Электрический заряд является физической величиной, которая присуща некоторым элементарным частицам. Он проявляет себя через силы притяжения и отталкивания между заряженными телами посредством электромагнитного поля. Рассмотрим физические свойства заряда и виды зарядов.

Общее представление об электрическом заряде

Материя, которая имеет отличный от нуля электрический заряд, активно взаимодействует с электромагнитным полем и, в свою очередь, создает это поле. Взаимодействие заряженного тела с электромагнитным полем является одним из четырех типов силовых взаимодействий, которые известны человеку. Говоря о зарядах и видах зарядов, следует отметить, что с точки зрения стандартной модели электрический заряд отражает способность тела или частицы обмениваться носителями электромагнитного поля - фотонами - с другим заряженным телом или электромагнитным полем.

Одна из важных характеристик различных видов заряда - сохранение их суммы в изолированной системе. То есть общий заряд сохраняется сколь угодно длительное время независимо от типа взаимодействия, которое имеет место внутри системы.

Электрический заряд не является непрерывным. В экспериментах Роберта Милликена была продемонстрирована дискретная природа электрического заряда. Виды зарядов, существующие в природе, могут быть положительными или отрицательными.

Положительные и отрицательные заряды

Носителями двух видов зарядов являются протоны и электроны. По историческим причинам заряд электрона считается отрицательным, имеет значение -1 и обозначается -e. Протон имеет положительный заряд +1 и обозначается +e.

Если тело содержит больше протонов, чем электронов, то оно считается положительно заряженным. Ярким примером положительного вида заряда в природе является заряд стеклянной палочки после того, как ее потрут шелковой тканью. Соответственно, если тело содержит больше электронов, чем протонов, оно полагается отрицательно заряженным. Этот вид электрического заряда наблюдается на пластиковой линейке, если ее потереть шерстью.

Отметим, что заряд протона и электрона хоть и очень маленький, он не является элементарным. Обнаружены кварки - "кирпичики", образующие элементарные частицы, которые имеют заряды ±1/3 и ±2/3 относительно заряда электрона и протона.

Единица измерения

Виды зарядов, как положительные, так и отрицательные, в международной системе единиц СИ измеряются в кулонах. Заряд в 1 кулон - это очень большой заряд, который определяется как проходящих за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока в нем, равной 1 ампер. Одному кулону соответствует 6,242*10 18 свободных электронов. Это означает, что заряд одного электрона равен -1/(6,242*10 18) = - 1,602*10 -19 кулона. Это же значение, только со знаком плюс, характерно для другого вида зарядов в природе - положительного заряда протона.

Краткая история электрического заряда

Еще со времен античной Греции известно, что если потереть кожу о янтарь, то он приобретает способность притягивать к себе легкие тела, например, солому или перья птиц. Это открытие принадлежит греческому философу Фалесу Милетскому, который жил 2500 лет назад.

В 1600 году английский медик Уильям Гилберт заметил, что многие материалы ведут себя подобно янтарю, если их потереть. Слово "янтарь" в древнегреческом языке звучит как "электрон". Гилберт стал использовать этот термин для всех подобных явлений. Позже появились другие термины, такие как "электричество" и "электрический заряд". В своих работах Гилберт также смог различить магнитные и электрические явления.

Открытие существования притяжения и отталкивания между электрически заряженными телами принадлежит физику Стефану Грею. Первым ученым, который предположил существование двух видов электрических зарядов, был французский химик и физик Шарль Франсуа Дюфе. Явление электрического заряда также подробно исследовал Бенджамин Франклин. В конце XVIII века французский физик Шарль Огюстен де Кулон открыл свой знаменитый закон.

Тем не менее все указанные наблюдения смогли оформиться в стройную теорию электричества только к середине XIX века. Здесь следует отметить важность работ Майкла Фарадея по изучению процессов электролиза и Джеймса Максвелла, который полностью описал электромагнитные феномены.

Современные представления о природе электричества и дискретном электрическом заряде обязаны своим существованием работам Джозефа Томсона, который открыл электрон, и Роберта Милликена, который измерил его заряд.

Магнитный момент и электрический заряд

Виды заряда выделил еще Бенджамин Франклин. Их два: положительный и отрицательный. Два заряда одинакового знака отталкиваются, а противоположного - притягиваются.

С появлением квантовой механики и физики элементарных частиц было показано, что помимо электрического заряда частицы обладают магнитным моментом, который носит название спина. Благодаря электрическим и магнитным свойствам элементарных частиц в природе существует электромагнитное поле.

Принцип сохранения электрического заряда

В соответствии с результатами множества экспериментов, принцип сохранения электрического заряда гласит, что не существует ни какого-либо способа разрушения заряда, ни его создания из ничего, и что в любых электромагнитных процессах в изолированной системе полный электрический заряд сохраняется.

В результате процесса электризации общее количество протонов и электронов не изменяется, существует лишь разделение зарядов. Электрический заряд может появиться в какой-либо части системы, где раньше его не было, но общий заряд системы при этом все равно не изменится.

Плотность электрического заряда

Под плотностью заряда понимается его количество на единицу длины, площади или объема пространства. В связи с этим говорят о трех типах его плотности: линейной, поверхностной и объемной. Поскольку существует два вида заряда, плотность также может быть положительной и отрицательной.

Несмотря на то что электрический заряд квантован, то есть является дискретным, в ряде опытов и процессов количество его носителей настолько велико, что можно считать, что они распределены по телу равномерно. Это хорошее приближение позволяет получить ряд важных экспериментальных законов для электрических явлений.

Исследуя на крутильных весах поведение двух точечных зарядов, то есть таких, для которых расстояние между ними значительно превышает их размеры, Шарль Кулон в 1785 году открыл закон взаимодействия между электрическими зарядами. Этот закон ученый сформулировал следующим образом:

Величина каждой силы, с которой взаимодействуют два точечных заряда в покое, прямо пропорциональна произведению их электрических зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния, разделяющего их. Силы взаимодействия направлены вдоль линии, которая соединяет заряженные тела.

Отметим, что закон Кулона от вида зарядов не зависит: изменение знака заряда лишь изменит направление действующей силы на противоположное, сохранив при этом ее модуль. Коэффициент пропорциональности в законе Кулона зависит от диэлектрической постоянной среды, в которой рассматриваются заряды.

Таким образом, формула для кулоновской силы записывается в следующем виде: F = k*q 1 *q 2 /r 2 , где q 1, q 2 - величины зарядов, r - расстояние между зарядами, k = 9*10 9 Н*м 2 /Кл 2 - коэффициент пропорциональности для вакуума.

Константа k через универсальную диэлектрическую постоянную ε 0 и диэлектрическую постоянную материала ε выражается следующим образом: k = 1/(4*pi*ε*ε 0), здесь pi - число пи, а ε > 1 для любой среды.

Закон Кулона не справедлив в следующих случаях:

• когда заряженные частицы начинают двигаться, и особенно когда их скорости приближаются к около световым скоростям;
• когда расстояние между зарядами мало по сравнению с их геометрическими размерами.

Интересно отметить, что математический вид закона Кулона совпадает с таковым для закона всемирного тяготения, в котором роль электрического заряда играет масса тела.

Способы передачи электрического заряда и электризация

Под электризацией понимается процесс, в результате которого электрически нейтральное тело приобретает отличный от нуля заряд. Этот процесс связан с перемещением элементарных носителей заряда, чаще всего электронов. Наэлектризовать тело можно с помощью следующих способов:

• В результате контакта. Если заряженным телом прикоснуться к другому телу, состоящему из проводящего материала, то последнее приобретет электрический заряд.
• Трение изолятора о другой материал.
• Электрическая индукция. Суть этого явления заключается в перераспределении электрических зарядов внутри тела за счет воздействия электрического внешнего поля.
• Явление фотоэффекта, при котором электроны вырываются из твердого тела за счет воздействия на него электромагнитного излучения.
• Электролиз. Физико-химический процесс, который происходит в расплавах и растворах солей, кислот и щелочей.
• Термоэлектрический эффект. В данном случае электризация возникает за счет градиентов температуры в теле.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Зарядом , точнее электрически зарядом называют физическую величину, определяющую электромагнитное взаимодействие.

Электрический заряд обозначают при помощи буквы q. Заряды разделяют на положительные и отрицательные. Заряды, имеющие один знак, испытывают силы отталкивания. Заряды противоположных знаков притягиваются.

В опытах Р. Милликена было показано, что электрический заряд - дискретная величина. Заряд любого тела - это целая величина, которая кратна элементарному заряду (заряду электрона );

где n - целое число.

Единицей измерения заряда в системе международных единиц (СИ) является кулон. Это производная единица. Один кулон - это электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника, при силе тока в 1 ампер за одну секунду.

Заряд встречается в огромном количестве формул, которые относят к электромагнетизму. Отметим основные.

Закон сохранения заряда

Закон сохранения заряда это фундаментальный закон природы. Его сущность в том, что в любой замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов остается неизменной при реализации любых процессов в этой системе:

Величина электрического заряда тела не зависит от выбора системы отсчета, не зависит от вида движения (покоя) тела. Иначе говоря, что электрический заряд — это релятивистски инвариантная величина.

Определение типа вещества (проводник, диэлектрик) связано с концентрацией свободных зарядов в веществе.

Закон Кулона

Одним из основных законов в электростатике является известный закон Кулона. Он описывает взаимодействие неподвижных точечных зарядов. Этот закон предложен Ш. Кулоном в 1785 г.

Точечный заряд, — это заряженное тело, размерами которого можно пренебречь, по сравнению с расстояниями до других тел, имеющих заряды. Точечный заряд - это физическая абстракция.

В математическом виде закон Кулона записывают так:

Сила, с которой заряд действует на заряд - радиус-вектор, который соединяет и ; r- расстояние между рассматриваемыми зарядами (модуль вектора ). При этом на заряд со стороны заряда действует сила равная по модулю силе , но противоположная по направлению; - электрическая постоянная; - диэлектрическая проницаемость вещества в котором находятся рассматриваемые заряды. Закон в виде (3) записан для международной системы единиц (СИ).

Напряжённость поля точечного заряда

Напряженность поля связана с силой Кулона () как:

где - величина пробного заряда, на который действует поле с силой при его размещении в рассматриваемой точке.

Неподвижное точечное заряженное тело создает вокруг себя электростатическое поле, напряженность () которого связана с величиной заряда (q) этого тела:

Радиус-вектор проведенный от заряда к точке в которой рассматривают поле. Положительные заряды являются истоками поля, а отрицательные - стоками.

Потенциал поля точечного заряда

Потенциал () электрического поля, которое создает точечный заряд (q) в некоторой точке, находящейся на расстоянии r от заряда, создающего поле равен:

Работа в электростатическом поле

Работу, которую совершают силы электростатического поля при перемещении заряда (q) из точки поля с потенциалом в точку, имеющую потенциал , можно вычислить как:

Сила тока и заряд

Током называют упорядоченное движение заряженных частиц. При этом силу тока находят как:

где - изменение заряда за период времени .

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Электрическое поле создают два точечных заряда, величины их равны title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="16" width="51" style="vertical-align: -4px;"> и . Расстояние между этими зарядами равно . Какой будет напряженность поля в точке, которая находится посередине между этими зарядами?
Решение	Сделаем рисунок. Напряженность поля, которое создает положительный заряд в точке А, направлена от этого заряда направо (см. рис.1). Напряженность поля, создаваемого отрицательным зарядом направлена в туже сторону, следовательно, результирующую напряженность поля в точке А найдем как: Напряженность поля точечного заряда равна: Для наших зарядов имеем: Используем формулы (1.1) и (1.3), получаем:
Ответ

ПРИМЕР 2

Задание	Тонкая половина кольца несет заряд, равномерно распределенный по длине. Радиус полукольца равен R, плотность заряда . В центре кривизны полукольца расположен заряд Q (рис.1). Какова сила взаимодействия заряда и полукольца?
Решение	Выделим на полукольце заряд, который можно считать точечным () (рис.2). По закону Кулона сила взаимодействия зарядов Q и равна:

3.1. Электрический заряд

Еще в древности люди обратили внимание на то, что потертый шерстью кусочек янтаря начинает притягивать к себе различные мелкие предметы: пылинки, ниточки и тому подобное. Вы сами можете легко убедиться, что пластмассовая расческа, потертая о волосы, начинает притягивать небольшие кусочки бумаги. Это явление называется электризацией , а силы, действующие при этом – электрическими силами . Оба названия происходят от греческого слова " электрон" , что означает " янтарь" .
При трении расчески о волосы или эбонитовой палочки о шерсть предметы заряжаются , на них образуются электрические заряды . Заряженные тела взаимодействуют друг с другом и между ними возникают электрические силы.
Электризоваться трением могут не только твердые тела, но и жидкости, и даже газы.
При электризации тел вещества, из которых состоят электризующиеся тела, в другие вещества не превращаются. Таким образом, электризация – физическое явление.
Существует два разных рода электрических зарядов. Совершенно условно они названы " положительным" зарядом и " отрицательным" зарядом (а можно было бы назвать их " черный" и " белый" , или " прекрасный" и " ужасный" , или как-то иначе).
Положительно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные предметы так же, как стекло, наэлектризованное трением о шелк.
Отрицательно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные предметы так же, как сургуч, наэлектризованный трением о шерсть.
Основное свойство заряженных тел и частиц: одноименно заряженные тела и частицы отталкиваются, а разноименно заряженные – притягиваются. В опытах с источниками электрических зарядов вы познакомитесь и с некоторыми другими свойствами этих зарядов: заряды могут " перетекать" с одного предмета на другой, накапливаться, между заряженными телами может происходить электрический разряд и так далее. Подробно эти свойства вы изучите в курсе физики.

3.2. Закон Кулона

Электрический заряд (Q или q ) – физическая величина, он может быть больше или меньше, и, следовательно, его можно измерять. Но непосредственно сравнивать заряды друг с другом физики пока не могут, поэтому сравнивают не сами заряды, а действие, которое заряженные тела оказывают друг на друга, или на другие тела, например, силу с которой одно заряженное тело действует на другое.

Силы (F), действующие на каждое из двух точечных заряженных тел противоположно направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела. Их величины равны между собой, прямо пропорциональны произведению зарядов этих тел (q 1 ) и (q 2 ) и обратно пропорциональны квадрату расстояния (l) между ними.

Это соотношение носит название " закон Кулона" в честь открывшего его в 1785 г. французского физика Шарля Кулона (1763-1806). Важнейшая для химии зависимость кулоновских сил от знака заряда и расстояния между заряженными телами наглядно показана на рис. 3.1.

Единица измерений электрического заряда – кулон (определение в курсе физики). Заряд величиной в 1 Кл протекает через электрическую лампочку мощностью 100 ватт примерно за 2 секунды (при напряжении 220 В).

3.3. Элементарный электрический заряд

До конца XIX века природа электричества оставалась неясной, но многочисленные эксперименты привели ученых к выводу, что величина электрического заряда не может изменяться непрерывно. Было установлено, что существует наименьшая, далее неделимая порция электричества. Заряд этой порции получил название " элементарный электрический заряд" (обозначается буквой е ). Он оказался равен 1,6 . 10– 19 Кл. Это очень маленькая величина – через нить той же электрической лампочки за 1 секунду проходит почти 3 миллиарда миллиардов элементарных электрических зарядов.
Любой заряд является величиной, кратной элементарному электрическому заряду, поэтому элементарный электрический заряд удобно использовать в качестве единицы измерений малых зарядов. Таким образом,

1е = 1,6 . 10– 19 Кл.

На рубеже XIX и XX веков физики поняли, что носителем элементарного отрицательного электрического заряда является микрочастица, получившая название электрон (Джозеф Джон Томсон, 1897 г.). Носитель элементарного положительного заряда – микрочастица под названием протон – был обнаружен несколько позже (Эрнест Резерфорд, 1919 г.). Тогда же было доказано, что положительный и отрицательный элементарные электрические заряды равны по абсолютной величине

Таким образом, элементарный электрический заряд – это заряд протона.
С другими характеристиками электрона и протона вы познакомитесь в следующей главе.

Несмотря на то, что в состав физических тел входят заряженные частицы, в обычном состоянии тела незаряжены, или электронейтральны . Также электронейтральны и многие сложные частицы, например, атомы или молекулы. Суммарный заряд такой частицы или такого тела оказывается равным нулю потому, что число электронов и число протонов, входящих в состав частицы или тела, равны.

Тела или частицы становятся заряженными, если электрические заряды разделяются: на одном теле (или частице) оказывается избыток электрических зарядов одного знака, а на другом – другого. В химических явлениях электрический заряд какого-либо одного знака (положительный или отрицательный) не может ни появиться, ни исчезнуть, так как не могут появиться или исчезнуть носители элементарных электрических зарядов только одного знака.

ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД, ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД, ОСНОВНОЕ СВОЙСТВО ЗАРЯЖЕННЫХ ТЕЛ И ЧАСТИЦ, ЗАКОН КУЛОНА, ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД
1.Как заряжается шелк при трении о стекло? А шерсть при трении о сургуч?
2.Какое число элементарных электрических зарядов составляет 1 кулон?
3.Определите силу, с который притягиваются друг к другу два тела с зарядами +2 Кл и –3 Кл, находящиеся друг от друга на расстоянии 0,15 м.
4.Два тела с зарядами +0,2 Кл и –0,2Кл находятся на расстоянии 1 см друг от друга. Определите силу с которой они притягиваются.
5.С какой силой отталкиваются друг от друга две частицы, несущие одинаковый заряд, равный +3 е , и находящиеся на расстоянии 2 Е? Значение константы в уравнении закона Кулона k = 9 . 10 9 Н. м 2 /Кл 2 .
6.С какой силой притягивается электрон к протону, если расстояние между ними 0,53 Е? А протон к электрону?
7.Два одноименно и одинаково заряженных шарика соединены непроводящей заряды нитью. Середина нити неподвижно закреплена. Нарисуйте, как расположатся в пространстве эти шарики в условиях, когда силой тяжести можно пренебречь.
8.Как в этих же условиях будут расположены в пространстве три таких же шарика, привязанных одинаковыми по длине нитями к одной опоре? А четыре?
Опыты по притяжению и отталкиванию заряженных тел.

Каждый человек знаком с ситуацией, когда, касаясь предмета рукой, он ощущает лёгкое покалывание, иногда ему даже слышится слабый треск. Часто говорят, что предмет «бьёт током», он наэлектризован. Всему виной электрический заряд.

Заряд — что же это такое

Электрический заряд представляет собой физическую величину. Электрически заряженное тело способно генерировать электромагнитное поле для взаимодействия с другими телами (предметами).

Q= 1 Кл подразумевает электрический заряд, путешествующий через поперечное сечение проводника за одну секунду при силе тока в 1 Ампер.

Из истории

• Древние греки обратили внимание на странное поведение янтаря: при трении о шерсть он вдруг начинал притягивать нетяжёлые предметы.
• Англичанин Уильям Гильберт дал телами, притягивающим предметы, название «наэлектризованных». Свои опыты с магнитами и электромагнитными свойствами тел он подробно описал в книге «О магните, магнитных телах и большом магните-Земле» («De magnete, magneticisque corparibus et magne magnete tellure», 1600 г.).
• Французский ученый-физик Ш. Дюфе (1698 – 1739) наблюдал различия зарядов, сообщаемых стеклу, натираемому о шёлк, и смоле при трении её о шерсть, и классифицировал их как «стеклянный» и «смоляной». Позже применительно к зарядам стали употребляться термины «положительный» и «отрицательный» соответственно. В процессе опытов Дюфе открыл любопытное свойство заряженных тел: предметы с одноименными зарядами расходятся в пространстве (отталкивают друг друга), заряженные разноимённо — притягиваются.

Немного физики

В 1843 году англичанин Майкл Фарадей провёл серию экспериментов, в результате которых опытным путем был подтверждён закон сохранения электрического заряда.

Согласно этому положению положительные и отрицательные заряды суммируются, при этом данная алгебраическая сумма остается неизменной при условии замкнутости системы.

В состоянии покоя тело электрически нейтрально. Для него характерно наличие взаимно компенсирующих разноимённых зарядов одинаковой величины. Взаимная электризация тел вызывает обмен зарядами, суммарное же их значение при этом не меняется.

Электрический заряд – одно из базовых понятий физики, а закон его сохранения является основополагающим законом современного мироздания.

Слово «электричество» имеет древнегреческое происхождение (др.-греч. ἤλεκτρον – «янтарь»).
Свойство янтаря электризовать предметы было замечено греками ещё в древности.

На Руси янтарь называли «илектр», а собственно слово «янтарь» пришло в русский язык, предположительно, из литовского (gintaras), ведь именно Литва считает эти «застывшие слезы сосны» своим символом.

Здесь упоминание янтаря можно встретить повсюду: от названия гостиницы до пивной этикетки.

Одна из базовых физических величин, которая имеет непосредственное отношение к электричеству и в частности к электротехнике - это электрический заряд . Мы привыкли к тому, что в электротехнике заряд измеряется в кулонах , но мало кто знает, что есть и другие единицы измерения электрического заряда. При расчётах электрических схем, при использовании электроизмерительных приборов применяют международную систему единиц СИ. Но знаете ли вы, что есть и другие системы измерения?

Эта единица измерения заряда известна многим ещё со школы. Относится она, как вы уже поняли, к системе единиц СИ. Это производная величина, которая не является в системе СИ базовой. Она выводится из других величин и определяется другими величинами.

Единица измерения носит название учёного - Шарля де Огюстена Кулона, открывшего закон взаимодействия зарядов, и соответственно, электрический заряд. Обозначают сокращённо величину заряда буквами Кл , а когда речь идёт о количестве заряда - пишут его с прописными буквами - кулон .

Определение электрического заряда в системе СИ следующее:

Электрический заряд в один кулон - это такой заряд, который проходит через сечение проводника при силе тока в один ампер за время равное одной секунде.

Между зарядом и единицей в ампер-час существует связь. Один кулон электричества равен 1/3600 ампер-часа.

Ещё одна единица и измерения заряда, которая названа в честь американского изобретателя и физика - Бенджамина Франклина. Его портрет можно увидеть на стодолларовой купюре США. Эта единица относится к системе величин СГСЭ, в которой базовыми являются такие единицы как сантиметр, грамм и секунда. По другому эту систему единиц называют абсолютной системой физических единиц и она широко использовалась до принятия системы СИ (принята в 1960 году).

Сокращённо единица измерения записывается как Фр (русское) или Fr (английское).

Определение электрического заряда в системе СГСЭ следующее:

Количество электрического заряда в один Франклин - это такое количество заряда, что два разноимённых заряда по одному франклину, находящихся в вакууме на расстоянии одного сантиметра, будут притягиваться друг к другу с силой в один дин.

Как видно из определения, оно отличается от того, что приведено для системы СИ. Разница прежде всего в том, что в системе СИ заряд выражается через силу тока и исходя из этого определяется, а в системе СГСЭ заряд выражен через .

Система СГСЭ удобна для вычислений и исследований в физике, а система СИ более удобна для практических нужд электротехники.

Закон Кулона, имеющий непосредственное отношение к зарядам, в системе СИ и СГС (СГСЭ), записываются по разному. Единицу заряда в 1 Кл можно перевести в 1 Фр и наоборот.

Существует также планковская система естественных единиц измерения и в ней также имеется электрический заряд. Эта система была впервые предложена немецким физиком Максом Планком 1899 году на основе скорости света и гравитационной постоянной и ещё двух введённых им констант.