Дайте характеристику физической величины электрический заряд

Научно популярная статья

Мы пережидали грозу в вестибюле института. Сверкнула молния. Я досчитал до шести и тут прогремел гром. Умножил шесть на 300, получилось 1800. Однако совсем рядом ударила — подумал я. Около меня стояли две девушки. Неожиданно я спросил их: «А вы знаете, как определить расстояние до молнии?» Они снисходительно заулыбались: «Мы школу закончили и нам этого теперь совсем уже не надо». Я не знал, что им сказать. «Пережидая грозу»

Что и говорить, физика очень трудный предмет и многие стараются после школы забыть её как страшный сон. Почему так происходит? Трудности начинаются сразу же при определении основных физических величин и понятий. И это осознают сами ученые. Вот что пишет об этом Р.Ю. Волковыский в [1]. «Совсем не поддаются формально — логическому определению такие основные понятия физики, как энергия, масса, заряд и т.д.» И далее там же [1] он пишет. «В связи с этим вопрос об определениях физических величин оказывается выходящим за рамки физики и методика введения определений должна быть основана на достижениях научной философии, логики и математики» Из цитаты ясно, что классическая физика пока не в состоянии, да и вроде бы не должна в рамках, поставленных перед нею вычислительных задач, давать однозначное строгое определение основным физическим величинам, которые она просто объявляет фундаментальными, то есть исходными и неопределяемыми. Почему так происходит? Наверное, ввиду сложности объектов и явлений, с которыми сталкивается эта наука. Классическая физика в большей мере остается наукой экспериментальной, и поэтому пока только в рамках описания специально организованного опыта мы можем сформулировать, например, гипотезу об электрическом заряде, а затем, ссылаясь на этот опыт дать его определение. Цель данной работы — на основе монографии [2] рассмотреть проблемы определения сущности понятия физической величины и попытаться дать более или менее формально-логическое определение электрического заряда, как физической величины конкретной самоорганизующейся системы, образованной взаимодействием базисных унифицированных физических элементов. 1 Сущность понятия — физическая величина Начало всех проблем оснований физики сосредоточено в понятии физического объекта (системы) и его физической величины. Что же такое физическая величина с точки зрения классической физики? Приведем определение, сформулированное в справочнике [3]. «Физическая величина — это свойство, в качественном отношении общее многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуально для каждого объекта». В классической физике довольно часто объект определяется посредством физической величины, которой он должен обладать или опосредованно с ней связан. Например, в классической физике объект, обладающий массой, определяется как материальная точка, обладающая массой. Что должно обуславливать наличие массы, об этом не говориться. Каков должен быть физический объект (система), чтобы он обладал массой рассмотрено в статье [4]. Так же непросто обстоит дело и с определением электрического заряда. Он определяется, как правило, с помощью силового взаимодействия частиц [5]. «Существует два рода электрических зарядов — положительные и отрицательные. Силы взаимодействия неподвижных тел или частиц, обусловленные электрическими зарядами этих тел или частиц, называются электростатическими силами«. Другими словами, электростатические силы обуславливаются электрическими зарядами, при этом подразумевается, что заряды обнаруживаются с помощью электростатических сил. И естественно электростатические силы отличаются от других сил только тем, что они обусловлены электрическими зарядами. Почему то всё это наводит на мысль о «сепульке», которую изобрел Станислав Лем. В современных школьных учебниках, например в [6], можно встретить и такое определение электрического заряда. «Электрический заряд — это физическая величина, являющаяся источником электрического поля, посредством которого осуществляется взаимодействие частиц, обладающих зарядом». Данное определение является более удачным по сравнению с предыдущим. Более академичное определение электрического заряда дано в [7]. «Электрический заряд — скалярная физическая величина, являющаяся количественной мерой электромагнитных взаимодействий». Но всё равно возникает ряд вопросов, на которые нет ответа. Почему электрический заряд является источником электрического поля? Что такое электрическое поле? Каков механизм взаимодействия частиц обладающих электрическим зарядом? И вообще-то желательно, чтобы определение электрического заряда было единственным. Казалось бы, что выходом из ситуации логического круга, могло бы быть определение электрического заряда, как свойства электрона. В [5] дается такое определение электрического заряда. «Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, приближенно равных
Кл. Наименьшей по массе устойчивой частицей, имеющей отрицательный элементарный заряд, является электрон«. То есть электрон это и есть тот объект, имеющий электрический заряд, обуславливающий «электростатические силы». Но тут же мы вправе задать вопрос: «Чем же таким особенным в структуре электрона обусловлено наличие у него именно свойства — электрического заряда»? Или другими словами, каким должно быть свойство «в качественном отношении общее многим физическим объектам» (структура, конструкция, состав) физического объекта, чтобы он обладал физической величиной электрический заряд? В классической физике отсутствует конструктивное унифицированное определение объектов, т.е. такое, чтобы всякий сложный физический объект мог бы создаваться, конструироваться из минимального числа элементарных унифицированных физических объектов и обладал бы соответствующей физической величиной. Таким образом, для того, чтобы дать формально-логическое определение любой физической величине необходимо, чтобы всякая физическая величина была обусловлена структурой, конструкцией или геометрией и составом физической системы, входящих в неё унифицированных физических элементов. Следовательно, мы должны определить, какая должна быть структура и состав физической системы, чтобы она обладала именной физической величиной — электрический заряд. 2 Унифицированные физические элементы Наиболее подходящими объектами, в качестве образца для построения унифицированных физических элементов, могут служить геометрические объекты. Геометрические объекты или подсистемы физического пространства и их величины широко используются в физике — это точка (или число), линия (траектория), плоскость или поверхность (мембрана), трёхмерные тела (шар, куб и т.д.). Физические величины, которыми обладают геометрические объекты — это длина L, площадь S, объём V. Другими словами, каждому геометрическому объекту можно сопоставить свою количественную характеристику. При этом между геометрическими величинами существует простая математическая взаимосвязь, выражаемая в виде формул:
,
,
,
где n — число. Для геометрической величины любой размерности общая формула имеет вид:
, где N размерность пространства, а
функция, которая задает форму геометрического объекта. В качестве базисных унифицированных элементов физических систем естественно рассматривать пространство, время, вещество, электромагнитное и гравитационное поле. Для того чтобы построить физические системы обладающие свойством массы или электрического заряда и т.д. естественно предположить, что все наши базисные элементы взаимодействуют между собой и тем самым образуют самоорганизующуюся систему — физическая реальность или Универсум. В монографии [2] сформулирован постулат N1 о самоорганизации физической реальности. Постулат N1 «Окружающая нас физическая реальность является единой самоорганизующейся физической системой» Поскольку в классической физике пространству и времени приписывается иной, не системный физический смысл, где «пространство и время являются формой существования материи», то пространство и время, как базисные подсистемы Универсума будем называть геометрическим пространством и астрономическим временем соответственно. Таким образом, геометрическое пространство и астрономическое время являются базисными подсистемами Универсума. В свою очередь эти базисные подсистемы состоят из унифицированных физических элементов. Унифицированными физическими элементами геометрического пространства являются многомерные полости
. Унифицированными физическими элементами астрономического времени являются многомерные интервалы
. Однако из повседневного опыта ясно, что Универсум не может состоять только из пустого геометрического пространства и длящегося без изменений астрономического времени, поскольку он должен вмещать в себя какие-то осязаемые в пространстве вещи и обнаруживаемые во времени события. Некоторые полости геометрического пространства должны быть заполнены «веществом» (пространственно подобной субстанцией), а некоторые из интервалов должны быть заполнены происходящими «событиями» (в виде сгущений времени или времени подобного эфира). «Вещество» и «события» как базисные подсистемы Универсума мы будем называть вещной субстанцией и хрональным эфиром соответственно. Таким образом, вещная субстанция и хрональный эфир тоже являются базисными подсистемами Универсума. Унифицированными физическими элементами вещной субстанции являются многомерные гранулы
, которые могут занимать отдельные многомерные полости геометрического пространства
. Унифицированными физическими элементами хронального эфира являются многомерные импульсы хронального эфира
, которые могут происходить в отдельных многомерных интервалах астрономического времени
. 3 Унифицированные физические величины В монографии [2] вводятся следующие понятия. 1) Геометрическое пространство (ГП), состоящее из физических элементов — непрерывных многомерных полостей
, которые сопоставимы с пространством классической физики и являются пространственной компонентой гравитационного и фотонного (электромагнитного) поля. Многомерные полости
должны иметь значения размерности ? равные: 1, 2, 3, 4, или 5 и обладать соответствующей унифицированной физической величиной (фреймом)
. 2) Вещная субстанция (ВС), состоящая из физических элементов — дискретных многомерных гранул
, которые размещаются в полостях ГП и являются заполняющей полости ГП компонентой инертной и электрической материи (электричества). Многомерные гранулы
должны иметь значения размерности ? равные: 1, 2, 3, 4, или 5 и обладать соответствующим фреймом
, где i известная в математике мнимая единица
. 3) Астрономическое время (АВ), состоящее из физических элементов — непрерывных многомерных интервалов
, которые сопоставимы с временем классической физики и являются временной компонентой гравитационного поля и электрической материи. Многомерные интервалы
должны иметь значения размерности ? равные: 1, 2, 3, 4, или 5 и обладать соответствующим фреймом
. 4) Хрональный эфир (ХЭ), состоящий из физических элементов — дискретных многомерных импульсов
, которые происходят (возникают, длятся и заканчиваются) в интервалах АВ и являются проистекающей в интервалах АВ компонентой фотонного поля и инертной материи Многомерные импульсы
должны иметь значения размерности ? равные: 1, 2, 3, 4, или 5 и обладать соответствующим фреймом
. В монографии [2] вводится понятие физического комплекса. Физическим комплексом будем называть объект, образующийся в результате системной интеграции физических элементов разного рода. В результате системной ортогональной интеграции физических элементов базисных подсистем образуются четыре вида физических комплексов: 1)
?
=
— гравитоны гравитационного поля; 2)
?
=
— фотоны фотонного поля; 3)
?
=
— электрионы электрической материи; 4)
?
=
— инерционы инертной материи. Вводятся две аксиомы. Аксиома N1 Отношение
является фундаментальной системной константой. Аксиома N2 Отношение
является фундаментальной системной константой. Тогда гравитационная постоянная будет иметь вид:
. Электрическая постоянная будет иметь вид:
. 4 Определение электрического заряда С помощью физических элементов и унифицированных физических величин или фреймов мы можем теперь определить не только электрический заряд, но и физическую систему, которая обладает таким свойством. Рассмотрим известное в классической физике уравнение

, (1)

где m — масса, a — ускорение, q — электрический заряд, E — напряженность электрического поля. В статье [2] нами был определен фрейм массы, который имеет вид
. Очевидно, что фрейм ускорения будет иметь вид
. Тогда если подставить эти фреймы в выражение (1), то получим:

(2)

Если поменять местами знаменатели левой части выражения (2), то равенство сохраниться исходя из коммутационного свойства умножения. После перестановки мы получим:

(3)

Используя принцип подобия можно считать, что инертная масса подобна электрическому заряду, поэтому логично будет отождествить первый сомножитель в уравнении (3) с зарядом, а второй сомножитель с напряженностью электрического поля. Тогда легко увидеть, что фрейм заряда будет иметь вид
, а фрейм напряженности электрического поля будет иметь вид
. Легко увидеть, что формула для электрического заряда подобна формуле для массы, а формула напряженности электрического поля подобна формуле ускорения. 5 Физический смысл электрического заряда Поскольку между физическими элементами и фреймами существует взаимно-однозначное соответствие, то мы можем определить комплекс, который должен обладать электрическим зарядом. Это будет электрион, образованный взаимодействием трёхмерной гранулы вещной субстанции с обратным двухмерным интервалом астрономического времени. Символическая формула данного комплекса электрической материи будет иметь вид:
?
=
Можно дополнительно предположить, что физический смысл электрического заряда заключается в том, что таким свойством обладает трёхмерная гранула вещной субстанции, колеблющаяся с некоторым периодом времени, квадрат которого равен двухмерному интервалу астрономического времени.

Теперь мы знаем ещё одно определение электрического заряда. У нас появились новые возможности для познания физической реальности, например, мы теперь можем легко доказать теорему о взаимодействии заряда и массы [4], и вопрос о том, что такое электрический заряд стал для нас не сложнее, чем вопрос — как определить расстояние до молнии? Хватит пережидать грозу, впереди долгий путь.

1. Волковыский Р.Ю. Определение физических понятий и величин. М.: Просвещение, 1976. 2. Поздняков Н.И. Системная физика ? решение шестой проблемы Гильберта. Нижний Новгород: Изд-во Волго-Вятской Академии гос. Службы, 2008. http://hotfile.com/dl/97520381/c581361/System_physics.pdf.html 3. Чертов А.Г. Единицы физических величин. М.: Высшая школа, 1977. 4. Поздняков Н.И. К вопросу о физическом смысле гравитационной постоянной и массы. http://zhurnal.lib.ru/p/pozdnjakow_nikolaj_iwanowich/fizichsmisl.shtml 5. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Физика для школьников старших классов и поступающих в вузы: Учеб. пособие. 4-е изд., стереотип. М.: Дрофа, 2001.800с 6. ЕГЭ 2009 Физика справочник Автор-составитель Бальва О.П. «Издательство «Эксмо»» Москва 2009. 7. Физика. Весь школьный курс в таблицах / сост. В.В. Тульев — Ф50 Минск: Современная школа: Кузьма, 2010 — 4-е изд. — 240с.

Комментарии: 1, последний от 04/05/2012.
© Copyright Поздняков Николай Иванович (&#110&#112&#111&#122&#100&#110&#105&#97&#107&#64&#114&#97&#109&#98&#108&#101&#114&#46&#114&#117)
Размещен: 30/07/2011, изменен: 30/07/2011. 22k. Статистика.
Статья: Естествознание

Электрический заряд

Электрический заряд является фундаментальным свойством материала , что позволяет ему взаимодействовать с помощью электромагнитных полей . Речь идет о скалярной величине , которая играет для электромагнитного взаимодействия ту же роль, что и масса для гравитационного взаимодействия . Однако, в отличие от последнего, существует два типа электрических зарядов, которые можно различить по знаку: положительный или отрицательный. Заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а заряды противоположных знаков — притягиваются. В обычной материи существует баланс между положительными и отрицательными зарядами, мы говорим об электронейтральности .

Обычная единица измерения заряда — кулон (Кл) . Однако в некоторых случаях иногда используются другие единицы измерения, такие как ампер-час ( А · ч ).

Электрический заряд всегда сохраняется и составляет существенное свойство элементарных частиц, подвергающихся электромагнитному взаимодействию. Электрически заряженная материя находится под влиянием электромагнитных полей и производит их. Начиная с эксперимента Милликена в 1909 году, было продемонстрировано, что электрический заряд определяется количественно : любой заряд Q является целым числом, кратным элементарному заряду , отмеченному e , что соответствует абсолютному значению заряда электрона с e ≈ 1,602 × 10 -19 С . Однако из-за малости этого значения часто можно рассматривать заряд как непрерывную величину, когда рассматриваются макроскопические количества зарядов. Однако в электронике дискретный характер электрического заряда проявляется в виде шума особого типа, называемого дробовым шумом .

Резюме

1 Презентация и исторические аспекты
- 1.1 Общие
- 1.2 История
- 1.3 Условные обозначения и реалии
- 2.1 Инвариантность
- 2.2 Единицы
- 2.3 Закон Кулона
- 3.1 Примечания
- 3.2 Ссылки
- 5.1 Связанные статьи
Презентация и исторические аспекты

Общий

Электрический заряд — это абстрактное понятие, сравнимое с понятием массы , которое помогает объяснить определенное поведение. В отличие от массы электрический заряд может принимать две формы, которые, как показывает опыт, считаются «противоположными»; их условно называют «положительными» и «отрицательными».

Два заряда одинаковой природы, например два положительных заряда, отталкиваются друг от друга, а два заряда противоположной природы притягиваются друг к другу. Это явление называется электромагнитным взаимодействием.

Взаимодействие между зарядами и электромагнитным полем является источником одной из четырех фундаментальных сил . Эти электромагнитные поля в классической механике подчиняются уравнениям Максвелла .

Электрический заряд можно непосредственно измерить электрометром . Его единица — кулон . Наблюдаемые частицы имеют заряды, кратные элементарному заряду, который является фундаментальной физической константой (за исключением частиц, называемых кварками, у которых есть электрический заряд, соответствующий целому числу, умноженному на e / 3). Кварки имеют дробные заряды -1/3 или +2/3, но свободные кварки никогда не наблюдались. Теоретическая причина, выдвинутая для объяснения этого наблюдения, — асимптотическая свобода . Дискретность электрического заряда продемонстрировал Роберт Милликен в эксперименте, названном его именем .

История

Электрический заряд был открыт древними греками, которые обнаружили, что трение меха о различные вещества, такие как янтарь , вызывает дисбаланс электрического заряда ( трибоэлектрическое явление ). Греки отмечают, что заряженные янтарные пуговицы могут притягивать легкие предметы, например волосы. Они также замечают, что если натереть янтарь достаточно долго, на нем даже может появиться искорка. Слово «электричество» происходит от греческого слова « ηλεκτρον », означающего «янтарь».

В XVIII — го века, изучение электричества становится популярным. Проводятся электростатические эксперименты, во время которых с помощью устройств, действующих как конденсаторы, таких как лейденская банка , достигается достаточно высокое напряжение, чтобы вызвать сотрясение мозга. Посредством серии экспериментов (1733 г.) интендант Фэй выделил два вида электричества: стекловидное электричество (+) и смолистое электричество (-), соответствующие двум типам поведения материи во время электризации трением.

В то же время Бенджамин Франклин представляет электричество как невидимую жидкость, присутствующую во всех веществах. Предполагается, что трение изолирующих поверхностей приводит эту жидкость в движение и что поток этой жидкости образует электрический ток . Он также предполагает, что вещество, содержащее слишком мало этой жидкости, заряжено отрицательно, в противном случае — положительно. Произвольно, по крайней мере по какой-то неизвестной нам причине, он отождествляет термин «положительный» с типом заряда, приобретаемого стеклянным стержнем, натертым о шелк , а «отрицательный» — с зарядом, приобретаемым натертым янтарным стержнем с мехом . Возможно, из-за электрического потенциала материи.

Условность и реалии

Теперь мы знаем, что модель Франклина была слишком простой. Материя на самом деле состоит из двух видов электричества: частиц, называемых « протонами », которые несут положительный электрический заряд, и частиц, называемых « электронами », которые несут отрицательный электрический заряд.

Электрический ток может иметь различные причины: поток отрицательно заряженных частиц, например , металлический проводник, или поток положительных частиц, или поток положительных и отрицательных частиц в противоположных направлениях, например , в ионном растворе.

Чтобы уменьшить эту сложность, электрики по- прежнему используют соглашение Франклина и представляют электрический ток, известный как «обычный ток», как состоящий из потока исключительно положительных частиц.

Обычный ток упрощает концепции и расчеты, но маскирует тот факт, что в некоторых проводниках ( электролитах , полупроводниках и плазме ) два типа электрических зарядов движутся в противоположных направлениях, или что в металлах отрицательные заряды почти исключительно ответственны за поток Текущий.

Характеристики

Инвариантность

Помимо свойств, описанных в отношении электромагнетизма, заряд является инвариантом теории относительности : частица с зарядом q , независимо от ее скорости , сохраняет свой заряд q .

Единицы измерения

В международной системе единиц электрический заряд обозначается кулоном , символом C, который составляет производную единицу , название которой происходит от имени французского физика Шарля-Огюстена Кулона . По определению, это количество заряда, переносимого за одну секунду электрическим током силой один ампер . Следовательно, 1 Кл = 1 А · с , а электрический заряд Q имеет размеры [Q] = IT

В промышленном или инженерном контексте вместо кулонов обычно используются ампер-час ( A h , также обозначаемый как ампер-час ) или его долные единицы, например, для обозначения емкости батареи, при этом 1 A h = 3600 C. . Преимущество этого устройства заключается в возможности быстро оценить время работы батареи, вырабатывающей ток заданной интенсивности, так, например, батарея емкостью 30 А · ч, обеспечивающая ток 1 А, теоретически может проработать тридцать часов, пятнадцать часов при токе 2 А и т. д.

Закон Кулона

Выделенный в 1785 году французским физиком Шарлем-Огюстеном Кулоном, закон Кулона позволяет выразить силу, действующую со стороны электрического заряда на другой электрический заряд , который считается точечным и фиксируется в системе отсчета исследования. . ж → 12 > _ > q 1 > q 2 >

Закон Кулона записан:
- K константа пропорциональности, которая в международной системе единиц принимает форму 9 × 10 9 Ф -1 м , с 8,854 × 10 -12 Фм -1, которая представляет собой диэлектрическую проницаемость вакуума ; K знак равно 1 4 π ϵ 0 ≃ >> \ simeq> ϵ 0 ≃ \ simeq>
- р → 12 > _ > — вектор, соединяющий точки размещения нагрузок и соответственно нормы . q 1 > q 2 > р 12 <\ displaystyle r_ >
Понятно, что если заряды одного знака, то сила отталкивающая , а в противном случае — притягивающая.

Закон Кулона имеет форму, аналогичную закону Ньютона для всемирного тяготения , который выражает силу, действующую одной массой на другую массу , считающуюся точечной, и записывается с теми же соглашениями, что и выше: F → 12 > _ > м 1 > м 2 >

с G универсальной гравитационной постоянной, G = 6,674 × 08 10 -11 м 3 кг -1 с -2 .

Из сравнения этих двух выражений становится ясно, что две силы изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния, обе имеют бесконечный диапазон, и что электрический заряд играет для электростатики ту же роль, что и масса (гравитационная) для всемирной гравитации. .

Однако следует отметить два основных отличия:
- универсальная гравитационная сила всегда притягивает, что приводит к наличию знака «-» в выражении закона Ньютона;
- Слабость гравитационной силы означает, что разница в интенсивности между двумя силами часто бывает значительной.
Примечания и ссылки

Заметки
1. ↑ Строго говоря , только серьезная масса , в отличие от так называемой инертной массы , которая вмешивается в фундаментальные отношения динамики . Однако существует тождество этих двух типов масс, теоретически различных по своей природе, и это тождество является одной из основ общей теории относительности .
2. ↑кварк , конечно , иметь заряд , который представляет собой часть элементарного заряда, или 2 х / 3 или е / 3, но они не были обнаружен в свободном состоянии и всегда сочетает в парах (кварковом — антикварк, мезоны ) или путем триплеты ( барионы , например протон или нейтрон ): это явление адронизации кварков. Это всегда дает частицы, которые являются нейтральными или имеют заряд, равный целому кратному элементарному заряду, за исключением знака.
3. ↑ Например, плотность свободных электронов в таком металле, как медь, составляет порядка 10 29 м −3 . В результате куб этого металла размером 1 мкм 3 , хотя и очень мал по размеру в обычном макроскопическом масштабе, все же содержит почти 10 11 свободных электронов, что делает иллюзорным даже в этом случае различать количественный характер заряда.
4. ↑ То есть при первом приближении, пространственные размеры которого малы по сравнению с расстоянием, которое их разделяет.
5. ↑ Строго говоря, это гравитационная масса , которая концептуально отличается от инертной массы .
6. ↑ Чтобы закрепить идеи, можно сравнить силы между двумя точечными нагрузками с одинаковым значением 1 C и одинаковой массой 1 кг , размещенными на расстоянии одного метра. Таким образом, электростатическая сила имеет значение порядка 9 × 10 9 Н , в то время как сила тяжести составляет приблизительно 6,7 × 10 -11 Н , то есть разница в двадцать порядков величины. Даже принимая более реалистичные значения нагрузки и массы, этот пример ясно показывает большую разницу в интенсивности между двумя силами.
Рекомендации
1. ↑BIPM 2006 , стр. 28.
2. ↑BIPM 2006 , стр. 54.
Библиография
- Коллективная , Международная система единиц , Севр, BIPM, июль 2006 г. , 8- е изд. , 92 с. , мягкая обложка ( ISBN92-822-2213-6 )
Свойства электрического поля

Действие электрического поля на электрические заряды
- Электрическое поле можно рассматривать как математическую модель, описывающую значение величины напряженности электрического поля в данной точке пространства.
- Электрическое поле является одной из составляющих единого электромагнитного поля и проявлением электромагнитного взаимодействия
Надо ввести количественную характеристику поля. После этого электрические поля можно будет сравнивать друг с другом и продолжать изучать их свойства. Для изучения электрического поля будем использовать пробный заряд: подпробным зарядомбудем понимать положительный точечный заряд, не изменяющий изучаемое электрическое поле. Пусть электрическое поле создается точечным зарядом q₀. Если в это поле внести пробный заряд q₁, то на него будет действовать сила . Обратите внимание, что в данной теме мы используем два заряда: источник электрического поля q₀ и пробный заряд q₁. Электрическое поле действует только на пробный заряд q₁ и не может действовать на свой источник, т.е. на заряд q₀. Согласно закону Кулона эта сила пропорциональна заряду q₁: . Поэтому отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку поля заряд q₁, к этому заряду в любой точке поля: , не зависит от помещенного заряда q₁ и может рассматриваться как характеристика поля. Эту силовую характеристику поля называют напряженностью электрического поля. Подобно силе, напряженность поля – векторная величина, ее обозначают буквой . Напряженность поля равна отношению силы, с которой поле действует на точечный заряд, к этому заряду: .

В си напряженность выражается в ньютонах на кулон (н/Кл).

Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный заряд.

Напряженность – силовая характеристика электрического поля

Если в точке А заряд q > 0, то вектор напряженности и силы направлены в одну и ту же сторону; при q < 0 эти векторы направлены в противоположные стороны. От знака заряда q, на который действует поле, не зависит направление вектора, а зависит направление силы (рис. 1, а, б).

а б

Рис. 1 Принцип суперпозиции полей А чему будет равна напряженность в некоторой точке электрического поля, созданного несколькими зарядами q₁, q₂, q₃, …? Поместим в данную точку пробный заряд q. Пусть F₁ — это сила, с которой заряд q₁ действует на заряд q; F₂ — это сила, с которой заряд q₂ действует на заряд q и т.д. Из динамики вы знаете, что если на тело действует несколько сил, то результирующая сила равна геометрической сумме сил, т.е. . Разделим левую и правую часть уравнения на q : . Если учтем, что , мы получим, так называемый, принцип суперпозиции полей напряженность электрического поля, созданного несколькими зарядами q₁, q₂, q₃, …, в некоторой точке пространства равна векторной сумме напряженностей , … полей, создаваемых каждым из этих зарядов: . Благодаря принципу суперпозиции для нахождения напряженности поля системы точечных зарядов в любой точке достаточно знать выражение для напряженности поля точечного заряда. На рисунке 4, а, б показано, как геометрически определяется напряженность поля, созданного двумя зарядами.

а б

Рис. 4 Для определения напряженности поля, создаваемого заряженным телом конечных размеров (не точечных зарядов), нужно поступать следующим образом. Мысленно разделить тело на маленькие элементы, каждый из которых можно считать точечным. Определить заряды всех этих элементов и найти напряженности полей, созданных всеми ими в заданной точке. После этого сложить геометрически напряженности от всех элементов тела и найти результирующую напряженность поля. Для тел сложной формы это трудная, но в принципе разрешимая задача. Для ее решения нужно знать, как заряд распределен на теле.

Referat. Заряд

Дать краткое, удовлетворительное во всех отношениях определение заряда невозможно. Мы привыкли находить понятные нам объяснения весьма сложных образований и процессов вроде атома, жидких кристаллов, распределения молекул по скоростям и т.д. А вот самые основные, фундаментальные понятия, нерасчленимые на более простые, лишенные, по данным науки на сегодняшний день, какого-либо внутреннего механизма, кратко удовлетворительным образом уже не пояснить. Особенно если объекты непосредственно не воспринимаются нашими органами чувств. Именно к таким фундаментальным понятиям относится электрический заряд.

Попытаемся вначале выяснить не что такое электрический заряд, а что скрывается за утверждением данное тело или частица имеют электрический заряд.

Вы знаете, что все тела построены из мельчайших, неделимых на более простые (насколько сейчас науке известно) частиц, которые поэтому называют элементарными. Все элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу. Согласно закону всемирного тяготения сила притяжения сравнительно медленно убывает по мере увеличения расстояния между ними: обратно пропорционально квадрату расстояния. Кроме того, большинство элементарных частиц, хотя и не все, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая также убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила в огромное число раз превосходит силу тяготения. Так, в атоме водорода, схематически изображенном на рисунке 1, электрон притягивается к ядру (протону) с силой, в 10 39 раз превышающей силу гравитационного притяжения.

Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые медленно уменьшаются с увеличением расстояния и во много раз превышают силы всемирного тяготения, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются заряженными. Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.

Взаимодействия между заряженными частицами носят название электромагнитных. Когда мы говорим, что электроны и протоны электрически заряжены, то это означает, что они способны к взаимодействиям определенного типа (электромагнитным), и ничего более. Отсутствие заряда у частиц означает, что подобных взаимодействий она не обнаруживает. Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий. Электрический заряд – вторая (после массы) важнейшая характеристика элементарных частиц, определяющая их поведение в окружающем мире.

Электрический заряд – это физическая скалярная величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Электрический заряд обозначается буквами q или Q.

Подобно тому, как в механике часто используется понятие материальной точки, позволяющее значительно упростить решение многих задач, при изучении взаимодействия зарядов эффективным оказывается представление о точечном заряде. Точечный заряд – это такое заряженное тело, размеры которого значительно меньше расстояния от этого тела до точки наблюдения и других заряженных тел. В частности, если говорят о взаимодействии двух точечных зарядов, то тем самым предполагают, что расстояние между двумя рассматриваемыми заряженными телами значительно больше их линейных размеров.

Электрический заряд элементарной частицы

Электрический заряд элементарной частицы – это не особый «механизм» в частице, который можно было бы снять с нее, разложить на составные части и снова собрать. Наличие электрического заряда у электрона и других частиц означает лишь существование определенных взаимодействий между ними.

В природе имеются частицы с зарядами противоположных знаков. Заряд протона называется положительным, а электрона – отрицательным. Положительный знак заряда у частицы не означает, конечно, наличия у нее особых достоинств. Введение зарядов двух знаков просто выражает тот факт, что заряженные частицы могут как притягиваться, так и отталкиваться. При одинаковых знаках заряда частицы отталкиваются, а при разных – притягиваются.

Никакого объяснения причин существования двух видов электрических зарядов сейчас нет. Во всяком случае, никаких принципиальных различий между положительными и отрицательными зарядами не обнаруживается. Если бы знаки электрических зарядов частиц изменились на противоположные, то характер электромагнитных взаимодействий в природе не изменился бы.

Положительные и отрицательные заряды очень хорошо скомпенсированы во Вселенной. И если Вселенная конечна, то ее полный электрический заряд, по всей вероятности, равен нулю.

Наиболее замечательным является то, что электрический заряд всех элементарных частиц строго одинаков по модулю. Существует минимальный заряд, называемый элементарным, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Заряд может быть положительным, как у протона, или отрицательным, как у электрона, но модуль заряда во всех случаях один и тот же.

Отделить часть заряда, например, у электрона невозможно. Это, пожалуй, самое удивительное. Никакая современная теория не может объяснить, почему заряды всех частиц одинаковы, и не в состоянии вычислить значение минимального электрического заряда. Оно определяется экспериментально с помощью различных опытов.

В 60-е гг., после того как число вновь открытых элементарных частиц стало угрожающе расти, была выдвинута гипотеза о том, что все сильно взаимодействующие частицы являются составными. Более фундаментальные частицы были названы кварками. Поразительным оказалось то, что кварки должны иметь дробный электрический заряд: 1/3 и 2/3 элементарного заряда. Для построения протонов и нейтронов достаточно двух сортов кварков. А максимальное их число, по-видимому, не превышает шести.

Единица измерения электрического заряда

Создать макроскопический эталон единицы электрического заряда, подобный эталону длины – метру, невозможно из-за неизбежной утечки заряда. Естественно было бы за единицу принять заряд электрона (это сейчас и сделано в атомной физике). Но во времена Кулона еще не было известно о существовании в природе электрона. Кроме того, заряд электрона слишком мал, и поэтому его трудно использовать в качестве эталона.

В Международной системе единиц (СИ) единицу заряда – кулон устанавливают с помощью единицы силы тока:

1 кулон (Кл) – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 А.

Заряд в 1 Кл очень велик. Два таких заряда на расстоянии 1 км отталкивались бы друг от друга с силой, чуть меньшей силы, с которой земной шар притягивает груз массой в 1 т. Поэтому сообщить небольшому телу (размером порядка нескольких метров) заряд в 1 Кл невозможно. Отталкиваясь друг от друга, заряженные частицы не смогли бы удерживаться на таком теле. Никаких других сил, которые были бы способны в данных условиях компенсировать кулоновское отталкивание, в природе не существует. Но в проводнике, который в целом нейтрален, привести в движение заряд в 1 Кл не составляет большого труда. Ведь в обычной электрической лампочке мощностью 100 Вт при напряжении 127 В устанавливается ток, немного меньший 1 А. При этом за 1 с через поперечное сечение проводника проходит заряд, почти равный 1 Кл.

Электрометр

Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электрометр. Электрометр состоит из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 2). Стержень со стрелкой закреплен в плексигласовой втулке и помещен в металлический корпус цилиндрической формы, закрытый стеклянными крышками.

Принцип работы электрометра. Прикоснемся положительно заряженной палочкой к стержню электрометра. Мы увидим, что стрелка электрометра отклоняется на некоторый угол (см. рис. 2). Поворот стрелки объясняется тем, что при соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стрелке и стержню. Силы отталкивания, действующие между одноименными электрическими зарядами на стержне и стрелке, вызывают поворот стрелки. Наэлектризуем эбонитовую палочку еще раз и вновь коснемся ею стержня электрометра. Опыт, показывает, что при увеличении электрического заряда на стержне угол отклонения стрелки от вертикального положения увеличивается. Следовательно, по углу отклонения стрелки электрометра можно судить о значении электрического заряда, переданного стержню электрометра.

Свойства электрического заряда

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет выделить следующие свойства заряда:
- Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Положительно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные тела так же, как стекло, наэлектризованное трением о шелк. Отрицательно заряженными называют тела, которые действуют так же, как эбонит, наэлектризованный трением о шерсть. Выбор названия «положительный» для зарядов, возникающих на стекле, и «отрицательный» для зарядов на эбоните совершенно случаен.
- Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
- Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.
- Важным свойством электрического заряда является его дискретность. Это означает, что существует некоторый наименьший, универсальный, далее не делимый элементарный заряд, так что заряд q любого тела является кратным этому элементарному заряду: \(~q = N \cdot e\) , где N – целое число, е – величина элементарного заряда. Согласно современным представлениям, этот заряд численно равен заряду электрона e = 1,6∙10 -19 Кл. Поскольку величина элементарного заряда весьма мала, то для большинства наблюдаемых и используемых на практике заряженных тел число N очень велико, и дискретный характер изменения заряда не проявляется. Поэтому считают, что в обычных условиях электрический заряд тел изменяется практически непрерывно.
- Закон сохранения электрического заряда. Внутри замкнутой системы при любых взаимодействиях алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной: \(~q_1 + q_2 + \ldots + q_n = \operatorname\) . Изолированной (или замкнутой) системой мы будем называть систему тел, в которую не вводятся извне и не выводятся из нее электрические заряды.
Нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением равного по модулю отрицательного заряда. Ни положительный, ни отрицательный заряд не могут исчезнуть в отдельности, они могут лишь взаимно нейтрализовать друг друга, если равны по модулю.

Так элементарные частицы способны превращаться друг в друга. Но всегда при рождении заряженных частиц наблюдается появление пары частиц с зарядами противоположного знака. Может наблюдаться и одновременное рождение нескольких таких пар. Исчезают заряженные частицы, превращаясь в нейтральные, тоже только парами. Все эти факты не оставляют сомнений в строгом выполнении закона сохранения электрического заряда.

Причина сохранения электрического заряда до сих пор пока неизвестна.

Электризация тела

Макроскопические тела, как правило, электрически нейтральны. Нейтрален атом любого вещества, так как число электронов в нем равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.

Тело больших размеров заряжено в том случае, когда оно содержит избыточное количество элементарных частиц с одним знаком заряда. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный заряд – их недостатком.

Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело или, как говорят, наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного.

Проще всего это сделать с помощью трения. Если провести расческой по волосам, то небольшая часть наиболее подвижных заряженных частиц – электронов – перейдет с волос на расческу и зарядит ее отрицательно, а волосы зарядятся положительно. При электризации трением оба тела приобретают противоположные по знаку, но одинаковые по модулю заряды.

Наэлектризовать тела с помощью трения очень просто. А вот объяснить, как это происходит, оказалось очень непростой задачей.

1 версия. При электризации тел важен тесный контакт между ними. Электрические силы удерживают электроны внутри тела. Но для разных веществ эти силы различны. При тесном контакте небольшая часть электронов того вещества, у которого связь электронов с телом относительно слаба, переходит на другое тело. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний (10 -8 см). Но если тела разъединить, то оба они окажутся заряженными. Так как поверхности тел никогда не бывают идеально гладкими, то необходимый для перехода тесный контакт между телами устанавливается только на небольших участках поверхностей. При трении тел друг о друга число участков с тесным контактом увеличивается, и тем самым увеличивается общее число заряженных частиц, переходящих от одного тела к другому. Но не ясно, как в таких не проводящих ток веществах (изоляторах), как эбонит, плексиглас и другие, могут перемещаться электроны. Они ведь связаны в нейтральных молекулах.

2 версия. На примере ионного кристалла LiF (изолятора) это объяснение выглядит так. При образовании кристалла возникают различного рода дефекты, в частности вакансии – незаполненные места в узлах кристаллической решетки. Если число вакансий для положительных ионов лития и отрицательных – фтора неодинаково, то кристалл окажется при образовании заряженным по объему. Но заряд в целом не может сохраняться у кристалла долго. В воздухе всегда имеется некоторое количество ионов, и кристалл будет их вытягивать из воздуха до тех пор, пока заряд кристалла не нейтрализуется слоем ионов на его поверхности. У разных изоляторов объемные заряды различны, и поэтому различны заряды поверхностных слоев ионов. При трении поверхностные слои ионов перемешиваются, и при разъединении изоляторов каждый из них оказывается заряженным.

А могут ли электризоваться при трении два одинаковых изолятора, например те же кристаллы LiF? Если они имеют одинаковые собственные объемные заряды, то нет. Но они могут иметь и различные собственные заряды, если условия кристаллизации были разными и появилось разное число вакансий. Как показал опыт, электризация при трении одинаковых кристаллов рубина, янтаря и др. действительно может происходить. Однако приведенное объяснение вряд ли правильно во всех случаях. Если тела состоят, к примеру, из молекулярных кристаллов, то появление вакансий у них не должно приводить к заряжению тела.

Еще один способ электризации тел – воздействие на них различных излучений (в частности, ультрафиолетового, рентгеновского и γ-излучения). Этот способ наиболее эффективен для электризации металлов, когда под действием излучений с поверхности металла выбиваются электроны, и проводник приобретает положительный заряд.

Электризация через влияние. Проводник заряжается не только при контакте с заряженным телом, но и в том случае, когда оно находится на некотором расстоянии. Исследуем подробнее это явление. Подвесим на изолированном проводнике легкие листки бумаги (рис. 3). Если вначале проводник не заряжен, листки будут в неотклоненном положении. Приблизим теперь к проводнику изолированный металлический шар, сильно заряженный, например, при помощи стеклянной палочки. Мы увидим, что листки, подвешенные у концов тела, в точках а и b, отклоняются, хотя заряженное тело и не касается проводника. Проводник зарядился через влияние, отчего и само явление получило название «электризация через влияние» или «электрическая индукция». Заряды, полученные посредством электрической индукции, называют наведенными или индуцированными. Листки, подвешенные у середины тела, в точках а’ и b’, не отклоняются. Значит, индуцированные заряды возникают только на концах тела, а середина его остается нейтральной, или незаряженной. Поднося к листкам, подвешенным в точках а и b, наэлектризованную стеклянную палочку, легко убедиться, что листки в точке b от нее отталкиваются, а листки в точке а притягиваются. Это значит, что на удаленном конце проводника возникает заряд того же знака, что и на шаре, а на близлежащих частях возникают заряды другого знака. Удалив заряженный шар, мы увидим, что листки опустятся. Явление протекает совершенно аналогичным образом, если повторить опыт, зарядив шар отрицательно (например, при помощи сургуча).

С точки зрения электронной теории эти явления легко объясняются существованием в проводнике свободных электронов. При поднесении к проводнику положительного заряда электроны к нему притягиваются и накапливаются на ближайшем конце проводника. На нем оказывается некоторое число «избыточных» электронов, и эта часть проводника заряжается отрицательно. На удаленном конце образуется недостаток электронов и, следовательно, избыток положительных ионов: здесь появляется положительный заряд.

При поднесении к проводнику отрицательно заряженного тела электроны накапливаются на удаленном конце, а на ближнем конце получается избыток положительных ионов. После удаления заряда, вызывающего перемещение электронов, они вновь распределяются по проводнику, так что все участки его оказываются по-прежнему незаряженными.

Перемещение зарядов по проводнику и их накопление на концах его будут продолжаться до тех пор, пока воздействие избыточных зарядов, образовавшихся на концах проводника, не уравновесит те исходящие из шара электрические силы, под влиянием которых происходит перераспределение электронов. Отсутствие заряда у середины тела показывает, что здесь уравновешены силы, исходящие из шара, и силы, с которыми действуют на свободные электроны избыточные заряды, накопившиеся у концов проводника.

Индуцированные заряды можно разделить, если в присутствии заряженного тела разделить проводник на части. Такой опыт изображен на рис. 4. В этом случае сместившиеся электроны уже не могут вернуться обратно после удаления заряженного шара; так как между обеими частями проводника находится диэлектрик (воздух). Избыточные электроны распределяются по всей левой части; недостаток электронов в точке b частично пополняется из области точки b’, так что каждая часть проводника оказывается заряженной: левая – зарядом, по знаку противоположным заряду шара, правая – зарядом, одноименным с зарядом шара. Расходятся не только листки в точках а и b, но и остававшиеся прежде неподвижными листки в точках а’ и b’.
Похожие публикации: