Электрический заряд в физике - свойства, формулы и виды

Общие сведения

В 1666 году Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения. В его описании он использовал силы, названные гравитационными. Их действия объяснялись влиянием астрономических объектов. Было установлено, что величина силы зависит от массы взаимодействующих тел. Но вместе с этим учёные, проводя эксперименты, наблюдали явления притяжения или отталкивания тел небольших размеров, не связанные с гравитацией.

Появилось предположение о существовании некой субстанции. Выдвинул его Бенджамин Франклин в 1749 году. Именно в его работах впервые появилось слово «заряд». Но ещё задолго до этого в VI веке древнегреческий учёный Фалес смог обнаружить электрическое взаимодействие.

На то время он не смог объяснить природу возникающих сил и просто констатировал опытный факт. Философ обнаружил, что если потереть камень из янтаря об мех, он начинает притягивать к себе лёгкие частицы, например, пылинки. Только в 1600 году Гилберт использовал для описания явление слово «электричество», которое в переводе с греческого обозначает «янтарность».

Через 60 лет немец Отто фон Герике соорудил устройство, названное электростатической машиной. Она состояла из металлического штатива, вставленного в серный шар. С её помощью он смог узнать, что предметы могут не только притягиваться, но и отталкиваться. Эксперименты, проводимые французом Шарлем Дюфе, показали, что существует 2 типа электричества. Позже Франклин объяснил это существованием двух видов частиц:

• положительных;
• отрицательных.

Знак был присвоен условно, чтобы удобно было исследовать явление. Опыты показали, что 2 одинаково заряженных элемента отталкиваются друг от друга, в то время как разноимённые притягиваются. Проявление же тех или иных свойств телами, как, оказалось, зависит от кристаллического строения тела. Учёные установили, что в его основе лежит межатомное взаимодействие.

Частицей-носителем свойств элемента является атом. Он состоит из протонов и нейтронов, образующих ядро. Вокруг последнего по орбиталям вращаются электроны. Атом считается положительно заряженным, а электрон — отрицательно. Причём величина зарядов обоих знаков одинаковая, то есть тело находится в энергетическом равновесии.

Опыт Кулона

Закон взаимодействия зарядов был сформулирован и эмпирически подтверждён Кулоном в 1785 году. Для этого физик сконструировал специальное устройство — крутильные весы. Этот прибор мог измерять малые силы, возникающие при заряженности тел. Причём для удобства им была введена величина — точечный заряд.

По сути, это идеализация, позволяющая доступно описать поле заряженного тела. Под таким зарядом понимают наэлектризованный предмет, размерами которого можно пренебречь. Появились основания предположить, что вся энергия сосредоточена в одной точке. Прибор учёного состоял из следующих элементов:

• шёлковой нити;
• двух металлических шариков;
• проградуированной шкалы;
• бумажного диска;
• коромысла.

Суть эксперимента заключалась в следующем. Подвесив к тонкой нити коромысло, на котором были закреплены 2 шарика, Кулон опустил эту конструкцию в стеклянный сосуд. Нить помещалась на половину глубины ёмкости. Причём напротив шаров по внешнему диаметру сосуда была закреплена шкала. Затем он опускал заряженный шар и наблюдал реакцию.

Заключалась она в повороте коромысла на определённую величину. Таким образом, было не только открыто явление, в котором обнаружился факт существования в природе элементарных носителей электрических зарядов, но и электризация тел при их контакте. Учёный, замеряя угол поворота, сформулировал закон. Он гласил, что сила с которой происходит взаимодействие двух заряженных элементарных зарядов прямо пропорциональна произведению их значений по модулю и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В математическом виде это утверждение описывается следующей формулой: F = k * (q1 * q2)/r², где k — коэффициент пропорциональности. В международной системе единиц измерения он определяется как k = ¼pE. Причём E — скалярная величина равная 8,85 * 10^-12 Ф / м. Называется она электрической постоянной и определяется средой, в которой происходит взаимодействие.

Эксперимент Кулона помог установить электромагнитную сущность взаимодействия электрических зарядов, понять, что частица обладает энергией, которую она может передавать и из-за которой происходит электрическое взаимодействие тел. Но также стало ясно, что если система изолирована от внешних воздействий, она находится в энергетическом равновесии, то есть действует закон сохранения энергии.

Свойства зарядов

Количественно энергию, переносимую частицами, принято измерять в кулонах (Кл). Заряд — это некая фундаментальная величина природы. Сказать, что это такое, физики не могут. Зато они научились объяснять их взаимодействия и смогли выяснить свойства явления. Они установили, что заряд вокруг себя создаёт электрическое поле. Когда под его действие попадает другая частица, она начинает испытывать на себе его воздействие. Если убрать второй заряд, сила взаимодействия мгновенно не поменяется.

Эта теория была выдвинута экспериментатором Майклом Фарадеем и названа им правилом близкодействия. Оказалось, что носитель испытывает действие электрического поля, даже если рядом нет другой заряженной частицы, то есть воспринимает электромагнитные волны.

Кроме этого, учёные смогли обнаружить следующие свойства, присущие заряду:

1. Существует только 2 вида заряженных частиц — положительные и отрицательные.
2. В природе нет преобладания плюсовых или минусовых зарядов, а их суммарное число одинаковое.
3. При электризации процесс сопровождается не появлением новых носителей, а их разделением.
4. Размер минимального положительного заряда (протона), который удалось открыть, составляет 1,6021892 * 10^-19 Кл. Это значение по модулю равно электрону.
5. Он инвариантен, то есть его значение не зависит от выбранной системы отсчёта.
6. Энергия, которой обладает заряженная частица, может принимать любые дискретные значения.

Последнее свойство было доказано советским физиком Иоффе в начале XX века. Он взял 2 металлические пластины. Одну из них он зарядил отрицательно, а другую положительно. Между ними помещал пылинки цинка. В результате физик наблюдал их взаимодействие с прообразом плоского конденсатора. Под действием электрического поля и ультрафиолетового излучения, из цинка вылетали электроны, и скорость пылинок изменялась.

Измеряя её, он увидел, что заряд цинковых пылинок менялся на строгую величину. Но измерить её он не смог из-за сложной формы пыли. Рассчитать значение элементарной энергии получилось у Роберта Милликена. Вместо цинка, он использовал капельки масла. Учёный смог вычислить силу сопротивления воздуха, а затем определить, величину элементарного заряда. Она составила: 4,803242±0,000014x10^-10 единиц (если значение будет измеряться в СГСЭ).

Это наименьшее значение, которое можно получить в природе. Остальные величины образуются квантованием, то есть общий заряд всегда равен целому числу элементарных.

Закон сохранения

Пожалуй, одним из самых важных принципов в физике считается закон сохранения зарядов. С его проявлением можно столкнуться, например, натирая эбонитовую палочку об шерсть. В этом случае заряд как бы появляется на двух предметах одновременно. Но это не значит, как кажется, что рождаются частицы.

На самом деле заряд был и раньше в телах, но при этом сосредоточен в равных количествах. При контакте же происходит разделение элементарных носителей. С шерсти электроны переходят на эбонит, поэтому он заряжается отрицательно, а ткань — положительно. Происходит электризация. Суммарный же заряд остаётся неизменным. Он равен нулю. Это и есть проявление электросохранения.

Пусть имеются 2 физических тела. Они обладают пробными зарядами q1 и q2. Если их привести в соприкосновение, а затем развести, полученную каждым объектом энергию можно найти по формуле: q = (q1 + q2)/2

Таким образом, определение закона сохранения зарядов будет звучать так: алгебраическая сумма энергии, сосредоточенной в элементарных частицах для изолированной системы, остаётся неизменной при любых процессах. Как оказалось, правило проявляет себя не только в макромире, но и в микромире. В подтверждение сказанному можно рассмотреть 2 примера:

1. Стеклянная палочка и шёлк. Общий заряд, а его обозначают буквой q, равняется нулю. Если потереть шёлк об стеклянную палочку, ткань зарядится отрицательно, а стекло — положительно. Проявление закона можно описать: q^- ш + q⁺ с = 0.
2. Ядро. Оно состоит из положительного заряженного протон и не имеющего знака нейтрона. Если последний покинет ядро, например, при атомной реакции, он распадётся на 3 вида частиц: протон (p), электрон (е) и нейтрин (ν): n → p + e + ν. Так как заряды протона и нейтрона компенсируют друг друга, а нейтрина равен нулю, q = qe + qp + qv = 0.

Протоны являются частью атомов, поэтому их число может измениться только во время ядерной реакции. Так как при электризации тел такого явления произойти не может, их количество постоянное. Значит, в процессе участвуют только электроны, и отрицательность тела возникает из-за их переизбытка, вызванного передачей. А получение положительного заряда телом, вопреки частой ошибке, означает не увеличение протонов, а уход электронов, то есть энергия передаётся порциями, состоящими из целого числа отрицательных частиц.