Мінімальний електричний заряд – заряд електрона дорівнює. Електричний заряд та його властивості

« Фізика – 10 клас»

Спочатку розглянемо найпростіший випадок, коли електрично заряджені тіла перебувають у спокої.

Розділ електродинаміки, присвячений вивченню умов рівноваги електрично заряджених тіл, називають електростатикою.

Що таке електричний заряд?
Які є заряди?

Зі словами електрика, електричний заряд, електричний струмви зустрічалися багато разів і встигли звикнути до них. Але спробуйте відповісти на запитання: Що таке електричний заряд? Саме поняття заряд- це основне, первинне поняття, що не зводиться на сучасному рівні розвитку наших знань до будь-яких більш простих, елементарних понять.

Спробуємо спочатку з'ясувати, що розуміють під твердженням: «Це тіло чи частка має електричний заряд».

Всі тіла побудовані з найдрібніших частинок, які неподільні на простіші і тому називаються елементарними.

Елементарні частинки мають масу і завдяки цьому притягуються одна до одної згідно із законом всесвітнього тяжіння. Зі збільшенням відстані між частинками сила тяжіння зменшується пропорційно квадрату цієї відстані. Більшість елементарних частинок, хоч і не всі, крім того, мають здатність взаємодіяти один з одним з силою, яка також зменшується пропорційно квадрату відстані, але ця сила в багато разів перевищує силу тяжіння.

Так, в атомі водню, зображеному схематично на малюнку 14.1, електрон притягується до ядра (протону) з силою, що в 10 39 разів перевищує силу гравітаційного тяжіння.

Якщо частинки взаємодіють один з одним із силами, які зменшуються зі збільшенням відстані так само, як і сили всесвітнього тяжіння, але перевищують сили тяжіння у багато разів, то кажуть, що ці частинки мають електричний заряд. Самі частки називаються зарядженими.

Бувають частинки без електричного заряду, але немає електричного заряду без частинки.

Взаємодія заряджених частинок називається електромагнітним.

Електричний заряд визначає інтенсивність електромагнітних взаємодій, як маса визначає інтенсивність гравітаційних взаємодій.

Електричний заряд елементарної частинки - це не особливий механізм у частинці, який можна було б зняти з неї, розкласти на складові та знову зібрати. Наявність електричного заряду в електрона та інших частинок означає існування певних силових взаємодій між ними.

Ми по суті нічого не знаємо про заряд, якщо не знаємо законів цих взаємодій. Знання законів взаємодій має входити до наших уявлень про заряд. Ці закони непрості, і викласти їх кількома словами неможливо. Тому не можна дати досить задовільне коротке визначення поняття електричний заряд.

Два електричних зарядів знак.

Всі тіла мають масу і тому притягуються один до одного. Заряджені тіла можуть як притягувати, так і відштовхувати один одного. Цей найважливіший факт, знайомий вам, означає, що у природі є частинки з електричними зарядами протилежних знаків; у разі зарядів однакових знаків частинки відштовхуються, а разі різних притягуються.

Заряд елементарних частинок протонів, що входять до складу всіх атомних ядер, називають позитивним, а заряд електронів- Негативним. Між позитивними та негативними зарядами внутрішніх відмінностей немає. Якби знаки зарядів частинок помінялися місцями, то від цього характер електромагнітних взаємодій анітрохи не змінився б.

Елементарний заряд.

Окрім електронів та протонів, є ще кілька типів заряджених елементарних частинок. Але тільки електрони та протони можуть необмежено довго існувати у вільному стані. Інші ж заряджені частинки живуть менше мільйонних часток секунди. Вони народжуються при зіткненнях швидких елементарних частинок і, проіснувавши мізерний час, розпадаються, перетворюючись на інші частки. З цими частинками ви познайомитеся у 11 класі.

До частинок, які не мають електричного заряду, відноситься нейтрон. Його маса лише трохи перевищує масу протона. Нейтрони разом із протонами входять до складу атомного ядра. Якщо елементарна частка має заряд, його значення суворо визначено.

Заряджені тілаЕлектромагнітні сили у природі грають величезну роль завдяки тому, що до складу всіх тіл входять електрично заряджені частинки. Складові частини атомів - ядра і електрони - мають електричний заряд.

Безпосередньо дія електромагнітних сил між тілами не виявляється, тому що тіла у звичайному стані електрично нейтральні.

Атом будь-якої речовини нейтральний, оскільки число електронів у ньому дорівнює числу протонів в ядрі. Позитивно та негативно заряджені частинки пов'язані один з одним електричними силами та утворюють нейтральні системи.

Макроскопічне тіло заряджено електрично в тому випадку, якщо воно містить надмірну кількість елементарних частинок з одним знаком заряду. Так, негативний заряд тіла обумовлений надлишком числа електронів у порівнянні з числом протонів, а позитивний – недоліком електронів.

Щоб отримати електрично заряджене макроскопічне тіло, т. е. наелектризувати його, потрібно відокремити частину негативного заряду від пов'язаного з ним позитивного або перенести на нейтральне тіло негативний заряд.

Це можна зробити за допомогою тертя. Якщо провести гребінцем по сухому волоссю, то невелика частина рухомих заряджених частинок - електронів перейде з волосся на гребінець і зарядить її негативно, а волосся зарядиться позитивно.

Рівність зарядів під час електризації

За допомогою досвіду можна довести, що при електризації тертям обидва тіла набувають зарядів, протилежних за знаком, але однакових за модулем.

Візьмемо електрометр, на стрижні якого укріплено металеву сферу з отвором, і дві пластини на довгих рукоятках: одна з ебоніту, а інша з плексигласу. При терті одна про одну пластини електризуються.

Внесемо одну з пластин всередину сфери, не торкаючись її стін. Якщо пластина заряджена позитивно, частина електронів зі стрілки і стрижня електрометра притягнеться до пластини і збереться на внутрішній поверхні сфери. Стрілка при цьому позитивно зарядиться і відштовхнеться від стрижня електрометра (рис. 14.2, а).

Якщо внести всередину сфери іншу пластину, вийнявши заздалегідь першу, то електрони сфери і стрижня будуть відштовхуватися від пластини і зберуться надміру на стрілці. Це викликає відхилення стрілки від стрижня, причому у той самий кут, що у першому досвіді.

Опустивши обидві пластини всередину сфери, ми взагалі не виявимо відхилення стрілки (рис. 14.2 б). Це доводить, що заряди пластин дорівнюють за модулем і протилежні за знаком.

Електризація тіл та її прояви.Значна електризація відбувається при терті синтетичних тканин. Знімаючи з себе сорочку із синтетичного матеріалу в сухому повітрі, можна чути характерне потріскування. Між зарядженими ділянками поверхонь, що труться, проскакують маленькі іскорки.

У друкарнях відбувається електризація паперу під час друку, і листи злипаються. Щоб це не відбувалося, використовують спеціальні пристрої для стікання заряду. Однак електризація тіл при тісному контакті іноді використовується, наприклад, у різних електрокопіювальних установках та ін.

Закон збереження електричного заряду.

Досвід з електризацією пластин доводить, що з електризації тертям відбувається перерозподіл наявних зарядів між тілами, колись нейтральними. Невелика частина електронів переходить із одного тіла на інше. При цьому нові частки не виникають, а раніше не зникають.

При електризації тіл виконується закон збереження електричного заряду. Цей закон справедливий для системи, в яку не входять ззовні і з якої не виходять назовні заряджені частинки, тобто для ізольованої системи.

В ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів усіх тіл зберігається.

q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = const. (14.1)

де q 1 q 2 і т. д. - заряди окремих заряджених тіл.

Закон збереження заряду має глибоке значення. Якщо кількість заряджених елементарних частинок не змінюється, виконання закону збереження заряду очевидно. Але елементарні частинки можуть перетворюватися одна на одну, народжуватися і зникати, даючи життя новим часткам.

Однак у всіх випадках заряджені частинки народжуються лише парами з однаковими за модулем та протилежними за знаком зарядами; зникають заряджені частинки теж лише парами, перетворюючись на нейтральні. І в усіх цих випадках алгебраїчна сума зарядів залишається однією і тією ж.

Справедливість закону збереження заряду підтверджують спостереження величезним числом перетворень елементарних частинок. Цей закон виражає одне з найбільш фундаментальних властивостей електричного заряду. Причина збереження заряду досі невідома.

Припущення про те, що будь-який електричний заряд, що спостерігається в експерименті, завжди кратний елементарному, було висловлено Б. Франкліном в 1752 р. Завдяки дослідам М. Фарадея з електролізу величина елементарного заряду була обчислена в 1834 р. На існування елементарного електричного заряду також вказав у 1874 р. англійський вчений Дж. Стоні. Він увів у фізику поняття «електрон» і запропонував спосіб обчислення значення елементарного заряду. Вперше експериментально елементарний електричний заряд було виміряно Р. Міллікеном у 1908 р.

Електричний заряд будь-якої мікросистеми і макроскопічних тіл завжди дорівнює сумі алгебри елементарних зарядів, що входять в систему, тобто цілому кратному від величини е(Або нулю).

Встановлене нині значення абсолютної величини елементарного електричного заряду становить е= (4, 8032068 0, 0000015). 10 -10 одиниць СДСЄ, або 1,60217733. 10-19 Кл. Обчислена за формулою величина елементарного електричного заряду, виражена через фізичні константи, дає значення елементарного електричного заряду: e= 4, 80320419 (21). 10 -10 або: е = 1, 602176462 (65) . 10-19 Кл.

Вважається, що цей заряд дійсно елементарний, тобто він не може бути розділений на частини, а заряди будь-яких об'єктів є цілими кратними. Електричний заряд елементарної частки є її фундаментальною характеристикою і залежить від вибору системи відліку. Елементарний електричний заряд точно дорівнює величині електричного заряду електрона, протона і багатьох інших заряджених елементарних частинок, які є матеріальними носіями найменшого заряду у природі.

Існує позитивний та негативний елементарний електричний заряд, причому елементарна частка та її античастка мають заряди протилежних знаків. Носієм елементарного негативного заряду є електрон, маса якого me= 9, 11. 10-31 кг. Носієм елементарного позитивного заряду є протон, маса якого mp= 1,67. 10-27 кг.

Факт, що електричний заряд зустрічається у природі лише як цілого числа елементарних зарядів, можна назвати квантуванням електричного заряду. Багато заряджених елементарних частинок мають заряд е -або е+(Виняток - деякі резонанси із зарядом, кратним е); частинки з дробовими електричними зарядами не спостерігалися, однак у сучасній теорії сильної взаємодії – квантової хромодинаміки – передбачається існування частинок – кварків – із зарядами, кратними 1/3 е.

Елементарний електричний заряд може бути знищений; цей факт становить зміст закону збереження електричного заряду на мікроскопічному рівні. Електричні заряди можуть зникати та виникати знову. Однак завжди виникають або зникають два елементарні заряди протилежних знаків.

Величина елементарного електричного заряду є константою електромагнітних взаємодій і входить до всіх рівнянь мікроскопічної електродинаміки.

Подібно до поняття гравітаційної маси тіла в механіці Ньютона, поняття заряду в електродинаміці є первинним, основним поняттям.

Електричний заряд - це фізична величина, що характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії.

Електричний заряд зазвичай позначається буквами qабо Q.

Сукупність всіх відомих експериментальних фактів дозволяє зробити такі висновки:

Існує два роду електричних зарядів, умовно названих позитивними та негативними.

Заряди можуть передаватися (наприклад, при безпосередньому контакті) від тіла до іншого. На відміну від маси тіла, електричний заряд не є невід'ємною характеристикою даного тіла. Те саме тіло в різних умовах може мати різний заряд.

Одноіменні заряди відштовхуються, різноіменні – притягуються. У цьому вся також проявляється принципове відмінність електромагнітних сил від гравітаційних. Гравітаційні сили завжди є силами тяжіння.

Одним із фундаментальних законів природи є експериментально встановлений закон збереження електричного заряду .

В ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів усіх тіл залишається постійною:

q 1 + q 2 + q 3 + ... +qn= Const.

Закон збереження електричного заряду стверджує, що у замкнутій системі тіл що неспроможні спостерігатися процеси народження чи зникнення зарядів лише однієї знака.

З сучасної точки зору носіями зарядів є елементарні частинки. Усі звичайні тіла складаються з атомів, до складу яких входять позитивно заряджені протони, негативно заряджені електрони та нейтральні частки - нейтрони. Протони та нейтрони входять до складу атомних ядер, електрони утворюють електронну оболонку атомів. Електричні заряди протона і електрона за модулем точно однакові і рівні елементарному заряду e.

У нейтральному атомі число протонів у ядрі дорівнює числу електронів в оболонці. Це число називається атомним номером . Атом цієї речовини може втратити один або кілька електронів або придбати зайвий електрон. У цих випадках нейтральний атом перетворюється на позитивно або негативно заряджений іон.

Заряд може передаватися від одного тіла до іншого лише порціями, що містять цілу кількість елементарних зарядів. Таким чином, електричний заряд тіла - дискретна величина:

Фізичні величини, які можуть набувати лише дискретного ряду значень, називаються квантованими . Елементарний заряд eє квантом (найменшою порцією) електричного заряду. Слід зазначити, що у сучасній фізиці елементарних частинок передбачається існування про кварків - частинок з дробовим зарядом і, проте, у вільному стані кварки досі спостерігати зірвалася.

У звичайних лабораторних дослідах для виявлення та вимірювання електричних зарядів використовується електрометр ( або електроскоп) - прилад, що складається з металевого стрижня та стрілки, яка може обертатися навколо горизонтальної осі (рис. 1.1.1). Стрижень із стрілкою ізольований від металевого корпусу. При зіткненні зарядженого тіла зі стрижнем електрометра електричні заряди одного знака розподіляються по стрижню та стрілці. Сили електричного відштовхування викликають поворот стрілки на деякий кут, яким можна судити про заряд, переданому стрижню електрометра.

Електрометр є досить грубим приладом; він дозволяє досліджувати сили взаємодії зарядів. Вперше закон взаємодії нерухомих зарядів був відкритий французьким фізиком Шарлем Кулоном в 1785 р. У своїх дослідах Кулон вимірював сили тяжіння та відштовхування заряджених кульок за допомогою сконструйованого ним приладу - крутильних ваг (рис. 1.1.2), що відрізнялися надзвичайно високою чутливістю. Так, наприклад, коромисло терезів поверталося на 1° під дією сили порядку 10 -9 Н.

Ідея вимірів ґрунтувалася на блискучій здогадці Кулона про те, що якщо заряджена кулька привести в контакт з такою самою незарядженою, то заряд першого розділиться між ними порівну. Таким чином, був вказаний спосіб змінювати заряд кульки в два, три і т.д. У дослідах Кулона вимірювалася взаємодія між кульками, розміри яких набагато менші за відстань між ними. Такі заряджені тіла прийнято називати точковими зарядами.

Точковим зарядом називають заряджене тіло, розмірами якого в умовах даного завдання можна знехтувати.

На підставі численних дослідів Кулон встановив такий закон:

Сили взаємодії нерухомих зарядів прямо пропорційні добутку модулів зарядів і обернено пропорційні квадрату відстані між ними:

Сили взаємодії підпорядковуються третьому закону Ньютона:

Вони є силами відштовхування за однакових знаків зарядів і силами тяжіння за різних знаків (рис. 1.1.3). Взаємодія нерухомих електричних зарядів називають електростатичним або кулонівським взаємодією. Розділ електродинаміки, що вивчає кулонівську взаємодію, називають електростатикою .

Закон Кулона є справедливим для точкових заряджених тіл. Практично закон Кулона добре виконується, якщо розміри заряджених тіл набагато менші за відстань між ними.

Коефіцієнт пропорційності kу законі Кулона залежить від вибору системи одиниць. У Міжнародній системі СІ за одиницю заряду прийнято кулон(Кл).

Кулон - це заряд, що проходить за 1 с через поперечний переріз провідника при силі струму 1 А. Одиниця сили струму (Ампер) у СІ є поряд з одиницями довжини, часу та маси основною одиницею виміру.

Коефіцієнт kу системі СІ зазвичай записують у вигляді:

Де - електрична постійна .

У системі СІ елементарний заряд eдорівнює:

Досвід показує, що сили кулонівської взаємодії підпорядковуються принципу суперпозиції:

Якщо заряджене тіло взаємодіє одночасно з декількома зарядженими тілами, то результуюча сила, що діє дане тіло, дорівнює векторній сумі сил, що діють на це тіло з боку інших заряджених тіл.

Мал. 1.1.4 пояснює принцип суперпозиції з прикладу електростатичного взаємодії трьох заряджених тіл.

Принцип суперпозиції є фундаментальним законом природи. Однак, його застосування вимагає певної обережності, у тому випадку, коли йдеться про взаємодію заряджених тіл кінцевих розмірів (наприклад, двох провідних заряджених куль 1 і 2). Якщо до системи з двох заряджених куль піднсти третю заряджену кулю, то взаємодія між 1 і 2 зміниться через перерозподілу зарядів.

Принцип суперпозиції стверджує, що при заданому (фіксованому) розподілі зарядівна всіх тілах сили електростатичної взаємодії між будь-якими двома тілами не залежать від інших заряджених тіл.

е - = 1,6 · 10 - 19 Кл (1.9)

Багато формули електрики входить просторовий множник 4p. Щоб позбутися його в практично важливих формулах, закон Кулона записується в наступній формі:

Таким чином (1.11)

Звідки (1.12)

e 0 - називається електричної постійної.

§6: Теорія близькодії. Електричне поле.

Досвід показує, що між електрично зарядженими і намагніченими тілами, а також тілами, якими течуть електричні струми діють сили, звані електромагнітними або електродинамічними. Щодо природи цих сил у науці висувалися дві протилежні точки зору. Більш рання з них (звана теорією далекодії) виходила з уявлення про безпосередню дію тіл на відстані без участі будь-яких проміжних матеріальних посередників. У цьому бездоказово передбачалося, що така дія миттєво, тобто. з нескінченно великою швидкістю (v®¥)!? Новіша точка зору, прийнята в даний час у фізиці, виходить з уявлення про те, що взаємодії передаються за допомогою особливого матеріального посередника, званого електромагнітним полем (це - так звана теорія близькодії). Відповідно до цієї теорії максимальна швидкість поширення взаємодій дорівнює швидкості світла у вакуумі: v = c (з-швидкість світла у вакуумі). Теорія далекодії черпала свої ідеї з вчення Ньютона про всесвітнє тяжіння. Величезні успіхи небесної механіки з одного боку і повна невдача хоч як не пояснити причини тяжіння з іншого боку, привели багатьох учених до уявлення, що тяжіння та електромагнітні сили не потребують пояснення, а є “вродженими” властивостями самої матерії. У математичному відношенні теорія далекодії досягла високого ступеня досконалості завдяки роботам Лапласа, Гауса, Остроградського, Ампера, Пуассо. Її дотримувалася більшість фізиків до кінця XIX ст. Майкл Фарадей був майже єдиним, хто дотримувався іншої точки зору. Він є основоположником фізичної теорії електромагнітного поля. Відповідно до теорії Фарадея дії одного тіла на інше може здійснюватися або безпосередньо при зіткненні або передаватися через проміжне середовище. Таким чином, центр уваги з вивчення зарядів і струмів, які є основними об'єктами теорії далекодії, Фарадей переніс на вивчення навколишнього простору. Цей простір з силами, що діють у ньому, називається електромагнітним полем.

Електрична взаємодія здійснюється за схемою:

заряд ® поле ® заряд,

тобто. кожен заряд створює навколо себе електричне поле, яке діє з силою на решту всіх заряджених частинок, що знаходяться в цьому полі. Максвел показав, що електромагнітні взаємодії повинні поширитися зі швидкістю світла у вакуумі з»3 · 10 8 м/c. Це головний аргумент на користь теорії близькодії. Про природі електричного поля можна сказати, що його матеріально, тобто. існує і має властивості властиві тільки йому. Серед найважливіших властивостей електромагнітного поля можна назвати такі:

1. Електричне поле уражається електричними зарядами та заповнює весь простір.

2. Електричне поле діє на заряди з певною силою.

Принцип суперпозицій полів. Щільність заряду.

Нехай поле створюється зарядом q1. Якщо для даної точки поля, яка визначається радіус-вектором r 12 , згідно із законом Кулона взяти відношення

то видно, що це відношення вже не залежить від пробного заряду q 2 і таким чином вираз, що стоїть у правій частині (1.13) може бути характеристикою поля, створюваного зарядом q 1 . Ця величина називається напругою електричного поля E!

Розмір напруженості ел. поля з відривом r від заряду q дорівнює

Напруженість – величина векторна. У векторному вигляді вона має вигляд:

З урахуванням (1.15) закон Кулону (1.4) можна записати у вигляді:

З (1.17) видно, що напруженість електричного поля дорівнює силі, що діє на одиничний позитивнийзаряд.

Розмірність напруженості [E]=H/Kл

Принцип суперпозиції

Досвід показує, що для електричного поля є справедливим принцип суперпозиції полів:

Якщо - напруженості полів, створюваних окремими зарядами у будь-якій точці простору, то напруженість у цій точці дорівнює сумі напруженостей.

де r i - Радіус-вектор, спрямований від заряду q i в точку спостереження.

Цей принцип справедливий до розмірів ядер r~10 - 15м.

Звертаємо увагу, що у (1.18) напруженості складаються векторно! За формулами (1.15) і (1.18) можна обчислити напруженість електричного поля, створюваного як точковими зарядами, а й зарядженими тілами будь-якої форми.

Щільність заряду.

Якщо заряджене тіло велике і його не можна розглядати як точковий заряд, то обчислення напруженості ел. Поля такого тіла необхідно знати розподіл зарядів усередині цього тіла. Цей розподіл характеризується функцією, що називається об'ємною густиною електричних зарядів. За визначенням, об'ємною щільністю зарядівзв.

Розподіл зарядів вважається відомим, якщо відома функція r = r(x, y, z).

Якщо заряди розташовані на поверхні, то вводиться поверхнева щільність зарядів

Розподіл зарядів поверхнею вважається відомим, якщо відома функція s = s (x, y, z).

Якщо заряди розподілені вздовж лінії, то вводиться лінійна щільність зарядів, яка за визначенням є:

Розподіл зарядів вважається відомим, якщо відома функція t = t (x, y, z).

§8: Силові лінії електричного поля. Напруженість поля точкового заряду.

Електричне поле вважається відомим, якщо відомий вектор напруженості у кожній точці простору. Задати або представити поле на папері можна або аналітично, або графічно за допомогою силової лінії.