Елементарний електричний заряд визначення. Мінімальний електричний заряд - заряд електрона дорівнює

Припущення про те, що будь-який спостерігається в експерименті електричний зарядзавжди 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 заряду є 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. Майже всі заряджені елементарні часткимають 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 елементарні заряди протилежних знаків.

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

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 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 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. 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 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.

Електричний заряд- фізична величина, що характеризує здатність тіл вступати в електромагнітні взаємодії. Вимірюється у Кулонах.

Елементарний електричний заряд– мінімальний зарядщо мають елементарні частинки (заряд протона та електрона).

Тіло має заряд, значить має зайві або відсутні електрони. Такий заряд позначається q=ne. (він дорівнює числуелементарних зарядів).

Наелектризувати тіло- Створити надлишок і нестачу електронів. Способи: електризація тертямі електризація дотиком.

Точковий зоряд - заряд тіла, яке можна прийняти за матеріальну точку.

Пробний заряд() – точковий, малий за величиною заряд, обов'язково позитивний – використовується для дослідження електричного поля.

Закон збереження заряду:в ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів всіх тіл зберігається постійною за будь-яких взаємодій цих тіл між собою.

Закон Кулону:сили взаємодії двох точкових зарядівпропорційні добутку цих зарядів, обернено пропорційні квадрату відстані між ними, залежать від властивостей середовища і спрямовані вздовж прямої, що з'єднує їх центри.

, де
Ф/м, Кл 2/нм2 - діелектр. пост. вакууму

- відносить. діелектрична проникність (>1)

- абсолютне діелектричне проникнення. середи

Електричне поле- Матеріальне середовище, через яке відбувається взаємодія електричних зарядів.

Властивості електричного поля:

Характеристики електричного поля:

Напруженість(E) – Векторна величина, рівна силі, що діє на одиничний пробний заряд, поміщений у цю точку.

Вимірюється Н/Кл.

Напрям- Таке ж, як і у чинної сили.

Напруженість не залежитьні з сили, ні з величини пробного заряду.

Суперпозиція електричних полів: напруженість поля, створеного кількома зарядами, дорівнює векторній сумі напруженостей полів кожного заряду:

Графічноелектронне поле зображують за допомогою ліній напруги.

Лінія напруженості- Лінія, дотична до якої в кожній точці збігається з напрямом вектора напруженості.

Властивості ліній напруженості: вони не перетинаються, через кожну точку можна провести лише одну лінію; вони не замкнуті, виходять із позитивного заряду і входять у негативний, або розсіюються в нескінченність.

Види полів:

Однорідне електричне поле– поле, вектор напруженості якого у кожній точці однаковий за модулем та напрямом.

Неоднорідне електричне поле– поле, вектор напруженості якого в кожній точці неоднаковий за модулем та напрямом.

Постійне електричне поле– Вектор напруженості не змінюється.

Непостійне електричне поле– Вектор напруженості змінюється.

Робота електричного поля з переміщення заряду.

, де F-сила, S-переміщення, - Кут між FіS.

Для однорідного поля: сила постійна.

Робота залежить від форми траєкторії; робота з переміщення замкнутої траєкторії дорівнює нулю.

Для неоднорідного поля:

Потенціал електричного поля- Відношення роботи, яке здійснює поле, переміщуючи пробний електричний заряд у нескінченність, до величини цього заряду.

-потенціал- Енергетична характеристика поля. Вимірюється у Вольтах

Різниця потенціалів:

Якщо
, то

, значить

-градієнт потенціалу.

Для однорідного поля: різниця потенціалів – напруга:

. Вимірюється у Вольтах, прилади – вольтметри.

Електроємність– здатність тіл накопичувати електричний заряд; відношення заряду до потенціалу, яке для даного провідника завжди є постійно.

.

Не залежить від заряду та залежить від потенціалу. Але залежить від розмірів та форми провідника; від діелектричних властивостей середовища.

, деr-розмір,
- проникність середовища довкола тіла.

Електроємність збільшується, якщо поруч є будь-які тіла – провідники або діелектрики.

Конденсатор- Пристрій для накопичення заряду. Електроємність:

Плоский конденсатор- Дві металеві пластини, між якими знаходиться діелектрик. Електроємність плоского конденсатора:

, де S - площа пластин, d - відстань між пластинами.

Енергія зарядженого конденсаторарівна роботі, яку здійснює електричне поле при перенесенні заряду з однієї пластини на іншу.

Перенесення малого заряду
, напруга зміниться на
, відбудеться робота
. Так як
, а З = const,
. Тоді
. Інтегруємо:

Енергія електричного поля:
, де V = Sl-обсяг, займаний електричним полем

Для неоднорідного поля:
.

Об'ємна щільність електричного поля:
. Вимірюється Дж / м 3 .

Електричний диполь - Система, що складається з двох рівних, але протилежних за знаком точкових електричних зарядів, розташованих на певній відстані один від одного (плечо диполя -l).

Основна характеристика диполя – дипольний момент - Вектор, рівний добутку заряду на плече диполя, спрямований від негативного заряду до позитивного. Позначається
. Вимірюється у Кулон-метрах.

Диполь у однорідному електричному полі.

На кожен із зарядів диполя діють сили:
і
. Ці сили протилежно спрямовані та створюють момент пари сил – крутний момент: де

М - крутний момент F - сили, що діють на диполь

d- плече силl- плече диполя

p-дипольний моментE-напруженість

- кут міжрі Еq-заряд

Під дією моменту, що обертає, диполь повернеться і встановиться за напрямом ліній напруженості. Вектори pі Е будуть паралельні та односпрямовані.

Диполь у неоднорідному електричному полі.

Обертальний момент є, значить диполь повернеться. Але сили будуть нерівні, і диполь рухатиметься туди, де сила більша.

-градієнт напруженості. Чим вищий градієнт напруженості, тим вища бічна сила, яка стягує диполь. Диполь орієнтується вздовж силових ліній.

Власне поле диполя.

Але. Тоді:

.

Нехай диполь знаходиться в точці О, яке плече мало. Тоді:

.

Формула отримана з урахуванням:

Таким чином, різниця потенціалів залежить від синуса половинного кута, під яким видно точки диполя, і проекції дипольного моменту на пряму, що з'єднують ці точки.

Діелектрики в електричному полі.

Діелектрик– речовина, що не має вільних зарядів, А значить і не проводить електричний струм. Однак насправді ж провідність існує, але вона мізерно мала.

Класи діелектриків:

з полярними молекулами (вода, нітробензол): молекули не симетричні, центри мас позитивних і негативних зарядівне збігаються, а значить, вони мають дипольний момент навіть у випадку, коли електричного поля немає.

з неполярними молекулами (водень, кисень): молекули симетричні, центри мас позитивних і негативних зарядів збігаються, отже, вони мають дипольного моменту за відсутності електричного поля.

кристалічні (хлорид натрію): сукупність двох грат, одна з яких заряджений позитивно, а інша – негативно; без електричного поля сумарний дипольний момент дорівнює нулю.

Поляризація- Процес просторового поділу зарядів, появи пов'язаних зарядів на поверхні діелектрика, що призводить до ослаблення поля всередині діелектрика.

Способи поляризації:

1 спосіб - електрохімічна поляризація:

На електродах – рух до них катіонів та аніонів, нейтралізація речовин; утворюються області позитивних та негативних зарядів. Струм поступово зменшується. Швидкість встановлення механізму нейтралізації характеризується часом релаксації – це час, протягом якого ЕРС поляризації збільшиться від 0 до максимуму з моменту накладання поля. = 10 -3 -10 -2 с.

2 спосіб - орієнтаційна поляризація:

На поверхні діелектрика утворюються полярні некомпенсовані, тобто. відбувається явище поляризації. Напруженість усередині діелектрика менша від зовнішньої напруженості. Час релаксації: = 10 -13 -10 -7 с. Частота 10 МГц.

3 спосіб - електронна поляризація:

Характерна неполярних молекул, які стають диполями. Час релаксації: = 10 -16 -10 -14 с. Частота 108 МГц.

4 спосіб - іонна поляризація:

Дві ґрати (NaіCl) зміщуються щодо один одного.

Час релаксації:

5 спосіб - мікроструктурна поляризація:

Характерний для біологічних структур, коли чергуються заряджені та незаряджені шари. Відбувається перерозподіл іонів на напівпроникних чи непроникних для іонів перегородках.

Час релаксації: =10 -8 -10 -3 с. Частота 1 КГц

Числові характеристикиступеня поляризації:

Електричний струм– це впорядкований рух вільних зарядів у речовині чи вакуумі.

Умови існування електричного струму:

наявність вільних зарядів

наявність електричного поля, тобто. сил, які діють ці заряди

Сила струму– величина, що дорівнює заряду, що проходить через будь-який поперечний переріз провідника за одиницю часу (1 секунду)

Вимірюється в Амперах.

n-концентрація зарядів

q– величина заряду

S– площа поперечного перерізу провідника

- Швидкість спрямованого руху частинок.

Швидкість руху заряджених частинок у електричному полі невелика – 7*10 -5 м/с, швидкість розповсюдження електричного поля 3*10 8 м/с.

Щільність струму- Величина заряду, що проходить за 1 секунду через перетин в 1 м 2 .

. Вимірюється А/м 2 .

- сила, що діє на іон з боку ел поля, дорівнює силі тертя

- рухливість іонів

- швидкість спрямованого руху іонів = рухливість, напруженість поля

Питома провідність електроліту тим більше, що більше концентрація іонів, їх заряд і рухливість. При підвищенні температури зростає рухливість іонів та збільшується електропровідність.