Электрический заряд

Электрический заряд
Электрическое поле положительного и отрицательного точечного заряда
Общие символы	д
И объединились	кулон (К)
Другие подразделения	элементарный заряд Фарадей ампер-час
В базовых единицах СИ	С = А⋅с
Обширный ?	да
Сохранено ?	да
Измерение	${\mathsf {T}}{\mathsf {I}}$

Электрический заряд (символ q , иногда Q ) — это физическое свойство материи , которое заставляет ее испытывать силу при помещении ее в электромагнитное поле . Электрический заряд может быть положительным или отрицательным . Однотипные заряды отталкиваются, а разнородные притягиваются. Объект, не имеющий суммарного заряда, называется электрически нейтральным . Ранние знания о том, как взаимодействуют заряженные вещества, теперь называются классической электродинамикой и до сих пор подходят для задач, не требующих рассмотрения квантовых эффектов .

Электрический заряд — сохраняющееся свойство : чистый заряд изолированной системы , количество положительного заряда минус количество отрицательного заряда, не может измениться. Электрический заряд переносят субатомные частицы . веществе отрицательный заряд переносят электроны, а положительный заряд переносят протоны в ядрах атомов В обычном . Если в куске вещества больше электронов, чем протонов, он будет иметь отрицательный заряд, если их меньше, то он будет иметь положительный заряд, а если их одинаковое количество, он будет нейтральным. Заряд квантуется : он представляет собой целое число, кратное отдельным маленьким единицам, называемым элементарным зарядом , e , примерно 1,602 × 10. ⁻¹⁹ С , это наименьший заряд, который может существовать свободно. Частицы, называемые кварками , имеют меньший заряд, кратный 1/3 частиц , , но они встречаются только в составе e заряд которых кратен e . В Стандартной модели заряд — это абсолютно сохраняющееся квантовое число. Протон имеет заряд + e , а электрон — −e .

Сегодня отрицательный заряд определяется как заряд, который несет электрон , а положительный заряд — это заряд, который несет протон . определил положительный заряд До открытия этих частиц Бенджамин Франклин как заряд, приобретаемый стеклянной палочкой при трении ее о шелковую ткань.

Электрические заряды создают электрические поля . Движущийся заряд также создает магнитное поле . Взаимодействие электрических зарядов с электромагнитным полем (комбинацией электрического и магнитного поля) является источником электромагнитной (или лоренцевой) силы , которое является одним из четырех фундаментальных взаимодействий в физике . Изучение фотонных взаимодействий между заряженными частицами называется квантовой электродинамикой .

является Производной единицей электрического заряда в системе СИ кулон ( Кл), названный в честь французского физика Шарля-Огюстена де Кулона . В электротехнике также принято использовать ампер-час (А⋅ч). В физике и химии принято использовать элементарный заряд ( e в качестве единицы ). В химии также используется постоянная Фарадея , равная заряду одного моля элементарных зарядов.

Обзор

Диаграмма, показывающая силовые линии и эквипотенциалы вокруг электрона , отрицательно заряженной частицы. В электрически нейтральном атоме количество электронов равно количеству протонов (которые заряжены положительно), в результате чего общий заряд равен нулю.

Заряд — это фундаментальное свойство материи, которое проявляет электростатическое притяжение или отталкивание в присутствии другой материи с зарядом. Электрический заряд — характерное свойство многих субатомных частиц . Заряды отдельно стоящих частиц кратны элементарному заряду e ; мы говорим, что электрический заряд квантуется . Майкл Фарадей в своих экспериментах по электролизу первым отметил дискретную природу электрического заряда. Роберта Милликена с Эксперимент каплей масла непосредственно продемонстрировал этот факт и позволил измерить элементарный заряд. Было обнаружено, что один тип частиц, кварки , имеет дробные заряды: 1 / 3 или + 2/3 заряду ; , но считается, что они всегда кратны целому отдельно стоящие кварки никогда не наблюдались.

По соглашению , заряд электрона отрицательный , −e , а заряд протона положительный , +e . Заряженные частицы, заряды которых имеют одинаковый знак, отталкиваются, а частицы, заряды которых имеют разные знаки, притягиваются. Закон Кулона количественно определяет электростатическую силу между двумя частицами, утверждая, что сила пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Заряд античастицы равен заряду соответствующей частицы, но с противоположным знаком.

Электрический заряд макроскопического объекта представляет собой сумму электрических зарядов частиц, из которых он состоит. Этот заряд часто невелик, поскольку материя состоит из атомов , а атомы обычно имеют одинаковое количество протонов и электронов , и в этом случае их заряды компенсируются, давая суммарный заряд, равный нулю, что делает атом нейтральным.

Ион — это атом (или группа атомов), который потерял один или несколько электронов, что придало ему чистый положительный заряд (катион), или который приобрел один или несколько электронов, что придало ему чистый отрицательный заряд (анион). Одноатомные ионы образуются из отдельных атомов, тогда как многоатомные ионы образуются из двух или более атомов, связанных вместе, в каждом случае образуя ион с положительным или отрицательным суммарным зарядом.

Электрическое поле, индуцированное положительным электрическим зарядом (слева), и поле, индуцированное отрицательным электрическим зарядом (справа).

При формировании макроскопических объектов составляющие атомы и ионы обычно объединяются, образуя структуры, состоящие из нейтральных ионных соединений, электрически связанных с нейтральными атомами. Таким образом, макроскопические объекты имеют тенденцию быть в целом нейтральными, но макроскопические объекты редко бывают абсолютно нейтральными.

Иногда макроскопические объекты содержат ионы, распределенные по материалу и жестко связанные на месте, что придает объекту общий положительный или отрицательный заряд. Кроме того, макроскопические объекты, состоящие из проводящих элементов, могут более или менее легко (в зависимости от элемента) принимать или отдавать электроны, а затем сохранять чистый отрицательный или положительный заряд неопределенно долго. Когда чистый электрический заряд объекта отличен от нуля и неподвижен, это явление известно как статическое электричество . Этого можно легко добиться, потирая два разнородных материала вместе, например, потирая янтарь о мех или стекло о шелк . Таким образом, непроводящие материалы могут в значительной степени заряжаться как положительно, так и отрицательно. Заряд, взятый из одного материала, переносится в другой материал, оставляя после себя противоположный заряд той же величины. Закон сохранения заряда действует всегда, придавая объекту, от которого взят отрицательный заряд, положительный заряд той же величины, и наоборот.

Даже когда суммарный заряд объекта равен нулю, заряд может быть распределен в объекте неравномерно (например, из-за внешнего электромагнитного поля или связанных полярных молекул). В таких случаях объект называют поляризованным . Заряд, возникающий в результате поляризации, известен как связанный заряд , а заряд объекта, создаваемый электронами, полученными или потерянными извне объекта, называется свободным зарядом . Движение электронов в проводящих металлах в определенном направлении называется электрическим током .

Единица

Единицей в системе СИ количества ( электрического заряда является кулон обозначение: C). Кулон определяется как количество заряда, которое проходит через поперечное сечение электрического проводника, пропускающего один ампер, за одну секунду . Это подразделение было предложено в 1946 году и ратифицировано в 1948 году. Символ q в нижнем регистре часто используется для обозначения количества электрического заряда. Количество электрического заряда можно измерить непосредственно электрометром или косвенно с помощью баллистического гальванометра .

Элементарный заряд (электрический заряд протона) определяется как фундаментальная константа в СИ. Значение элементарного заряда, выраженное в единицах СИ, составляет ровно 1,602 176 634 × 10. ⁻¹⁹ С. ​

Открыв в 1891 году квантованный характер заряда, Джордж Стоуни предложил единицу измерения «электрон» для этой фундаментальной единицы электрического заряда. Дж. Дж. Томсон впоследствии открыл частицу, которую мы теперь называем электроном, в 1897 году. Сегодня эту единицу называют элементарным зарядом , фундаментальной единицей заряда или просто обозначают e , причем заряд электрона равен − e . Заряд изолированной системы должен быть кратным элементарному заряду e , даже если в больших масштабах кажется, что заряд ведет себя как непрерывная величина. В некоторых контекстах имеет смысл говорить о долях элементарного заряда; например, в дробном квантовом эффекте Холла .

Единица Фарадей иногда используется в электрохимии. Один фарадей — это величина заряда одного моля элементарных зарядов, т.е. 9,648 533 212 ... × 10 ⁴ С.

История

Смотрите также: История теории электромагнетизма и электричества § История

Кулона Торсионные весы

С древних времен люди были знакомы с четырьмя типами явлений, которые сегодня можно было бы объяснить с помощью концепции электрического заряда: (а) молния , (б) рыба-торпеда (или электрический скат), (в) огонь Святого Эльма и (г) янтарь , натертый мехом , притягивает маленькие легкие предметы. Первое сообщение об эффекте янтаря часто приписывают древнегреческому математику Фалесу Милетскому , жившему ок. 624 до ок. 546 г. до н.э., но есть сомнения, оставил ли Фалес какие-либо письмена; его рассказ о янтаре известен по отчету начала 200-х годов. Это сообщение можно рассматривать как свидетельство того, что это явление было известно, по крайней мере, с ок. 600 г. до н.э., но Фалес объяснил это явление доказательством наличия души у неодушевленных предметов. Другими словами, не было никаких указаний на какую-либо концепцию электрического заряда. В более общем плане древние греки не понимали связи между этими четырьмя видами явлений. Греки заметили, что заряженные янтарные кнопки могут притягивать легкие предметы, например, волосы . Они также обнаружили, что если тереть янтарь достаточно долго, то можно даже получить электрическую искру . но есть также утверждение, что никаких упоминаний об электрических искрах не было до конца 17 века. Это свойство происходит от трибоэлектрического эффекта . вещества В конце 1100-х годов было отмечено, что струя , уплотненная форма угля, имеет янтарный эффект. а в середине 1500-х годов Джироламо Фракасторо обнаружил, что алмаз также демонстрирует такой же эффект. Некоторые усилия были предприняты Фракасторо и другими, особенно Джероламо Кардано, для разработки объяснений этого явления.

В отличие от астрономии , механики и оптики , количественно изучавшихся с античности, начало продолжающихся качественных и количественных исследований электрических явлений можно ознаменовать публикацией в 1600 году «О магнете» английского учёного Уильяма Гилберта . В этой книге был небольшой раздел, в котором Гилберт вернулся к янтарному эффекту (как он его называл) при рассмотрении многих более ранних теорий. и придумал неолатинское слово «электрика» (от ἤλεκτρον (ēlektron), греческого слова, обозначающего янтарь ). Латинское слово было переведено на английский как «электрика» . Гилберту также приписывают термин «электричество» , тогда как термин «электричество» появился позже и впервые был приписан сэру Томасу Брауну в его «Эпидемической псевдодоксии» 1646 года. (Более лингвистические подробности см. в «Этимологии электричества ».) Гилберт предположил, что этот янтарный эффект можно объяснить эманацией (небольшим потоком частиц, вытекающим из электрического объекта, не уменьшая его объема или веса), который действует на другие объекты. Эта идея материального электрического испарения имела большое влияние в 17 и 18 веках. Это было предшественником идей, разработанных в 18 веке, об «электрической жидкости» (Дюфе, Нолле, Франклине) и «электрическом заряде».

Около 1663 года Отто фон Герике изобрел, вероятно, первый электростатический генератор , но он не признавал в нем прежде всего электрическое устройство и проводил с ним лишь минимальные электрические эксперименты. Другими европейскими пионерами был Роберт Бойль , который в 1675 году опубликовал на английском языке первую книгу, посвященную исключительно электрическим явлениям. Его работа во многом повторяла исследования Гилберта, но он также выделил еще несколько «электриков». и отметил взаимное притяжение между двумя телами.

В 1729 году Стивен Грей экспериментировал со статическим электричеством , которое он генерировал с помощью стеклянной трубки. Он заметил, что пробка, служащая для защиты трубки от пыли и влаги, также электризуется (заряжается). Дальнейшие эксперименты (например, удлинение пробки путем вставления в нее тонких палочек) показали — впервые — что электрические испарения (как назвал это Грей) могут передаваться (проводиться) на расстояние. Грею удалось передать заряд с помощью шпагата (765 футов) и проволоки (865 футов). Благодаря этим экспериментам Грей обнаружил важность различных материалов, которые облегчают или препятствуют проведению электрических испарений. Джону Теофилу Дезагулье , который повторил многие эксперименты Грея, приписывают введение терминов «проводники» и «изоляторы» для обозначения воздействия различных материалов в этих экспериментах. Грей также открыл электрическую индукцию (т. е. возможность передачи заряда от одного объекта к другому без какого-либо прямого физического контакта). Например, он показал, что, поднеся заряженную стеклянную трубку близко к куску свинца, удерживаемому нитью, но не касаясь его, можно электризовать свинец (например, притягивать и отталкивать латунные опилки). Он попытался объяснить это явление идеей электрических испарений.

Открытия Грея внесли важный сдвиг в историческое развитие знаний об электрическом заряде. Тот факт, что электрические испарения могли передаваться от одного объекта к другому, открывал теоретическую возможность того, что это свойство не было неразрывно связано с телами, наэлектризованными при трении. В 1733 году Шарль Франсуа де Систерне дю Фей , вдохновленный работой Грея, провел серию экспериментов (описанных в «Mémoires de l' Académie Royale des Sciences» ), показав, что более или менее все вещества могут быть «электрифицированы» трением, за исключением металлов. и жидкости и предположил, что электричество бывает двух разновидностей, которые нейтрализуют друг друга, что он выразил в терминах теории двух жидкостей. Дю Фэй сказал, что когда стекло натирали шелком , стекло заряжалось стекловидным электричеством , а когда янтарь натирали мехом, янтарь заряжался смолистым электричеством . В современном понимании положительный заряд теперь определяется как заряд стеклянной палочки, натертой шелковой тканью, но произвольно, какой тип заряда называть положительным, а какой отрицательным. Другая важная теория двух жидкостей того времени была предложена Жаном-Антуаном Нолле (1745 г.).

Примерно до 1745 года основным объяснением электрического притяжения и отталкивания была идея о том, что наэлектризованные тела испускают испарения. Бенджамин Франклин начал электрические эксперименты в конце 1746 года. и к 1750 году разработал одножидкостную теорию электричества , основанную на эксперименте, который показал, что натертое стекло получает ту же, но противоположную силу заряда, что и ткань, которой протирали стекло. Франклин представлял электричество как разновидность невидимой жидкости, присутствующей во всей материи, и ввёл термин « заряд » (а также «батарея» и некоторые другие термины). ); например, он считал, что стакане именно в лейденской банки накопленный заряд удерживается . Он предположил, что трение изолирующих поверхностей друг о друга заставляет эту жидкость менять местоположение и что поток этой жидкости представляет собой электрический ток. Он также утверждал, что когда материя содержит избыток жидкости, она заряжается положительно , а когда ее недостаток, она заряжается отрицательно . Он отождествил термин «положительный» со стекловидным электричеством, а «отрицательный» со смолистым электричеством после проведения эксперимента со стеклянной трубкой, которую он получил от своего зарубежного коллеги Питера Коллинсона. В эксперименте участник А заряжал стеклянную трубку, а участник Б получал удар по суставу от заряженной трубки. Франклин идентифицировал участника Б как положительно заряженного после того, как его ударили током трубки. Существует некоторая двусмысленность относительно того, пришел ли Уильям Уотсон независимо к такому же одножидкостному объяснению примерно в то же время (1747 г.). Уотсон, увидев письмо Франклина Коллинсону, утверждает, что он представил то же объяснение, что и Франклин весной 1747 года. Франклин изучил некоторые работы Уотсона, прежде чем проводить свои собственные эксперименты и анализ, что, вероятно, имело важное значение для собственных теоретизирований Франклина. Один физик предполагает, что Уотсон первым предложил теорию одной жидкости, которую затем Франклин развил дальше и более влиятельно. Историк науки утверждает, что Ватсон упустил тонкую разницу между своими идеями и идеями Франклина, поэтому Ватсон неверно истолковал свои идеи как схожие с идеями Франклина. В любом случае между Уотсоном и Франклином не было враждебности, и модель электрического действия Франклина, сформулированная в начале 1747 года, со временем получила в то время широкое признание. После работы Франклина объяснения, основанные на испарениях, выдвигались редко.

Сейчас известно, что модель Франклина была фундаментально верной. Существует только один вид электрического заряда, и для отслеживания количества заряда требуется только одна переменная.

До 1800 года изучать проводимость электрического заряда можно было только с помощью электростатического разряда. В 1800 году Алессандро Вольта первым показал, что заряд можно поддерживать в непрерывном движении по замкнутому пути.

В 1833 году Майкл Фарадей стремился устранить любые сомнения в том, что электричество идентично, независимо от источника, из которого оно производится. Он обсудил множество известных форм, которые он охарактеризовал как обычное электричество (например, статическое электричество , пьезоэлектричество , магнитная индукция ), гальваническое электричество (например, электрический ток от гальванической батареи ) и животное электричество (например, биоэлектричество ).

В 1838 году Фарадей поднял вопрос о том, является ли электричество жидкостью или жидкостями или свойством материи, например гравитацией. Он исследовал, можно ли зарядить материю одним видом заряда независимо от другого. Он пришел к выводу, что электрический заряд — это связь между двумя или более телами, поскольку он не мог заряжать одно тело, не имея противоположного заряда в другом теле.

В 1838 году Фарадей также предложил теоретическое объяснение электрической силы, выразив при этом нейтральность относительно того, возникает ли она из одной, двух жидкостей или ни из одной жидкости. Он сосредоточился на идее о том, что нормальное состояние частиц должно быть неполяризованным и что при поляризации они стремятся вернуться в свое естественное, неполяризованное состояние.

Развивая теоретико-полевой подход к электродинамике (начиная с середины 1850-х годов), Джеймс Клерк Максвелл перестает рассматривать электрический заряд как особое вещество, накапливающееся в объектах, и начинает понимать электрический заряд как следствие преобразования энергии в поле. . Это доквантовое понимание считало величину электрического заряда непрерывной величиной даже на микроскопическом уровне.

Роль заряда в статическом электричестве

Статическое электричество — это электрический заряд объекта и связанный с ним электростатический разряд , когда два объекта сближаются, но не находятся в равновесии. Электростатический разряд создает изменение заряда каждого из двух объектов.

Электрификация путем скольжения

Дополнительная информация: Трибоэлектрический эффект.

Когда кусок стекла и кусок смолы (ни один из которых не проявляет никаких электрических свойств) трутся друг о друга и остаются соприкасающимися натертыми поверхностями, они все равно не проявляют электрических свойств. Когда они разделены, они притягивают друг друга.

Второй кусок стекла, натертый вторым куском смолы, затем отделенный и подвешенный рядом с предыдущими кусочками стекла и смолы, вызывает следующие явления:

• Два куска стекла отталкиваются друг от друга.
• Каждый кусок стекла притягивает каждый кусочек смолы.
• Два куска смолы отталкивают друг друга.

Это притяжение и отталкивание являются электрическими явлениями , и тела, которые их демонстрируют, называются наэлектризованными или электрически заряженными . Тела могут быть наэлектризованы многими другими способами, в том числе путем скольжения. Электрические свойства двух кусков стекла похожи друг на друга, но противоположны свойствам двух кусков смолы: стекло притягивает то, что смола отталкивает, и отталкивает то, что смола притягивает.

Если тело, наэлектризованное каким-либо образом, ведет себя так же, как стекло, то есть если оно отталкивает стекло и притягивает смолу, то говорят, что тело стеклообразно наэлектризовано, а если оно притягивает стекло и отталкивает смолу, о нем говорят, что оно стеклообразно наэлектризовано. быть смолисто наэлектризованным. Все наэлектризованные тела либо стеклянно, либо смолисто наэлектризованы.

Устоявшееся в научном сообществе мнение определяет стекловидную электрификацию как положительную, а смолистую электрификацию как отрицательную. Совершенно противоположные свойства двух видов электрификации оправдывают то, что мы указываем их противоположными знаками, но применение положительного знака к одному, а не к другому виду, должно рассматриваться как вопрос произвольной конвенции, точно так же, как это является вопросом соглашение в математической диаграмме для расчета положительных расстояний по направлению к правой руке.

Роль заряда в электрическом токе

Электрический ток – это поток электрического заряда через объект. Наиболее распространенными носителями заряда являются положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон . Движение любой из этих заряженных частиц представляет собой электрический ток. Во многих ситуациях достаточно говорить об обычном токе , не принимая во внимание, переносят ли его положительные заряды, движущиеся в направлении обычного тока, или отрицательные заряды, движущиеся в противоположном направлении. Эта макроскопическая точка зрения представляет собой приближение, которое упрощает электромагнитные концепции и расчеты.

С другой стороны, если посмотреть на микроскопическую ситуацию, можно увидеть множество способов проведения электрического тока , в том числе: поток электронов; поток электронных дырок , которые действуют как положительные частицы; и как отрицательные, так и положительные частицы ( ионы или другие заряженные частицы), движущиеся в противоположных направлениях в электролитическом растворе или плазме .

Помните, что в обычном и важном случае металлических проводов направление обычного тока противоположно скорости дрейфа реальных носителей заряда; то есть электроны. Это источник путаницы для новичков.

Сохранение электрического заряда

Основная статья: Сохранение заряда

Общий электрический заряд изолированной системы остается постоянным независимо от изменений внутри самой системы. Этот закон присущ всем процессам, известным физике, и может быть выведен в локальном виде из калибровочной инвариантности волновой функции . Сохранение заряда приводит к уравнению непрерывности тока заряда . В более общем смысле, скорость изменения плотности заряда ρ в объеме интегрирования V равна интегралу площади по плотности тока J через замкнутую поверхность S = ∂ V , которая, в свою очередь, равна чистому току I :

$-{\frac {d}{dt}}\int _{V}\rho \,\mathrm {d} V=$ $\scriptstyle \partial V$ $\mathbf {J} \cdot \mathrm {d} \mathbf {S} =\int J\mathrm {d} S\cos \theta =I.$

Таким образом, сохранение электрического заряда, выраженное уравнением непрерывности, дает результат:

$I=-{\frac {\mathrm {d} q}{\mathrm {d} t}}.$

Заряд, перенесенный между временами $t_{\mathrm {i} }$ и $t_{\mathrm {f} }$ получается интегрированием обеих частей:

$q=\int _{t_{\mathrm {i} }}^{t_{\mathrm {f} }}I\,\mathrm {d} t$

где I — чистый внешний ток через замкнутую поверхность, а q — электрический заряд, содержащийся в объеме, определяемом поверхностью.

инвариантность

Помимо свойств, описанных в статьях об электромагнетизме , заряд является релятивистским инвариантом . Это означает, что любая частица, имеющая заряд q, имеет одинаковый заряд независимо от скорости своего движения. Это свойство было экспериментально подтверждено, показав, что заряд одного гелия ядра (два протона и два нейтрона, связанных вместе в ядре и движущихся с большой скоростью) такой же, как заряд двух ядер дейтерия (один протон и один нейтрон, связанные вместе, но двигались гораздо медленнее, чем если бы они находились в ядре гелия).

См. также

• Единицы электромагнетизма СИ
• Цветовой заряд
• Частичная оплата
• Позитрон или антиэлектрон - это аналог электрона в античастице или антивеществе.

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с электрическим зарядом, на Викискладе?
• Как быстро распадается заряд?