в чем измеряется электронный заряд

Электрический заряд

Классическая электродинамика

Электричество · Магнетизм

Электростатика Закон Кулона Теорема Гаусса Электрический дипольный момент Электрический заряд Электрическая индукция Электрическое поле Электростатический потенциал Магнитостатика Закон Био — Савара — Лапласа Закон Ампера Магнитный момент Магнитное поле Магнитный поток Электродинамика Векторный потенциал Диполь Потенциалы Лиенара — Вихерта Сила Лоренца Ток смещения Униполярная индукция Уравнения Максвелла Электрический ток Электродвижущая сила Электромагнитная индукция Электромагнитное излучение Электромагнитное поле Электрическая цепь Закон Ома Законы Кирхгофа Индуктивность Радиоволновод Резонатор Электрическая ёмкость Электрическая проводимость Электрическое сопротивление Электрический импеданс Ковариантная формулировка Тензор электромагнитного поля Тензор энергии-импульса 4-потенциал 4-ток Известные учёные Генри Кавендиш Майкл Фарадей Никола Тесла Андре-Мари Ампер Густав Роберт Кирхгоф Джеймс Клерк (Кларк) Максвелл Генри Рудольф Герц Альберт Абрахам Майкельсон Роберт Эндрюс Милликен

См. также: Портал:Физика

Электри́ческий заря́д — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году.

Содержание

История

Ещё в глубокой древности было известно, что янтарь (др.-греч. ἤλεκτρον — электрон), потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы. А уже в конце XVI века английский врач Уильям Гильберт назвал тела, способные после натирания притягивать лёгкие предметы, наэлектризованными.

В 1729 году Шарль Дюфе установил, что существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным». Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл Бенджамин Франклин.

В начале XX века американский физик Роберт Милликен опытным путём показал, что электрический заряд дискретен, то есть заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда

Электростатика

Электростатикой называют раздел учения об электричестве, в котором изучаются взаимодействия и свойства систем электрических зарядов, неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчета.

Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) — численная характеристика носителей заряда и заряженных тел, которая может принимать положительные и отрицательные значения. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов, взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля, зависят от знака зарядов.

Электрический заряд любой элементарной частицы — величина релятивистски инвариантная. Он не зависит от системы отсчёта, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится, он присущ этой частице в течение всего времени ее жизни, поэтому элементарные заряженные частицы зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решеток твёрдых тел скомпенсированы.

Взаимодействие зарядов

При соприкосновении двух электрически нейтральных тел в результате трения заряды переходят от одного тела к другому. В каждом из них нарушается равенство суммы положительных и отрицательных зарядов, и тела заряжаются разноимённо.

При электризации тела через влияние в нём нарушается равномерное распределение зарядов. Они перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток положительных зарядов, а в другой — отрицательных. Если две эти части разъединить, то они будут заряжены разноимённо.

Закон сохранения электрического заряда

Электрический заряд замкнутой системы [5] сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.

В рассматриваемой системе могут образовываться новые электрически заряженные частицы, например, электроны — вследствие явления ионизации атомов или молекул, ионы — за счёт явления электролитической диссоциации и др. Однако, если система электрически изолированна, то алгебраическая сумма зарядов всех частиц, в том числе и вновь появившихся в такой системе, всегда равна нулю.

Закон сохранения заряда — один из основополагающих законов физики. Закон сохранения заряда был впервые экспериментально подтверждён в 1843 году великим английским ученым Майклом Фарадеем и считается на настоящее время одним из фундаментальных законов сохранения в физике (подобно законам сохранения импульса и энергии). Всё более чувствительные экспериментальные проверки закона сохранения заряда, продолжающиеся и поныне, пока не выявили отклонений от этого закона.

Свободные заряды

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Измерение

Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электроскоп, который состоит из металлического стержня — электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным предметом заряды стекают через электрод на листочки фольги, листочки оказываются одноимённо заряженными и поэтому отклоняются друг от друга.

Также может применяться электрометр, в простейшем случае состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. При соприкосновении заряженного тела со стрежнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке, и силы отталкивания, действующие между одноимёнными зарядами на стержне и стрелке, вызывают её поворот. Для измерения малых зарядов используются более чувствительные электронные электрометры.

Источник

Электрический заряд — это величина или частица, и в чем он измеряется

Электричество нас окружает со всех сторон. Но когда-то это было не так. Потому что само слово произошло от греческого названия конкретного материала: «электрон», по-гречески, «янтарь». С ним проводили занятные эксперименты, похожие на фокусы. Люди всегда любили чудеса, а тут — всякие пылинки, ворсинки, ниточки, волосинки, начинали притягиваться к кусочку янтаря, стоило только его потереть лоскутком ткани. То есть вот у камушка этого золотистого никаких «ручек» маленьких нет, а ворсинки поднимать может.

Накопление электричества и знаний о нём

Зримое накопление электричества происходило и когда надевали на себя поделки из янтаря: янтарные бусы, янтарные заколки для волос. Тут уж объяснений, кроме как явной магии, не могло быть никаких. Ведь, чтобы фокус удавался, перебирать бусы надо было исключительно чистыми сухими руками и сидя в чистой одежде. И чистые волосы, хорошо потёртые заколкой, дают нечто красивое и устрашающее: нимб торчащей кверху шевелюры. Да ещё потрескивание. Да ещё в темноте вспышки. Это же действие духа, требовательного и капризного, равно как и страшного и непонятного. Но настала пора, и электрические явления перестали быть территорией духа.

Стали всё что угодно называть просто — «взаимодействие». Вот уж тогда и начали экспериментировать. Придумали специальную машину для этого (электрофорная машина), и банку для накопления электричества (лейденская банка). И прибор, который уже мог показывать некоторое «равно-больше-меньше» в отношении электричества (электроскоп). Осталось только всё это объяснить с помощью набиравшего силу языка формул.

Так, человечество додумалось до необходимости осознания наличия в природе некоего электрического заряда. Собственно, в названии никакого открытия не содержится. Электрический — значит, связанный с явлениями, изучение которых началось с магии янтаря. Слово «заряд» говорит только о неясных возможностях, заложенных в предмет, как ядро в пушку. Просто ясно, что электричество можно как-то добывать и как-то накапливать. И как-то ого должно измеряться. Равно как и обычное вещество, например, масло.

И, по аналогии с веществами, о мельчайших частицах которых (атомах), говорили уверенно ещё со времён Демокрита, и решили, что заряд должен непременно состоять из аналогичных очень маленьких «корпускул» — телец. Количество которых в большом заряженном теле и даст величину электрического заряда.

Электрический заряд — закон сохранения заряда

Разумеется, тогда и приблизительно не могли представить, сколько таких электрических «корпускул» может оказаться хотя бы в совсем небольшом заряженном теле. Но практическая единица электрического заряда была всё-таки нужна. И её стали придумывать. Кулон, в честь кого такую единицу потом назвали, видимо измерял величины зарядов с помощью металлических шариков, с которыми проводил опыты, но как-то относительно. Открыл свой знаменитый закон Кулона, в котором алгебраически записал, что сила, действующая между двумя, разнесёнными на расстояние R зарядами q1 и q2, пропорциональна их произведению и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Коэффициент k зависит от среды, в которой происходит взаимодействие, в вакууме же он равен единице.

Вероятно, после Кеплера и Ньютона такие вещи делать было не так уж и сложно. Расстояние измерить легко. Заряды он делил физически, прикасаясь одними шариками к другим. Получалось, что на двух одинаковых шариках, если один заряжен, а другой нет, при соприкосновении заряд делится пополам — разбегается по обоим шарикам. Так, он получал дробные значения исходной неизвестной величины q.

Изучая взаимодействие электрических зарядов, он делал замеры при разных расстояниях между шариками, фиксировал отклонения на своих крутильных весах, которое при этом получаются, когда заряженные шарики отталкиваются друг от друга. Видимо, его закон — то была чистая победа алгебры, так как единицы измерения заряда «кулон» сам Кулон не знал и знать просто не мог.

Другой победой было открытие того факта, что общее количество этой самой величины q в шариках, которые он сумел зарядить таким способом, оставалось всегда неизменным. За что открытый закон он и назвал законом сохранения заряда.

Q = q 1 + q 2 + q 3 + + q n

Надо отдать должное аккуратности и терпению учёного, а также отваге, с которой он провозгласил свои законы, не имея единицы количества того, что изучал.

Частица электричества — минимальный заряд

Это уже потом догадались, что элементарным, то есть самым маленьким, электрическим зарядом является электрон. Только не маленький кусочек янтаря, а невыразимо малая частица даже уже не вещества (почти), но которая обязательно есть в любом вещественном теле. И даже в каждом атоме любого вещества. И не только в атомах, но и вокруг них. И те:

Связанными в атоме электроны бывают потому, что атомное ядро тоже содержит частицы заряда — протоны, и каждый протон обязательно притянет к себе электрон. Как раз по закону Кулона.

А заряд, который вы можем видеть или чувствовать получается в результате:

составляют только свободные электроны, которые были выброшены из атомов по причине разных недоразумений:

и бродящие внутри огромных макроскопических тел (например, волосинок).

Для электронов тела наших предметов действительно огромны. В одной единице заряда (кулоне) — электронов содержится примерно вот сколько: 624 150 912 514 351 000 с небольшим. Звучит это так: 624 квадриллиона 150 триллионов 912 миллиардов 514 миллионов 351 тысяча электронов в одном кулоне электрического заряда.

А кулон, это величина совсем простая и нам близкая. Кулон, это тот самый заряд, который протекает в одну секунду через сечение проводника, если ток в нём имеет силу в один ампер. То есть при 1 ампере за каждую секунду через поперечное сечение проволочки будут мелькать как раз вот эти 624 квадриллиона электронов.

Электроны настолько подвижны, и так быстро передвигаются внутри физических тел, что включают нам электрическую лампочку в одно мгновение, как только мы нажмём на выключатель. И поэтому электрическое взаимодействие у нас такое быстрое, что каждую секунду происходят события, называемые «рекомбинация». Сбежавший электрон находит атом, из которого электрон как раз убежал, и занимает в нём свободное место.

Количество таких событий в секунду тоже порядка, ну, все это себе уже представляют. И эти события непрерывно повторяются, когда электроны покидают атомы, потом в атомы возвращаются. Убегают возвращаются. Такова их жизнь, без этого они просто не могут существовать. И только благодаря этому существует электричество — та система, которая стала частью нашей жизни, нашего комфорта, нашего питания и сохранения.

Направление тока. Кто у нас в заряде главный?

Только так и остался один небольшой курьёз, который все знают, но никто из физиков так и не желает исправить.

Когда Кулон фокусничал со своими шариками, видели, что заряды бывают двух видов. И заряды одного вида отталкиваются друг от друга, а заряды разных притягиваются. Естественно было назвать одни из них положительными, а другие отрицательными. И предположить, что электрический ток течёт оттуда, где больше, туда, где меньше. То есть от плюса к минусу. Так оно и закрепилось в головах физиков на многие поколения.

Но обнаружить потом удалось первыми не электроны, а ионы. Это как раз те самые безутешные атомы, потерявшие свой электрон. В ядре которых имеется «лишний» протон, и потому они заряжены. Ну а как это обнаружили, так сразу и вздохнули, и сказали — вот он, заряд ты наш положительный. И за протоном так закрепилась слава положительно заряженной частицы.

А потом догадались, что атомы чаще всего бывают нейтральными потому, что электрический заряд ядра уравновешивается зарядом электронных оболочек, вращающихся вокруг ядра. То есть построили планетарную модель атома. И только тогда поняли, что атомы составляют всё (почти) вещество, его твёрдую кристаллическую решётку, или всю массу его жидкого тела. То есть протоны с нейтронами солидно сидят в ядрах атомов. А не на побегушках, как лёгкие и подвижные электроны. Следовательно, ток бежит не от плюса к минусу, а наоборот, от минуса к плюсу.

Источник

Единицы измерения заряда. Закон Кулона

В результате долгих наблюдений учеными было установлено, что разноименно заряженные тела притягиваются, а одноименно заряженные наоборот – отталкиваются. Это значит, что между телами возникают силы взаимодействия. Французский физик Ш. Кулон опытным путем исследовал закономерности взаимодействия металлических шаров и установил, что сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами будет прямопропорциональна произведению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерений физических величин, которые входят в формулу, а также и от среды, в которой находятся электрические заряды q₁ и q₂. r – расстояние между ними.

Отсюда можем сделать вывод, что закон Кулона будет справедлив только точечных зарядов, то есть для таких тел, размерами которых вполне можно пренебречь по сравнению с расстояниями между ними.

В векторной форме закон Кулона будет иметь вид:

Где q₁ и q₂ заряды, а r – радиус-вектор их соединяющий; r = |r|.

Силы, которые действуют на заряды, называют центральными. Они направлены по прямой, соединяющей эти заряды, причем сила, действующая со стороны заряда q₂ на заряд q₁, равна силе, действующей со стороны заряда q₁ на заряд q₂, и противоположна ей по знаку.

Для измерения электрических величин могут использоваться две системы счисления – система СИ (основная) и иногда могут использовать систему СГС.

В системе СИ одной из главных электрических величин является единица силы тока – ампер (А), то единица электрического заряда будет ее производной (выражается через единицу силы тока). Единицей определения заряда в СИ является кулон. 1 кулон (Кл) – это количество «электричества», проходящего через поперечное сечение проводника за 1 с при токе в 1 А, то есть 1 Кл = 1 А·с.

Коэффициент k в формуле 1а) в СИ принимается равным:

И закон Кулона можно будет записать в так называемой «рационализированной» форме:

Многие уравнения, описывающие магнитные и электрические явления, содержат множитель 4π. Однако, если данный множитель ввести в знаменатель закона Кулона, то он исчезнет из большинства формул магнетизма и электричества, которые очень часто применяют в практических расчетах. Такую форму записи уравнения называют рационализированной.

Величина ε₀ в данной формуле – электрическая постоянная.

Основными единицами системы СГС являются механические единицы СГС (грамм, секунда, сантиметр). Новые основные единицы дополнительно к вышеперечисленным трем в системе СГС не вводятся. Коэффициент k в формуле (1) принимается равным единице и безразмерным. Соответственно закон Кулона в не рационализированной форме будет иметь вид:

Если r = 1см, а F = 1 дин, то из этой формулы следует, что в системе СГС за единицу заряда принимают точечный заряд, который (в вакууме) действует на равный ему заряд, удаленный от него на расстояние 1 см, с силой в 1 дин. Такая единица заряда называется абсолютной электростатической единицей количества электричества (заряда) и обозначается СГС_q. Ее размерность:

Для вычисления величины ε₀, сравним выражения для закона Кулона, записанные в системе СИ и СГС. Два точечных заряда по 1 Кл каждый, которые находятся на расстоянии 1 м друг от друга, будут взаимодействовать с силой (согласно формуле 3):

В СГС данная сила будет равна:

Сила взаимодействия между двумя заряженными частицами зависит от среды, в которой они находятся. Чтобы характеризовать электрические свойства различных, сред было введено понятие относительной диэлектрической проницательности ε.

Значение ε это различная величина для разных веществ – для сегнетоэлектриков ее значение лежит в пределах 200 – 100 000, для кристаллических веществ от 4 до 3000, для стекла от 3 до 20, для полярных жидкостей от 3 до 81, для неполярных жидкостей от 1,8 до 2,3; для газов от 1,0002 до 1,006.

Также от температуры окружающей среды зависит и диэлектрическая проницаемость (относительная).

Если учесть диэлектрическую проницаемость среды, в которую помещены заряды, в СИ закон Кулона примет вид:

Диэлектрическая проницаемость ε – величина безразмерная и она не зависит от выбора единиц измерения и для вакуума считается равной ε = 1. Тогда для вакуума закон Кулона примет вид:

Поделив выражение (6) на (5) получим:

Соответственно относительная диэлектрическая проницаемость ε показывает, во сколько раз сила взаимодействия между точечными зарядами в какой-то среде, которые находятся на расстоянии r друг относительно друга меньше, чем в вакууме, при том же расстоянии.

Для раздела электричества и магнетизма систему СГС иногда называют системой Гаусса. До появления системы СГС действовали системы СГСЭ (СГС электрическая) для измерения электрических величин и СГСМ (СГС магнитная) для измерения магнитных величин. В первой равной единице принималась электрическая постоянная ε₀, а второй магнитная постоянная μ₀.

В системе СГС формулы электростатики совпадают соответствующими формулами СГСЭ, а формулы магнетизма, при условии, что они содержат только магнитные величины – с соответствующими формулами в СГСМ.

Закон Кулона в системе СГС будет иметь вид:

Пример

На двух абсолютно идентичных каплях масла недостает по одному электрону. Силу ньютоновского притяжения уравновешивает сила кулоновского отталкивания. Нужно определить радиусы капель, если расстояния между ними значительно превышает их линейные размеры.

Решение

Поскольку расстояние между каплями r значительно больше их линейных размеров, то капли можно принять за точечные заряды, и тогда сила кулоновского отталкивания будет равна:

Где е – положительный заряд капли масла, равный заряду электрона.

Силу ньютоновского притяжения можно выразить формулой:

Где m – масса капли, а γ – гравитационная постоянная. Согласно условию задачи F_к = F_н, поэтому:

Источник