Виды электрических зарядов

Основные данные о работе

Версия шаблона	1.1
Филиал	Великолукский
Вид работы	Творческая
Название дисциплины	Физика
Тема	Виды электрических  зарядов
Фамилия студента
Имя студента
Отчество студента
№ контракта

 

Содержание

Основная часть
1. Виды электрических зарядов

Основная часть

Виды электрических зарядов

                                                                                                                                                                      

 

 

Электрический заряд — 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 СИ — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 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.

Ещё в глубокой древности  было известно, что янтарь, потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы. А уже в конце XVI века английский врач Уильям Гильберт назвал тела, способные  после натирания притягивать  лёгкие предметы, наэлектризованными.

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.

В начале XX века американский физик  Роберт Милликен опытным путём показал, что электрический заряд дискретен, то есть заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного  электрического заряда.

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 системы тел состоит  из целого числа элементарных зарядов, равных примерно 1,6·10−19 Кл[1] в системе СИ или 4,8·10−10 ед. СГСЭ[2]. Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы. Наименьшей по массе устойчивой в свободном состоянии частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд, является электрон (его масса равна 9,11·10−31 кг). Наименьшая по массе устойчивая в свободном состоянии античастица с положительным элементарным зарядом — позитрон, имеющая такую же массу, как и электрон. Также существует устойчивая частица с одним положительным элементарным зарядом — протон (масса равна 1,67·10−27 кг) и другие, менее распространённые частицы. Существуют также частицы с меньшим зарядом (±⅓ и ±⅔ элементарного заряда) — кварки; однако они не выделены в свободном состоянии (и, по-видимому, могут существовать лишь в составе других частиц — адронов), в результате любая свободная частица несёт лишь целое число элементарных зарядов.

Электрический заряд  любой элементарной частицы —  величина релятивистски-инвариантная. Он не зависит от системы отсчёта, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится, он присущ этой частице в течение всего времени ее жизни, поэтому элементарные заряженные частицы зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. 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 твёрдых тел скомпенсированы.

Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — это электризация тел при соприкосновении. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется предположением о существовании двух различных видов зарядов. Один вид электрического заряда называют положительным, а другой — отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются друг от друга.

При соприкосновении  двух электрически нейтральных тел в результате трения заряды переходят от одного тела к другому. В каждом из них нарушается равенство суммы положительных и отрицательных зарядов, и тела заряжаются разноимённо.

Электрический заряд замкнутой  системы сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.

В рассматриваемой системе  могут образовываться новые электрически заряженные частицы, например, электроны — вследствие явления ионизации атомов или молекул, ионы — за счёт явления электролитической диссоциации и др. Однако, если система электрически изолированна, то алгебраическая сумма зарядов всех частиц, в том числе и вновь появившихся в такой системе, всегда равна нулю.

Закон сохранения заряда — один из основополагающих законов физики. Закон сохранения заряда был впервые экспериментально подтверждён в 1843 году великим английским ученым Майклом Фарадеем и считается на настоящее время одним из фундаментальных законов сохранения в физике (подобно законам сохранения импульса и энергии). Всё более чувствительные экспериментальные проверки закона сохранения заряда, продолжающиеся и поныне, пока не выявили отклонений от этого закона.

При электризации тела через  влияние в нём нарушается равномерное  распределение зарядов. Они перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток положительных зарядов, а в другой — отрицательных. Если две эти части разъединить, то они будут заряжены разноимённо.

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся  на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводники — это  тела, в которых электрический  заряд может перемещаться по всему  его объему. Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого  рода (металлы), в которых перенос  зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями; 2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот), в которых перенос зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведёт к химическим изменениям.

Диэлектрики (например, стекло, пластмасса) — тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды.

Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение  между проводниками и диэлектриками.

Действие заряженных тел друг на друга связано с существованием электрических сил. Эти силы проявляются в пространстве около заряженных тел, поэтому и принято говорить, что вокруг каждого заряженного тела существует поле электрических сил, или просто электрическое поле. Электрическое поле не имеет ни цвета, ни запаха, оно не действует на наши органы чувств. Но, как мы уже убедились, электрическое поле вокруг заряженного тела можно обнаружить по его действию на другие заряженные тела.

По взаимному притяжению или отталкиванию тел можно судить не только о том, что они наэлектризованы, но даже оценить, велик ли их заряд. Для этой цели применяют специальный прибор. И здесь нет ничего удивительного. Ведь когда мы хотим узнать, например, тепло на улице или холодно, совсем не обязательно выходить из дома, если за окном укреплен специальный прибор – термометр. По нему всегда можно определить, какая в данное время температура. Прибавку в вашей массе после летнего отдыха можно определить с помощью другого специального прибора – весов. Вот и в электротехнике тоже есть свои «весы», на которых «взвешивают» электрические заряды, определяют, много их или мало. Такой прибор называют электроскопом (от уже знакомого нам слова «электрон» и другого греческого слова «скопео» – наблюдать, обнаруживать).

Электроскопы, пожалуй, –  самые древние электрические приборы. Ими пользовались ученые ещё во времена М. В. Ломоносова. Устроены они очень просто. В этом приборе через пластмассовую пробку, вставленную в стеклянную оправу, продет металлический стержень. Сверху на стержне укреплен металлический шарик, а к нижнему концу приклеены бумажные листочки. Как только мы коснемся шарика заряженной палочкой, часть её зарядов перейдет к электроскопу. Бумажные листочки его зарядятся одноименно и оттолкнутся друг от друга. Если они разойдутся далеко, значит, заряд палочки большой, а если немного, то это означает, что палочка наэлектризована слабо.

Для проведения опытов с  наэлектризованными предметами не обязательно  обращаться в школьный кабинет физики. Электроскоп можно сделать самому. Возьмите стеклянную банку и полиэтиленовую крышку к ней. Приготовьте кусок медной проволоки длиной 5 – 6 см и две полоски тонкой бумаги для листочков-лепестков. Вставьте в крышку гвоздь длиной 8 –10 см и закрепите на кончике гвоздя медную проволоку так, чтобы получилось два крючка. В бумажных лепестках сделайте отверстия – они должны быть немного больше диаметра проволоки. На крючки наденьте лепестки, а банку закройте крышкой – ваш электроскоп готов.

Для некоторых опытов вам понадобятся два электроскопа, поэтому лучше сразу изготовить и второй – точно так же, как вы сделали первый. Теперь в ваших руках появились настоящие электрические приборы, и вы можете провести с их помощью много интересных наблюдений и опытов.

Ныне было сказано, что  пластмассовая линейка при натирании шерстяной тканью получает от неё отрицательные заряды. Значит, в самой ткани таких зарядов будет не хватать, и она зарядится положительно. Проверим наши предположения.

Для этого нам понадобятся  два электроскопа, пластмассовая  линейка и шерстяная ткань (суконка), наклеенная на деревянную дощечку с ручкой. Потрите линейку шерстью, а затем коснитесь линейкой одного электроскопа, а шерстью – другого. Листочки электроскопов разойдутся. Значит, заряды на них есть. Но одинакового они или разного знака?

Снова потрите линейкой о шерсть и затем прикоснитесь линейкой к каждому из электроскопов. Лепестки первого электроскопа поднимутся ещё выше, а второго опустятся. Почему это произошло?

На первом электроскопе, по-видимому, был отрицательный заряд. Коснувшись его линейкой во второй раз, вы передали электроскопу ещё какую-то часть её заряда. Заряд этого электроскопа увеличился, и листочки его, оттолкнувшись сильнее, поднялись выше.

Второй электроскоп  был сначала заряжен положительно. Но когда вы коснулись его линейкой, отрицательные заряды линейки перешли на электроскоп. Число положительных и отрицательных зарядов в приборе уравнялось, и листочки его опали.

Итак, опыты подтвердили  наше предположение о том, что  при трении электризуются оба  тела, причем они приобретают электрические заряды противоположного знака. Кроме того, мы убедились, что если разноименные заряды в равном количестве собираются в одном месте – одном теле, то они перестают проявлять себя. В этом случае принято говорить, что ранее заряженное тело становится нейтральным – нейтрализуется.

Электрический заряд  замкнутой системы сохраняется  во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов  тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.

В рассматриваемой системе  могут образовываться новые электрически заряженные частицы, например, электроны  — вследствие явления ионизации атомов или молекул, ионы — за счёт явления электролитической диссоциации и др. Однако, если система электрически изолированна, то алгебраическая сумма зарядов всех частиц, в том числе и вновь появившихся в такой системе, всегда равна нулю.

Закон сохранения заряда — один из основополагающих законов физики. Закон сохранения заряда был впервые экспериментально подтверждён в 1843 году великим английским ученым Майклом Фарадеем и считается на настоящее время одним из фундаментальных законов сохранения в физике (подобно законам сохранения импульса и энергии). Всё более чувствительные экспериментальные проверки закона сохранения заряда, продолжающиеся и поныне, пока не выявили отклонений от этого закона.

Тот факт, что электрический  заряд встречается в природе  лишь в виде целого числа элементарных зарядов, можно назвать квантованием электрического заряда. При этом в классической электродинамике вопрос о причинах квантования заряда не обсуждается, поскольку заряд является внешним параметром, а не динамической переменной. Удовлетворительного объяснения, почему заряд обязан квантоваться, пока не найдено, однако уже получен ряд интересных наблюдений.

Если в природе существует магнитный монополь, то, согласно квантовой механике, его магнитный заряд обязан находиться в определённом соотношении с зарядом любой выбранной элементарной частицы. Отсюда автоматически следует, что одно только существование магнитного монополя влечёт за собой квантование заряда. Однако обнаружить в природе магнитный монополь пока не удалось.

В современной физике элементарных частиц разрабатываются модели наподобие преонной, в которых все известные фундаментальные частицы оказывались бы простыми комбинациями новых, ещё более фундаментальных частиц. В этом случае квантование заряда наблюдаемых частиц не представляется удивительным, поскольку оно возникает «по построению».