Частицы обладающие положительным электрическим зарядом называются

Электрические заряды

Если потереть стеклянную палочку о лист бумаги, то палочка приобретёт способность притягивать к себе листочки «султана» (см. рис. 1.1), пушинки, тонкие струйки воды. При расчёсывании сухих волос пластиковой расчёской волосы притягиваются к расчёске. В этих простых примерах мы встречаемся с проявлением сил, которые получили название электрических.

Рис. 1.1. Притягивание листочков «султана» наэлектризованной стеклянной палочкой.

Тела или частицы, которые действуют на окружающие предметы электрическими силами, называют заряженными или наэлектризованными. Например, упомянутая выше стеклянная палочка после того, как её потереть о лист бумаги, становится наэлектризованной.

Частицы имеют электрический заряд, если они взаимодействуют друг с другом посредством электрических сил. Электрические силы уменьшаются с увеличением расстояния между частицами. Электрические силы во много раз превышают силы всемирного тяготения.

Электрический заряд – это физическая величина, которая определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий. Электромагнитные взаимодействия – это взаимодействия между заряженными частицами или телами.

Электрические заряды делятся на положительные и отрицательные. Положительным зарядом обладают стабильные элементарные частицы – протоны и позитроны, а также ионы атомов металлов и т.д. Стабильными носителями отрицательного заряда являются электрон и антипротон.

Существуют электрически незаряженные частицы, то есть нейтральные: нейтрон, нейтрино. В электрических взаимодействиях эти частицы не участвуют, так как их электрический заряд равен нулю. Бывают частицы без электрического заряда, но электрический заряд не существует без частицы.

На стекле, потёртом о шёлк, возникают положительные заряды. На эбоните, потёртом о мех – отрицательные заряды. Частицы отталкиваются при зарядах одинаковых знаков (одноимённые заряды), а при разных знаках (разноимённые заряды) частицы притягиваются.

Все тела состоят из атомов. Атомы состоят из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые движутся вокруг ядра атома. Атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных частиц – нейтронов. Заряды в атоме распределены таким образом, что атом в целом является нейтральным, то есть сумма положительных и отрицательных зарядов в атоме равна нулю.

Электроны и протоны входят в состав любого вещества и являются наименьшими устойчивыми элементарными частицами. Эти частицы могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Электрический заряд электрона и протона называется элементарным зарядом.

Элементарный заряд – это минимальный заряд, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Электрический заряд протона равен по абсолютной величине заряду электрона:

е = 1,6021892(46) * 10-19 Кл

Величина любого заряда кратна по абсолютной величине элементарному заряду, то есть заряду электрона. Электрон в переводе с греческого electron – янтарь, протон – от греческого protos – первый, нейтрон от латинского neutrum – ни то, ни другое.

Проводники и диэлектрики

Электрические заряды могут перемещаться. Вещества, в которых электрические заряды могут свободно перемещаться, называются проводниками. Хорошими проводниками являются все металлы (проводники I рода), водные растворы солей и кислот – электролиты (проводники II рода), а также раскалённые газы и другие вещества. Тело человека также является проводником. Проводники обладают высокой электропроводностью, то есть хорошо проводят электрический ток.

Вещества, в которых электрические заряды не могут свободно перемещаться, называются диэлектриками (от английского dielectric, от греческого dia – через, сквозь и английского electric – электрический). Эти вещества также называют изоляторами. Электропроводность диэлектриков очень мала по сравнению с металлами. Хорошими изоляторами являются фарфор, стекло, янтарь, эбонит, резина, шёлк, газы при комнатных температурах и другие вещества.

Разделение на проводники и изоляторы условно, так как проводимость зависит от различных факторов, в том числе от температуры. Например, стекло хорошо изолирует только в сухом воздухе и становится плохим изолятором при большой влажности воздуха.

Проводники и диэлектрики играют огромную роль в современном применении электричества.

§ 16. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда

Электрический заряд. О том, что янтарь, потёртый о шерсть, приобретает свойство притягивать лёгкие предметы (рис. 94), знали ещё древние греки. Однако только в 1600 г. лейб-медик королевы Англии доктор медицины Уильям Гильберт в книге «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле» дал первое систематизированное описание свойств электрических и магнитных материалов. Гильберт продемонстрировал, что кроме янтаря свойством притягивать лёгкие предметы обладают после натирания алмаз, сера, фарфор и многие другие тела. Он назвал их «электрическими» (ελεκτρον по-гречески — янтарь). Теперь мы говорим, что такие тела электрически заряжены, т. е. им сообщён электрический заряд.

Электрический заряд — физическая скалярная величина, характеризующая интенсивность электромагнитного взаимодействия тел (частиц).

Электрический заряд является источником электромагнитного поля, связанного с материальным носителем (телом или частицей). Электрический заряд, как и масса, не существует без тела или частицы.

Электрическим зарядам присущи следующие фундаментальные свойства:

1) электрические заряды существуют в двух видах, которые названы положительными и отрицательными (существование двух видов зарядов установил Шарль Дюфэ ( 1698‒1739 ) в 1733 г., а в 1747 г. Бенджамин Франклин ( 1706‒1790 ) приписал им знаки «+» и «‒»);

2) электрический заряд аддитивен, т. е. заряд любой системы тел (частиц) равен сумме зарядов тел (частиц), входящих в систему;

3) в любой электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов тел (частиц) не изменяется;

4) электрический заряд дискретен, т. е. электрический заряд любого тела (частицы) кратен элементарному электрическому заряду;

5) значение электрического заряда тела (частицы) не зависит от выбора системы отсчёта, следовательно, не зависит от того, движется оно (она) или покоится;

6) электрический заряд тела (частицы) не зависит ни от его (её) механического состояния, ни от каких-либо действующих на него (неё) сил.

Существуют два вида электрических зарядов, которые условились называть положительными и отрицательными. Причём при взаимодействии одноимённо заряженные тела (частицы) отталкивают друг друга (рис. 95, а), а разноимённо заряженные — притягивают друг друга (рис. 95, б).

Заряды разных тел (частиц) могут отличаться не только знаками, но и числовыми значениями.

За единицу электрического заряда в СИ принят кулон (Кл). Эта единица названа в честь Шарля Кулона (1736–1806). 1 Кл — величина электрического заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за промежуток времени 1 с при силе постоянного тока 1 А.

Интересно знать

Один кулон — очень большая величина заряда. Расчёты показывают, что на удалённом от всех остальных тел металлическом шаре, находящемся в сухом воздухе, может находиться избыточный заряд 1 Кл, если его диаметр не менее 110 м. Вместе с тем при включении автомобильных фар сила тока в цепи приблизительно 10 А, т. е. ежесекундно через поперечное сечение проводников, подсоединённых к фарам, проходит заряд приблизительно 10 Кл.

Элементарный заряд. На рубеже XIX и XX столетий учёные экспериментально установили, что в природе существует электрический заряд, модуль которого минимален. Этот заряд назвали элементарным. Вы знаете, что ядра всех атомов содержат протоны, которые являются носителями положительного элементарного заряда, а сами атомы содержат электроны, являющиеся носителями отрицательного элементарного заряда. Учёные с точностью порядка ~10 –20 установили равенство модулей зарядов электрона и протона.

Модуль элементарного электрического заряда е = 1,6022 · 10 –19 Кл. Обычно ограничиваются двумя значащими цифрами е = 1,6 · 10 –19 Кл.

Электроны, протоны и нейтроны входят в состав всех тел, так как из них состоят атомы и молекулы любого вещества * . В электрически нейтральном теле алгебраическая сумма зарядов всех частиц равна нулю. Если каким-нибудь образом создать в таком теле избыток зарядов одного знака, то оно окажется заряженным. Заряд тела q образуется совокупностью элементарных зарядов и всегда кратен элементарному заряду е (электрический заряд дискретен):

где N_р и N_е — числа протонов и электронов в данном теле.

Например, тело, заряд которого q₁ = 5е, отличается от нейтрального тела недостатком пяти электронов, а тело, заряд которого q₂ = –13 е, — избытком тринадцати электронов.

От теории к практике

Мы отмечали, что 1 Кл — это очень большой заряд. Какому избытку (недостатку) электронов в теле соответствует этот заряд?

Из истории физики

В 1881 г. немецкий физик Герман Гельмгольц ( 1821‒1894 ) чётко сформулировал идею Фарадея об атомности электричества: «Если мы допускаем существование химических атомов, то мы принуждены заключить отсюда далее, что также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определённые элементарные количества, которые играют роль атомов электричества».

Интересно знать

В одном моле вещества (~6 · 10 23 молекул) заряженного тела обычно содержится относительно небольшое количество электронов (до ~1 · 10 10 ), избыточных или недостающих по сравнению с числом протонов. так как масса электрона 9,1 · 10 –31 кг, то это вызывает изменение массы одного моля заряженного тела не более чем на 9 · 10 –31 кг · 1 · 10 10 = 9 · 10 –21 кг по сравнению с массой нейтрального тела. такое изменение массы, конечно, можно не учитывать.

* Исключением является водород, у которого ядра атомов — протоны. ↑

Закон сохранения электрического заряда. Вы знаете, что при трении соприкасающиеся тела электризуются, при этом модули противоположных по знаку зарядов, возникших на телах, равны. Проверим это на опыте. Наэлектризуем трением соприкасающиеся друг с другом эбонитовую палочку и кусочек меха или шерстяной ткани. Поместим поочерёдно внутрь металлической сферы, укреплённой на стержне электрометра, эбонитовую палочку (рис. 96, а) и кусочек меха (рис. 96, б). Стрелка электрометра отклонится, причём, как в первом, так и во втором случаях, на одинаковые углы. Если же одновременно опустить внутрь сферы эбонитовую палочку и кусочек меха (рис. 96, в), то стрелка электрометра останется на месте. Следовательно, модули зарядов обоих тел равны, а их знаки противоположны.

Результаты многочисленных экспериментов позволили сформулировать утверждение, которое является фундаментальным законом природы — законом сохранения электрического заряда: в электрически изолированной системе при любых взаимодействиях алгебраическая сумма электрических зарядов остаётся постоянной:

где n — число зарядов в системе.

Принято считать систему тел (частиц) электрически изолированной, если между ней и внешними телами нет обмена электрически заряженными частицами.

Закон сохранения электрического заряда указывает на важную особенность электрических явлений: электрические заряды всегда появляются парами. Так, например, при электризации трением тела приобретают заряды противоположных знаков, модули которых одинаковые.

От теории к практике

Можно ли при электризации трением зарядить только одно из соприкасающихся первоначально электронейтральных тел?

Из истории физики

Закон сохранения электрического заряда впервые был сформулирован и экспериментально подтверждён М. Фарадеем в 1843 г.

1. Объясните электризацию тел при соприкосновении. Почему при электризации заряжаются оба тела?

2. Что характеризует электрический заряд?

3. Какие виды электрических зарядов существуют в природе? Как взаимодействуют одноимённо заряженные частицы? разноимённо заряженные?

4. Какой заряд называют элементарным?

5. В чём проявляется свойство дискретности электрического заряда?

6. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда. Каковы условия применимости этого закона?

7. При соскальзывании стеклянного бруска с наклонной плоскости происходит его электризация. Как это влияет на конечную скорость бруска?

Упражнение 12

1. Можно ли при электризации стеклянной палочки о шёлк сообщить ей заряд q = 4,8 · 10 –21 Кл?

2. Металлический шарик имеет N = 5,0 · 10 5 избыточных электронов. Определите его электрический заряд.

3. Два одинаковых металлических шарика закреплены так, что расстояние между ними существенно больше их размеров (рис. 97). Определите, какой заряд окажется на таком же третьем шарике, если им сначала коснуться первого шарика, а затем второго. Первоначальные заряды шариков: q₁ = 3е; q₂ = –8 е и q₃ = 5е.

4. Определите суммарный заряд всех протонов, содержащихся в воде объёмом V = 10 см 3 (две чайные ложки).

5. Два одинаковых металлических шара, электрические заряды которых q₁ = –4,0 · 10 –14 Кл и q₂ = 2,0 · 10 –13 Кл, привели в соприкосновение. Определите число электронов, перешедших с первого шара на второй.

6. После того, как уединённый шарик радиусом R = 4,0 см зарядили, на каждом квадратном миллиметре его поверхности находился заряд q₁ = 2,0 · 10 –13 Кл . Определите заряд, который был сообщён шарику.

7. После того, как два положительно заряженных металлических шарика одинакового размера привели в соприкосновение, заряд одного из них увеличился на α = 50 % . Определите отношение первоначальных зарядов шариков.

8. Заряд медного шара q = 25 нКл . Определите, какую часть своих валентных электронов потерял шар, если его масса m = 0,10 кг . Валентность меди n = 1 .

Свойства элементарных частиц, обладающих электрическим зарядом

Путем трения двух разнородных тел, а также с помощью наведения (индуцирования) телам могут быть сообщены особые свойства — электрические.

Электрические заряды и заряженные частицы

Изучение наэлектризованных тел показало, что электрические свойства их объясняются тем, что частицы, из которых состоят все вещества, обладают особым физическим свойством, называемым электрическим зарядом.

Электрический заряд характеризует взаимосвязь частиц с собственным электромагнитным полем и их взаимодействие с внешним электромагнитным полем. Заряд является одним из отличительных свойств многих элементарных частиц. Существует два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные.

Как известно, все тела в природе состоят из дискретных частиц. Эти частицы называются элементарными. Каждая элементарная частица обладает своими характеристиками, отличительными от характеристик других частиц. К таким характеристикам относятся: масса покоя, электрический заряд, спин, магнитный момент, время жизни и др.

Элементарные частицы входят в состав атомов и молекул вещества, но они могут быть и в свободном состоянии. Таковы, например, электроны, составляющие «электронный газ» в металлических проводниках, электроны катодных потоков в электронных лампах и т. д.

Элементарные частицы с электрическими зарядами разных знаков притягиваются, а с зарядами одинаковых знаков отталкиваются друг от друга. При движении частиц вокруг них наблюдается магнитное поле.

Основными носителями зарядов в веществе, т. е. частицами, которым присущи электрические свойства, являются электроны, заряженные отрицательно, и протоны с положительным зарядом. Они входят в состав атомов всех веществ, являясь их основными структурными элементами.

Совокупность всех электрических явлений обусловливается зарядами частиц, входящих в состав атомов, и их полями. В связи с этим остановимся на внутреннем строении атомов в той мере, в какой это необходимо для понимания явлений, рассматриваемых в электротехнике.

Электрические свойства тел

Твердые тела обычно имеют кристаллическую структуру: их атомы располагаются в пространстве в строгой последовательности на определенном расстоянии друг от друга, образуя так называемую пространственную, или кристаллическую, решетку. В узлах решетки располагаются положительные ионы.

Из-за относительно небольших расстояний на электроны валентной оболочки данного атома оказывают действие соседние атомы, благодаря чему валентные электроны непосредственно участвуют в электронном обмене каждого атома с окружающими его соседними атомами. Это приводит к тому, что уровни энергии расщепляются на ряд близко расположенных уровней, которые образуют зоны непрерывных энергетических состояний электронов.

Электрические свойства тел определяются структурой этих зон и числом электронов, заполняющих зоны в соответствии с принципом запрета. В металлах, к которым относится, например, медь, валентная зона лишь наполовину заполнена электронами, в то время как все зоны с меньшим значением энергии заполнены целиком.

Наличие одной частично заполненной зоны характерно для всех металлов. Для возбуждения валентного электрона изолированного атома на более высокий уровень требуются определенные дискретные порции энергии.

В металлах зона проводимости заполнена частично. Поэтому в ней электроны легко занимают свободные состояния и практически достаточно сколь угодно малого количества энергии, чтобы поднять электрон на более высокий свободный уровень и создать электрический ток.

Поскольку проводимость в металлах обусловливается подвижностью электронов, она называется электронной проводимостью. Проводимость электролитов определяется наличием в растворах легкоподвижных положительных и отрицательных ионов, на которые распадается часть молекул растворенного вещества. Такая проводимость называется ионной проводимостью.

Значительной ионной проводимостью отличаются некоторые соли в расплавленном состоянии и газы в ионизированном состоянии. Газы ионизируются под влиянием высокой температуры, высокого напряжения и т. д. Газ с высокой плотностью свободных электронов и молекул в ионизированном состоянии называется плазмой.

Закон Кулона

Законом Кулона (1785 г.) впервые устанавливалось количественное соотношение между значениями электрических зарядов и их взаимодействием. Этот закон сыграл и продолжает играть большую роль в установлении единицы заряда и силовой характеристики электростатического поля. Подробнее об этом смотрите здесь: Закон Кулона и его применение в электротехнике

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

элементарный электрический заряд

(е), минимальный электрический заряд, положительный или отрицательный, величина которого е≈4,8·10 -10 единиц СГСЭ, или 1,6·10 -19 Кл. Почти все заряженные элементарные частицы имеют заряд +е или —е (исключение — некоторые резонансы с зарядом, кратным е); частицы с дробными электрическими зарядами не наблюдались, однако в современной теории сильного взаимодействия — квантовой хромодинамике — предполагается существование кварков — частиц с зарядами, кратными 1 /₃ е.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД

ЭЛЕМЕНТА́РНЫЙ ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЙ ЗАРЯ́Д (е), минимальный электрический заряд, положительный или отрицательный, равный величине заряду электрона.
Предположение о том, что любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен элементарному, было высказано Б. Франклином (см. ФРАНКЛИН Бенджамин) в 1752 г. Благодаря опытам М. Фарадея (см. ФАРАДЕЙ Майкл) по электролизу величина элементарного заряда была вычислена в 1834 г. На существование элементарного электрического заряда также указал в 1874 г. английский ученый Дж.Стони. Он же ввел в физику понятие «электрон» и предложил способ вычисления значения элементарного заряда. Впервые экспериментально элементарный электрический заряд был измерен Р. Милликеном (см. МИЛЛИКЕН Роберт Эндрус) в 1908 г.
Материальными носителями элементарного электрического заряда в природе являются заряженные элементарные частицы (см. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ) .
Электрический заряд (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД) любой микросистемы и макроскопических тел всегда равен алгебраической сумме элементарных зарядов, входящих в систему, то есть целому кратному от величины е (или нулю).
Установленное в настоящее время значение абсолютной величины элементарного электрического заряда (см. ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД) составляет е = (4,8032068 0,0000015) . 10 -10 единиц СГСЕ, или 1,60217733 . 10 -19 Кл. Вычисленная по формуле величина элементарного электрического заряда, выраженная через физические константы, дает значение для элементарного электрического заряда: e = 4,80320419(21) . 10 -10 , или: е =1,602176462(65) . 10 -19 Кл.
Считается, что этот заряд действительно элементарен, то есть он не может быть разделен на части, а заряды любых объектов являются его целыми кратными. Электрический заряд элементарной частицы является ее фундаментальной характеристикой и не зависит от выбора системы отсчета. Элементарный электрический заряд в точности равен величине электрического заряда электрона, протона и почти всех других заряженных элементарных частиц, которые тем самым являются материальными носителями наименьшего заряда в природе.
Существует положительный и отрицательный элементарный электрический заряд, причем элементарная частица и ее античастица имеют заряды противоположных знаков. Носителем элементарного отрицательного заряда является электрон , масса которого me = 9,11 . 10 -31 кг. Носителем элементарного положительного заряда является протон, масса которого mp = 1, 67 . 10 -27 кг.
Тот факт, что электрический заряд встречается в природе лишь в виде целого числа элементарных зарядов, можно назвать квантованием электрического заряда. Почти все заряженные элементарные частицы имеют заряд е — или е + (исключение — некоторые резонансы с зарядом, кратным е); частицы с дробными электрическими зарядами не наблюдались, однако в современной теории сильного взаимодействия — квантовой хромодинамике — предполагается существование частиц — кварков — с зарядами, кратными 1 /₃ е.
Элементарный электрический заряд не может быть уничтожен; этот факт составляет содержание закона сохранения электрического заряда на микроскопическом уровне. Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь. Однако всегда возникают или исчезают два элементарных заряда противоположных знаков.
Величина элементарного электрического заряда является константой электромагнитных взаимодействий и входит во все уравнения микроскопической электродинамики.

Энциклопедический словарь . 2009 .

• элементарный
• элементоорганические соединения