Як позначається і чому дорівнює елементарний заряд. Електричний заряд та його властивості

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 сучасної теоріїсильної взаємодії - квантової хромодинаміки - передбачається існування кварків - частинок із зарядами, кратними 1/3 е.

ЕЛЕМЕНТАРНИЙ ЕЛЕКТРИЧНИЙ ЗАРЯД ( е), мінімальний електричний заряд, позитивний або негативний, рівний величинізаряду 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)за електролізом величина елементарного заряду було обчислено 1834 р. На існування елементарного електричного зарядутакож 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 (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 на даний час значення абсолютної величиниелементарного 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 величиніелектричного заряду електрона, протона та багатьох інших заряджених елементарних частинокякі тим самим є матеріальними носіями найменшого заряду в 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 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.

« Фізика – 10 клас»

Спочатку розглянемо найпростіший випадок, коли електрично заряджені тіла перебувають у спокої.

Розділ електродинаміки, присвячений вивченню умов рівноваги електрично заряджених тіл, називають електростатикою.

Що таке електричний заряд?
Які є заряди?

Зі словами електрика, електричний заряд, електричний струмви зустрічалися багато разів і встигли звикнути до них. Але спробуйте відповісти на запитання: Що таке електричний заряд? Саме поняття заряд- це основне, первинне поняття, яке не зводиться на сучасному рівнірозвитку наших знань до якихось простіших, елементарніших понять.

Спробуємо спочатку з'ясувати, що розуміють під твердженням: «Це тіло чи частка має електричний заряд».

Всі тіла побудовані з найдрібніших частинок, які неподільні на простіші і тому називаються елементарними.

Елементарні частинки мають масу і завдяки цьому притягуються одна до одної згідно із законом всесвітнього тяжіння. Зі збільшенням відстані між частинками сила тяжіння зменшується пропорційно квадрату цієї відстані. Більшість елементарних частинок, хоч і не всі, крім того, мають здатність взаємодіяти один з одним з силою, яка також зменшується пропорційно квадрату відстані, але ця сила в багато разів перевищує силу тяжіння.

Так, в атомі водню, зображеному схематично на малюнку 14.1, електрон притягується до ядра (протону) з силою, що в 10 39 разів перевищує силу гравітаційного тяжіння.

Якщо частинки взаємодіють один з одним із силами, які зменшуються зі збільшенням відстані так само, як і сили всесвітнього тяжіння, але перевищують сили тяжіння у багато разів, то кажуть, що ці частинки мають електричний заряд. Самі частки називаються зарядженими.

Бувають частинки без електричного заряду, але немає електричного заряду без частинки.

Взаємодія заряджених частинок називається електромагнітним.

Електричний заряд визначає інтенсивність електромагнітних взаємодій, як маса визначає інтенсивність гравітаційних взаємодій.

Електричний заряд елементарної частинки - це не особливий механізм у частинці, який можна було б зняти з неї, розкласти на складові та знову зібрати. Наявність електричного заряду в електрона та інших частинок означає існування певних силових взаємодій між ними.

Ми по суті нічого не знаємо про заряд, якщо не знаємо законів цих взаємодій. Знання законів взаємодій має входити до наших уявлень про заряд. Ці закони непрості, і викласти їх кількома словами неможливо. Тому не можна дати достатньо задовільного коротке визначенняпоняттю електричний заряд.

Два електричних зарядів знак.

Всі тіла мають масу і тому притягуються один до одного. Заряджені тіла можуть як притягувати, так і відштовхувати один одного. Цей найважливіший фактзнайомий вам означає, що в природі є частинки з електричними зарядами протилежних знаків; у разі зарядів однакових знаків частинки відштовхуються, а разі різних притягуються.

Заряд елементарних частинок протонів, що входять до складу всіх атомних ядер, називають позитивним, а заряд електронів- Негативним. Між позитивними та негативними зарядами внутрішніх відмінностейні. Якби знаки зарядів частинок помінялися місцями, то від цього характер електромагнітних взаємодій анітрохи не змінився б.

Елементарний заряд.

Окрім електронів та протонів, є ще кілька типів заряджених елементарних частинок. Але тільки електрони та протони можуть необмежено довго існувати у вільному стані. Інші ж заряджені частинки живуть менше мільйонних часток секунди. Вони народжуються при зіткненнях швидких елементарних частинок і, проіснувавши мізерний час, розпадаються, перетворюючись на інші частки. З цими частинками ви познайомитеся у 11 класі.

До частинок, які не мають електричного заряду, відноситься нейтрон. Його маса лише трохи перевищує масу протона. Нейтрони разом із протонами входять до складу атомного ядра. Якщо елементарна частка має заряд, його значення суворо визначено.

Заряджені тілаЕлектромагнітні сили у природі грають величезну роль завдяки тому, що до складу всіх тіл входять електрично заряджені частинки. Складові частини атомів - ядра і електрони - мають електричний заряд.

Безпосередня дія електромагнітних силміж тілами не виявляється, тому що тіла у звичайному стані електрично нейтральні.

Атом будь-якої речовини нейтральний, оскільки число електронів у ньому дорівнює числу протонів в ядрі. Позитивно та негативно заряджені частинки пов'язані один з одним електричними силамита утворюють нейтральні системи.

Макроскопічне тіло заряджено електрично в тому випадку, якщо воно містить надмірну кількість елементарних частинок з одним знаком заряду. Так, негативний зарядтіла обумовлений надлишком числа електронів проти числом протонів, а позитивний - недоліком електронів.

Щоб отримати електрично заряджене макроскопічне тіло, т. е. наелектризувати його, потрібно відокремити частину негативного заряду від пов'язаного з ним позитивного або перенести на нейтральне тіло негативний заряд.

Це можна зробити за допомогою тертя. Якщо провести гребінцем по сухому волоссю, то невелика частина рухомих заряджених частинок - електронів перейде з волосся на гребінець і зарядить її негативно, а волосся зарядиться позитивно.

Рівність зарядів під час електризації

За допомогою досвіду можна довести, що при електризації тертям обидва тіла набувають зарядів, протилежних за знаком, але однакових за модулем.

Візьмемо електрометр, на стрижні якого укріплено металеву сферу з отвором, і дві пластини на довгих рукоятках: одна з ебоніту, а інша з плексигласу. При терті одна про одну пластини електризуються.

Внесемо одну з пластин всередину сфери, не торкаючись її стін. Якщо пластина заряджена позитивно, то частина електронів зі стрілки та стрижня електрометра притягнеться до пластини і збереться на внутрішньої поверхнісфери. Стрілка при цьому позитивно зарядиться і відштовхнеться від стрижня електрометра (рис. 14.2, а).

Якщо внести всередину сфери іншу пластину, вийнявши заздалегідь першу, то електрони сфери і стрижня будуть відштовхуватися від пластини і зберуться надміру на стрілці. Це викликає відхилення стрілки від стрижня, причому у той самий кут, що у першому досвіді.

Опустивши обидві пластини всередину сфери, ми взагалі не виявимо відхилення стрілки (рис. 14.2 б). Це доводить, що заряди пластин дорівнюють за модулем і протилежні за знаком.

Електризація тіл та її прояви.Значна електризація відбувається при терті синтетичних тканин. Знімаючи з себе сорочку із синтетичного матеріалу в сухому повітрі, можна чути характерне потріскування. Між зарядженими ділянками поверхонь, що труться, проскакують маленькі іскорки.

У друкарнях відбувається електризація паперу під час друку, і листи злипаються. Щоб це не відбувалося, використовують спеціальні пристрої для стікання заряду. Однак електризація тіл при тісному контакті іноді використовується, наприклад, у різних електрокопіювальних установках та ін.

Закон збереження електричного заряду.

Досвід з електризацією пластин доводить, що з електризації тертям відбувається перерозподіл наявних зарядів між тілами, колись нейтральними. Невелика частина електронів переходить із одного тіла на інше. При цьому нові частки не виникають, а раніше не зникають.

При електризації тіл виконується закон збереження електричного заряду. Цей закон справедливий для системи, в яку не входять ззовні і з якої не виходять назовні заряджені частинки, тобто для ізольованої системи.

В ізольованій системі алгебраїчна сумазарядів усіх тіл зберігається.

q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = const. (14.1)

де q 1 q 2 і т. д. - заряди окремих заряджених тіл.

Закон збереження заряду має глибокий зміст. Якщо кількість заряджених елементарних частинок не змінюється, виконання закону збереження заряду очевидно. Але елементарні частинки можуть перетворюватися одна на одну, народжуватися і зникати, даючи життя новим часткам.

Однак у всіх випадках заряджені частинки народжуються лише парами з однаковими за модулем та протилежними за знаком зарядами; зникають заряджені частинки теж лише парами, перетворюючись на нейтральні. І в усіх цих випадках алгебраїчна сума зарядів залишається однією і тією ж.

Справедливість закону збереження заряду підтверджують спостереження за величезним числомперетворень елементарних частинок. Цей закон виражає одне з найбільш фундаментальних властивостей електричного заряду. Причина збереження заряду досі невідома.

Перерахуємо властивості зарядів

2. Електричний заряд має дискретну природу

Елементарний заряд

Електричний струм. Умови існування ел.струму. Сила струму та щільність струму

Електричним струмом називається спрямований рух заряджених частинок. За напрямок електричного струмуумовилися вважати напрямок руху позитивно заряджених частинок. Для тривалого існування електричного струму в замкнутому ланцюзі необхідно виконання наступних умов:

наявність вільних заряджених частинок (носіїв струму);

Наявність електричного полясили якого, діючи на заряджені частинки, змушують їх рухатися впорядковано;

Наявність джерела струму, всередині якого сторонні сили переміщують вільні зарядипроти електростатичних (кулонівських) сил.

Кількісними характеристикамиелектричного струму є сила струму I та щільність струму j.

Сила струму – скалярна фізична величина, рівна ставленнямзаряду Δq, що проходить через поперечний перерізпровідника за деякий проміжок часу Δt, до цього проміжку:

Одиницею сили струму СІ є ампер (А).

Якщо сила струму та його напрямок з часом не змінюються, то струм називається постійним.

Щільність струму j – це векторна фізична величина, модуль якої дорівнює відношеннюсили струму I у провіднику до площі S поперечного перерізу провідника:

У СІ одиницею щільності струму є ампер на квадратний метр(А/м2).

Заломлення світла у лінзах

Лінзою називається прозоре тіло, обмежене двома криволінійними або криволінійною та плоскою поверхнями.

Найчастіше застосовуються лінзи, поверхні яких мають сферичну форму. Лінза називається тонкою, якщо її товщина d мала порівняно з радіусами кривизни її поверхонь R1 і R2. В іншому випадку лінза називається товстою. Головною оптичною віссю лінзи називають пряму, що проходить через центри кривизни її поверхонь. Можна вважати, що в тонкій лінзі точки перетину головної оптичної осі з обома поверхнями лінзи зливаються в одну точку О, яка називається оптичним центром лінзи. Тонка лінза має одну головну площину, загальну для обох поверхонь лінзи і через оптичний центр лінзи перпендикулярно до її головної оптичної осі. Всі прямі, що проходять через оптичний центр лінзи і не збігаються з головною оптичною віссю, називають побічними оптичними осями лінзи. Промені, що йдуть уздовж оптичних осей лінзи (головної та побічних), не зазнають заломлення.

Формула тонкої лінзи:

де п21 = п2/п1, п2 та n1 - абсолютні показникизаломлення для матеріалу лінзи та довкілля, R1 і R2 - радіуси кривизни передньої та задньої (щодо предмета) поверхонь лінзи, а1 і а2 - відстані до предмета та його зображення, що відраховуються від оптичного центру лінзи вздовж її головної оптичної осі.

Величину називають фокусною відстанню лінзи. Точки, що лежать на головній оптичній осі лінзи по обидва боки від оптичного центру па однакових відстанях, рівних f називають головними фокусами лінії. Площини, що проходять через головні фокуси F1 і F2 лінзи перпендикулярно її головної оптичної осі, називають фокальними площинами лінзи. Точки перетину оптичних осей з фокальними площинами лінзи називають побічними фокусами лінзи.

Лінзу називають збираючою (позитивною), якщо її фокусна відстань f >0. Лінзу називають розсіюючою (негативною), якщо її фокусна відстань f<0.

Для n2 >n1 збираючими лінзами є двоопуклі, плоско-опуклі і увігнуто-опуклі (позитивні меніскові лінзи), що тоншають від центру до країв; розсіюючими є двояковогнуті, плоско-увігнуті і опукло-увігнуті лінзи (негативні меніски), що товщають від центру до країв. Для п2 n1.

Гіпотеза Планка. Фотон та його властивості. Корпускулярно-хвильовий дуалізм

Гіпотеза Планка - гіпотеза, висунута 14 грудня 1900 Максом Планком і полягає в тому, що при тепловому випромінюванніенергія випромінюється і поглинається не безперервно, а окремими квантами (порціями). Кожна така порція-квант має енергію , пропорційної частоті випромінювання:

де h або - коефіцієнт пропорційності, названий згодом постійною планкою. На основі цієї гіпотези він запропонував теоретичний висновок співвідношення між температурою тіла і випромінюванням, що випускається цим тілом - формулу Планка.

Пізніше гіпотеза Планка була підтверджена експериментально.

Висунення цієї гіпотези вважається моментом народження квантової механіки.

Фотон – матеріальна, електрично нейтральна частка, квант електромагнітного поля(Переносник електромагнітної взаємодії).

Основні властивостіфотона

1. Є частинкою електромагнітного поля.

2. Рухається зі швидкістю світла.

3. Існує лише у русі.

4. Зупинити фотон не можна: він або рухається зі швидкістю, рівної швидкостісвітла, або немає; отже, маса спокою фотона дорівнює нулю.

Енергія фотона:

Відповідно до теорії відносності енергія завжди може бути обчислена як ,

Звідси - маса фотона.

Імпульс фотона . Імпульс фотона спрямований світловим пучком.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм

Кінець XIXв.: фотоефект і ефект Комптон підтвердили теорію Ньютона, а явища дифракції, інтерференції світла підтвердили теорію Гюйгенса.

Таким чином, багато фізиків на початку XX ст. дійшли висновку, що світло має дві властивості:

1. При поширенні він виявляє хвильові властивості.

2. При взаємодії з речовиною виявляє корпускулярні властивості. Його властивості не зводяться ні до хвиль, ні до частинок.

Чим більше v, тим яскравіше виражені квантові властивості світла менш - хвильові.

Отже, всякому випромінюванню притаманні одночасно хвильові та квантові властивості. Тому те, як поводиться фотон - як хвиля або як частка, - залежить від характеру проведеного над ним дослідження.

Досліди Резерфорда. Планетарна модель атома

Для експериментального дослідженнярозподілу позитивного заряду, отже, і маси всередині атома Резерфорд запропонував 1906 р. застосувати зондування атома з допомогою α-частинок. Їх маса приблизно 8000 раз більше масиелектрона, а позитивний заряд дорівнює модулю подвоєного заряду електрона. Швидкість -частинок дуже велика: вона становить 1/15 швидкості світла. Цими частинками Резерфорд бомбардував атоми важких елементів. Електрони внаслідок своєї малої маси не можуть помітно змінити траєкторію α-частинки та не в змозі помітно змінити його швидкість. Розсіювання (зміна напрямку руху) α-часток може спричинити лише позитивно заряджену частину атома. Таким чином, за розсіянням α-часток можна визначити характер розподілу позитивного заряду та маси всередині атома. Радіоактивний препарат, наприклад радій, поміщався всередині свинцевого циліндра 1, уздовж якого висвердлили вузький канал. Пучок α-часток з каналу падав на тонку фольгу 2 з досліджуваного матеріалу (золото, мідь та ін.). Після розсіювання α-частки потрапляли на напівпрозорий екран 3, покритий сульфідом цинку. Зіткнення кожної частинки з екраном супроводжувалося спалахом світла (сцинтиляцією), який можна було спостерігати в мікроскоп 4. Весь прилад розміщувався в посудині, з якої було відкачано повітря.

При розподілі по всьому атому позитивний заряд не може створити достатньо інтенсивне електричне поле, здатне відкинути а-частку назад. Максимальна силавідштовхування визначається згідно із законом Кулона:

де qα – заряд α-частки; q – позитивний заряд атома; r – його радіус; k – коефіцієнт пропорційності. Напруженість електричного поля рівномірно зарядженої кулі максимальна на поверхні кулі і зменшується до нуля в міру наближення до центру. Тому чим менше радіус r, тим більша сила, що відштовхує α-частки. Ця теорія здається абсолютно необхідною для пояснення дослідів із розсіювання а-частинок. Але на основі цієї моделі не можна пояснити факт існування атома, його стійкість. Адже рух електронів орбітами відбувається з прискоренням, причому досить чималим. Заряд, що прискорено рухається, за законами електродинаміки Максвелла повинен випромінювати електромагнітні хвилііз частотою, рівної частотійого звернення навколо ядра. Випромінювання супроводжується втратою енергії. Втрачаючи енергію, електрони повинні наближатися до ядра, подібно до того, як супутник наближається до Землі при гальмуванні в верхніх шарахатмосфери. Як показують суворі розрахунки, засновані на механіці Ньютона та електродинаміці Максвелла, електрон за мізерно малий час має впасти на ядро. Атом має припинити своє існування.

Насправді нічого такого не відбувається. Звідси випливає, що до явищ атомних масштабів закони класичної фізикинепридатні. Резерфорд створив планетарну модельатома: електрони обертаються навколо ядра, подібно до того, як планети обертаються навколо Сонця. Ця модель проста, обґрунтована експериментально, але не дозволяє пояснити стійкість атома.

Кількість теплоти

Кількість теплоти – це міра зміни внутрішньої енергії, яку тіло отримує (або віддає) у процесі теплообміну.

Таким чином, і робота, і кількість теплоти характеризують зміну енергії, але не тотожні енергії. Вони не характеризують сам стан системи, а визначають процес переходу енергії з одного виду до іншого (від одного тіла до іншого) при зміні стану і істотно залежать від характеру процесу.

Основна відмінність між роботою та кількістю теплоти полягає в тому, що робота характеризує процес зміни внутрішньої енергії системи, що супроводжується перетворенням енергії з одного виду на інший (з механічної у внутрішню). Кількість теплоти характеризує процес передачі внутрішньої енергії від одних тіл до інших (від більш нагрітих до менш нагрітих), що не супроводжується перетвореннями енергії.

Досвід показує, що кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла масою m від температури T1 до температури T2, розраховується за формулою де c - питома теплоємність речовини;

Одиницею питомої теплоємності СІ є джоуль на кілограм-Кельвін (Дж/(кг·К)).

Питома теплоємність c чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно повідомити тілу масою 1 кг, щоб нагріти його на 1 К.

Теплоємність тіла CT чисельно дорівнює кількості теплоти, необхідної зміни температури тіла на 1 К:

Одиницею теплоємності тіла в СІ є Джоуль на Кельвін (Дж/К).

Для перетворення рідини на пару при незмінній температурі необхідно витратити кількість теплоти

де L - питома теплотапароутворення. При конденсації пари виділяється така сама кількість теплоти.

Для того, щоб розплавити кристалічне тіломасою m при температурі плавлення, необхідно тілу повідомити кількість теплоти

де - питома теплота плавлення. При кристалізації тіла така сама кількість теплоти виділяється.

Кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні палива масою m,

де q - Питома теплота згоряння.

Одиниця питомих теплот пароутворення, плавлення та згоряння в СІ – джоуль на кілограм (Дж/кг).

Електричний заряд та його властивості. Дискретність. Елементарний електричний заряд. Закон збереження електричного заряду.

Електричний заряд - це фізична величина, що характеризує електромагнітна взаємодія. Тіло заряджено негативно, якщо у ньому надлишок електронів, позитивно – дефіцит.

Перерахуємо властивості зарядів

1. Існують заряди двох видів; негативні та позитивні. Різноіменні заряди притягуються, однойменні відштовхуються. Носієм елементарного, тобто. найменшого, негативного заряду є електрон, заряд якого qe = -1,6 * 10-19Кл, а маса mе = 9,1 * 10-31кг. Носієм елементарного позитивного заряду є протон qр = 1,6 * 10-19Кл, маса mр = 1,67 * 10-27кг.

2. Електричний заряд має дискретну природу. Це означає, що заряд будь-якого тіла кратний заряду електрона q=Nqe, де N – ціле число. Проте ми, зазвичай, не помічаємо дискретності заряду, оскільки елементарний заряд дуже малий.

3. У ізольованій системі, тобто. в системі, тіла якої не обмінюються зарядами із зовнішніми по відношенню до неї тілами, сума алгебри зарядів зберігається (закон збереження заряду).

4. Ел. заряд завжди можна передати від одного тіла до іншого.

5. Одиниця заряду в СІ – кулон (Кл). За визначенням, 1 кулон дорівнює заряду, що протікає через поперечний переріз провідника за 1 с при силі струму 1 А.

6. Закон збереження електричного заряду.

Всередині замкнутої системи за будь-яких взаємодій алгебраїчна сума електричних зарядів залишається постійною:

Ізольованою (або замкнутою) системою ми називатимемо систему тіл, в яку не вводяться ззовні і не виводяться з неї електричні заряди.

Ніде ніколи в природі не виникає і не зникає електричний заряд одного знака. Поява позитивного електричного заряду завжди супроводжується появою рівного за модулем негативного заряду. Ні позитивний, ні негативний заряд що неспроможні зникнути окремо, можуть лише взаємно нейтралізувати одне одного, якщо рівні по модулю.

Так елементарні частинки здатні перетворюватися одна на одну. Але завжди при народженні заряджених частинок спостерігається поява пари частинок із зарядами протилежного знака. Може спостерігатися і одночасне народження кількох пар. Зникають заряджені частинки, перетворюючись на нейтральні, теж лише парами. Всі ці факти не залишають сумнівів у строгому виконанні закону збереження електричного заряду.

Елементарний заряд - мінімальний заряд, Розділити який неможливо.

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 відмінністьелектромагнітних сил від гравітаційних. Гравітаційні сили завжди 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 частинки. 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 переріз провідника 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.

Рис. 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.

Будь-який електричний заряд, що спостерігається в експерименті, завжди кратний одному елементарному- таке припущення було висловлено Б. Франкліном в 1752 і надалі неодноразово перевірялося експериментально. Вперше елементарний заряд був експериментально виміряний Міллікеном в 1910 році.

Той факт, що електричний заряд зустрічається у природі лише у вигляді цілого числа елементарних зарядів, можна назвати квантуванням електричного заряду. При цьому в класичній електродинаміці питання причин квантування заряду не обговорюється, оскільки заряд є зовнішнім параметром, а не динамічною змінною. Задовільного пояснення, чому заряд повинен квантуватися, доки знайдено, проте вже отримано низку цікавих спостережень.

Дробний електричний заряд

Неодноразові пошуки довготривалих вільних об'єктів з дробовим електричним зарядом, що проводяться різними методикамипротягом тривалого часу не дали результату.

Варто, однак, відзначити, що електричний заряд квазічастинок також може бути не вкрай у цілому. Зокрема, саме квазічастинки з дрібним електричним зарядом відповідають за дрібний квантовий ефект Холла.

Експериментальне визначення елементарного електричного заряду

Число Авогадро та постійна Фарадея

Ефект Джозефсона та константа фон Клітцінга

Іншим точним методом вимірювання елементарного заряду є обчислення його зі спостереження двох ефектів квантової механіки: ефекту Джозефсона, при якому виникають коливання напруги у певній надпровідній структурі та квантового ефекту Холла, ефекту квантування холлівського опору або провідності двовимірного електронного газу магнітних поляхі при низьких температурах. Постійна Джозефсона

де h-постійна Планка, може бути виміряна безпосередньо за допомогою ефекту Джозефсона.

може бути виміряна безпосередньо за допомогою квантового ефекту Холла.

З цих двох констант може бути обчислена величина елементарного заряду:

Див. також

Примітки

1. Elementary charge(англ.). The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. . Перевірено 20 травня 2016 року.
2. Значення в одиницях СГСЕ наведено як результат перерахунку значення CODATA в кулонах з урахуванням того факту, що кулон точно дорівнює 2997924580 одиницям електричного заряду СГСЕ (франклінам або статкулонам).
3. Томілін К. А.Фундаментальні фізичні постійні в історичному та методологічному аспектах. - М.: Фізматліт, 2006. - С. 96-105. – 368 с. - 400 екз. - ISBN 5-9221-0728-3.
4. A topological model of composite preons (недоступне посилання) es.arXiv.org
5. V.M. Abazov та ін.(DØ Collaboration) (2007). “Experimental discrimination between charge 2 e/3 top quark and charge 4 e/3 exotic quark production scenarios”. Physical Review Letters. 98 (4): 041801.