Как найти электрический заряд единица измерения

Electric charge
VFPt charges plus minus thumb.svg

Electric field of a positive and a negative point charge

Common symbols

 q
SI unit coulomb(C)

Other units
  • elementary charge
  • faraday
  • ampere-hour
In SI base units C = A⋅s
Extensive? yes
Conserved? yes
Dimension {displaystyle {mathsf {T}}{mathsf {I}}}

Electric charge is the physical property of matter that causes matter to experience a force when placed in an electromagnetic field. Electric charge can be positive or negative (commonly carried by protons and electrons respectively, by convention). Like charges repel each other and unlike charges attract each other. An object with an absence of net charge is referred to as neutral. Early knowledge of how charged substances interact is now called classical electrodynamics, and is still accurate for problems that do not require consideration of quantum effects.

Electric charge is a conserved property; the net charge of an isolated system, the amount of positive charge minus the amount of negative charge, cannot change. Electric charge is carried by subatomic particles. In ordinary matter, negative charge is carried by electrons, and positive charge is carried by the protons in the nuclei of atoms. If there are more electrons than protons in a piece of matter, it will have a negative charge, if there are fewer it will have a positive charge, and if there are equal numbers it will be neutral. Charge is quantized; it comes in integer multiples of individual small units called the elementary charge, e, about 1.602×10−19 C,[1] which is the smallest charge that can exist freely. Particles called quarks have smaller charges, multiples of 1/3e, but they are found only in combination, and always combine to form particles that have a charge that is an integer multiple of e. In the Standard model, charge is an absolutely conserved flavour quantum number. The proton has a charge of +e, and the electron has a charge of −e.

Electric charges produce electric fields.[2] A moving charge also produces a magnetic field.[3] The interaction of electric charges with an electromagnetic field (a combination of an electric and a magnetic field) is the source of the electromagnetic (or Lorentz) force,[4] which is one of the four fundamental interactions in physics. The study of photon-mediated interactions among charged particles is called quantum electrodynamics.[5]

The SI derived unit of electric charge is the coulomb (C) named after French physicist Charles-Augustin de Coulomb. In electrical engineering it is also common to use the ampere-hour (A⋅h). In physics and chemistry it is common to use the elementary charge (e) as a unit. Chemistry also uses the Faraday constant, which is the charge of one mole of elementary charges. The lowercase symbol q often denotes charge.

Overview[edit]

Diagram showing field lines and equipotentials around an electron, a negatively charged particle. In an electrically neutral atom, the number of electrons is equal to the number of protons (which are positively charged), resulting in a net zero overall charge

Charge is the fundamental property of matter that exhibits electrostatic attraction or repulsion in the presence of other matter with charge. Electric charge is a characteristic property of many subatomic particles. The charges of free-standing particles are integer multiples of the elementary charge e; we say that electric charge is quantized. Michael Faraday, in his electrolysis experiments, was the first to note the discrete nature of electric charge. Robert Millikan’s oil drop experiment demonstrated this fact directly, and measured the elementary charge. It has been discovered that one type of particle, quarks, have fractional charges of either −1/3 or +2/3, but it is believed they always occur in multiples of integral charge; free-standing quarks have never been observed.

By convention, the charge of an electron is negative, −e, while that of a proton is positive, +e. Charged particles whose charges have the same sign repel one another, and particles whose charges have different signs attract. Coulomb’s law quantifies the electrostatic force between two particles by asserting that the force is proportional to the product of their charges, and inversely proportional to the square of the distance between them. The charge of an antiparticle equals that of the corresponding particle, but with opposite sign.

The electric charge of a macroscopic object is the sum of the electric charges of the particles that it’s made up of. This charge is often small, because matter is made of atoms, and atoms typically have equal numbers of protons and electrons, in which case their charges cancel out, yielding a net charge of zero, thus making the atom neutral.

An ion is an atom (or group of atoms) that has lost one or more electrons, giving it a net positive charge (cation), or that has gained one or more electrons, giving it a net negative charge (anion). Monatomic ions are formed from single atoms, while polyatomic ions are formed from two or more atoms that have been bonded together, in each case yielding an ion with a positive or negative net charge.

Electric field induced by a positive electric charge

Electric field induced by a negative electric charge

Electric field induced by a positive electric charge (left) and a field induced by a negative electric charge (right).

During the formation of macroscopic objects, constituent atoms and ions usually combine to form structures composed of neutral ionic compounds electrically bound to neutral atoms. Thus macroscopic objects tend toward being neutral overall, but macroscopic objects are rarely perfectly net neutral.

Sometimes macroscopic objects contain ions distributed throughout the material, rigidly bound in place, giving an overall net positive or negative charge to the object. Also, macroscopic objects made of conductive elements can more or less easily (depending on the element) take on or give off electrons, and then maintain a net negative or positive charge indefinitely. When the net electric charge of an object is non-zero and motionless, the phenomenon is known as static electricity. This can easily be produced by rubbing two dissimilar materials together, such as rubbing amber with fur or glass with silk. In this way, non-conductive materials can be charged to a significant degree, either positively or negatively. Charge taken from one material is moved to the other material, leaving an opposite charge of the same magnitude behind. The law of conservation of charge always applies, giving the object from which a negative charge is taken a positive charge of the same magnitude, and vice versa.

Even when an object’s net charge is zero, the charge can be distributed non-uniformly in the object (e.g., due to an external electromagnetic field, or bound polar molecules). In such cases, the object is said to be polarized. The charge due to polarization is known as bound charge, while the charge on an object produced by electrons gained or lost from outside the object is called free charge. The motion of electrons in conductive metals in a specific direction is known as electric current.

Unit[edit]

The SI derived unit of quantity of electric charge is the coulomb (symbol: C). The coulomb is defined as the quantity of charge that passes through the cross section of an electrical conductor carrying one ampere for one second.[6] This unit was proposed in 1946 and ratified in 1948.[6] The lowercase symbol q is often used to denote a quantity of electric charge. The quantity of electric charge can be directly measured with an electrometer, or indirectly measured with a ballistic galvanometer.

The elementary charge (the electric charge of the proton) is defined as a fundamental constant in the SI system of units.[7] The value for elementary charge, when expressed in the SI units, is exactly 1.602176634×10−19 C.[1]

After discovering the quantized character of charge, in 1891 George Stoney proposed the unit ‘electron’ for this fundamental unit of electrical charge. J. J. Thomson subsequently discovered the particle that we now call the electron in 1897. The unit is today referred to as elementary charge, fundamental unit of charge, or simply denoted e, with the charge of an electron being −e. The charge of an isolated system should be a multiple of the elementary charge e, even if at large scales charge seems to behave as a continuous quantity. In some contexts it is meaningful to speak of fractions of an elementary charge; for example, in the fractional quantum Hall effect.

The unit faraday is sometimes used in electrochemistry. One faraday is the magnitude of the charge of one mole of elementary charges,[8] i.e. 9.648533212…×104 C.

In the CGS system, electric charge is expressed as a combination of three mechanical quantities: length, mass, and time, unlike in the SI, which incorporates an independent electromagnetic dimension.[9][10]

History[edit]

From ancient times, people were familiar with four types of phenomena that today would all be explained using the concept of electric charge: (a) lightning, (b) the torpedo fish (or electric ray), (c) St Elmo’s Fire, and (d) that amber rubbed with fur would attract small, light objects.[11] The first account of the amber effect is often attributed to the ancient Greek mathematician Thales of Miletus, who lived from c. 624 to c. 546 BC, but there are doubts about whether Thales left any writings;[12] his account about amber is known from an account from early 200s.[13] This account can be taken as evidence that the phenomenon was known since at least c. 600 BC, but Thales explained this phenomenon as evidence for inanimate objects having a soul.[13] In other words, there was no indication of any conception of electric charge. More generally, the ancient Greeks did not understand the connections among these four kinds of phenomena. The Greeks observed that the charged amber buttons could attract light objects such as hair. They also found that if they rubbed the amber for long enough, they could even get an electric spark to jump,[citation needed] but there is also a claim that no mention of electric sparks appeared until late 17th century.[14] This property derives from the triboelectric effect.
In late 1100s, the substance jet, a compacted form of coal, was noted to have an amber effect,[15] and in the middle of the 1500s, Girolamo Fracastoro, discovered that diamond also showed this effect.[16] Some efforts were made by Fracastoro and others, especially Gerolamo Cardano to develop explanations for this phenomenon.[17]

In contrast to astronomy, mechanics, and optics, which had been studied quantitatively since antiquity, the start of ongoing qualitative and quantitative research into electrical phenomena can be marked with the publication of De Magnete by the English scientist William Gilbert in 1600.[18] In this book, there was a small section where Gilbert returned to the amber effect (as he called it) in addressing many of the earlier theories,[17] and coined the Neo-Latin word electrica (from ἤλεκτρον (ēlektron), the Greek word for amber). The Latin word was translated into English as electrics.[19] Gilbert is also credited with the term electrical, while the term electricity came later, first attributed to Sir Thomas Browne in his Pseudodoxia Epidemica from 1646.[20] (For more linguistic details see Etymology of electricity.) Gilbert hypothesized that this amber effect could be explained by an effluvium (a small stream of particles that flows from the electric object, without diminishing its bulk or weight) that acts on other objects. This idea of a material electrical effluvium was influential in the 17th and 18th centuries. It was a precursor to ideas developed in the 18th century about «electric fluid» (Dufay, Nollet, Franklin) and «electric charge».[21]

Around 1663 Otto von Guericke invented what was probably the first electrostatic generator, but he did not recognize it primarily as an electrical device and only conducted minimal electrical experiments with it.[22] Other European pioneers were Robert Boyle, who in 1675 published the first book in English that was devoted solely to electrical phenomena.[23] His work was largely a repetition of Gilbert’s studies, but he also identified several more «electrics»,[24] and noted mutual attraction between two bodies.[23]

In 1729 Stephen Gray was experimenting with static electricity, which he generated using a glass tube. He noticed that a cork, used to protect the tube from dust and moisture, also became electrified (charged). Further experiments (e.g., extending the cork by putting thin sticks into it) showed—for the first time—that electrical effluvia (as Gray called it) could be transmitted (conducted) over a distance. Gray managed to transmit charge with twine (765 feet) and wire (865 feet).[25] Through these experiments, Gray discovered the importance of different materials, which facilitated or hindered the conduction of electrical effluvia. John Theophilus Desaguliers, who repeated many of Gray’s experiments, is credited with coining the terms conductors and insulators to refer to the effects of different materials in these experiments.[25] Gray also discovered electrical induction (i.e., where charge could be transmitted from one object to another without any direct physical contact). For example, he showed that by bringing a charged glass tube close to, but not touching, a lump of lead that was sustained by a thread, it was possible to make the lead become electrified (e.g., to attract and repel brass filings).[26] He attempted to explain this phenomenon with the idea of electrical effluvia.[27]

Gray’s discoveries introduced an important shift in the historical development of knowledge about electric charge. The fact that electrical effluvia could be transferred from one object to another, opened the theoretical possibility that this property was not inseparably connected to the bodies that were electrified by rubbing.[28] In 1733 Charles François de Cisternay du Fay, inspired by Gray’s work, made a series of experiments (reported in Mémoires de l’Académie Royale des Sciences), showing that more or less all substances could be ‘electrified’ by rubbing, except for metals and fluids[29] and proposed that electricity comes in two varieties that cancel each other, which he expressed in terms of a two-fluid theory.[30] When glass was rubbed with silk, du Fay said that the glass was charged with vitreous electricity, and, when amber was rubbed with fur, the amber was charged with resinous electricity. In contemporary understanding, positive charge is now defined as the charge of a glass rod after being rubbed with a silk cloth, but it is arbitrary which type of charge is called positive and which is called negative.[31] Another important two-fluid theory from this time was proposed by Jean-Antoine Nollet (1745).[32]

Up until about 1745, the main explanation for electrical attraction and repulsion was the idea that electrified bodies gave off an effluvium.[33]
Benjamin Franklin started electrical experiments in late 1746,[34] and by 1750 had developed a one-fluid theory of electricity, based on an experiment that showed that a rubbed glass received the same, but opposite, charge strength as the cloth used to rub the glass.[34][35] Franklin imagined electricity as being a type of invisible fluid present in all matter; for example, he believed that it was the glass in a Leyden jar that held the accumulated charge. He posited that rubbing insulating surfaces together caused this fluid to change location, and that a flow of this fluid constitutes an electric current. He also posited that when matter contained an excess of the fluid it was positively charged and when it had a deficit it was negatively charged. He identified the term positive with vitreous electricity and negative with resinous electricity after performing an experiment with a glass tube he had received from his overseas colleague Peter Collinson. The experiment had participant A charge the glass tube and participant B receive a shock to the knuckle from the charged tube. Franklin identified participant B to be positively charged after having been shocked by the tube.[36] There is some ambiguity about whether William Watson independently arrived at the same one-fluid explanation around the same time (1747). Watson, after seeing Franklin’s letter to Collinson, claims that he had presented the same explanation as Franklin in spring 1747.[37] Franklin had studied some of Watson’s works prior to making his own experiments and analysis, which was probably significant for Franklin’s own theorizing.[38] One physicist suggests that Watson first proposed a one-fluid theory, which Franklin then elaborated further and more influentially.[39] A historian of science argues that Watson missed a subtle difference between his ideas and Franklin’s, so that Watson misinterpreted his ideas as being similar to Franklin’s.[40] In any case, there was no animosity between Watson and Franklin, and the Franklin model of electrical action, formulated in early 1747, eventually became widely accepted at that time.[38] After Franklin’s work, effluvia-based explanations were rarely put forward.[41]

It is now known that the Franklin model was fundamentally correct. There is only one kind of electrical charge, and only one variable is required to keep track of the amount of charge.[42]

Until 1800 it was only possible to study conduction of electric charge by using an electrostatic discharge. In 1800 Alessandro Volta was the first to show that charge could be maintained in continuous motion through a closed path.[43]

In 1833, Michael Faraday sought to remove any doubt that electricity is identical, regardless of the source by which it is produced.[44] He discussed a variety of known forms, which he characterized as common electricity (e.g., static electricity, piezoelectricity, magnetic induction), voltaic electricity (e.g., electric current from a voltaic pile), and animal electricity (e.g., bioelectricity).

In 1838, Faraday raised a question about whether electricity was a fluid or fluids or a property of matter, like gravity. He investigated whether matter could be charged with one kind of charge independently of the other.[45] He came to the conclusion that electric charge was a relation between two or more bodies, because he could not charge one body without having an opposite charge in another body.[46]

In 1838, Faraday also put forth a theoretical explanation of electric force, while expressing neutrality about whether it originates from one, two, or no fluids.[47] He focused on the idea that the normal state of particles is to be nonpolarized, and that when polarized, they seek to return to their natural, nonpolarized state.

In developing a field theory approach to electrodynamics (starting in the mid-1850s), James Clerk Maxwell stops considering electric charge as a special substance that accumulates in objects, and starts to understand electric charge as a consequence of the transformation of energy in the field.[48] This pre-quantum understanding considered magnitude of electric charge to be a continuous quantity, even at the microscopic level.[48]

The role of charge in static electricity[edit]

Static electricity refers to the electric charge of an object and the related electrostatic discharge when two objects are brought together that are not at equilibrium. An electrostatic discharge creates a change in the charge of each of the two objects.

Electrification by friction[edit]

When a piece of glass and a piece of resin—neither of which exhibit any electrical properties—are rubbed together and left with the rubbed surfaces in contact, they still exhibit no electrical properties. When separated, they attract each other.

A second piece of glass rubbed with a second piece of resin, then separated and suspended near the former pieces of glass and resin causes these phenomena:

  • The two pieces of glass repel each other.
  • Each piece of glass attracts each piece of resin.
  • The two pieces of resin repel each other.

This attraction and repulsion is an electrical phenomenon, and the bodies that exhibit them are said to be electrified, or electrically charged. Bodies may be electrified in many other ways, as well as by friction. The electrical properties of the two pieces of glass are similar to each other but opposite to those of the two pieces of resin: The glass attracts what the resin repels and repels what the resin attracts.

If a body electrified in any manner whatsoever behaves as the glass does, that is, if it repels the glass and attracts the resin, the body is said to be vitreously electrified, and if it attracts the glass and repels the resin it is said to be resinously electrified. All electrified bodies are either vitreously or resinously electrified.

An established convention in the scientific community defines vitreous electrification as positive, and resinous electrification as negative. The exactly opposite properties of the two kinds of electrification justify our indicating them by opposite signs, but the application of the positive sign to one rather than to the other kind must be considered as a matter of arbitrary convention—just as it is a matter of convention in mathematical diagram to reckon positive distances towards the right hand.

No force, either of attraction or of repulsion, can be observed between an electrified body and a body not electrified.[49]

The role of charge in electric current[edit]

Electric current is the flow of electric charge through an object. The most common charge carriers are the positively charged proton and the negatively charged electron. The movement of any of these charged particles constitutes an electric current. In many situations, it suffices to speak of the conventional current without regard to whether it is carried by positive charges moving in the direction of the conventional current or by negative charges moving in the opposite direction. This macroscopic viewpoint is an approximation that simplifies electromagnetic concepts and calculations.

At the opposite extreme, if one looks at the microscopic situation, one sees there are many ways of carrying an electric current, including: a flow of electrons; a flow of electron holes that act like positive particles; and both negative and positive particles (ions or other charged particles) flowing in opposite directions in an electrolytic solution or a plasma.

Beware that, in the common and important case of metallic wires, the direction of the conventional current is opposite to the drift velocity of the actual charge carriers; i.e., the electrons. This is a source of confusion for beginners.

Conservation of electric charge[edit]

The total electric charge of an isolated system remains constant regardless of changes within the system itself. This law is inherent to all processes known to physics and can be derived in a local form from gauge invariance of the wave function. The conservation of charge results in the charge-current continuity equation. More generally, the rate of change in charge density ρ within a volume of integration V is equal to the area integral over the current density J through the closed surface S = ∂V, which is in turn equal to the net current I:

-{frac {d}{dt}}int _{V}rho ,mathrm {d} V= oiintscriptstyle partial V mathbf {J} cdot mathrm {d} mathbf {S} =int Jmathrm {d} Scos theta =I.

Thus, the conservation of electric charge, as expressed by the continuity equation, gives the result:

{displaystyle I=-{frac {mathrm {d} q}{mathrm {d} t}}.}

The charge transferred between times t_{mathrm {i} } and t_{mathrm {f} } is obtained by integrating both sides:

{displaystyle q=int _{t_{mathrm {i} }}^{t_{mathrm {f} }}I,mathrm {d} t}

where I is the net outward current through a closed surface and q is the electric charge contained within the volume defined by the surface.

Relativistic invariance[edit]

Aside from the properties described in articles about electromagnetism, charge is a relativistic invariant. This means that any particle that has charge q has the same charge regardless of how fast it is travelling. This property has been experimentally verified by showing that the charge of one helium nucleus (two protons and two neutrons bound together in a nucleus and moving around at high speeds) is the same as two deuterium nuclei (one proton and one neutron bound together, but moving much more slowly than they would if they were in a helium nucleus).[50][51][52]

See also[edit]

  • SI electromagnetism units
  • Color charge
  • Partial charge
  • Positron or antielectron is a antiparticle or antimatter counter part of the electron

References[edit]

  1. ^ a b «2018 CODATA Value: elementary charge». The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.
  2. ^ Chabay, Ruth; Sherwood, Bruce (2015). Matter and interactions (4th ed.). Wiley. p. 867.
  3. ^ Chabay, Ruth; Sherwood, Bruce (2015). Matter and interactions (4th ed.). Wiley. p. 673.
  4. ^ Chabay, Ruth; Sherwood, Bruce (2015). Matter and interactions (4th ed.). Wiley. p. 942.
  5. ^ Rennie, Richard; Law, Jonathan, eds. (2019). «Quantum electrodynamics». A Dictionary of Physics (8th ed.). Oxford University Press. ISBN 9780198821472.
  6. ^ a b «CIPM, 1946: Resolution 2». BIPM.
  7. ^ Le Système international d’unités [The International System of Units] (PDF) (in French and English) (9th ed.), International Bureau of Weights and Measures, 2019, ISBN 978-92-822-2272-0, p. 127
  8. ^ Gambhir, RS; Banerjee, D; Durgapal, MC (1993). Foundations of Physics, Vol. 2. New Delhi: Wiley Eastern Limited. p. 51. ISBN 9788122405231. Retrieved 10 October 2018.
  9. ^ Carron, Neal J. (21 May 2015). «Babel of units: The evolution of units systems in classical electromagnetism». p. 5. arXiv:1506.01951 [physics.hist-ph].
  10. ^
    Purcell, Edward M.; Morin, David J. (2013). Electricity and Magnetism (3rd ed.). Cambridge University Press. p. 766. ISBN 9781107014022.
  11. ^ Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1954). The development of the concept of electric charge: Electricity from the Greeks to Coulomb. Cambridge, MA: Harvard University Press. p. 1.
  12. ^ O’Grady, Patricia F. (2002). Thales of Miletus: The Beginnings of Western Science and Philosophy. Ashgate. p. 8. ISBN 978-1351895378.
  13. ^ a b «Lives of the Eminent Philosophers by Diogenes Laërtius, Book 1, §24».
  14. ^ Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1953). «The Prenatal History of Electrical Science». American Journal of Physics. 21 (5): 348. Bibcode:1953AmJPh..21..343R. doi:10.1119/1.1933449.
  15. ^ Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1953). «The Prenatal History of Electrical Science». American Journal of Physics. 21 (5): 351. Bibcode:1953AmJPh..21..343R. doi:10.1119/1.1933449.
  16. ^ Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1953). «The Prenatal History of Electrical Science». American Journal of Physics. 21 (5): 353. Bibcode:1953AmJPh..21..343R. doi:10.1119/1.1933449.
  17. ^ a b Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1953). «The Prenatal History of Electrical Science». American Journal of Physics. 21 (5): 356. Bibcode:1953AmJPh..21..343R. doi:10.1119/1.1933449.
  18. ^ Roche, J.J. (1998). The mathematics of measurement. London: The Athlone Press. p. 62. ISBN 978-0387915814.
  19. ^ Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1954). The development of the concept of electric charge: Electricity from the Greeks to Coulomb. Cambridge, MA: Harvard University Press. pp. 6–7.
    Heilbron, J.L. (1979). Electricity in the 17th and 18th Centuries: A Study of Early Modern Physics. University of California Press. p. 169. ISBN 978-0-520-03478-5.
  20. ^ Brother Potamian; Walsh, J.J. (1909). Makers of electricity. New York: Fordham University Press. p. 70.
  21. ^ Baigrie, Brian (2007). Electricity and magnetism: A historical perspective. Westport, CT: Greenwood Press. p. 11.
  22. ^ Heathcote, N.H. de V. (1950). «Guericke’s sulphur globe». Annals of Science. 6 (3): 304. doi:10.1080/00033795000201981.
    Heilbron, J.L. (1979). Electricity in the 17th and 18th centuries: a study of early Modern physics. University of California Press. pp. 215–218. ISBN 0-520-03478-3.
  23. ^ a b Baigrie, Brian (2007). Electricity and magnetism: A historical perspective. Westport, CT: Greenwood Press. p. 20.
  24. ^ Baigrie, Brian (2007). Electricity and magnetism: A historical perspective. Westport, CT: Greenwood Press. p. 21.
  25. ^ a b Baigrie, Brian (2007). Electricity and magnetism: A historical perspective. Westport, CT: Greenwood Press. p. 27.
  26. ^ Baigrie, Brian (2007). Electricity and magnetism: A historical perspective. Westport, CT: Greenwood Press. p. 28.
  27. ^ Heilbron, J.L. (1979). Electricity in the 17th and 18th Centuries: A Study of Early Modern Physics. University of California Press. p. 248. ISBN 978-0-520-03478-5.
  28. ^ Baigrie, Brian (2007). Electricity and magnetism: A historical perspective. Westport, CT: Greenwood Press. p. 35.
  29. ^ Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1954). The development of the concept of electric charge: Electricity from the Greeks to Coulomb. Cambridge, MA: Harvard University Press. p. 40.
  30. ^ Two Kinds of Electrical Fluid: Vitreous and Resinous – 1733. Charles François de Cisternay DuFay (1698–1739) Archived 2009-05-26 at the Wayback Machine. sparkmuseum.com
  31. ^ Wangsness, Roald K. (1986). Electromagnetic Fields (2nd ed.). New York: Wiley. p. 40. ISBN 0-471-81186-6.
  32. ^ Heilbron, J.L. (1979). Electricity in the 17th and 18th Centuries: A Study of Early Modern Physics. University of California Press. pp. 280–289. ISBN 978-0-520-03478-5.
  33. ^ Heilbron, John (2003). «Leyden jar and electrophore». In Heilbron, John (ed.). The Oxford Companion to the History of Modern Science. New York: Oxford University Press. p. 459. ISBN 9780195112290.
  34. ^ a b Baigrie, Brian (2007). Electricity and magnetism: A historical perspective. Westport, CT: Greenwood Press. p. 38.
  35. ^ Guarnieri, Massimo (2014). «Electricity in the Age of Enligtenment». IEEE Industrial Electronics Magazine. 8 (3): 61. doi:10.1109/MIE.2014.2335431. S2CID 34246664.
  36. ^ Franklin, Benjamin (1747-05-25). «Letter to Peter Collinson, May 25, 1747». Letter to Peter Collinson. Retrieved 2019-09-16.
  37. ^ Watson, William (1748). «Some further inquiries into the nature and properties of electricity». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 45: 100. doi:10.1098/rstl.1748.0004. S2CID 186207940.
  38. ^ a b Cohen, I. Bernard (1966). Franklin and Newton (reprint ed.). Cambridge, MA: Harvard University Press. pp. 390–413.
  39. ^ Weinberg, Steven (2003). The discovery of subatomic particles (rev ed.). Cambridge University Press. p. 13. ISBN 9780521823517.
  40. ^ Heilbron, J.L. (1979). Electricity in the 17th and 18th centuries: a study of early Modern physics. University of California Press. pp. 344–5. ISBN 0-520-03478-3.
  41. ^ Tricker, R.A.R (1965). Early electrodynamics: The first law of circulation. Oxford: Pergamon. p. 2. ISBN 9781483185361.
  42. ^ Denker, John (2007). «One Kind of Charge». www.av8n.com/physics. Archived from the original on 2016-02-05.
  43. ^ Zangwill, Andrew (2013). Modern Electrodynamics. Cambridge University Press. p. 31. ISBN 978-0-521-89697-9.
  44. ^ Faraday, Michael (1833). «Experimental researches in electricity — third series». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 123: 23–54. doi:10.1098/rstl.1833.0006. S2CID 111157008.
  45. ^ Faraday, Michael (1838). «Experimental researches in electricity — eleventh series». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 128: 4. doi:10.1098/rstl.1838.0002. S2CID 116482065. §1168
  46. ^ Steinle, Friedrich (2013). «Electromagnetism and field physics». In Buchwald, Jed Z.; Fox, Robert (eds.). The Oxford Handbook of the history of physics. Oxford University Press. p. 560.
  47. ^ Faraday, Michael (1838). «Experimental researches in electricity — fourteenth series». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 128: 265–282. doi:10.1098/rstl.1838.0014. S2CID 109146507.
  48. ^ a b Buchwald, Jed Z. (2013). «Electrodynamics from Thomson and Maxwell to Hertz». In Buchwald, Jed Z.; Fox, Robert (eds.). The Oxford Handbook of the history of physics. Oxford University Press. p. 575.
  49. ^ James Clerk Maxwell (1891) A Treatise on Electricity and Magnetism, pp. 32–33, Dover Publications
  50. ^ Jefimenko, O.D. (1999). «Relativistic invariance of electric charge» (PDF). Zeitschrift für Naturforschung A. 54 (10–11): 637–644. Bibcode:1999ZNatA..54..637J. doi:10.1515/zna-1999-10-1113. S2CID 29149866. Retrieved 11 April 2018.
  51. ^ «How can we prove charge invariance under Lorentz Transformation?». physics.stackexchange.com. Retrieved 2018-03-27.
  52. ^ Singal, A.K. (1992). «On the charge invariance and relativistic electric fields from a steady conduction current». Physics Letters A. 162 (2): 91–95. Bibcode:1992PhLA..162…91S. doi:10.1016/0375-9601(92)90982-R. ISSN 0375-9601.

External links[edit]

  • Media related to Electric charge at Wikimedia Commons
  • How fast does a charge decay?
Источник

Научное обоснование многих электрических явлений стало возможным благодаря опытам Кулона, на основании которых учёный ввёл термин «точечный электрический заряд». Исследуя природу электризации, французский физик с помощью изобретённых им крутильных весов, открыл закон взаимодействия точечных зарядов, известный нам как закон Кулона.

Впоследствии этот основополагающий закон помог учёным сформировать представление о строении атомов, объяснить природу электричества. Это способствовало созданию источников электрического тока, без которого современного уровня научно-технического прогресса не удалось бы достигнуть.

История

На существование электрических зарядов обращали внимание мыслители ещё до нашей эры. Однако они не способны были объяснить их природу и, тем более, описать взаимодействие.

Прошло много веков до того момента, когда учёные вплотную занялись изучением электрических явлений, что и привело их к открытиям в данной области. В частности Уильям Гильберт ещё в XVI веке, не понимая природы электричества, называл наэлектризованными тела, которые притягивали другие вещества.

В 1729 году, наблюдая за электризацией различных тел, Шарль Дюфе пришёл к выводу о существовании зарядов двух видов, которые называл «стеклянными» (так как они проявляли себя на стеклянной палочке) и «смоляными» (возникающими при электризации смол). Позже Бенджамином Франклином понятия «стеклянные» и «смоляные» были заменены на более общие термины: «положительные» и «отрицательные». Данными терминами мы пользуемся по сегодняшний день.

Несмотря на то, что эти исследователи понимали факт распределения зарядов, они не смогли объяснить природу явления. Вплотную приблизился к пониманию элементарных частиц как носителей зарядов учёный-физик Ш. Кулон. Придуманный им термин «точечный заряд» помог учёному понять взаимодействие элементарных частиц, что привело его к открытию закона.

На основании своего открытия, физик уже мог объяснить причину взаимодействия точечных заряженных тел (см. рис. 1).

Взаимодействие наэлектризованных тел

Рис. 1. Взаимодействие наэлектризованных тел

Дискретность (неделимость) элементарных заряженных частиц доказал Роберт Милликен. Учёный подтвердил, что заряженное тело содержит целое число элементарных частиц. Он пришёл к выводу, что делимость заряда имеет предел. Носителем элементарного заряда является электрон.

На рисунке 2 изображён опыт, подтверждающий делимость заряда. Опыт показывает, что деление кратно, это наталкивает на мысль о существовании элементарных частиц.

Делимость заряда

Рис. 2. Делимость заряда

Целостная картина сложилась после обнародования предложенной Резерфордом наглядной планетарной модели атома. Модель предполагает, что атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Это довольно упрощённая модель, но она уже объясняла многие электрические процессы, включая электризацию тел.

Современная интерпретация планетарной модели атома

Рис. 3. Современная интерпретация планетарной модели атома

Что такое электрический заряд?

Данный термин обозначает то, что заряженное тело способно создавать электрическое поле. В более широком значении, зарядом называют количество электричества – скалярную величину, являющейся источником электромагнитного поля, участвующую в процессах электромагнитных взаимодействий. Электрический заряд не может существовать без носителя.

Элементарными носителями отрицательных зарядов являются электроны. Антиподом электрона является позитрон – устойчивая античастица, равная по массе электрону, но со знаком «+». Существует ещё одна устойчивая, положительно заряженная элементарная частица – протон.

Частицы, заряжены дробными частями (кварки), могут существовать только в составе адронов, поэтому их не считают носителями.

Заряженные протоны, из которых состоит ядро атома, тесно связаны ядерными силами. Они не могут свободно вырываться с ядра атома. Поэтому в качестве свободных носителей положительного заряда принято считать ион – атом, с орбиты которого удалился электрон. Образование отрицательных ионов происходит за счёт присоединения к ним свободных электронов.

Заряженность нейтральных атомов и молекул нулевая, а число положительных и отрицательных ионов в ячейках кристаллических решёток скомпенсировано. Поэтому тела в обычных условиях электростатически нейтральны. Между нейтральными атомами взаимодействие отсутствует.

Свойства

Установлено, что неподвижный заряд q неразрывно связан с электрическим полем, представителем особого вида материи. Поле является материальным носителем взаимодействия между элементарными частицами. Это свойство поля проявляется даже в случае отсутствия вещества между взаимодействующими телами.

Электрическое поле действует с силой F  на пробный заряд q′, расположенный в любой точке поля.

Векторная величина:

Формула напряженность электрополя

характеризует действие электричества и называется напряженностью поля. Линии, касательные к которым совпадают с вектором напряжённости, образуют линии напряжённости. Густота линий напряжённости определяет величину напряжённости.

Линии напряженности электростатического поля точечного заряда представляют собой лучи, выходящие из одной точки (для положительного) или входящего в точку (для отрицательного) (см. рис. 4).

Линии напряжённости поля

Рис. 4. Линии напряжённости поля

Электростатическое взаимодействие электромагнитных полей можно наблюдать на поведении заряженных шариков. Если эбонитовую или стеклянную палочку наэлектризовать трением и приблизить её к крохотным бузиновым шарикам, то мы увидим, как в результате силовых взаимодействий частицы отталкиваются (если они одинаковых знаков), либо притягиваются (разнознаковые).

Насыщение свободными носителями зарядов различных веществ не одинаково. Больше всего свободных электронов содержится в металлах. Поскольку заряженные электроны способны перемещаться под действием электрического поля, они являются основными транспортировщиками электрического тока в металлах. При этом движения электронов не приводит к каким-либо химическим изменениям.

Перенос зарядов в расплавленных солях или в растворах кислот осуществляется ионами. Они могут быть заряжены как положительно, так и отрицательно. В отличие от металлов, перераспределение зарядов в этих жидкостях сопровождается химическими реакциями. Поэтому растворы называют проводниками второго рода, то есть такими, которые под действием постоянных токов приводят к изменению химического состава вещества.

Таким образом, вещества условно подразделяют по типу проводимости:

  • проводники первого рода (металлы);
  • проводники второго рода (соляные, щелочные и кислотные растворы);
  • полупроводники (электронно-дырочная проводимость);
  • диэлектрики (вещества не способные проводить электричество из-за отсутствия свободных носителей).

Единица измерения

Единицей измерения заряда в международной системе СИ принято 1 кулон – совокупный заряд элементарных частиц, преодолевающих сечение проводника с током в 1 А, за единицу времени (секунду). Это огромная величина. Силу взаимодействия величиной в 1 Кл на расстоянии 1 м можно сравнить с действием гравитационного притяжения Землёй тела, массой 1 млн. т (9 × 109 Н).

Взаимодействие зарядов

Многочисленные опыты показали, что заряженные элементарные частицы взаимодействуют между собой. Носители одноименных зарядов отталкиваются, а носители разноименных зарядов – притягиваются (см.рис. 5).

Взаимодействие элементарных частиц

Рис. 5. Взаимодействие элементарных частиц

Силу взаимодействия точечных зарядов определяют по формуле, вытекающей из закона Кулона: F = (k*q1*q2)/r2 , где q1 и q2 –две заряженные точки, расположенные на расстоянии r, а k – коэффициент, размерность которого зависит от выбранной системы измерений, а значение – от свойств окружающей среды. Закон Кулона – один из фундаментальных законов физики.

Закон Кулона

Рис. 6. Интерпретация закона кулона

Закон сохранения электрического заряда

Экспериментально установлено, что в замкнутой системе выполняется один из основополагающих законов физики – закон сохранения. В изолированной системе суммарный заряд не исчезает, а сохраняется во времени. Кроме того, он квантуется, то есть изменяется порциями, кратными заряду элементарной частицы.

Алгебраическая сумма зарядов – величина постоянная: q1 + q2 + … + qn = const (см. рис. 7).

Сохранение статического электричества

Рис. 7. Сохранение статического электричества

Закон сформулирован Б.Франклином (1747 г.) и подтверждён М. Фарадеем в 1843 г.

Способы измерения

Самый простой прибор для измерения – электроскоп. Он состоит из двух лепестков из фольги, расположенных на металлическом стержне. Конструкция накрыта стеклянным колпаком.

Если наэлектризованным телом прикоснуться к стержню, то лепестки наэлектризуются. Поскольку знаки на них одинаковые, то кулонова сила оттолкнёт их в разные стороны. По величине угла отклонения можно оценить величину статического электричества поступившего на лепестки.

Более сложный прибор – электрометр (схематическое изображение на рис. 8). Прибор состоит из стержня электрометра, стрелки и шкалы. Принцип действия аналогичен электроскопу (стрелка отталкивается от стержня). Благодаря наличию шкалы отклонение стрелки электрометра показывает количественную величину переданного электричества.

Схематическое изображение электрометра

Рис. 8. Схематическое изображение электрометра

Мы уже упоминали, что Кулон в своих опытах пользовался крутильными весами. Этот измерительный прибор позволил учёному открыть знаменитый закон, названный в честь его имени.

Источник

Электрический заряд

  • Электри́ческий заря́д (коли́чество электри́чества) — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.

    Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году.

    Единица измерения заряда в Международной системе единиц (СИ) — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника с током 1 А за время 1 с.

    Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда (q1 = q2 = 1 Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9⋅109 H, то есть с силой, с которой гравитация Земли притягивает предмет массой порядка 1 миллиона тонн.

Источник: Википедия

Связанные понятия

Магни́тный моме́нт, магни́тный дипо́льный моме́нт — основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества (источником магнетизма, согласно классической теории электромагнитных явлений, являются электрические макро- и микротоки; элементарным источником магнетизма считают замкнутый ток).

Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον — янтарь) — стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Считается фундаментальной (не имеющей, насколько это известно, составных частей) и является одной из основных структурных единиц вещества. Классифицируется как фермион (обладает спином, равным ½) и как лептон. Единственный (наравне со своей античастицей — позитроном) из известных заряженных лептонов, являющийся стабильным. Электроны образуют электронные оболочки атомов, строение которых определяет…

Квазичасти́ца (от лат. quas(i) «наподобие», «нечто вроде») — понятие в квантовой механике, введение которого позволяет существенно упростить описание сложных квантовых систем со взаимодействием, таких как твердые тела и квантовые жидкости.

Электромагнитное поле (и его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчета — каждое зависит от обоих — электрического и магнитного — в старой, и это ещё одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и магнитное поля как проявления единого электромагнитного поля.

Энергетический уровень — собственные значения энергии квантовых систем, то есть систем, состоящих из микрочастиц (электронов, протонов и других элементарных частиц) и подчиняющихся законам квантовой механики. Каждый уровень характеризуется определённым состоянием системы, или подмножеством таковых в случае вырождения. Понятие применимо к атомам (электронные уровни), молекулам (различные уровни, соответствующие колебаниям и вращениям — колебательные и вращательные уровни), атомным ядрам (внутриядерные…

Упоминания в литературе

Напомним, что, во-первых, за счет столкновений самолетных поверхностей с частицами дождя, снега, пыли на самолете не может накопиться существенного заряда по той простой причине, что с таковыми частицами самолет в хорошую ясную погоду не встречается. Даже если такой процесс зарядки и происходит, то плотность накапливаемых зарядов может только достигать равновесного предела, при которой зарядка уравновешивается стеканием зарядов. Стекание зарядов с задней кромки крыла настолько интенсивно, что устойчивые значения суммарной зарядки самолета электричеством оказываются весьма низкими. Подробное рассмотрение явления показывает, что получить плазмоиды, несущие существенной величины электрический заряд, в соответствии с предложенной Классом моделью совершенно невозможно. Реальные трудности получения плазмоидов по Ф. Классу еще более серьезны. Для получения плазмоида необходима высокая концентрация свободных электронов. Однако в условиях, наиболее благоприятных для интенсификации зарядки (пыль, снег, дождь), все, что стекает с задней кромки крыла, представляет собою только ионы в том смысле, который придается этому термину в науке об атмосферном электричестве. Все свободные электроны в течение микросекунд связываются с молекулами кислорода. Загрязнения в выхлопе самолета вызывают дальнейшую «демобилизацию» образовавшихся таким образом «малых ионов».

Атом перестал быть первичной единицей материи, ибо установлено, что его строение весьма сложно. Мельчайшими известными в настоящее время частицами материи являются электроны и позитроны. И те, и другие имеют совершенно одинаковую массу, но различаются электрическими зарядами: электрон заряжен отрицательно, а позитрон – положительно.

Наконец, независимо от наличия или отсутствия в молекулах электрических зарядов между ними действуют силы, называемые дисперсионными. Они являются результатом взаимной поляризации молекул, вызываемой непрерывным движением электронов рядом расположенных атомов. Дисперсионное взаимодействие проявляется при расстояниях между частицами до 3–4 А. Так как нагревание тел не оказывает заметного влияния на движение электронов, то величина дисперсионных сил не зависит от температуры.

– закон сохранения электрического заряда (в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная, а величина заряда не зависит от его скорости);

• α-излучение – поток положительно заряженных частиц. При распаде тяжелых ядер, например урана или радия, испускаются α-частицы – ядра гелия, состоящие из двух протонов и четырех нейтронов, т. е. несут два положительных электрических заряда (42Не). Бывают и другие виды радиоактивных превращений. При этом важно, что соответствующий радионуклид преобразуется в изотоп другого химического элемента, испуская частицу, а часто и избыток энергии в виде γ-кванта; α-частицы движутся со скоростью 14–20 тыс. км/с в веществе прямолинейно, вызывая при этом ионизацию всех атомов на своем пути. Они обладают высокой ионизирующей способностью, т. е. на 1 см пробега образуют от 30 до 100 тыс. пар ионов. Пробег в воздухе составляет около 10 см, в биологической среде (вода, ткань) – до 0,1 мм.

Связанные понятия (продолжение)

Электрическое поле — одна из двух компонент электромагнитного поля, представляющая собой векторное поле, существующее вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также возникающее при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.

Ды́рка — квазичастица, носитель положительного заряда, равного элементарному заряду, в полупроводниках.

Электромагни́тное взаимоде́йствие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света) в виде поперечных электромагнитных волн и переносчик электромагнитного взаимодействия. Это безмассовая частица, способная существовать в вакууме, только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. В физике фотоны обозначаются…

Элемента́рный электри́ческий заря́д — фундаментальная физическая постоянная, минимальная порция (квант) электрического заряда, наблюдающегося в природе у свободных долгоживущих частиц. Равен приблизительно 1,602 176 6208(98)⋅10−19 Кл в Международной системе единиц (СИ) (4,803 204 673(29)⋅10−10 Фр в системе СГСЭ). Тесно связан с постоянной тонкой структуры, описывающей электромагнитное взаимодействие.

Дипо́ль — идеализированная система, служащая для приближённого описания поля, создаваемого более сложными системами зарядов, а также для приближенного описания действия внешнего поля на такие системы. Дипольное приближение, выполнение которого обычно подразумевается, когда говорится о поле диполя, основано на разложении потенциалов поля в ряд по степеням радиус-вектора, характеризующего положение зарядов-источников, и отбрасывании всех членов выше первого порядка. Полученные функции будут эффективно…

Фоно́н — квазичастица, введённая советским учёным Игорем Таммом. Фонон представляет собой квант колебательного движения атомов кристалла.

Поляризация вакуума — совокупность виртуальных процессов рождения и аннигиляции пар частиц в вакууме, обусловленных квантовыми флуктуациями. Эти процессы формируют нижнее (вакуумное) состояние систем взаимодействующих квантовых полей.

Электростатика (др. -греч. ήλεκτρον — янтарь) — раздел учения об электричестве, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов.

Эффекти́вная ма́сса — величина, имеющая размерность массы и применяемая для удобного описания движения частицы в периодическом потенциале кристалла. Можно показать, что электроны и дырки в кристалле реагируют на электрическое поле так, как если бы они свободно двигались в вакууме, но с некой эффективной массой, которую обычно определяют в единицах массы электрона me (9,11×10−31 кг). Эффективная масса электрона в кристалле, вообще говоря, отлична от массы электрона в вакууме и может быть как положительной…

Зонная теория твёрдого тела — квантовомеханическая теория движения электронов в твёрдом теле.

Электри́ческий ди́польный моме́нт — векторная физическая величина, характеризующая, наряду с суммарным зарядом (и реже используемыми высшими мультипольными моментами), электрические свойства системы заряженных частиц (распределения зарядов) в смысле создаваемого ею поля и действия на неё внешних полей. Главная после суммарного заряда и положения системы в целом (её радиус-вектора) характеристика конфигурации зарядов системы при наблюдении её издали.

Неупру́гое рассе́яние — столкновение частиц (включая столкновения с фотонами), сопровождающееся изменением их внутреннего состояния, превращением в другие частицы или дополнительным рождением новых частиц.

Ку́перовская па́ра — связанное состояние двух взаимодействующих через фонон электронов. Обладает нулевым спином и зарядом, равным удвоенному заряду электрона. Впервые подобное состояние было описано Леоном Купером в 1956 году, рассмотревшим лишь упрощенную двухчастичную задачу. Коррелированные пары электронов ответственны за явление сверхпроводимости.

Позитро́н (от англ. positive «положительный» + electron «электрон») — античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд −1 и массу, равную массе электрона. При аннигиляции позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже — трёх и более) гамма-квантов.

Носи́тели заря́да — общее название подвижных частиц или квазичастиц, которые несут электрический заряд и способны обеспечивать протекание электрического тока.

Во́лны де Бро́йля — волны вероятности (или волны амплитуды вероятности), определяющие плотность вероятности обнаружения объекта в заданной точке конфигурационного пространства. В соответствии с принятой терминологией говорят, что волны де Бройля связаны с любыми частицами и отражают их волновую природу.

Виртуа́льная части́ца — объект, который характеризуется почти всеми квантовыми числами, присущими одной из реальных элементарных частиц, но для которого нарушена свойственная последней связь между энергией и импульсом частицы. Понятие о виртуальных частицах возникло в квантовой теории поля. Такие частицы, родившись, не могут «улететь на бесконечность»; они обязаны либо поглотиться какой-либо частицей, либо распасться на реальные частицы. Известные в физике фундаментальные взаимодействия протекают…

Спин-орбитальное взаимодействие — в квантовой физике взаимодействие между движущейся частицей и её собственным магнитным моментом, обусловленным спином частицы. Наиболее часто встречающимся примером такого взаимодействия является взаимодействие электрона, находящегося на одной из орбит в атоме, с собственным спином. Такое взаимодействие, в частности, приводит к возникновению так называемой тонкой структуры энергетического спектра электрона и расщеплению спектроскопических линий атома.

Теплово́е движе́ние — процесс хаотичного (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество. Чем выше температура, тем больше скорость движения частиц. Чаще всего рассматривается тепловое движение атомов и молекул.

Фундамента́льная части́ца — бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную. На сегодняшний день термин применяется преимущественно для лептонов и кварков (по 6 частиц каждого рода, вместе с античастицами, составляют набор из 24 фундаментальных частиц) в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий).

Изотопи́ческий спин (изоспи́н) — одна из внутренних характеристик (квантовое число), определяющая число зарядовых состояний адронов. В частности, протон и нейтрон (общее наименование этих элементарных частиц — нуклоны) различаются значением проекции изоспина, тогда как абсолютные значения их изоспина одинаковы. Последнее выражает свойство изотопической инвариантности сильного взаимодействия. Понятие изотопического спина было введено Гейзенбергом в 1932 г.Изоспин сохраняется во всех процессах, обусловленных…

Эта статья — об энергетическом спектре квантовой системы. О распределении частиц по энергиям в излучении см. Спектр, Спектр излучения. Об энергетическом спектре сигнала см. Спектральная плотность.Энергетический спектр — набор возможных энергетических уровней квантовой системы.

Подробнее: Энергетический спектр

Это список частиц в физике элементарных частиц, включающий не только открытые, но и гипотетические элементарные частицы, а также составные частицы, состоящие из элементарных частиц.

Чётность — свойство физической величины сохранять свой знак (или изменять на противоположный) при некоторых дискретных преобразованиях. Она выражается числом, принимающим два значения: +1 и −1.

В физике понятие заря́да используется для описания нескольких физических величин, таких как электрический заряд в электромагнетизме или цветовой заряд в квантовой хромодинамике. Все эти заряды связаны с сохранением квантовых чисел.

Подробнее: Заряд (физика)

Тунне́льный эффект, туннели́рование — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике и даже полностью противоречащее ей. Аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки…

Магно́н — квазичастица, соответствующая элементарному возбуждению системы взаимодействующих спинов. В кристаллах с несколькими магнитными подрешётками (например, антиферромагнетиках) могут существовать несколько сортов магнонов, имеющих различные энергетические спектры. Магноны подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Магноны взаимодействуют друг с другом и с другими квазичастицами. Существование магнонов подтверждается экспериментами по рассеянию нейтронов, электронов и света, которое сопровождается…

Вырождение (квантовая механика) — явление, при котором некоторая физическая величина (например. энергия, импульс и т. д.), характеризующая квантовую физическую систему, принимает одно и то же значение для разных состояний квантовой физической системы. Кратностью вырождения называется число различных состояний квантовой физической системы, имеющих одно и то же значение физической величины.

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые на практике невозможно расщепить на составные части.

Слабый изоспин в теоретической физике соответствует идее изоспина для сильного взаимодействия, но применённой для слабого взаимодействия. Обычно обозначается T или IW.

Заря́женная части́ца — частица, обладающая электрическим зарядом. Заряженными могут быть как элементарные частицы, так составные: атомарные и молекулярные ионы, многоатомные комплексы (кластеры, пылинки, капли). Заряд частиц всегда кратен элементарному заряду (если не учитывать кварковую модель адронов).

Возбуждение в физике — переход системы из основного энергетического состояния в состояние с большей энергией.

Релятиви́стская части́ца — частица, движущаяся с релятивистской скоростью, то есть скоростью, сравнимой со скоростью света. Движение таких частиц, рассматриваемых как классические (неквантовые) материальные точки, описывается специальной теорией относительности. Безмассовые частицы (фотоны, гравитоны, глюоны и т. д.) всегда являются релятивистскими, поскольку могут существовать, лишь двигаясь со скоростью света.

Электри́ческая постоя́нная (ранее также носила название диэлектрической постоянной) — физическая константа, скалярная величина, входящая в выражения некоторых законов электромагнетизма, в том числе закона Кулона, при записи их в рационализованной форме, соответствующей Международной системе единиц (СИ).

Вы́нужденное излуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) между двумя состояниями (с более высокого на более низкий энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого равна разности энергий этих состояний. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу, поляризацию, а также направление распространения, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными…

Уровни Ландау — энергетические уровни заряженной частицы в магнитном поле. Впервые получены как решение уравнения Шрёдингера для заряженной частицы в магнитном поле Л. Д. Ландау в 1930 году. Решением этой задачи являются волновые функции электрона в гармоническом потенциале. Уровни Ландау играют существенную роль во всех кинетических явлениях в присутствии магнитного поля.

Спонтанное излучение или спонтанное испускание — процесс самопроизвольного испускания электромагнитного излучения квантовыми системами (атомами, молекулами) при их переходе из возбуждённого состояния в стабильное.

Безма́ссовые части́цы (люксо́ны) — частицы, масса покоя которых равна нулю. Не имеют аналога в нерелятивистской механике.

Электроны проводимости — это электроны, способные переносить электрический заряд в кристалле, отрицательно заряженные квазичастицы в металлах и полупроводниках, электронные состояния в зоне проводимости.

По́ле в физике — физический объект, классически описываемый математическим скалярным, векторным, тензорным, спинорным полем (или некоторой совокупностью таких математических полей), подчиняющимся динамическим уравнениям (уравнениям движения, называемым в этом случае уравнениями поля или полевыми уравнениями — обычно это дифференциальные уравнения в частных производных). Другими словами, физическое поле представляется некоторой динамической физической величиной (называемой полевой переменной), определённой…

Магнитная восприимчивость — физическая величина, характеризующая связь между магнитным моментом (намагниченностью) вещества и магнитным полем в этом веществе.

В физике элементарных частиц калибровочные бозоны — это бозоны, которые действуют как переносчики фундаментальных взаимодействий природы. Точнее, элементарные частицы, взаимодействия которых описываются калибровочной теорией, оказывают действие друг на друга при помощи обмена калибровочными бозонами, обычно как виртуальными частицами.

Поле Хиггса или хиггсовское поле — поле, обеспечивающее спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий благодаря нарушению симметрии вакуума, названо по имени разработчика его теории, британского физика Питера Хиггса. Квант этого поля — хиггсовская частица (хиггсовский бозон).

Атомная орбиталь — одноэлектронная волновая функция, полученная решением уравнения Шрёдингера для данного атома; задаётся: главным n, орбитальным l, и магнитным m — квантовыми числами.

Упоминания в литературе (продолжение)

Протоны и электроны несут электрические заряды противоположных знаков – мы называем их положительными и отрицательными. Эти заряды становятся важными, когда элементы составляют химические соединения. Основными проводниками взаимодействий являются электроны. Нейтроны в атомах связаны в ядре с протонами. В отличие от протонов, они не имеют заряда и не участвуют в химических реакциях.

Оказалось, что ядра всех элементов, кроме водорода, состоят из протонов и нейтронов[7]. И только ядро водорода, элемента, лежащего в основе всего материального мира, представляет собой один протон, который имеет положительный электрический заряд, равный по величине электрону +1.

Пылевые частицы способны воспринимать электрический заряд как непосредственно из газовой среды (прямая адсорбция ионов из воздуха), так и в результате трения частиц пыли между собой или непосредственного контакта с какой-нибудь заряженной поверхностью.

Химическая реакция происходит, когда один обычный атом сталкивается с другим таким же. У каждого атома имеется крохотное, но тяжелое ядро, обладающее положительным электрическим зарядом, окруженное облаком из одного или нескольких отрицательно заряженных электронов. Изолированные атомные ядра практически никогда не взаимодействуют, за исключением внутризвездной «скороварки», для которой характерны сверхвысокие температура и давление. Однако электроны разных атомов постоянно сталкиваются друг с другом. Химические реакции происходят в те моменты, когда встречаются два или более атомов и их электроны вступают во взаимодействие и перегруппировываются. Такое перемешивание и связывание электронов случается по той причине, что их определенные комбинации оказываются наиболее устойчивыми, особенно совокупность двух, десяти или 18 электронов.

Здесь надо пояснить, как устроены молекулы и как происходит их взаимодействие со светом. Каждая химическая связь, изображаемая в структурных формулах линией между атомами, обычно состоит из двух электронов, которые вместе движутся между двумя связанными атомами. У каждого электрона есть собственное магнитное поле, направление которого называется «спин». Два электрона, образующие химическую связь, имеют противоположные спины, так что их магнитные поля взаимно компенсируются. Такие электроны называются «спаренными». Если молекулу разорвать на две части, то электроны из разорванной связи имеют два варианта дальнейшей судьбы. Они могут разойтись по одному в каждый фрагмент молекулы или оба вместе в один из фрагментов. В первом случае эти электроны остаются без пары и готовы к образованию новой связи с любой подходящей молекулой. Фрагменты молекул, имеющие неспаренный электрон, очень химически активны и называются «радикалы». Во втором случае, когда одному фрагменту достаются два электрона, а другому – ни одного, эти фрагменты имеют электрический заряд и называются «ионами». Неспаренных электронов в них нет, и они более стабильны, чем радикалы.

5. внешние негативные воздействия на объекты энергетики, транспорта и др. (ударная волна и (или) взрывы приводят к разрушению конструкций). Так одной из распространенных причин пожаров и взрывов особенно на объектах нефтегазового и химического производства и при эксплуатации средств транспорта являются разряды статического электричества (совокупность явлений, связанных с образованием и сохранением свободного электрического заряда на поверхности и в объеме диэлектрических и полупроводниковых веществ), причиной возникновения которого являются процессы электризации.

Электроны – самые маленькие и легкие частички. Их главная особенность – электрический заряд. Что такое электрический заряд? Это просто свойство частицы притягиваться или отталкиваться от другой частицы, которая тоже имеет заряд.

Многими учёными признаётся, что информация в головном мозге передаётся по плазматическим мембранам нейронов и их отросткам нервными импульсами, которые ни что иное как движение электрических зарядов, потенциал которых достигает 70 мкв. Перемещение электрических зарядов приводит к образованию магнитных полей. Нейроны головного мозга окружены мозговой жидкостью, которая облает свойствами коллоидного раствора, а, по сути, представляет собой смесь электролитов. Все эти заряженные частицы взаимодействуют между собой и с внешним магнитным полем.

Крупнейшему международному научно-исследовательскому учреждению – Европейскому центру ядерных исследований (ЦЕРН)[1] – недавно удалось получить первые образцы антивещества. Антивещество идентично обычному веществу, за исключением того, что его частицы имеют электрические заряды, противоположные зарядам знакомой нам материи.

Поведение воды «нелогично». Получается, что переход воды из твердого состояния в жидкое и газообразное происходит при температурах, намного более высоких, чем следовало бы. Этим аномалиям найдено объяснение. Молекула воды H2О построена в виде треугольника: угол между двумя связками кислород – водород – 104 градуса. Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислорода, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярная, что является причиной особого взаимодействия между разными ее молекулами. Атомы водорода в молекуле H2О, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь называется водородной. Она объединяет молекулы H2О в своеобразные полимеры пространственного строения; плоскость, в которой расположены водородные связи, перпендикулярна плоскости атомов той же молекулы H2О.

Строение воды. Вода – уникальное вещество и все её аномальные свойства (высокая температура кипения, значительная растворяющая и диссоциирующая способность, малая теплопроводность, большая теплота испарения и плавления, большая теплоёмкость, большое поверхностное натяжение и когезия и другие) обусловлены строением её молекулы и пространственной структурой. У отдельно взятой молекулы воды есть качество, которое проявляется только в присутствии других молекул: способность образовывать водородные мостики между атомами кислорода двух оказавшихся рядом молекул, так, что атом водорода располагается на отрезке, соединяющем атомы кислорода. Молекулы H2O, благодаря неравномерно распределенному по их объему электрическому заряду, способны притягиваться друг к другу и образовывать беспорядочные роевые формы и упорядоченные «водяные кристаллы». Свободные, не связанные в ассоциаты молекулы H2O присутствуют в воде лишь в очень небольшом количестве. В основном же вода – это совокупность беспорядочных роев и «водяных кристаллов».

Кварки – те еще фрукты. В отличие от протонов, обладающих электрическим зарядом +1, и электронов, у которых заряд равен –1, у кварков заряды дробные, кратные одной трети. Изловить отдельный кварк нельзя, он всегда цепляется за соседние. Более того, сила, связывающая два (или больше) кварка, лишь возрастает при попытке их разделить, как будто они соединены своего рода субъядерной резинкой. Если растащить кварки достаточно далеко, резинка лопается, и высвобождаемая энергия при помощи E = mc2 создает по новому кварку на каждом конце – начинай сначала!

В физике, как правило, когда параметры достигают экстремальных значений, появляется что-то новое и примечательное. При существенном уплотнении вещество ведет себя не так, как при обычных значениях плотностей. Очень сильные магнитные поля меняют свойства вещества не так, как обычные магнитные поля. Количество переходит в качество. Так вот, представим, что мы сжимаем и сжимаем объект, и становится все интереснее и интереснее. Мы можем наблюдать крайне любопытные физические процессы, не встречающиеся в других условиях. Но если сжать его слишком сильно – получится черная дыра. То есть все исчезнет в этой черной дыре. Это уже не так увлекательно, потому что у черной дыры всего один основной параметр – масса. Кроме этого, черная дыра может вращаться, и это важно для описания пространства-времени в непосредственной близости от нее. Правда, эффект значителен лишь при экстремальном вращении, которое в природе у черных дыр достигается нечасто. Наконец, у дыры может существовать электрический заряд, но в реальности черные дыры почти всегда не заряжены, или заряд очень маленький, так как на заряженный объект быстро натекают заряды противоположного знака. Так что «пережав» и создав черную дыру, мы теряем часть интересной физики[7].

Электричество представляет собой форму энергии, связанную с электрическим зарядом – одним из фундаментальных свойств внутриатомной материи. Электрический ток, который течет по проводам в наших домах – и по нашим нервным волокнам, – описывается количественно с помощью трех базовых единиц: ампера (А), вольта (V) и ома (?). Они названы так в честь трех выдающихся европейских физиков XVIII в.: француза Андре Мари Ампера, итальянца Алессандро Вольта и немца Георга Ома. Ток измеряют в амперах, сопротивление току – в омах, а напряжение, силу, которая вызывает электрический ток, – в вольтах.

Действительно, в этом простом эксперименте человечество впервые столкнулось с действием электрических сил, которые обусловлены электрическим зарядом.

Вульгарных материалистов правильнее было бы назвать «матерьяльщиками». «Матерьяльщик» – это работник философского или научного труда, который полагает, что материальная частица, пусть наименьшая, всегда остается именно материей. Н-ну, хотя может одновременно быть слегка волной… или электрическим зарядом?.. и обладать полем… но все равно она материальна. То есть иметь массу и объем – говоря грубо, но верно.

Движение электрических зарядов (ток) возможно в замкнутой цепи по изолированным проводникам. Если цепь разомкнуть, то ток прекращается.

Источник

 Просмотр этого шаблона  Классическая электродинамика
Solenoid
Магнитное поле соленоида
Электричество · Магнетизм
Электростатика
Закон Кулона
Теорема Гаусса
Электрический дипольный момент
Электрический заряд
Электрическая индукция
Электрическое поле
Электростатический потенциал
Магнитостатика
Закон Био — Савара — Лапласа
Закон Ампера
Магнитный момент
Магнитное поле
Магнитный поток
Электродинамика
Диполь
Потенциалы Лиенара — Вихерта
Сила Лоренца
Ток смещения
Униполярная индукция
Уравнения Максвелла
Электрический ток
Электродвижущая сила
Электромагнитная индукция
Электромагнитное излучение
Электромагнитное поле
Электрическая цепь
Закон Ома
Законы Кирхгофа
Индуктивность
Радиоволновод
Резонатор
Электрическая ёмкость
Электрическая проводимость
Электрическое сопротивление
Электрический импеданс
Ковариантная формулировка
Тензор электромагнитного поля
Тензор энергии-импульса
4-ток · 4-потенциал
Известные учёные
Генри Кавендиш
Майкл Фарадей
Андре-Мари Ампер
Густав Роберт Кирхгоф
Джеймс Клерк (Кларк) Максвелл
Генри Рудольф Герц
Альберт Абрахам Майкельсон
Роберт Эндрюс Милликен
См. также: Портал:Физика

Электри́ческий заря́д — это свойство объекта, позволяющее ему быть источником электрического поля и участвовать в электромагнитных взаимодействиях. Заряд является количественной характеристикой. Единица измерения заряда в СИ — кулон. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году. Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда (q1 = q2 = 1Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9×109 H.

Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы — электрон (один отрицательный элементарный электрический заряд), протон (один положительный элементарный заряд) и другие менее распространённые частицы.

Электрический заряд замкнутой системы[1] сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду. Закон сохранения заряда — один из основополагающих законов физики.
Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) – численная характеристика носителей заряда и заряженных тел, которая, может принимать положительные и отрицательные значения. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля, зависят от знака зарядов. Электрический заряд любой элементарной частицы присущ этой частице в течение всего времени ее жизни, поэтому элементарные заряженные частиц зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. Наиболее известные элементарные носители заряда – электроны, имеющие отрицательный заряд и протоны, имеющие такой же по величине положительный заряд. Заряд электрона −1,602176487(40)×10−19 Кл. Электрический заряд любого заряженного тела кратен модулю заряда электрона, так называемому, элементарному заряду −1,602176487(40)×10−19 Кл. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решеток твердых тел скомпенсированы.

История

В 1729 году Шарль Дюфе установил, что существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным». Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл Бенджамин Франклин.

Примечания

  1. ↑ Электрически замкнутая система — это система, у которой через ограничивающую её поверхность не могут проникать электрически заряженные частицы.

См. также

  • Точечный электрический заряд
  • Плотность заряда

af:Elektriese lading
ar:شحنة كهربائية
bg:Електрически заряд
bn:বৈদ্যুতিক আধান
bs:Električni naboj
ca:Càrrega elèctrica
cs:Elektrický náboj
da:Elektrisk ladning
de:Elektrische Ladung
el:Ηλεκτρικό φορτίο
en:Electric charge
eo:Elektra ŝargo
es:Carga eléctrica
et:Elektrilaeng
eu:Karga elektriko
fa:بار الکتریکی
fi:Sähkövaraus
fr:Charge électrique
gl:Carga eléctrica
he:מטען חשמלי
hi:वैद्युत आवेश
hr:Električni naboj
hu:Elektromos töltés
id:Muatan listrik
is:Rafhleðsla
it:Carica elettrica
ja:電荷
km:បន្ទុកអគ្គីសនី
ko:전하
ku:Barê karevayî
la:Onus electricum
li:Elektrische laojing
lt:Elektros krūvis
lv:Elektriskais lādiņš
ml:വൈദ്യുത ചാര്‍ജ്
mn:Цахилгаан цэнэг
mr:विद्युतभार
nl:Elektrische lading
nn:Elektrisk ladning
no:Elektrisk ladning
pa:ਬਿਜਲੀ ਚਾਰਜ
pl:Ładunek elektryczny
pt:Carga elétrica
qu:Pinchikilla chaqna
ro:Sarcină electrică
sh:Naelektrisanje
simple:Electric charge
sk:Elektrický náboj
sl:Električni naboj
sq:Ngarkesa elektrike
sr:Наелектрисање
sv:Elektrisk laddning
ta:மின்மம்
th:ประจุไฟฟ้า
tr:Elektriksel yük
tt:Электр корылмасы
uk:Електричний заряд
ur:برقی بار
vi:Điện tích
yo:Agbára iná
zh:電荷
zh-yue:電荷

Источник

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Как найти правильный ответ на тест онлайн
  • Как найти площадь бокового ребра ромба
  • Как найти долю прироста
  • Как найти большую силу рычага физика
  • Как составить резюме для устройства на работу кассиром