Что такое электрический заряд, как он классифицируется и каковы его свойства.
Что такое электрический заряд?
В физике электрическим зарядом называют свойство материи, которое присутствует в субатомных частицах и о котором свидетельствуют силы притяжения или отталкивания между ними, посредством электромагнитных полей.
Электрический заряд — физическая величина и свойство материи, выражающее способность проявлять электрическую силу и вызывающее эту силу, если заряженные тела поместить в электромагнитное поле.
Существует два вида электрического заряда: положительный, переносимый протонами, и отрицательный, переносимый электронами. Если общий заряд равен нулю, говорят, что он нейтрален. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.
Электрический заряд является внутренним свойством материи
Электрический заряд выражает определенное свойство частиц, которое связано с возникновением взаимодействия между телами (частицами) подобно тому, как масса связана с существованием гравитационного поля. Поэтому наличие электрического заряда необходимо для создания электрического или магнитного поля.
Электрические заряды не могут быть ни созданы, ни уничтожены. Количество электрического заряда во Вселенной постоянно, оно не меняется со временем.
Единицей электрического заряда в системе СИ является кулон (Кл), названный в честь французского физика Шарля-Огюстена де Кулона, который объяснил прицнипы взаимодействия электрических зарядов (закон Кулона).
Кулон определяется как количество заряда, проходящего через перпендикулярное поперечное сечение электрического проводника с током 1 ампер за 1 секунду.
В электротехнике также принято использовать единицу ампер-час, например для емкости аккумуляторов, а в физике и химии в качестве единицы также используют элементарный заряд е. В химии мы также можем встретить постоянную Фарадея, выражающую суммарный заряд одного моля частиц с элементарным зарядом.
Аккумуляторные батареи имеют полюс отрицательного заряда и полюс положительного заряда
Исторический вклад ученых в развитие электродинамики
Происходящие в природе физические процессы не всегда объясняются действием законов молекулярно-кинетической теории, механики либо термодинамики. Существуют еще электромагнитные силы, которые действуют на расстоянии и не зависят от массы тела.
Их проявления впервые описаны в трудах древних ученых Греции, когда они янтарем, потертым о шерсть, притягивали легкие, маленькие частицы отдельных веществ.
Опыты с янтарем подробно изучались английским исследователем Уильямом Гильбертом. В последних годах XVI века он сделал отчет о своей работе, а предметы, способные притягивать другие тела на расстоянии, обозначил термином «наэлектризованные».
Французским физиком Шарлем Дюфе было определено существование зарядов с противоположными знаками: одни образовывались при трении стеклянных предметов о шелковую ткань, а другие — смол по шерсти. Он так и назвал их: стеклянные и смоляные. После завершения исследований Бенджамина Франклина было введено понятие отрицательных и положительных зарядов.
Шарль Кулон реализовал возможность измерения силы зарядов конструкцией крутильных весов собственного изобретения.
Роберт Милликен на основе серии проведенных опытов установил дискретный характер электрических зарядов любого вещества, доказав, что они состоят из определенного количества элементарных частиц. (Не путать с другим понятием этого термина — дробности, прерывистости.)
Труды перечисленных ученых послужили фундаментом современных знаний о процессах и явлениях, происходящих в электрических и магнитных полях, создаваемых электрическими зарядами и их движением, изучаемых электродинамикой.
Определение зарядов и принципы их взаимодействия
Электрическим зарядом характеризуют свойства веществ, обеспечивающих им возможность создавать электрические поля и взаимодействовать в электромагнитных процессах. Еще его называют количеством электричества и определяют как физическую скалярную величину. Для обозначения заряда приняты символы «q» или «Q», а при измерениях используют единицу «Кулон», названную в честь французского ученого, разработавшего уникальную методику.
Им был создан прибор, в корпусе которого использовались подвешенные на тонкой нити из кварца шарики. Они ориентировались в пространстве определенным образом, а их положение регистрировалось относительно проградуированной шкалы с равными делениями.
Через специальное отверстие в крышке к этим шарикам подводился другой шар, обладающий дополнительным зарядом. Возникающие силы взаимодействия заставляли отклоняться шарики, поворачивали их коромысло. Величина разницы отсчетов на шкале до ввода заряда и после него позволяла оценивать количество электричества в испытуемых образцах.
Заряд в 1 кулон характеризуется в системе СИ силой тока в 1 ампер, проходящей через поперечное сечение проводника за время, равное 1 секунде.
Все электрические заряды современная электродинамика разделяет на:
-
положительные;
-
отрицательные.
При взаимодействии их между собой у них возникают силы, направление которых зависит от существующей полярности.
Одинакового типа заряды, положительные либо отрицательные, всегда отталкиваются в противоположные стороны, стремясь, как можно дальше удалиться друг от друга. А у зарядов противоположных знаков действуют силы, стремящиеся сблизить их и соединить в одно целое.
Принцип суперпозиции
Когда в определенном объеме находится несколько зарядов, то для них действует принцип суперпозиции.
Его смысл в том, что каждый заряд определенным образом по рассмотренному выше способу взаимодействует со всеми остальными, притягиваясь к разноименным и отталкиваясь от однотипных. К примеру, на положительный заряд q1 действует сила притяжения F31 к отрицательному заряду q3 и отталкивания F21 — от q2.
Результирующая сила F1, действующая на q1, определяется геометрическим сложением векторов F31 и F21. (F1= F31+ F21).
Таким же методом определяются действующие результирующие силы F2 и F3 на заряды q2 и q3 соответственно.
Посредством принципа суперпозиции сделан вывод о том, что при определенном количестве зарядов в замкнутой системе между всеми ее телами действуют установившиеся электростатические силы, а потенциал в любой определенной точке этого пространства равен сумме потенциалов от всех отдельно приложенных зарядов.
Действие этих законов подтверждают созданные приборы электроскоп и электрометр, имеющие общий принцип работы.
Электроскоп состоит из двух одинаковых лепестков тонкой фольги, подвешенных в изолированном пространстве на токопроводящей нити, присоединенной к металлическому шарику. В обычном состоянии на этот шарик заряды не действуют, поэтому лепестки свободно висят в пространстве внутри колбы прибора.
Как можно передавать заряд между телами
Если к шарику электроскопа поднести заряженное тело, например, палочку, то заряд пройдет через шарик по токопроводящей нити к лепесткам. Они получат одноименный заряд и станут отодвигаться друг от друга на угол, пропорциональный приложенному количеству электричества.
У электрометра такое же принципиальное устройство, но он имеет небольшие отличия: один лепесток закреплен стационарно, а второй отходит от него и снабжен стрелкой, которая позволяет снимать отсчет с проградуированной шкалы.
Для переноса заряда от удаленного стационарно закрепленного и заряженного тела на электрометр можно воспользоваться промежуточными носителями.
Измерения, сделанные электрометром, не обладают высоким классом точности и на их основе сложно анализировать силы, действующие между зарядами. Для их исследования больше приспособлены крутильные весы Кулона. У них использованы шарики с диаметрами, значительно меньшими, чем их удаление друг от друга. Они обладают свойствами точечных зарядов — заряженных тел, размеры которых не влияют на точность прибора.
Измерения, выполненные Кулоном, подтвердили его догадку о том, что точечный заряд передается от заряженного тела к такому же по свойствам и массе, но незаряженному таким образом, чтобы равномерно распределиться между ними, уменьшаясь на источнике в 2 раза. Таким способом удалось уменьшать величину заряда в два, три и иное количество раз.
Силы, существующие между неподвижными электрическими зарядами, называют кулоновским либо статическим взаимодействием. Их изучает электростатика, являющаяся одним из разделов электродинамики.
Что такое электростатика?
Электростатика — часть физики, изучающая электрические явления, связанные с устойчивым взаимным силовым действием электрически заряженных частиц и тел. В более широком смысле слова к электростатике относятся также явления электризации тел и (даже нестатические) проявления так называемого статического электричества.
Основное понятие электростатики — статическое электрическое поле, которое можно описать с помощью векторного поля напряженности электрического поля или с помощью скалярного потенциала. Основным законом электростатики является закон Кулона, из которого могут быть выведены другие законы и теоремы электростатики.
Виды носителей электрических зарядов
Современная наука считает самой маленькой отрицательно заряженной частицей электрон, а положительной — позитрон. Они имеют одинаковую массу 9,1 х 10-31 кг. Элементарная частица протон обладает всего одним положительным зарядом и массой 1,7 х 10-27 кг. В природе количество положительных и отрицательных зарядов уравновешено.
В металлах движение электронов создает электрический ток, а в полупроводниках носителями его зарядов являются электроны и дырки.
В газах ток образуется передвижением ионов — заряженных неэлементарных частиц (атомов или молекул) с положительными зарядами, называемыми катионами либо отрицательными — анионами.
Ионы образуются из нейтральных частиц.
Положительный заряд создается у частицы, потерявшей электрон под действием мощного электрического разряда, светового или радиоактивного облучения, потока ветра, движения масс воды или ряда других причин.
Отрицательные ионы образуются из нейтральных частиц, дополнительно получивших электрон.
Электроскоп - измерительный прибор ддля практического изучения принципов электростатики
Использование ионизации в медицинских целях и быту
Исследователи давно заметили способность отрицательных ионов воздействовать на организм человека, улучшать потребление кислорода воздуха, быстрее доставлять его к тканям и клеткам, ускорять процесс окисления серотонина. Это все в комплексе значительно повышает иммунитет, улучшает настроение, снимает боли.
Первый ионизатор, используемый для лечения людей, получил название люстры Чижевского, в честь советского ученого, который создал прибор, благотворно влияющий на здоровье человека.
В современных электроприборах для работы в бытовых условиях можно встретить встроенные ионизаторы в пылесосы, увлажнители воздуха, фены, сушилки…
Специальные ионизаторы воздуха очищают его состав, уменьшают количество пыли и вредных примесей.
Ионизаторы воды способны снижать количество химических реагентов в ее составе. Их используют для очистки бассейнов и водоемов, насыщая воду ионами меди или серебра, которые уменьшают рост водорослей, уничтожают вирусы и бактерии.
Свойства электрических зарядов
- Тела (частицы) с нулевым электрическим зарядом называются электрически нейтральными телами. Тела (частицы), обладающие электрическим зарядом (мы говорим, что они несут электрический заряд ), называются заряженными телами.
- Электрический заряд может иметь положительное или отрицательное значение, что отличает его от массы, которая всегда положительна. Тела, несущие положительный заряд, называются положительно заряженными , а тела с отрицательным электрическим зарядом — отрицательно заряженными.
- Силы, действующие между двумя заряженными (неподвижными) телами, являются притягивающими, если тела имеют заряды разных знаков, и отталкивающими, если тела имеют заряды одного знака. Эти силы называются электростатическими. Кроме того, движущиеся заряженные тела действуют друг на друга магнитными силами. Движущийся электрический заряд описывается в терминах электрического тока.
- Выбор положительного и отрицательного заряда дан только по соглашению еще до открытия электрона, согласно которому направление электрического тока определялось как направление от положительного полюса к отрицательному полюсу. Так случилось, что в конце концов электрон получил отрицательный заряд.
- Если в теле больше электрических зарядов, то результирующий электрический заряд тела равен алгебраической сумме электрических зарядов отдельных частей.
- Некоторые тела могут содержать как положительные, так и отрицательные носители заряда (часто в большом количестве), при этом суммарная величина электрического заряда такого тела может быть равна нулю, т.е. тело в целом электрически нейтрально. Хотя полный электрический заряд тела равен нулю, даже такое тело будет действовать на окружающую его среду с определенными электрическими силами. Если носители заряда распределены по телу неравномерно, то действие этих сил будет проявляться даже в макроскопическом масштабе. Тогда мы называем такие тела поляризованными.
- При исследовании макроскопических тел мы можем использовать плотность электрического заряда для описания распределения электрических зарядов в теле. Однако в некоторых случаях распределение заряда в теле для нас не существенно, и мы можем заменить все тело так называемым точечным зарядом. Понятие точечного заряда аналогично понятию материальной точки в механике.
- При взаимном действии (взаимодействии) электрически заряженных частиц было установлено, что суммарный электрический заряд системы, в которой происходит взаимодействие, не изменяется, т.е. нет самопроизвольного создания или исчезновения электрического заряда. Таким образом, общее количество заряда в электрически изолированной системе остается постоянным. Этот факт называется законом сохранения электрического заряда. Согласно этому закону, электрический заряд нельзя ни создать, ни уничтожить, его можно только перемещать.
- Электрические заряды, которые могут свободно перемещаться (например, в проводниках), называются свободными зарядами. При поляризации диэлектрика также появляется поляризационный заряд. В отличие от зарядов в проводниках, поляризационные заряды не могут перемещаться на макроскопические расстояния в диэлектрике. Именно поэтому их часто называют связанными зарядами. Суммарная величина связанных зарядов, создаваемых поляризацией во всем объеме тела, всегда равна нулю. Существование и распределение этих поляризационных зарядов связано с наличием электростатического (или другого физического ) поля.
- Хотя в физике электрический заряд часто считают величиной, которой можно присвоить любое значение, в настоящее время известно, что полный электрический заряд всегда является целым кратным так называемого элементарного заряда (поэтому электрический заряд квантуется). Величина этого элементарного заряда равна заряду электрона. Однако даже малое количество вещества содержит большое количество электрических зарядов, что дает право присваивать суммарному заряду макроскопического тела значения, не обязательно кратные целочисленному заряду элементарного. Носителями элементарного электрического заряда в обычных веществах являются протоны (положительный заряд) и электроны (отрицательный заряд). Заряды обеих частиц одинаковы, поэтому атом с таким же числом электронов, как и у протонов, электрически нейтрален.
- Другие элементарные частицы (за исключением нейтральных) также несут электрический заряд. Заряд адронов, лептонов и промежуточных частиц всегда равен целому кратному элементарного заряда. Для кварков он равен минус одной трети или двум третям элементарного заряда.
- Электрически заряженный атом называется ионом (катионом, если атом теряет электроны, и анионом, если атом приобретает электроны).
- Экспериментально было также проверено, что величина электрического заряда не меняется при его движении. Это отличает электрический заряд, например, от массы, которая согласно теории относительности увеличивается с увеличением скорости. Мы говорим, что величина электрического заряда остается неизменной при преобразованиях системы отсчета.
Полезные термины и определения
Что такое объемный электрический заряд?
Это электрический заряд, распределенный в объеме.
Что такое поверхностный электрический заряд?
Это электрический заряд, рассматриваемый как распределенный по поверхности.
Что такое линейный электрический заряд?
Это электрический заряд, рассматриваемый как распределенный вдоль линии.
Что такое объемная плотность электрического заряда?
Это скалярная величина, характеризующая распределение объемного электрического заряда, равная пределу отношения объемного заряда к элементу объема, в котором он распределен, когда этот элемент объема стремится к нулю.
Что такое поверхностная плотность электрического заряда?
Это скалярная величина, характеризующая распределение поверхностного электрического заряда, равная пределу отношения поверхностного электрического заряда к элементу поверхности, на которой он распределен, когда этот элемент поверхности стремится к нулю.
Что такое линейная плотность электрического заряда?
Это скалярная величина, характеризующая распределение линейного электрического заряда, равная пределу отношения линейного электрического заряда к элементу длины линии, вдоль которой этот заряд распределен, когда этот элемент длины стремится к нулю.
Что такое электрический диполь?
Это совокупность двух точечных электрических зарядов, равных по величине и противоположных по знаку и находящихся один от другого на весьма малом расстоянии по сравнению с расстоянием от них до точек наблюдения.
Что такое электрический момент электрического диполя?
Это векторная величина, равная произведению абсолютного значения одного из зарядов диполя и расстояния между ними и направленная от отрицательного к положительному заряду.
Что такое электрический момент тела?
Это векторная величина, равная геометрической сумме электрических моментов всех диполей, входящих в состав рассматриваемого тела. Аналогично определяется «электрический момент данного объема вещества».
Что изучать дальше?
Строение атомов химических элементов:
Что такое атом и как он устроен
Харктеристики электрического поя:
Потенциал, напряжение и напряженность электрического поля
Основные законы электростатики:
Закон сохранения электрического заряда
Пример применения электрических зарядов:
Как устроена и работает электростатическая окраска
Постоянный ток и его использование: