Как найти значение элементарного заряда

From Wikipedia, the free encyclopedia

Elementary charge
Definition:	charge of a proton
Symbol:	e
SI value:	1.602176634×10−19 C[1]

The elementary charge, usually denoted by e, is the electric charge carried by a single proton or, equivalently, the magnitude of the negative electric charge carried by a single electron, which has charge −1 e.^[2] This elementary charge is a fundamental physical constant.

In the SI system of units, the value of the elementary charge is exactly defined as  = 1.602176634×10⁻¹⁹ coulombs, or 160.2176634 zeptocoulombs (zC).^[1] Since the 2019 redefinition of SI base units, the seven SI base units are defined by seven fundamental physical constants, of which the elementary charge is one.

In the centimetre–gram–second system of units (CGS), the corresponding quantity is 4.8032047…×10⁻¹⁰ statcoulombs.^[3]

Robert A. Millikan and Harvey Fletcher’s oil drop experiment first directly measured the magnitude of the elementary charge in 1909, differing from the modern accepted value by just 0.6%. Under assumptions of the then-disputed atomic theory, the elementary charge had also been indirectly inferred to ~3% accuracy from blackbody spectra by Max Planck in 1901^[4] and (through the Faraday constant) at order-of-magnitude accuracy by Johann Loschmidt’s measurement of the Avogadro number in 1865.

As a unit[edit]

Elementary charge
Unit system	Atomic units
Unit of	electric charge
Symbol	e
Conversions
1 e in …	… is equal to …
coulombs	1.602176634×10−19[5]
(natural units)	0.30282212088
(megaelectronvolt-femtometers)
statC	≘ 4.80320425(10)×10−10

In some natural unit systems, such as the system of atomic units, e functions as the unit of electric charge. The use of elementary charge as a unit was promoted by George Johnstone Stoney in 1874 for the first system of natural units, called Stoney units.^[6] Later, he proposed the name electron for this unit. At the time, the particle we now call the electron was not yet discovered and the difference between the particle electron and the unit of charge electron was still blurred. Later, the name electron was assigned to the particle and the unit of charge e lost its name. However, the unit of energy electronvolt (eV) is a remnant of the fact that the elementary charge was once called electron.

In some other natural unit systems the unit of charge is defined as with the result that

where α is the fine-structure constant, c is the speed of light, ε₀ is the electric constant, and ħ is the reduced Planck constant.

Quantization[edit]

Charge quantization is the principle that the charge of any object is an integer multiple of the elementary charge. Thus, an object’s charge can be exactly 0 e, or exactly 1 e, −1 e, 2 e, etc., but not 1/2 e, or −3.8 e, etc. (There may be exceptions to this statement, depending on how «object» is defined; see below.)

This is the reason for the terminology «elementary charge»: it is meant to imply that it is an indivisible unit of charge.

Fractional elementary charge[edit]

There are two known sorts of exceptions to the indivisibility of the elementary charge: quarks and quasiparticles.

• Quarks, first posited in the 1960s, have quantized charge, but the charge is quantized into multiples of 1/3 e. However, quarks cannot be isolated; they exist only in groupings, and stable groupings of quarks (such as a proton, which consists of three quarks) all have charges that are integer multiples of e. For this reason, either 1 e or 1/3 e can be justifiably considered to be «the quantum of charge», depending on the context. This charge commensurability, «charge quantization», has partially motivated Grand unified Theories.
• Quasiparticles are not particles as such, but rather an emergent entity in a complex material system that behaves like a particle. In 1982 Robert Laughlin explained the fractional quantum Hall effect by postulating the existence of fractionally charged quasiparticles. This theory is now widely accepted, but this is not considered to be a violation of the principle of charge quantization, since quasiparticles are not elementary particles.

Quantum of charge[edit]

All known elementary particles, including quarks, have charges that are integer multiples of 1/3 e. Therefore, the «quantum of charge» is 1/3 e. In this case, one says that the «elementary charge» is three times as large as the «quantum of charge».

On the other hand, all isolatable particles have charges that are integer multiples of e. (Quarks cannot be isolated: they exist only in collective states like protons that have total charges that are integer multiples of e.) Therefore, the «quantum of charge» is e, with the proviso that quarks are not to be included. In this case, «elementary charge» would be synonymous with the «quantum of charge».

In fact, both terminologies are used.^[7] For this reason, phrases like «the quantum of charge» or «the indivisible unit of charge» can be ambiguous unless further specification is given. On the other hand, the term «elementary charge» is unambiguous: it refers to a quantity of charge equal to that of a proton.

Lack of fractional charges[edit]

Paul Dirac argued in 1931 that if magnetic monopoles exist, then electric charge must be quantized; however, it is unknown whether magnetic monopoles actually exist.^[8][9] It is currently unknown why isolatable particles are restricted to integer charges; much of the string theory landscape appears to admit fractional charges.^[10][11]

Experimental measurements of the elementary charge[edit]

The elementary charge is exactly defined since 20 May 2019 by the International System of Units. Prior to this change, the elementary charge was a measured quantity whose magnitude was determined experimentally. This section summarizes these historical experimental measurements.

In terms of the Avogadro constant and Faraday constant[edit]

If the Avogadro constant N_A and the Faraday constant F are independently known, the value of the elementary charge can be deduced using the formula

(In other words, the charge of one mole of electrons, divided by the number of electrons in a mole, equals the charge of a single electron.)

This method is not how the most accurate values are measured today. Nevertheless, it is a legitimate and still quite accurate method, and experimental methodologies are described below.

The value of the Avogadro constant N_A was first approximated by Johann Josef Loschmidt who, in 1865, estimated the average diameter of the molecules in air by a method that is equivalent to calculating the number of particles in a given volume of gas.^[12] Today the value of N_A can be measured at very high accuracy by taking an extremely pure crystal (often silicon), measuring how far apart the atoms are spaced using X-ray diffraction or another method, and accurately measuring the density of the crystal. From this information, one can deduce the mass (m) of a single atom; and since the molar mass (M) is known, the number of atoms in a mole can be calculated: N_A = M/m.^[13]

The value of F can be measured directly using Faraday’s laws of electrolysis. Faraday’s laws of electrolysis are quantitative relationships based on the electrochemical researches published by Michael Faraday in 1834.^[14] In an electrolysis experiment, there is a one-to-one correspondence between the electrons passing through the anode-to-cathode wire and the ions that plate onto or off of the anode or cathode. Measuring the mass change of the anode or cathode, and the total charge passing through the wire (which can be measured as the time-integral of electric current), and also taking into account the molar mass of the ions, one can deduce F.^[13]

The limit to the precision of the method is the measurement of F: the best experimental value has a relative uncertainty of 1.6 ppm, about thirty times higher than other modern methods of measuring or calculating the elementary charge.^[13][15]

Oil-drop experiment[edit]

A famous method for measuring e is Millikan’s oil-drop experiment. A small drop of oil in an electric field would move at a rate that balanced the forces of gravity, viscosity (of traveling through the air), and electric force. The forces due to gravity and viscosity could be calculated based on the size and velocity of the oil drop, so electric force could be deduced. Since electric force, in turn, is the product of the electric charge and the known electric field, the electric charge of the oil drop could be accurately computed. By measuring the charges of many different oil drops, it can be seen that the charges are all integer multiples of a single small charge, namely e.

The necessity of measuring the size of the oil droplets can be eliminated by using tiny plastic spheres of a uniform size. The force due to viscosity can be eliminated by adjusting the strength of the electric field so that the sphere hovers motionless.

Shot noise[edit]

Any electric current will be associated with noise from a variety of sources, one of which is shot noise. Shot noise exists because a current is not a smooth continual flow; instead, a current is made up of discrete electrons that pass by one at a time. By carefully analyzing the noise of a current, the charge of an electron can be calculated. This method, first proposed by Walter H. Schottky, can determine a value of e of which the accuracy is limited to a few percent.^[16] However, it was used in the first direct observation of Laughlin quasiparticles, implicated in the fractional quantum Hall effect.^[17]

From the Josephson and von Klitzing constants[edit]

Another accurate method for measuring the elementary charge is by inferring it from measurements of two effects in quantum mechanics: The Josephson effect, voltage oscillations that arise in certain superconducting structures; and the quantum Hall effect, a quantum effect of electrons at low temperatures, strong magnetic fields, and confinement into two dimensions. The Josephson constant is

where h is the Planck constant. It can be measured directly using the Josephson effect.

The von Klitzing constant is

It can be measured directly using the quantum Hall effect.

From these two constants, the elementary charge can be deduced:

CODATA method[edit]

The relation used by CODATA to determine elementary charge was:

where h is the Planck constant, α is the fine-structure constant, μ₀ is the magnetic constant, ε₀ is the electric constant, and c is the speed of light. Presently this equation reflects a relation between ε₀ and α, while all others are fixed values. Thus the relative standard uncertainties of both will be same.

Tests of the universality of elementary charge[edit]

Particle	Expected charge	Experimental constraint	Notes
electron		exact	by definition
proton			by finding no measurable sound when an alternating electric field is applied to SF6 gas in a spherical resonator[18]
positron			by combining the best measured value of the antiproton charge (below) with the low limit placed on antihydrogen’s net charge by the ALPHA Collaboration at CERN.[19]
antiproton			Hori et al.[20] as cited in antiproton/proton charge difference listing of the Particle Data Group[21] The Particle Data Group Wikipedia article has a link to the current online version of the particle data.

See also[edit]

• Committee on Data of the International Science Council

References[edit]

Further reading[edit]

• Fundamentals of Physics, 7th Ed., Halliday, Robert Resnick, and Jearl Walker. Wiley, 2005

Заряд, переносимый одним протоном или электроном

Элементарный электрический заряд
Определение:	Заряд протона
Символ:	eили иногда qe
Значение в кулонах :	1,602176634 × 10 Кл

элементарный заряд, обычно обозначаемый eили иногда qe, представляет собой электрический заряд, переносимый одним протоном или, что эквивалентно, величина отрицательного электрического заряда, переносимого одним электроном, который имеет заряд -1 e. Этот элементарный заряд является фундаментальной физической постоянной. Чтобы избежать путаницы по поводу его знака, e иногда называют элементарным положительным зарядом .

. Из переопределения 2019 для базовых единиц СИ, вступившего в силу 20 мая 2019 года, его значение равно 1,602176634 × 10 C по определению кулона. В системе единиц сантиметр – грамм – секунда (CGS) это 4,80320425 (10) × 10 статкулонов.

Точное значение элементарного заряда означает, что значение ε 0(электрическая постоянная ), которая раньше была точным значением, теперь подлежит экспериментальному определению: ε 0 имело точно определенное значение до переопределения SI 2019 года, после чего оно стало предметом экспериментальное уточнение с течением времени. Комитеты СИ (CGPM, CIPM и т. Д.) Давно рассматривали возможность полностью переопределить базовые единицы СИ с точки зрения физических констант, чтобы устранить их зависимость от физические артефакты (такие как Международный прототип килограмма ): для того, чтобы это работало, необходимо было определить фиксированные значения для физических констант.

Роберт А. Милликен В эксперименте с каплей масла впервые была измерена величина элементарного заряда в 1909 году.

Содержание

• 1 В единицах
• 2 Квантование
  • 2.1 Заряды меньше элементарного заряда
  • 2.2 Что такое квант заряда?
  • 2.3 Отсутствие дробных зарядов
• 3 Экспериментальные измерения элементарного заряда
  • 3.1 В терминах постоянной Авогадро и постоянной Фарадея
  • 3.2 Эксперимент с каплями масла
  • 3.3 Дробовой шум
  • 3.4 Из констант Джозефсона и фон Клитцинга
  • 3.5 Метод CODATA
• 4 См. Также
• 5 Ссылки
• 6 Дополнительная литература

Как единица

Элементарный заряд (как а единица заряда )
Система единиц	Атомные единицы
Единица	электрического заряда
Символ	e или q
Преобразования
1 e или q в…	… равно…
кулону	1,602176634 × 10
статкулону	4.80320425 (10) × 10
HEP : √ħc	0,30282212088
√МэВ ⋅fm	√1,4399764

В некоторых системах натуральных единиц, таких как система атомных единиц, e функционирует как единица электрического заряда, то есть e равно 1 e в этих системах единиц. Использование элементарного заряда как единицы было продвинуто Джорджем Джонстоном Стони в 1874 году для первой системы натуральных единиц, названной единиц Стони. Позже он предложил этому аппарату название «электрон». В то время частица, которую мы сейчас называем электроном, еще не была открыта, и разница между электроном частицы и единицей заряда электрона все еще была размыта. Позже частице было присвоено имя электрон, а единица заряда е утратила свое название. Однако единица энергии электронвольт напоминает нам, что элементарный заряд когда-то назывался электроном.

В физике высоких энергий (HEP) используются единицы Лоренца – Хевисайда, а единица заряда является зависимой, ℏ c { displaystyle { sqrt { hbar c}}}, так что e = √ 4 π α √ħc ≈ 0,30282212088 √ħc, где

α — постоянная тонкой структуры , c — скорость света, ℏ { displaystyle hbar}— уменьшенная постоянная Планка.

Квантование

Квантование заряда — это принцип, согласно которому заряд любого объекта является целым кратным элементарному заряду. Таким образом, заряд объекта может быть точно 0 e или точно 1 e, −1 e, 2 e и т. Д., Но не, скажем, 1/2 e или −3,8 e и т. Д. (Могут быть исключения из этого утверждение, в зависимости от того, как определяется «объект»; см. ниже.)

Это причина использования терминологии «элементарный заряд»: он подразумевает, что это неделимая единица заряда.

Заряды меньше элементарного заряда

Есть два известных вида исключений из неделимости элементарного заряда: кварки и квазичастицы.

• Кварки, впервые предложенные в 1960-х годах, имеют квантованный заряд, но заряд квантуется кратно 1/3 e. Однако кварки нельзя рассматривать как изолированные частицы; они существуют только в группах, и все стабильные группы кварков (например, протон, состоящий из трех кварков) имеют заряды, кратные e. По этой причине либо 1 e, либо 1/3 e можно обоснованно рассматривать как «квант заряда», в зависимости от контекста. Эта соизмеримость зарядов, «квантование зарядов», частично мотивировала Теории Великого Объединения.
• Квазичастицы не частицы как таковые, а скорее возникающая сущность в сложной материальной системе, которая ведет себя как частица. В 1982 году Роберт Лафлин объяснил дробный квантовый эффект Холла, постулировав существование дробно заряженных квазичастиц. Эта теория сейчас широко принята, но это не считается нарушением принципа зарядового квантования, поскольку квазичастицы не являются элементарными частицами.

Что такое квант заряда?

Все известные элементарные частицы, включая кварки, имеют заряды, кратные 1/3 e. Следовательно, можно сказать, что «квант заряда» равен 1/3 э. В этом случае говорят, что «элементарный заряд» в три раза больше «кванта заряда».

С другой стороны, все изолируемые частицы имеют заряды, кратные e. (Кварки не могут быть изолированы: они существуют только в коллективных состояниях, таких как протоны, суммарные заряды которых кратны е.) Таким образом, можно сказать, что «квант заряда» равен е, при условии, что кварки не должны быть включены. В этом случае «элементарный заряд» будет синонимом «кванта заряда».

Фактически используются обе терминологии. По этой причине такие фразы, как «квант заряда» или «неделимая единица заряда» могут быть неоднозначными, если не дано дальнейшее уточнение. С другой стороны, термин «элементарный заряд» однозначен: он относится к количеству заряда, равному заряду протона.

Отсутствие дробных зарядов

Поль Дирак в 1931 году убедительно доказывал, что если магнитные монополи существуют, то электрический заряд необходимо квантовать; однако неизвестно, существуют ли на самом деле магнитные монополи. В настоящее время неизвестно, почему изолируемые частицы ограничиваются целыми зарядами; Большая часть теории струн, похоже, допускает дробные заряды.

Экспериментальные измерения элементарного заряда

Перед чтением необходимо помнить, что элементарный заряд точно определен с 20 мая 2019 года по Международной системе единиц.

В терминах постоянной Авогадро и постоянной Фарадея

Если постоянная Авогадро NAи постоянная Фарадея F известны независимо друг от друга, значение элементарного заряда может быть вычислено с помощью формулы

e = FNA. { displaystyle e = { frac {F} {N _ { text {A}}}}.}

(Другими словами, заряд одного моля электронов, деленный на число электронов в моль, равно заряду отдельного электрона.)

Этот метод не тот, который сегодня измеряет наиболее точные значения. Тем не менее, это законный и достаточно точный метод, экспериментальные методики описаны ниже.

Значение постоянной Авогадро N A было впервые аппроксимировано Иоганном Йозефом Лошмидтом, который в 1865 году определил средний диаметр молекул в воздухе методом это эквивалентно вычислению количества частиц в данном объеме газа. Сегодня значение N A можно измерить с очень высокой точностью, взяв чрезвычайно чистый кристалл (часто кремний ), измерив расстояние между атомами с помощью X- дифракция лучей или другой метод и точное измерение плотности кристалла. Из этой информации можно вывести массу (m) отдельного атома; и поскольку известна молярная масса (M), количество атомов в моль может быть вычислено: N A = M / m.

Значение F можно измерить напрямую, используя законы электролиза Фарадея. Законы электролиза Фарадея представляют собой количественные соотношения, основанные на электрохимических исследованиях, опубликованных Майклом Фарадеем в 1834 году. В эксперименте электролиз существует взаимно однозначное соответствие между электронами, проходящими через провод между анодом и катодом и ионы, которые накапливаются на аноде или катоде или с них. Измерение изменения массы анода или катода и полного заряда, проходящего через провод (который может быть измерен как интеграл по времени от электрического тока ), а также с учетом молярной массы ионов, можно вывести F.

Предел точности метода — это измерение F: наилучшее экспериментальное значение имеет относительную погрешность 1,6 ppm, что примерно в тридцать раз выше, чем у других современных методов измерения или расчета. элементарный заряд.

Эксперимент с каплей масла

Известный метод измерения е — это эксперимент Милликена с каплей масла. Небольшая капля масла в электрическом поле будет двигаться со скоростью, которая уравновешивает силы силы тяжести, вязкости (перемещения по воздуху) и электрической силы. Силы, обусловленные гравитацией и вязкостью, могут быть рассчитаны на основе размера и скорости масляной капли, поэтому электрическая сила может быть вычислена. Поскольку электрическая сила, в свою очередь, является произведением электрического заряда и известного электрического поля, электрический заряд масляной капли можно точно вычислить. Измерив заряды многих различных капель масла, можно увидеть, что все заряды являются целыми кратными одному небольшому заряду, а именно e.

Необходимость измерения размера масляных капель может быть устранена путем использования крошечных пластиковых шариков одинакового размера. Силу, возникающую из-за вязкости, можно устранить, отрегулировав напряженность электрического поля так, чтобы сфера зависала неподвижно.

Дробовой шум

Любой электрический ток будет связан с шумом от множества источников, одним из которых является дробовой шум. Дробовой шум существует потому, что ток не является плавным непрерывным потоком; вместо этого ток состоит из дискретных электронов, которые проходят по одному. Путем тщательного анализа шума тока можно вычислить заряд электрона. Этот метод, впервые предложенный Уолтером Х. Шоттки, может определять значение e, точность которого ограничена несколькими процентами. Однако он был использован в первом прямом наблюдении Лафлина квазичастиц, участвующих в дробном квантовом эффекте Холла.

на основе констант Джозефсона и фон Клитцинга

Еще один точный метод измерения элементарного заряда — это определение его из измерений двух эффектов в квантовой механике : эффект Джозефсона, колебания напряжения, возникающие в определенных сверхпроводящих строения; и квантовый эффект Холла, квантовый эффект электронов при низких температурах, сильных магнитных полях и удержании в двух измерениях. Константа Джозефсона равна

KJ = 2 eh, { displaystyle K _ { text {J}} = { frac {2e} {h}},}

где h — Постоянная Планка. Его можно измерить напрямую с помощью эффекта Джозефсона.

. Константа фон Клитцинга равна

R K = h e 2. { displaystyle R _ { text {K}} = { frac {h} {e ^ {2}}}.}

Его можно измерить напрямую с помощью квантового эффекта Холла.

Из этих двух константы, можно вывести элементарный заряд:

e = 2 RKKJ. { displaystyle e = { frac {2} {R _ { text {K}} K _ { text {J}}}}.}

Метод CODATA

Отношение, используемое CODATA для определения элементарного заряда:

e 2 = 2 h α μ 0 c = 2 h α ε 0 c, { displaystyle e ^ {2} = { frac {2h alpha} { mu _ {0} c}} = 2h alpha varepsilon _ {0} c,}

где h — постоянная Планка, α — постоянная тонкой структуры, μ 0 — магнитная постоянная, ε 0 — электрическая постоянная, c — скорость света. В настоящее время это уравнение отражает связь между ε 0 и α, в то время как все остальные являются фиксированными значениями. Таким образом, относительные стандартные неопределенности обоих будут одинаковыми.

См. Также

• CODATA 2018

Ссылки

Дополнительная литература

• Основы физики, 7-е изд., Холлидей, Роберт Резник и Джерл Уокер. Wiley, 2005

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Электрический заряд – физическая
величина, характеризующая способность
тел вступать в электромагнитные
взаимодействия. Измеряется в Кулонах.

Элементарный электрический заряд
– минимальный заряд, который имеют
элементарные частицы (заряд протона и
электрона).

e =
Кл

Тело имеет заряд, значит имеет лишние
или недостающий электроны. Такой заряд
обозначается q = ne.
(он равен числу элементарных зарядов).

Наэлектризовать тело – создать
избыток и недостаток электронов. Способы:
электризация трением и электризация
соприкосновением.

Точечный заряд – заряд тела, которое
можно принять за материальную точку.

Пробный заряд ()
– точечный, малый по величине заряд,
обязательно положительный – используется
для исследования электрического поля.

Закон сохранения заряда: в
изолированной системе алгебраическая
сумма зарядов всех тел сохраняется
постоянной при любых взаимодействиях
этих тел между собой.

Закон Кулона: силы взаимодействия
двух точечных зарядов пропорциональны
произведению этих зарядов, обратно
пропорциональны квадрату расстояния
между ними, зависят от свойств среды и
направлены вдоль прямой, соединяющей
их центры.

,
где Ф/м,
Кл²/нм² – диэлектр. пост.
вакуума

— относит. диэлектрическая проницаемость
(>1)

— абсолютная диэлектрическая прониц.
среды

Электрическое поле – материальная
среда, через которую происходит
взаимодействие электрических зарядов.

Свойства электрического поля:

1. Электрическое поле существует вокруг
   любого заряда. Если заряд неподвижен
   – поле электростатическое.

2. Электрическое поле действует на любой
   помещённый в него заряд согласно закону
   Кулона. Обнаружить электрическое поле
   можно только по его действию на другие
   заряды.

3. Электрическое поле существует в любой
   среде и распространяется с конечной
   скоростью:
   м/с.

4. Электрическое поле не имеет чётких
   границ. Действие его уменьшается при
   увеличении расстояния от заряда, его
   создающего.

Характеристики электрического поля:

1. Напряжённость (E)
   – векторная величина, равная силе,
   действующей на единичный пробный заряд,
   помещённый в данную точку.

Измеряется в Н/Кл.

Направление – такое же, как и у
действующей силы.

Напряжённость не зависит ни от силы,
ни от величины пробного заряда.

Суперпозиция электрических полей:
напряжённость поля, созданного несколькими
зарядами, равна векторной сумме
напряжённостей полей каждого заряда:

Графически электронное поле
изображают с помощью линий напряжённости.

Линия напряжённости – линия,
касательная к которой в каждой точке
совпадает с направлением вектора
напряжённости.

Свойства линий напряжённости: они
не пересекаются, через каждую точку
можно провести лишь одну линию; они не
замкнуты, выходят из положительного
заряда и входят в отрицательный, либо
рассеиваются в бесконечность.

Виды полей:

• Однородное электрическое поле –
  поле, вектор напряжённости которого в
  каждой точке одинаков по модулю и
  направлению.

+ —

+ —

+ —

+ —

• Неоднородное электрическое поле
  – поле, вектор напряжённости которого
  в каждой точке неодинаков по модулю и
  направлению.

• Постоянное электрическое поле –
  вектор напряжённости не изменяется.

• Непостоянное электрическое поле
  – вектор напряжённости изменяется.

1. Работа электрического поля по
   перемещению заряда.

,
где F – сила, S
– перемещение,

— угол между F и S.

Для однородного поля: сила постоянна.

Работа не зависит от формы траектории;
работа по перемещению по замкнутой
траектории равна нулю.

Для неоднородного поля:

1. Потенциал электрического поля –
   отношение работы, которое совершает
   поле, перемещая пробный электрический
   заряд в бесконечность, к величине этого
   заряда.

— потенциал – энергетическая
характеристика поля. Измеряется в
Вольтах

Разность потенциалов:

Если
,
то

,
значит

— градиент потенциала.

Для однородного поля: разность потенциалов
– напряжение:

.
Измеряется в Вольтах, приборы –
вольтметры.

Электроёмкость – способность тел
накапливать электрический заряд;
отношение заряда к потенциалу, которое
для данного проводника всегда постоянно.

.

Не зависит от заряда и не зависит от
потенциала. Но зависит от размеров и
формы проводника; от диэлектрических
свойств среды.

, где r – размер,

— проницаемость среды вокруг тела.

Электроёмкость увеличивается, если
рядом находятся любые тела – проводники
или диэлектрики.

Конденсатор – устройство для
накопления заряда. Электроёмкость:

Плоский конденсатор – две металлические
пластины, между которыми находится
диэлектрик. Электроёмкость плоского
конденсатора:

,
где S – площадь пластин,
d – расстояние между
пластинами.

Энергия заряженного конденсатора
равна работе, которую совершает
электрическое поле при переносе заряда
с одной пластины на другую.

Перенос малого заряда
,
напряжение измениться на
,
совершится работа
.
Так как
,
а С = const,
.
Тогда
.
Интегрируем:

Энергия электрического поля:
,
где V=Sl –
объём, занимаемый электрическим полем

Для неоднородного поля:
.

Объёмная плотность электрического
поля:
.
Измеряется в Дж/м³.

Электрический диполь – система,
состоящая из двух равных, но противоположных
по знаку точечных электрических зарядов,
расположенных на некотором расстоянии
друг от друга (плечо диполя — l).

Основная характеристика диполя –
дипольный момент – вектор, равный
произведению заряда на плечо диполя,
направленный от отрицательного заряда
к положительному. Обозначается
.
Измеряется в Кулон-метрах.

Диполь в однородном электрическом
поле.

На каждый из зарядов диполя действуют
силы:

и
.
Эти силы противоположно направлены и
создают момент пары сил – вращающий
момент:
,
где

М – вращающий момент F –
силы, действующие на диполь

d – плечо сил l
– плечо диполя

p – дипольный момент E
– напряжённость

— угол между p и Е q
– заряд

Под действием вращающего момента,
диполь повернётся и установится по
направлению линий напряжённости. Векторы
p и Е будут параллельны и
однонаправлены.

Диполь в неоднородном электрическом
поле.

Вращающий момент есть, значит диполь
повернётся. Но силы будут неравны, и
диполь будет двигаться туда, где сила
больше.

—
градиент напряжённости. Чем выше
градиент напряжённости, тем выше боковая
сила, которая стаскивает диполь. Диполь
ориентируется вдоль силовых линий.

Собственное поле диполя.

Но
.
Тогда:

.

Пусть диполь находится в точке О, а его
плечо мало. Тогда:

.

Формула получена с учётом:

Таким образом разность потенциалов
зависит от синуса половинного угла, под
которым видны точки диполя, и проекции
дипольного момента на прямую, соединяющие
эти точки.

Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектрик – вещество, не имеющее
свободных зарядов, а значит и не проводящее
электрический ток. Однако на самом же
деле проводимость существует, но она
ничтожно мала.

Классы диэлектриков:

• с полярными молекулами (вода, нитробензол):
  молекулы не симметричны, центры масс
  положительных и отрицательных зарядов
  не совпадают, а значит, они обладают
  дипольным моментом даже в случае, когда
  электрического поля нет.

• с неполярными молекулами (водород,
  кислород): молекулы симметричны, центры
  масс положительных и отрицательных
  зарядов совпадают, а значит, они не
  имеют дипольного момента при отсутствии
  электрического поля.

• кристаллические (хлорид натрия):
  совокупность двух подрешёток, одна из
  которых заряжен положительно, а другая
  – отрицательно; в отсутствии электрического
  поля суммарный дипольный момент равен
  нулю.

Поляризация – процесс пространственного
разделения зарядов, появления связанных
зарядов на поверхности диэлектрика,
что приводит к ослаблению поля внутри
диэлектрика.

Способы поляризации:

1 способ – электрохимическая поляризация:

На электродах – движение к ним катионов
и анионов, нейтрализация веществ;
образуются области положительных и
отрицательных зарядов. Ток постепенно
уменьшается. Скорость установления
механизма нейтрализации характеризуется
временем релаксации – это время, в
течение которого ЭДС поляризации
увеличится от 0 до максимума от момента
наложения поля.

= 10^-3-10^-2 с.

2 способ – ориентационная поляризация:

На поверхности диэлектрика образуются
некомпенсированные полярные, т.е.
происходит явление поляризации.
Напряжённость внутри диэлектрика меньше
внешней напряжённости. Время релаксации:

= 10^-13-10^-7 с. Частота 10 МГц.

3 способ – электронная поляризация:

Характерна для неполярных молекул,
которые становятся диполями. Время
релаксации:
=
10^-16-10^-14 с. Частота 10⁸
МГц.

4 способ – ионная поляризация:

Две решётки (Na и Cl)
смещаются относительно друг друга.

Время релаксации:
=10^-8-10^-3с.
Частота 1 КГц

5 способ – микроструктурная поляризация:

Характерен для биологических структур,
когда чередуются заряженные и незаряженные
слои. Происходит перераспределение
ионов на полупроницаемых или непроницаемых
для ионов перегородках.

Время релаксации:
=10^-8-10^-3с.
Частота 1 КГц

Числовые характеристики степени
поляризации:

1. вектор поляризованности
   .
   Измеряется в Кл/л

2. относительная диэлектрическая
   проницаемость
   
   раз

3. Дисперсия – зависимость от частоты.

Электрический ток – это упорядоченное
движение свободных зарядов в веществе
или в вакууме.

Условия существования электрического
тока:

1. наличие свободных зарядов

2. наличие электрического поля, т.е. сил,
   действующих на эти заряды

Сила тока – величина, равная заряду,
который проходит через любое поперечное
сечение проводника за единицу времени
(1 секунду)

Измеряется в Амперах.

n – концентрация зарядов

q – величина заряда

S – площадь поперечного
сечения проводника

— скорость направленного движения
частиц.

Скорость движения заряженных частиц в
электрическом поле небольшая – 7*10^-5
м/с, скорость распространения электрического
поля 3*10⁸ м/с.

Плотность тока – величина заряда,
проходящего за 1 секунду через сечение
в 1 м².

.
Измеряется в А/м².

— сила, действующая на ион со стороны эл
поля равна силе трения

— подвижность ионов

— скорость направленного движения ионов
=подвижность, напряжённость поля

Удельная проводимость электролита тем
больше, чем больше концентрация ионов,
их заряд и подвижность. При повышении
температуры возрастает подвижность
ионов и увеличивается электропроводность.

Соседние файлы в папке Физика лекции

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Элемента́рный электри́ческий заря́д (е) — минимальный электрический заряд, положительный или отрицательный, равный величине заряду электрона.

Предположение о том, что любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен элементарному, было высказано Б. Франклином в 1752 году. Благодаря опытам М. Фарадея по электролизу величина элементарного заряда была вычислена в 1834 году. На существование элементарного электрического заряда также указал в 1874 году английский ученый Дж.Стони. Он же ввел в физику понятие «электрон» и предложил способ вычисления значения элементарного заряда. Впервые экспериментально элементарный электрический заряд был измерен Р. Милликеном в 1908 году.

Материальными носителями элементарного электрического заряда в природе являются заряженные элементарные частицы.

Электрический заряд любой микросистемы и макроскопических тел всегда равен алгебраической сумме элементарных зарядов, входящих в систему, то есть целому кратному от величины е (или нулю).

Установленное в настоящее время значение абсолютной величины элементарного электрического заряда составляет е = (4, 8032068 0, 0000015)^.10^-10 единиц СГСЕ, или 1, 60217733^.10^-19Кл. Вычисленная по формуле величина элементарного электрического заряда, выраженная через физические константы, дает значение для элементарного электрического заряда: e = 4, 80320419(21)^.10^-10, или: е =1, 602176462(65)^. 10^-19Кл.

Считается, что этот заряд действительно элементарен, то есть он не может быть разделен на части, а заряды любых объектов являются его целыми кратными. Электрический заряд элементарной частицы является ее фундаментальной характеристикой и не зависит от выбора системы отсчета. Элементарный электрический заряд в точности равен величине электрического заряда электрона, протона и почти всех других заряженных элементарных частиц, которые тем самым являются материальными носителями наименьшего заряда в природе.

Существует положительный и отрицательный элементарный электрический заряд, причем элементарная частица и ее античастица имеют заряды противоположных знаков. Носителем элементарного отрицательного заряда является электрон, масса которого me = 9, 11^.10^-31кг. Носителем элементарного положительного заряда является протон, масса которого mp = 1, 67^.10^-27кг.

Тот факт, что электрический заряд встречается в природе лишь в виде целого числа элементарных зарядов, можно назвать квантованием электрического заряда. Почти все заряженные элементарные частицы имеют заряд е^— или е⁺ (исключение — некоторые резонансы с зарядом, кратным е); частицы с дробными электрическими зарядами не наблюдались, однако в современной теории сильного взаимодействия — квантовой хромодинамике — предполагается существование частиц — кварков — с зарядами, кратными ¹/₃е.

Элементарный электрический заряд не может быть уничтожен; этот факт составляет содержание закона сохранения электрического заряда на микроскопическом уровне. Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь. Однако всегда возникают или исчезают два элементарных заряда противоположных знаков.

Величина элементарного электрического заряда является константой электромагнитных взаимодействий и входит во все уравнения микроскопической электродинамики.