения.) Кроме того, он показал, что отрицательно заряженные электроны постоянно вращаются вокруг этого ядра, образуя своего рода электрически заряженное облако, окружающее ядро ​​(рис. 5.7). Резерфорд пришел к выводу, что ядро ​​состоит из маленьких массивных частиц, которые он назвал протоном  s  .
 Рисунок
5.7 
 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 разные массы 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 после открытия нейтрона. 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. (Последние эксперименты должны были показать, что, хотя нейтрон в целом электрически нейтрален, он все же имеет внутренний заряд  структура  . Более того, хотя массы нейтрона и протона в  раз почти равны , они не совсем равны: масса нейтрона лишь немногим больше массы протона. Этот небольшой избыток массы оказался очень важным. Это, однако, история, которую придется подождать до нашего изучения современной физики в ядерной физике.)
 Таким образом, в 1932 году атом представлял собой маленькое массивное ядро, состоящее из комбинации протонов и нейтронов, окруженное совокупностью электронов, чье совместное движение формировало своего рода отрицательно заряженное «облако» вокруг ядра (рис. 5.8). 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 ионом. 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.
 Рисунок
5,8 
 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 отложим их дальнейшее обсуждение до главы о физике элементарных частиц (Физика элементарных частиц и космология).
 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 с зарядом 3 мкКл. 3 мкКл». Однако вместо этого очень часто говорят: «Предположим, у нас есть заряд 3 мкКл3-мкКл». 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».
 B1: заряд и закон Кулона 
 Последнее обновление
 Сохранить как PDF
 Идентификатор страницы
 5734
 Джеффри В. Шник
 Колледж Святого Ансельма
 Заряд есть свойство материи. Есть два вида заряда: положительный «+» и отрицательный «-». Объект может иметь положительный заряд, отрицательный заряд или вообще не иметь заряда. Частица, имеющая заряд, вызывает существование вектора силы на каждый заряд потенциальной жертвы в каждой точке области пространства вокруг себя. Бесконечное множество векторов силы на каждый заряд потенциальной жертвы называется векторным полем. На любую заряженную частицу, оказавшуюся в той области пространства, где существует векторное поле силы на заряд потенциальной жертвы, будет воздействовать сила со стороны силы на каждый заряд потенциальной жертвы. поле жертвы. Поле силы, приходящееся на заряд потенциальной жертвы, называется электрическим полем. Заряженная частица, создающая электрическое поле, называется зарядом источника. (Относительно жаргона: заряженная частица — это частица, имеющая заряд. Заряженную частицу часто называют просто «зарядом».)
 Заряд источника создает электрическое поле, которое воздействует на заряд-жертву. Чистый эффект заключается в том, что заряд источника вызывает воздействие силы на жертву. Хотя нам есть что обсудить об электрическом поле, сейчас мы сосредоточимся на чистом эффекте, который мы сформулируем просто (пренебрегая «посредником», электрическим полем) так: «Заряженная частица оказывает силу на другую заряженную частицу». ». Это утверждение  является законом Кулона  в его концептуальной форме. Сила называется  Кулоновская сила , также известная как электростатическая сила  .
 Обратите внимание, что любое обвинение можно рассматривать как обвинение-источник, а любое — как обвинение-жертву. Идентификация одного заряда в качестве заряда-жертвы эквивалентна установлению точки зрения, аналогичной идентификации объекта, движение или равновесие которого изучается для целей применения закона движения Ньютона. \(\vec{a}=\frac{\sum\vec{F}}{m}\). По закону Кулона сила, действующая на одну заряженную частицу со стороны другой, направлена ​​вдоль линии, соединяющей две частицы, и от другой частицы, если обе частицы имеют одинаковый заряд (обе положительные или обе отрицательные), но, к другой частице, если вид заряда разный (один положительный, а другой отрицательный). Этот факт, вероятно, вам знаком как «одинаковые заряды отталкиваются, а разные притягиваются». 92}\) ) должен установить направление силы с помощью «здравого смысла» (понимание пользователем того, что означает, что одинаковые заряды отталкиваются, а разные заряды притягиваются друг к другу).
 В то время как закон Кулона в форме уравнения разработан, чтобы быть точным для точечных частиц, он также точен для сферически симметричных распределений заряда (например, однородных заряженных шаров), если используется межцентровое расстояние для \(  r \)  .
 Закон Кулона также является хорошим приближением в случае объектов, у которых заряд не является сферически симметричным, если размеры объектов малы по сравнению с расстоянием между объектами (чем оно вернее, тем лучше приближение). Опять же, используется разделение центров распределения зарядов в уравнении закона Кулона. 92} \шляпа{r}_{12}\метка{1-2} \]
 где:
 \(\vec{F_{12}}\) — сила «1 на 2», то есть сила, действующая частицей 1 на частицу 2,
 \(\hat{r}_{12}\) — единичный вектор в направлении «от 1 к 2», а
 \(k\), \(q_1\) и \(q_2\) определяются как и раньше (постоянная Кулона, заряд частицы 1 и заряд частицы 2 соответственно).
 Обратите внимание на отсутствие знаков абсолютного значения вокруг \(q_1\) и \(q_2\). Говорят, что частица, которая имеет определенное количество, скажем, 5 кулонов отрицательного заряда, имеет заряд -5 кулонов, а частица с 5 кулонами положительного заряда имеет заряд +5 кулонов). и действительно, знаки плюс и минус, обозначающие вид заряда, имеют обычное арифметическое значение, когда заряды входят в уравнения. Например, если вы создаете составной объект, комбинируя объект с зарядом \(q_1=+3C\) с объектом с зарядом \(q_2=-5C\), то составной объект имеет заряд
 \[q=q_1+q_2 \номер\]
 \[q=+3C+(-5C) \номер\]
 \[q=-2C \номер\]
 Обратите внимание, что арифметическая интерпретация вида заряда в векторной форме закона Кулона приводит к тому, что это уравнение дает правильное направление силы для любой комбинации видов заряда. Например, если одна из частиц имеет положительный заряд, а другая отрицательный, то значение произведения \( q_1q_2\)  в уравнении \(\ref{1-2}\)
 92} \шляпа{r}_{12}\)) мы видим, что
 \[\vec{F_{21}}=-\vec{F_{12}} \номер\]
 Итак, согласно закону Кулона, если частица 1 действует с силой \(\vec{F_{12}}\) на частицу 2, то частица 2 в то же время оказывает равную, но противоположную силу \(- \vec{F_{12}}\) обратно на частицу 2, что, как мы знаем, по закону Ньютона 3  rd  должно.
 В нашем макроскопическом мире мы обнаруживаем, что заряд — это не неотъемлемое фиксированное свойство объекта, а скорее то, что мы можем изменить. Например, потрите нейтральный резиновый стержень мехом животного, и вы обнаружите, что после этого стержень имеет некоторый заряд, а мех имеет противоположный заряд. Бен Франклин определил один вид заряда, появляющийся на резиновом стержне, как отрицательный заряд, а другой — как положительный. Чтобы дать некоторое представление о том, как стержень приобретает отрицательный заряд, мы ненадолго углубимся в атомный мир и даже в субатомный мир. 9{10}\) электронов, что, конечно, было бы большим количеством шариков, но представляет собой ничтожную долю от общего числа электронов в материале чашки.
 Основные моменты предыдущего обсуждения:
 Типичный нейтральный макроскопический объект состоит из невероятно огромных количеств обоих видов заряда (около 50 миллионов кулонов каждого на каждый килограмм материи), одинаковое количество каждого вида.
 Когда мы заряжаем объект, мы передаем относительно небольшое количество заряда этому объекту или от него. 9{−7}\) кулонов.
 Когда мы переносим заряд от одного объекта к другому, мы на самом деле перемещаем заряженные частицы, обычно электроны, от одного объекта к другому.
 Один момент, который мы не упомянули в приведенном выше обсуждении, заключается в том, что заряд сохраняется. Например, если, потирая резиновый стержень мехом, мы передаем резиновому стержню определенное количество отрицательного заряда, то первоначально нейтральный мех остается с точно таким же положительным зарядом. Вспоминая точный баланс между невероятно огромным количеством отрицательного заряда и невероятно огромным количеством положительного заряда в любом макроскопическом объекте, мы признаем, что, заряжая резиновый стержень, мех становится положительно заряженным не потому, что каким-то образом приобретает положительный заряд, а, потому что он теряет отрицательный заряд, а это означает, что исходное невероятно огромное количество положительного заряда теперь (немного) превышает (все еще невероятно огромное) количество отрицательного заряда, оставшегося на мехе и в нем.
 Зарядка при трении 
 Можно задаться вопросом, почему трение резинового стержня о мех животного приводит к переносу электронов с меха на стержень. Если бы можно было вообразить, что хотя бы один электрон мог случайно попасть из меха на стержень, то оказалось бы, что стержень был бы заряжен отрицательно, а мех — положительно, так что любой освободившийся электрон от меха будет притягиваться обратно к меху положительным зарядом на нем и отталкиваться отрицательным зарядом стержня. Так зачем же еще какой-то заряд должен передаваться от меха к стержню? Ответ находится под заголовком «расстояние имеет значение». При трении стержня о мех вы сближаете большое количество молекул меха с молекулами каучука. В некоторых случаях внешние электроны в атомах меха подходят так близко к ядрам атомов на поверхности резины, что сила притяжения этих положительных ядер больше, чем сила притяжения ядра атома каучука. частью которого они являются. Тогда результирующая сила направлена ​​к стержню, рассматриваемые электроны испытывают ускорение по направлению к стержню, которое изменяет скорость таким образом, что электроны движутся к стержню. Зарядка при трении сильно зависит от молекулярной структуры рассматриваемых материалов. Один интересный аспект этого процесса заключается в том, что трение приводит к тому, что большое количество молекул в мехе очень близко подходят к молекулам в резине. Это не значит, что энергия, связанная с трением, каким-то образом передается электронам, заставляя их прыгать с меха на резину. Следует отметить, что мех — не единственный материал, склонный отдавать электроны, а резина — не единственный материал, склонный их приобретать. Явление зарядки при трении называется трибоэлектрификацией. Следующий упорядоченный список тенденций (ограниченного числа) материалов отдавать или принимать электроны называется трибоэлектрической последовательностью:
 Наличие и положение воздуха в списке предполагает, что легче поддерживать отрицательный заряд на объектах в воздухе, чем поддерживать на них положительный заряд.
 Проводники и изоляторы 
 Предположим, вы заряжаете резиновый стержень, а затем прикасаетесь им к нейтральному объекту. Некоторый заряд, отталкиваемый отрицательным зарядом на стержне, будет передан первоначально нейтральному объекту. Что происходит с этим зарядом, зависит от материала, из которого состоит изначально нейтральный объект. В случае некоторых материалов заряд останется в том месте, где заряженный стержень касается первоначально нейтрального объекта. Такие материалы называются изоляторами, материалами, через которые заряд не может двигаться или через которые движение заряда очень ограничено. Примерами хороших изоляторов являются кварц, стекло и воздух. В случае других материалов заряд почти мгновенно распространяется по всему рассматриваемому материалу в ответ на силу отталкивания (вспомним, что сила вызывает ускорение, которое приводит к движению), которое каждая элементарная частица заряда оказывает на каждую другая элементарная частица с зарядом. Материалы, в которых заряд может свободно перемещаться, называются проводниками. Примерами хороших проводников являются металлы и соленая вода.
 Когда вы наносите заряд на проводник, он сразу же распространяется по всему проводнику. Чем больше проводник, тем больше он растекается. В случае очень большого объекта заряд может распространяться настолько сильно, что любой кусок объекта имеет незначительное количество заряда и, следовательно, ведет себя так, как если бы он был нейтральным. У поверхности земли сама земля достаточно велика, чтобы играть такую ​​роль. Если мы закопаем в землю хороший проводник, такой как длинный медный стержень или трубу, и подсоединим к нему другой хороший проводник, такой как медный провод, который мы можем соединить с другим металлическим предметом, таким как крышка электрической розетки. , над, но близко к поверхности земли, мы можем воспользоваться преимуществами природы Земли как огромного объекта, состоящего в основном из проводящего материала. Если мы прикоснемся заряженным резиновым стержнем к только что упомянутой металлической накладке, а затем вытащим стержень, то заряд, переданный на металлическую пластину, распространится по земле до такой степени, что накладка станет нейтральной. Мы используем выражение «заряд, переданный накладке, утек в землю». Проводник, соединенный с землей так же, как только что рассмотренная накладка, называется «землей». Акт прикосновения заряженного объекта к земле называется заземлением объекта. Если сам объект является проводником, его заземление (при отсутствии других заряженных объектов) приводит к тому, что он становится нейтральным.
 Индукционная зарядка 
 Если вы держите одну сторону проводника в контакте с землей и подносите заряженный предмет очень близко к другой стороне проводника, а затем, держа заряженный предмет близко к проводнику, не касаясь его, разорвете соприкосновения проводника с землей, вы обнаружите, что проводник заряжен противоположным зарядом, который первоначально был на заряженном объекте. Вот почему. Когда вы подносите заряженный объект к проводнику, он отталкивает заряд в проводнике прямо из проводника в землю. Затем, когда эти заряды исчезли, если вы прервете путь к земле, проводник застрянет с отсутствием тех заряженных частиц, которые были отброшены в землю. Поскольку первоначальный заряженный объект отталкивает тот же заряд, что и у него, проводник остается с противоположным зарядом.
 Поляризация 
 Давайте еще раз потрем мехом этот резиновый стержень и поднесем резиновый стержень к одному концу небольшой полоски нейтральной алюминиевой фольги. Мы видим, что фольга притягивается к резиновому стержню, хотя фольга остается нейтральной. И вот почему:
 Отрицательно заряженный резиновый стержень отталкивает свободный отрицательный заряд полоски к другому концу полоски. В результате ближний конец алюминиевой полоски заряжается положительно, а дальний — отрицательно. Итак, резиновый стержень притягивает ближний конец стержня и отталкивает дальний конец. Но поскольку ближний конец ближе, сила притяжения больше силы отталкивания, и результирующая сила направлена ​​к стержню. Разделение зарядов, происходящее в нейтральной алюминиевой полоске, называется поляризацией, и, когда нейтральная алюминиевая полоска положительна на одном конце и отрицательна на другом, мы говорим, что она поляризована.
 Поляризация имеет место и в случае диэлектриков, несмотря на то, что заряд не может свободно перемещаться внутри изолятора. Поднесем отрицательно заряженный стержень к одному концу листа бумаги. Каждая молекула в бумаге имеет положительную и отрицательную части. Положительная часть притягивается к стержню, а отрицательная отталкивается. В результате каждая молекула бумаги поляризуется и растягивается. Теперь, если каждую частицу положительного заряда притянуть немного ближе к стержню, а каждую частицу отрицательного заряда отодвинуть немного дальше, чистый эффект в большей части бумаги состоит в том, чтобы оставить ее нейтральной, но в конце концов. заканчивается есть чистый заряд. На ближнем конце отталкиваемый отрицательный заряд сам по себе оставляет притянутый положительный заряд, а на дальнем конце притягивающий положительный заряд сам по себе оставляет отталкиваемый отрицательный заряд.
 Как и в случае с алюминиевой полосой, отрицательный резиновый стержень притягивает ближний, положительный конец и отталкивает дальний, отрицательный конец, но ближний конец ближе, поэтому сила притяжения больше, а это означает, что результирующая сила, действующая на полоску бумаги, является притягательной. Опять же, разделение зарядов в бумаге называется поляризацией, и тот факт, что один конец нейтральной полоски бумаги отрицательный, а другой положительный, означает, что полоска бумаги поляризована.
 Эта страница под названием B1: Заряд и закон Кулона распространяется под лицензией CC BY-SA 2.5 и была создана, изменена и/или курирована Джеффри В. Шником с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами LibreTexts. Платформа; подробная история редактирования доступна по запросу.
 Наверх
 Была ли эта статья полезной?
 Тип изделия
 Раздел или страница
 Автор
 Джеффри В.