1. Электрический заряд и его свойства. Закон сохранения заряда
Электрический заряд и его свойства. Закон сохранения заряда
Мы живем в мире, где балом правят фундаментальные взаимодействия. Гравитация удерживает нас на поверхности Земли, но именно электромагнитное взаимодействие не дает нам провалиться сквозь пол, скрепляет атомы в молекулы и заставляет работать всю современную технику. Изучение этого колоссального пласта физики начинается с электростатики — раздела, изучающего свойства и взаимодействия неподвижных электрических зарядов.
В основе всех электромагнитных явлений лежит одно из самых важных понятий в физике — электрический заряд.
> Электрический заряд — это скалярная физическая величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.
Заряд не существует сам по себе, отдельно от материи. Это неотъемлемое свойство определенных элементарных частиц. Чтобы понять природу электричества, необходимо заглянуть внутрь строения вещества.
Носители электрического заряда
Вся материя вокруг нас состоит из атомов. Долгое время атом считался неделимым, однако сегодня мы знаем, что он имеет сложную внутреннюю структуру. В центре атома находится массивное, но крошечное ядро, а вокруг него образуют электронное облако легкие частицы.
!Строение атома и носители заряда
Ядро состоит из двух типов частиц:
Вокруг ядра движутся электроны — очень легкие частицы с отрицательным зарядом. В обычном состоянии атом электрически нейтрален: количество положительных протонов в ядре в точности равно количеству отрицательных электронов на орбитах. Их заряды компенсируют друг друга, и в сумме атом не проявляет электрических свойств.
Для наглядности сравним характеристики этих базовых частиц в таблице:
| Частица | Символ | Масса (кг) | Заряд (Кл) | Относительный заряд | | :--- | :---: | :--- | :--- | :---: | | Протон | | | | | | Электрон | | | | | | Нейтрон | | | | |
Как видно из таблицы, протон почти в 2000 раз тяжелее электрона, однако их электрические заряды абсолютно равны по величине и противоположны по знаку. Это удивительная симметрия природы.
Фундаментальные свойства электрического заряда
Электрический заряд обладает рядом уникальных свойств, которые были установлены экспериментально на протяжении столетий.
1. Существование двух видов зарядов
В природе существует ровно два вида электрических зарядов. Исторически, благодаря Бенджамину Франклину, их назвали положительными и отрицательными.Названия условны: с таким же успехом их можно было бы назвать «красными» и «синими». Главное — это их противоположное влияние друг на друга. Заряд, возникающий на стекле при трении о шелк, условились считать положительным, а на янтаре при трении о шерсть — отрицательным.
2. Взаимодействие зарядов
Главное правило электростатики, определяющее механику движения заряженных тел, звучит предельно просто:> Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются.
Два электрона всегда будут отталкиваться друг от друга. Два протона — тоже. Но если поместить рядом протон и электрон, между ними возникнет сила притяжения. Именно эта сила удерживает электроны на орбитах вокруг атомного ядра.
!Взаимодействие электрических зарядов
3. Дискретность (квантование) заряда
Электрический заряд не может делиться бесконечно. Существует минимальная, неделимая порция заряда, которую называют элементарным электрическим зарядом.Обозначается он латинской буквой и равен:
Любой макроскопический заряд в природе всегда кратен этому элементарному заряду. Это свойство описывается формулой:
Где:
Например, если тело имеет заряд Кл, это означает, что на нем находится ровно 2 «лишних» электрона. В природе не может существовать тела с зарядом, равным или . Заряд меняется только скачками, порциями.
4. Аддитивность
Заряд любой системы тел равен алгебраической сумме зарядов всех тел, входящих в эту систему. Если в коробке лежат три шарика с зарядами Кл, Кл и Кл, то общий заряд системы составит: Общий заряд = Кл.5. Инвариантность
Величина электрического заряда не зависит от скорости движения тела и выбора системы отсчета. В отличие от массы, которая в специальной теории относительности может рассматриваться как зависящая от скорости, заряд электрона остается абсолютно неизменным, летит ли он со скоростью пешехода или разгоняется в коллайдере почти до скорости света.Закон сохранения электрического заряда
В физике существуют великие законы сохранения: энергии, импульса, момента импульса. Электрический заряд также подчиняется строгому закону сохранения, который был открыт в середине XVIII века.
Для формулировки этого закона необходимо ввести понятие замкнутой системы. Это такая система тел, в которую не проникают заряженные частицы извне и из которой они не могут вылететь наружу.
> В электрически изолированной (замкнутой) системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается неизменной при любых взаимодействиях этих тел между собой.
Математически закон сохранения заряда записывается так:
Или через знак суммы:
Где:
Заряды могут передаваться от одного тела к другому, могут нейтрализовать друг друга (когда встречаются равные положительный и отрицательный заряды), но их общая сумма всегда остается константой.
Рассмотрим конкретный пример с числами. Представьте два одинаковых металлических шарика. Шарик А имеет заряд мкКл (микрокулон), а шарик Б имеет заряд мкКл.
Как мы видим, заряд перераспределился, но его общее количество не изменилось.
Электризация тел
Процесс перераспределения электрических зарядов, в результате которого тела приобретают макроскопический заряд, называется электризацией.
В обычных условиях большинство тел нейтральны. Чтобы тело стало заряженным, нужно нарушить баланс между протонами и электронами. Поскольку протоны намертво заперты в ядрах атомов глубоко внутри вещества, электризация почти всегда происходит за счет перемещения легких и подвижных электронов.
Самый известный способ электризации — трение (трибоэлектрический эффект). Когда мы расчесываем сухие волосы пластиковой расческой, происходит тесный контакт двух разных материалов. Электроны с атомов волос перескакивают на пластик, так как пластик сильнее их притягивает.
В результате расческа получает миллиарды лишних электронов и становится отрицательно заряженной. Волосы, потерявшие эти электроны, становятся положительно заряженными. При этом выполняется закон сохранения заряда: сколько электронов ушло с волос, ровно столько же появилось на расческе. Суммарный заряд системы «волосы + расческа» остался равным нулю.
Понимание природы электрического заряда, его дискретности и закона сохранения — это фундамент, без которого невозможно дальнейшее изучение электрических полей, токов и законов электродинамики.