Заряд в физике и электротехнике¶

Заряд — физическая величина, характеризующая свойство частиц и тел вступать в электромагнитные взаимодействия; в электротехнике и повседневной речи зарядом также называют запас энергии, накопленный в устройстве (аккумуляторе, конденсаторе) или веществе (пиротехническом, взрывчатом). В физике различают электрический заряд, элементарный заряд, тепловой заряд и ряд других понятий.

¶Электрический заряд

Электрический заряд — скалярная физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия между частицами. Заряд обладает аддитивностью: заряд системы равен сумме зарядов её частиц. В Международной системе единиц (СИ) единица измерения заряда — кулон (Кл).

¶Основные свойства

• Квантованность. Любой изолированный заряд кратен элементарному заряду $e ≈ 1,602 × 10⁻¹⁹$ Кл. Заряд электрона равен $−e$, заряд протона — $+e$. Кварки несут дробные заряды, но не наблюдаются изолированно: все свободно существующие частицы имеют целочисленное кратность $e$.
• Сохранение. Полный электрический заряд изолированной системы сохраняется во времени. Нарушение сохранения заряда не обнаружено ни в одном известном эксперименте.
• Инвариантность. Заряд не зависит от системы отсчёта: он одинаков у частицы в покое и в движении, в отличие от массы по релятивистским законам.

¶Носители заряда

В макроскопических телах заряд переносят свободные носители: в металлах — электроны, в электролитах — ионы, в полупроводниках — электроны и дырки, в газах — ионы и электроны. Явление электризации — появление избытка или недостатка носителей на теле — лежит в основе трения, контакта, индукции и фотоэффекта.

¶Законы и поля

Взаимодействие зарядов описывается законом Кулона: сила между двумя точечными зарядами пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Движение зарядов порождает магнитное поле, а изменяющееся электрическое и магнитное поля образуют единую электромагнитную волну. Уравнения Максвелла описывают связь зарядов и токов с электромагнитным полем.

¶Элементарный заряд и квантовая электродинамика

Элементарный заряд $e$ — величина, с которой связаны все измеряемые заряды. Его значение устанавливается экспериментально, в частности через постоянную Фарадея и число Авогадро. Квантовая электродинамика (КЭД) описывает взаимодействие заряженных частиц как обмен виртуальными фотонами; точность теоретических предсказаний достигает десятков знаков после запятой, что делает КЭД одной из наиболее проверенных теорий физики.

¶Заряд в электротехнике

¶Аккумулятор

Аккумулятор — вторичный источник тока, накапливающий энергию за счёт обратимых электрохимических реакций. Основные параметры:

Различают аккумуляторы свинцовые, литий-ионные, никель-металлгидридные, никель-кадмиевые и другие. Срок службы характеризуется числом циклов заряд–разряд. Батарейка (гальванический элемент) — первичный источник, заряд в котором расходуется необратимо.

¶Конденсатор

Конденсатор накапливает заряд в электрическом поле между обкладками. Ёмкость $C = Q/U$ характеризует способность накапливать заряд при заданном напряжении. Запасённая энергия $W = CU²/2$. Конденсаторы применяются в фильтрах, цепях связи, импульсной технике, в системах накопления энергии.

¶Тепловой заряд

Тепловой заряд — масса топлива, сжигаемая в топке парового котла или теплового двигателя за определённое время (обычно за час). Измеряется в кг/ч. Понятие применяется при расчёте котельных установок и тепловых электростанций.

¶Другие значения термина

• Ядерный заряд — заряд атомного ядра, равный протонному числу $Z$; определяет положение элемента в периодической таблице.
• Заряд орудия — масса метательного взрывчатого вещества в артиллерийском выстреле.
• Заряд (взрывчатое вещество) — порция взрывчатого вещества, предназначенная для подрыва.
• Заряд (воспитание) — ребёнок, находящийся на попечении; термин устаревший, используется в юридических и исторических текстах.
• Зарядка (физкультура) — комплекс упражнений, выполняемых для подготовки организма к нагрузке.

¶Применение понятия

Понятие заряда лежит в основе электростатики, электродинамики, химии (ионная связь, электрохимические процессы), материаловедения. Электрический заряд определяет работу электрических машин, принципы функционирования транзисторов, сенсорных экранов, электрофореза, ксерографии. В астрофизике распределение зарядов объясняет магнитные поля планет и звёзд.

Исторически понятие электрического заряда оформилось в работах Уильяма Гилберта (XVII век), Шарля Огюстена Кулона (1785), Майкла Фарадея (концепция поля) и Джеймса Клерка Максвелла (1860-е). Термин «квант электричества» ввёл Джордж Стони в 1891 году, а сам элементарный заряд измерил Роберт Милликен в 1909 году в опытах с масляными каплями.

Источники:

• Франкфурт У. И., Фабрикант В. А. Курс общей физики
• Савельев И. В. Курс общей физики
• Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Электродинамика сплошных сред
• Грановский В. Б. Электрический твёрдотельный разряд
• ГОСТ 263-75. Машины электрические. Термины и определения