Электрический заряд

Электрический заряд — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел или частиц участвовать в электромагнитных взаимодействиях. Заряд является одним из фундаментальных свойств материи, наряду с массой и пространственно-временными координатами. Он служит источником электрического поля и определяет интенсивность электромагнитного взаимодействия между объектами.

Основные свойства

Дискретность

Электрический заряд существует в природе в виде целого числа элементарных зарядов. Элементарный заряд (e) — это минимальный неделимый заряд, которым обладают стабильные элементарные частицы. Его величина составляет приблизительно 1,602 × 10⁻¹⁹ Кл. Носителями элементарного заряда являются электрон (отрицательный заряд −e) и протон (положительный заряд +e). Кварки, входящие в состав адронов, имеют дробные заряды (например, +2/3 e или −1/3 e), но в свободном состоянии они не наблюдаются.

Сохранение

В замкнутой системе алгебраическая сумма электрических зарядов всех частиц остаётся неизменной при любых процессах. Этот закон сохранения заряда является одним из фундаментальных законов физики и подтверждается всеми известными экспериментами. Например, при аннигиляции электрона и позитрона образуются два фотона, не имеющие заряда, но суммарный заряд системы (0) сохраняется.

Инвариантность

Электрический заряд не зависит от скорости движения частицы. В отличие от массы, которая возрастает при релятивистских скоростях, заряд остаётся постоянным в любой инерциальной системе отсчёта. Это свойство делает заряд абсолютной характеристикой частицы.

Аддитивность

Заряд системы тел равен алгебраической сумме зарядов всех тел, входящих в систему. Это свойство позволяет рассчитывать полный заряд сложных объектов, таких как атомы или макроскопические тела.

Единицы измерения

В Международной системе единиц (СИ) электрический заряд измеряется в кулонах (Кл, C). Один кулон — это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 ампер за 1 секунду. В системе СГС (сантиметр-грамм-секунда) заряд измеряется в статкулонах (СГСЭ). Соотношение между единицами: 1 Кл ≈ 3 × 10⁹ СГСЭ.

Элементарный заряд e = 1,602176634 × 10⁻¹⁹ Кл (точное значение, принятое в 2019 году как определение кулона).

Виды зарядов

В природе существуют два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые — притягиваются. Это правило было установлено французским физиком Шарлем Кулоном в XVIII веке.

• Положительный заряд — заряд, который приобретает стеклянная палочка после трения о шёлк. Носителями положительного заряда в веществе являются протоны.
• Отрицательный заряд — заряд, который приобретает эбонитовая палочка после трения о шерсть. Носителями отрицательного заряда являются электроны.

Взаимодействие зарядов

Закон Кулона

Сила взаимодействия между двумя точечными неподвижными зарядами в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В векторной форме закон записывается как:

F = k × (|q₁ × q₂|) / r²

где F — сила взаимодействия (Н), q₁ и q₂ — величины зарядов (Кл), r — расстояние между зарядами (м), k — коэффициент пропорциональности (в СИ k ≈ 8,99 × 10⁹ Н·м²/Кл²).

Сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряды. Для одноимённых зарядов сила является силой отталкивания, для разноимённых — силой притяжения.

Электрическое поле

Заряд создаёт в окружающем пространстве электрическое поле — особую форму материи, через которую передаётся взаимодействие. Напряжённость электрического поля (E) в точке определяется как сила, действующая на единичный положительный заряд, помещённый в эту точку. Для точечного заряда напряжённость поля убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Способы электризации

Электризация — процесс сообщения телу электрического заряда. Основные способы:

• Трение — контакт двух тел из разных материалов с последующим разделением. При этом электроны переходят от одного тела к другому. Пример: натирание эбонитовой палочки шерстью.
• Контакт — передача заряда при соприкосновении заряженного тела с незаряженным. Заряд распределяется между телами пропорционально их ёмкости.
• Индукция — перераспределение зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля без непосредственного контакта с заряженным телом. На одной стороне проводника возникает избыток положительных зарядов, на другой — отрицательных.
• Фотоэффект — выбивание электронов с поверхности вещества под действием света.
• Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов нагретым металлом.

Заряд в веществе

Проводники

В проводниках (металлах, электролитах, плазме) часть зарядов (электроны или ионы) может свободно перемещаться. При сообщении проводнику избыточного заряда он распределяется по поверхности, а внутри поля нет. Это свойство используется в электростатической защите (клетка Фарадея).

Диэлектрики

В диэлектриках (стекле, резине, пластмассе) все заряды связаны в атомах или молекулах и не могут свободно перемещаться. При помещении диэлектрика в электрическое поле происходит поляризация — смещение связанных зарядов, но не их перенос.

Полупроводники

Полупроводники (кремний, германий) занимают промежуточное положение. При низких температурах они ведут себя как диэлектрики, но при нагреве или легировании приобретают проводимость. Носителями заряда в полупроводниках являются электроны и «дырки» (квазичастицы, представляющие отсутствие электрона).

Измерение заряда

Для измерения электрического заряда используются электроскопы и электрометры. Электроскоп — простейший прибор, состоящий из металлического стержня с двумя лёгкими листочками (обычно из алюминиевой фольги). При поднесении заряженного тела листочки расходятся, так как приобретают одноимённый заряд. Электрометр позволяет не только обнаружить заряд, но и измерить его величину, градуируя шкалу в кулонах или вольтах.

Современные методы измерения заряда основаны на использовании электронных усилителей и чувствительных датчиков, например, в опытах Милликена по определению элементарного заряда.

Исторические сведения

Первые наблюдения электрических явлений относятся к античности: древнегреческий философ Фалес Милетский (VI век до н. э.) заметил, что янтарь, потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы. Термин «электричество» происходит от греческого слова «электрон» (янтарь).

В XVII—XVIII веках систематические исследования электричества провели Уильям Гильберт, Отто фон Герике (создал первую электростатическую машину), Шарль Дюфе (открыл два рода электричества). В 1785 году Шарль Кулон сформулировал закон взаимодействия зарядов. В 1897 году Джозеф Джон Томсон открыл электрон и определил его заряд. В 1909 году Роберт Милликен в опытах с капельками масла точно измерил элементарный заряд.

Применение

Электрический заряд лежит в основе работы множества устройств и технологий:

• Электростатические фильтры — очистка промышленных газов от пыли и аэрозолей.
• Ксерография — создание изображений с помощью электростатического заряда на барабане.
• Электростатическая окраска — нанесение краски на заряженную поверхность.
• Ускорители частиц — использование электрических полей для разгона заряженных частиц.
• Конденсаторы — накопление электрического заряда для хранения энергии.
• Молниеотводы — отвод заряда от зданий в землю.

Источники

• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том 3. Электричество. — М.: Физматлит, 2004.
• Калашников С. Г. Электричество. — М.: Наука, 1985.
• Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Том 5. Электричество и магнетизм. — М.: Мир, 1977.
• Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Физматлит, 2003 (раздел о фотоэффекте).
• ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин.