Чому дорівнює елементарний електричний заряд? Елементарний заряд

Подібно до поняття гравітаційної масиТіло в механіці Ньютона, поняття заряду в електродинаміці є первинним, основним поняттям.

Електричний заряд - це фізична величина, Що характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії

Електричний заряд зазвичай позначається буквами qабо Q.

Сукупність всіх відомих експериментальних фактів дозволяє зробити такі висновки:

Існує два роду електричних зарядів, умовно названих позитивними та негативними.

Заряди можуть передаватися (наприклад, при безпосередньому контакті) від тіла до іншого. На відміну від маси тіла, електричний заряд не є невід'ємною характеристикою даного тіла. Одне і те ж тіло в різних умовахможе мати різний заряд.

Одноіменні заряди відштовхуються, різноіменні – притягуються. У цьому також виявляється принципова відмінність електромагнітних силвід гравітаційних. Гравітаційні силизавжди є силами тяжіння.

Одним із фундаментальних законів природи є експериментально встановлений закон збереження електричного заряду .

В ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів усіх тіл залишається постійною:

Закон збереження електричного заряду стверджує, що у замкнутої системитіл не можуть спостерігатися процеси народження чи зникнення зарядів лише одного знака.

З сучасної точки зору носіями зарядів є елементарні частки. Усі звичайні тіла складаються з атомів, до складу яких входять позитивно заряджені протони, негативно заряджені електрони та нейтральні частки - нейтрони. Протони та нейтрони входять до складу атомних ядер, електрони утворюють електронну оболонкуатомів. Електричні заряди протона і електрона за модулем точно однакові і рівні елементарному заряду e.

У нейтральному атомі число протонів у ядрі дорівнює числу електронів в оболонці. Це число називається атомним номером . атом даної речовиниможе втратити один чи кілька електронів чи придбати зайвий електрон. У цих випадках нейтральний атомперетворюється на позитивно або негативно заряджений іон.

Заряд може передаватися від одного тіла до іншого лише порціями, що містять цілу кількість елементарних зарядів. Таким чином, електричний заряд тіла - дискретна величина:

Фізичні величини, які можуть приймати лише дискретний рядзначень, називаються квантованими . Елементарний заряд eє квантом ( найменшою порцією) Електричного заряду. Слід зазначити, що в сучасної фізикиелементарних частинок передбачається існування так званих кварків - частинок з дробовим зарядом і проте, у вільному стані кварки досі спостерігати не вдалося.

У звичайних лабораторних дослідівдля виявлення та вимірювання електричних зарядів використовується електрометр ( або електроскоп) - прилад, що складається з металевого стрижнята стрілки, яка може обертатися навколо горизонтальної осі(Рис. 1.1.1). Стрижень із стрілкою ізольований від металевого корпусу. При зіткненні зарядженого тіла зі стрижнем електрометра електричні заряди одного знака розподіляються по стрижню та стрілці. Сили електричного відштовхування викликають поворот стрілки на деякий кут, яким можна судити про заряд, переданому стрижню електрометра.

Електрометр є досить грубим приладом; він дозволяє досліджувати сили взаємодії зарядів. Вперше закон взаємодії нерухомих зарядівбув відкритий французьким фізиком Шарлем Кулоном у 1785 р. У своїх дослідах Кулон вимірював сили тяжіння та відштовхування заряджених кульок за допомогою сконструйованого ним приладу - крутильних ваг (рис. 1.1.2), що відрізнялися надзвичайно високою чутливістю. Так, наприклад, коромисло терезів поверталося на 1° під дією сили порядку 10 -9 Н.

Ідея вимірів ґрунтувалася на блискучій здогадці Кулона про те, що якщо заряджена кулька привести в контакт з такою самою незарядженою, то заряд першого розділиться між ними порівну. Таким чином, був вказаний спосіб змінювати заряд кульки в два, три і т.д. У дослідах Кулона вимірювалася взаємодія між кульками, розміри яких набагато менші за відстань між ними. Такі заряджені тіла прийнято називати точковими зарядами.

Точковим зарядом називають заряджене тіло, розмірами якого в умовах даного завдання можна знехтувати.

На підставі численних дослідів Кулон встановив такий закон:

Сили взаємодії нерухомих зарядів прямо пропорційні добутку модулів зарядів і обернено пропорційні квадрату відстані між ними:

Сили взаємодії підпорядковуються третьому закону Ньютона:

Вони є силами відштовхування при однакових знакахзарядів і силами тяжіння при різних знаках(Рис. 1.1.3). Взаємодія нерухомих електричних зарядів називають електростатичним або кулонівським взаємодією. Розділ електродинаміки, що вивчає кулонівську взаємодію, називають електростатикою .

Закон Кулона є справедливим для точкових заряджених тіл. Практично закон Кулона добре виконується, якщо розміри заряджених тіл набагато менші за відстань між ними.

Коефіцієнт пропорційності kу законі Кулона залежить від вибору системи одиниць. У Міжнародній системі СІ за одиницю заряду прийнято кулон(Кл).

Кулон - це заряд, що проходить за 1 с через поперечний перерізпровідника при силі струму 1 А. Одиниця сили струму (Ампер) у СІ є поряд з одиницями довжини, часу та маси основною одиницею виміру.

Коефіцієнт kу системі СІ зазвичай записують у вигляді:

Де - електрична постійна .

У системі СІ елементарний заряд eдорівнює:

Досвід показує, що сили кулонівської взаємодії підпорядковуються принципу суперпозиції:

Якщо заряджене тіло взаємодіє одночасно з декількома зарядженими тілами, то результуюча сила, що діє на дане тілодорівнює векторній сумі сил, що діють на це тіло з боку всіх інших заряджених тіл.

Мал. 1.1.4 пояснює принцип суперпозиції з прикладу електростатичного взаємодії трьох заряджених тіл.

Принцип суперпозиції є фундаментальним закономприроди. Однак його застосування вимагає певної обережності, у тому випадку, коли мова йдепро взаємодію заряджених тіл кінцевих розмірів (наприклад, двох провідних заряджених куль 1 і 2). Якщо до системи з двох заряджених куль піднсти третю заряджену кулю, то взаємодія між 1 і 2 зміниться через перерозподілу зарядів.

Принцип суперпозиції стверджує, що при заданому (фіксованому) розподілі зарядівна всіх тілах сили електростатичної взаємодії між будь-якими двома тілами не залежать від інших заряджених тіл.

Закони електролізу, відкриті Фарадеєм, свідчать на користь існування дрібних, неподільних кількостей електрики. При електролізі одна моль будь-якого - валентного елемента переносить заряд кулонів ( - постійна Фарадея). На один атом (точніше, іон) доводиться, таким чином, заряд

На одновалентний іон припадає заряд на двовалентний - заряд , на тривалентний - заряд і т.д.

Цю закономірність легко зрозуміти, якщо прийняти, що заряд є найменшою порцією заряду, елементарним зарядом.

Але закони електролізу можна розуміти й у тому сенсі, що є середньою порцією заряду, що переноситься одновалентним іоном; властивість - валентного іона переносити у раз більший заряд мало пояснюватися тоді не атомарної структурою електрики, лише властивостями іона. Тому з'ясування питання існування елементарного заряду необхідні прямі досліди з виміру дрібних кількостей електрики. Такі досліди були виконані американським фізикомРобертом Міллікеном (1868-1953) у 1909 р.

Установка Міллікена зображена схематично на рис. 348. Основною її частиною є плоский конденсатор 2,3, на пластини якого за допомогою перемикача 4 можна подавати різницю потенціалів того чи іншого знака.

Мал. 348. Схема досвіду вимірювання елементарного електричного заряду. Рентгенівська трубка 7 служить зміни заряду крапель; її випромінювання створює обсяг між пластинами 2 і 3 іони, які, прилипаючи до краплі, змінюють її заряд

У посудину 1 за допомогою пульверизатора вбризкуються дрібні краплі олії або іншої рідини. Деякі з цих крапель через отвір у верхній пластині потрапляють у простір між пластинами конденсатора, що освітлюється лампою 6. Краплі спостерігаються в мікроскоп через віконце 5; вони виглядають яскравими зірочками на темному тлі.

Коли між пластинами конденсатора немає електричного полякраплі падають вниз з постійною швидкістю. При включенні поля незаряджені краплі продовжують опускатися із постійною швидкістю. Але багато крапель при розбризкуванні набувають заряду (електризація тертям). На такі заряджені краплі діє, крім сили тяжіння, також сила електричного поля. Залежно від знаку заряду можна вибрати напрямок поля так, щоб електрична силабула спрямована назустріч силі тяжкості. У такому випадку заряджена крапелька після включення поля падатиме з меншою швидкістю, ніж відсутність поля. Можна підібрати значення напруженості поля так, що електрична сила перевершить силу ваги і крапля рухатиметься вгору.

В установці Міллікена можна спостерігати за однією і тією ж краплею протягом декількох годин; для цього достатньо вимикати (або зменшувати) поле, як тільки крапля почне наближатися до верхньої пластини конденсатора, і включати (або збільшувати) його знову, коли вона опускатиметься до нижньої пластини.

Рівномірність руху краплі свідчить про те, що сила, що діє на неї, врівноважується опором повітря, який пропорційний швидкості краплі. Тому для такої краплі можна написати рівність

де - сила тяжіння, що діє на краплю з масою, - швидкість краплі, - сила опору повітря (сила тертя), - коефіцієнт, що залежить від в'язкості повітря та розмірів краплі.

Вимірявши з допомогою мікроскопа діаметр краплі, отже, знаючи її масу, і визначивши далі швидкість вільного рівномірного падіння , ми можемо визначити (196.1) значення коефіцієнта , яке цієї краплі зберігається незмінним. Умова рівномірного рухудля краплі із зарядом, що піднімається зі швидкістю в електричному полі, має вигляд

(196.2)

З (196.2) отримуємо

Таким чином, проробивши з однією і тією ж краплею вимірювання без поля і за його наявності, знайдемо заряд краплі . Ми можемо змінити цей заряд. З цією метою служить рентгенівська трубка 7 (рис, 348), з допомогою якої можна іонізувати повітря конденсаторі. Іони, що утворилися, будуть захоплюватися крапелькою, і заряд її зміниться, ставши рівним . При цьому зміниться швидкість рівномірного руху краплі і вона стане рівною, так що

Цей мінімальний заряддорівнює, як бачимо, елементарному заряду, що виявляється у процесі електролізу. Важливо, що початковий заряд краплі є «електрика тертя», зміни ж цього заряду відбувалися за рахунок захоплення крапель іонів газу, утворених рентгенівськими променями. Таким чином, заряд, що утворюється при терті, заряди іонів газу та іонів електроліту складаються з однакових зарядів елементарних. Дані інших дослідів дозволяють узагальнити цей висновок: всі позитивні і негативні заряди, що зустрічаються в природі, складаються з цілого числа елементарних зарядів .

Зокрема, заряд електрона дорівнює абсолютного значенняодному елементарному заряду.

Припущення про те, що будь-який електричний заряд, що спостерігається в експерименті, завжди кратний елементарному, було висловлено Б. Франкліном в 1752 р. Завдяки дослідам М. Фарадея з електролізу величина елементарного заряду була обчислена в 1834 р. На існування елементарного електричного заряду також вказав у 1874 р. англійський вчений Дж. Стоні. Він увів у фізику поняття «електрон» і запропонував спосіб обчислення значення елементарного заряду. Вперше експериментально елементарний електричний заряд було виміряно Р. Міллікеном у 1908 р.

Електричний заряд будь-якої мікросистеми та макроскопічних тіл завжди дорівнює алгебраїчній суміелементарних зарядів, що входять до системи, тобто цілого кратного від величини е(Або нулю).

Встановлене на даний час значення абсолютної величиниелементарного електричного заряду складає е= (4, 8032068 0, 0000015). 10 -10 одиниць СДСЄ, або 1,60217733. 10-19 Кл. Обчислена за формулою величина елементарного електричного заряду, виражена через фізичні константи, дає значення елементарного електричного заряду: e= 4, 80320419 (21). 10 -10 або: е = 1, 602176462 (65) . 10-19 Кл.

Вважається, що цей заряд дійсно елементарний, тобто він не може бути розділений на частини, а заряди будь-яких об'єктів є цілими кратними. Електричний заряд елементарної частки є її фундаментальною характеристикою і залежить від вибору системи відліку. Елементарний електричний заряд точно дорівнює величиніелектричного заряду електрона, протона і багатьох інших заряджених елементарних частинок, які цим є матеріальними носіями найменшого заряду у природі.

Існує позитивний та негативний елементарний електричний заряд, причому елементарна частка та її античастка мають заряди протилежних знаків. Носієм елементарного негативного зарядує електрон, маса якого me= 9, 11. 10-31 кг. Носієм елементарного позитивного зарядує протон, маса якого mp= 1, 67. 10-27 кг.

Факт, що електричний заряд зустрічається у природі лише як цілого числа елементарних зарядів, можна назвати квантуванням електричного заряду. Багато заряджених елементарних частинок мають заряд е -або е+(Виняток - деякі резонанси із зарядом, кратним е); частинки з дробовими електричними зарядами не спостерігалися, однак у сучасної теоріїсильної взаємодії - квантової хромодинаміки - передбачається існування частинок - кварків - із зарядами, кратними 1/3 е.

Елементарний електричний заряд може бути знищений; цей факт становить зміст закону збереження електричного заряду на мікроскопічному рівні. Електричні заряди можуть зникати та виникати знову. Однак завжди виникають або зникають два елементарного зарядупротилежних знаків.

Розмір елементарного електричного заряду є константою електромагнітних взаємодійі входить до всіх рівнянь мікроскопічної електродинаміки.

Чутливість до ударно-хвильових впливів

Ударно-хвильова дія створюється ударною хвилею. Ударна хвиля, що увійшла в заряд, створює зону стисненої речовини, в якій протікають реакції розкладання та виділення енергії. Якщо швидкість виділення енергії більше швидкостіїї відведення, відбувається прискорення фронту ударної хвилі, її підживлення і поширення. Якщо швидкість енергії виділення мала, то ударна хвиля встигає піти вперед і загаснути.

Час ударно-хвильового впливу мало. Якщо тривалість початкового імпульсу менша критичного значення(~0,11 мкс) і мінімальна швидкість ударної хвилі, що ініціює, менше деякого критичного значення, то відбувається відмова.

Складний ударно-хвильовий вплив створюється зазвичай за допомогою вибуху інших ВР. З практичної точки зору чутливість ВР до цього імпульсу важлива при створенні надійних засобів ініціювання (КД) і під час вибухових робіт для надійної передачі детонаційного імпульсу від одного заряду БВВ до іншого.

Мінімальний ініціювальний зарядтака кількість ІВВ, яка здатна викликати повну детонацію БВВ.

Мінімальний заряд ІВВзалежить тільки від чутливості БВВ до детонаційного імпульсу, а й від властивостей ШВВ. Тому для забезпечення безвідмовності дії КД комбінованого спорядження необхідно визначити мінімальний заряд конкретного ШВВ, що входить до конструкції КД, по відношенню до конкретного БВВ. Умови випробувань максимально наближають до дійсності, тобто. споряджають підривний КД №8

(1 гр БВВ та деяка кількість ІВВ (<0,1 г).

У КД вставляють або вогнепровідний шнур, або електрозапальник. Готовий КД встановлюють стандартну свинцеву пластину і підривають. Якщо діаметр пробивання пластини дорівнює або більше діаметра гільзи, детонація БВВ повна. Змінюючи величину навішування ІВВ, знаходять мінімальний заряд. Мінімальний заряд ШВВ залежить від густини БВВ. Чим вища щільність, тим більший мінімальний заряд. Присутність у заряді БВВ твердих тугоплавких домішок знижує мінімальний заряд, а плавкі та м'які підвищують.

Вплив щільності заряду БВВ та домішок пов'язаний з механізмом збудження вибуху. Низька щільність та тугоплавкі домішки сприяють реалізації осередкового механізму збудження вибуху, що вимагає меншої витрати енергії.

Зміна маси БВВ мало впливає мінімальний заряд ИВВ. Зміна діаметра гільзи призводить до зміни товщини шару ШВР. Тому мінімальний заряд зазвичай визначають гільзі №8 або характеризують ставленням маси до площі перерізу заряду.

Елементарний електричний заряд елементарний електричний заряд

(е), мінімальний електричний заряд, позитивний або негативний, величина якого е≈4,8·10 -10 одиниць СГСЕ, або 1,6·10 -19 Кл. Майже всі заряджені елементарні частинки мають заряд + еабо - е(Виняток - деякі резонанси із зарядом, кратним е); частинки з дробовими електричними зарядами не спостерігалися, однак у сучасній теорії сильної взаємодії – квантової хромодинаміки – передбачається існування кварків – частинок із зарядами, кратними 1/3 е.

ЕЛЕМЕНТАРНИЙ ЕЛЕКТРИЧНИЙ ЗАРЯД ( е), мінімальний електричний заряд, позитивний чи негативний, рівний величині заряду електрона.
Припущення про те, що будь-який електричний заряд, що спостерігається в експерименті, завжди кратний елементарному, було висловлено Б. Франкліном. (див.ФРАНКЛІН Бенджамін) 1752 р. Завдяки дослідам М. Фарадея (див.ФАРАДЕЙ Майкл)по електролізу величина елементарного заряду було обчислено 1834 р. На існування елементарного електричного заряду також вказав 1874 р. англійський вчений Дж.Стоні. Він увів у фізику поняття «електрон» і запропонував спосіб обчислення значення елементарного заряду. Вперше експериментально елементарний електричний заряд було виміряно Р. Міллікеном (див.МІЛІКЕН Роберт Ендрус) 1908 р.
Матеріальними носіями елементарного електричного заряду у природі є заряджені елементарні частинки (див.ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНИ).
Електричний заряд (див.ЕЛЕКТРИЧНИЙ ЗАРЯД)будь-який мікросистеми і макроскопічних тіл завжди дорівнює сумі алгебри елементарних зарядів, що входять в систему, тобто цілому кратному від величини е (або нулю).
Встановлене нині значення абсолютної величини елементарного електричного заряду (див.ЕЛЕМЕНТАРНИЙ ЕЛЕКТРИЧНИЙ ЗАРЯД)становить е = (4,8032068 0,0000015). 10 -10 одиниць СДСЄ, або 1,60217733. 10-19 Кл. Обчислена за формулою величина елементарного електричного заряду, виражена через фізичні константи, дає значення елементарного електричного заряду: e = 4,80320419(21) . 10 -10, або: е = 1,602176462 (65). 10-19 Кл.
Вважається, що цей заряд дійсно елементарний, тобто він не може бути розділений на частини, а заряди будь-яких об'єктів є цілими кратними. Електричний заряд елементарної частки є її фундаментальною характеристикою і залежить від вибору системи відліку. Елементарний електричний заряд точно дорівнює величині електричного заряду електрона, протона і багатьох інших заряджених елементарних частинок, які є матеріальними носіями найменшого заряду у природі.
Існує позитивний та негативний елементарний електричний заряд, причому елементарна частка та її античастка мають заряди протилежних знаків. Носієм елементарного негативного заряду є електрон маса якого me = 9,11 . 10-31 кг. Носієм елементарного позитивного заряду є протон, маса якого mp = 1,67. 10-27 кг.
Факт, що електричний заряд зустрічається у природі лише як цілого числа елементарних зарядів, можна назвати квантуванням електричного заряду. Майже всі заряджені елементарні частинки мають заряд е - або е + (виняток - деякі резонанси із зарядом, кратним е); частинки з дробовими електричними зарядами не спостерігалися, однак у сучасній теорії сильної взаємодії – квантової хромодинаміки – передбачається існування частинок – кварків – із зарядами, кратними 1/3 е.
Елементарний електричний заряд може бути знищений; цей факт становить зміст закону збереження електричного заряду на мікроскопічному рівні. Електричні заряди можуть зникати та виникати знову. Однак завжди виникають або зникають два елементарні заряди протилежних знаків.
Величина елементарного електричного заряду є константою електромагнітних взаємодій і входить до всіх рівнянь мікроскопічної електродинаміки.