Происходящие в природе физические процессы не всегда объясняются действием законов молекулярно-кинетической теории, механики либо термодинамики. Существуют еще электромагнитные силы, которые действуют на расстоянии и не зависят от массы тела.

Их проявления впервые описаны в трудах древних ученых Греции, когда они янтарем, потертым о шерсть, притягивали легкие, маленькие частицы отдельных веществ.

Исторический вклад ученых в развитие электродинамики

Опыты с янтарем подробно изучались английским исследователем Уильямом Гильбертом . В последних годах XVI века он сделал отчет о своей работе, а предметы, способные притягивать другие тела на расстоянии, обозначил термином «наэлектризованные».

Французским физиком Шарлем Дюфе было определено существование зарядов с противоположными знаками: одни образовывались при трении стеклянных предметов о шелковую ткань, а другие - смол по шерсти. Он так и назвал их: стеклянные и смоляные. После завершения исследований Бенджамина Франклина было введено понятие отрицательных и положительных зарядов.

Шарль Кулон реализовал возможность измерения силы зарядов конструкцией крутильных весов собственного изобретения.

Роберт Милликен на основе серии проведенных опытов установил дискретный характер электрических зарядов любого вещества, доказав, что они состоят из определенного количества элементарных частиц. (Не путать с другим понятием этого термина - дробности, прерывистости.)

Труды перечисленных ученых послужили фундаментом современных знаний о процессах и явлениях, происходящих в электрических и магнитных полях, создаваемых электрическими зарядами и их движением, изучаемых электродинамикой.

Определение зарядов и принципы их взаимодействия

Электрическим зарядом характеризуют свойства веществ, обеспечивающих им возможность создавать электрические поля и взаимодействовать в электромагнитных процессах. Еще его называют количеством электричества и определяют как физическую скалярную величину. Для обозначения заряда приняты символы «q» или «Q», а при измерениях используют единицу «Кулон», названную в честь французского ученого, разработавшего уникальную методику.

Им был создан прибор, в корпусе которого использовались подвешенные на тонкой нити из кварца шарики. Они ориентировались в пространстве определенным образом, а их положение регистрировалось относительно проградуированной шкалы с равными делениями.

Через специальное отверстие в крышке к этим шарикам подводился другой шар, обладающий дополнительным зарядом. Возникающие силы взаимодействия заставляли отклоняться шарики, поворачивали их коромысло. Величина разницы отсчетов на шкале до ввода заряда и после него позволяла оценивать количество электричества в испытуемых образцах.

Заряд в 1 кулон характеризуется в системе СИ силой тока в 1 ампер, проходящей через поперечное сечение проводника за время, равное 1 секунде.

Все электрические заряды современная электродинамика разделяет на:

положительные;

отрицательные.

При взаимодействии их между собой у них возникают силы, направление которых зависит от существующей полярности.

Одинакового типа заряды, положительные либо отрицательные, всегда отталкиваются в противоположные стороны, стремясь, как можно дальше удалиться друг от друга. А у зарядов противоположных знаков действуют силы, стремящиеся сблизить их и соединить в одно целое.

Принцип суперпозиции

Когда в определенном объеме находится несколько зарядов, то для них действует принцип суперпозиции.

Его смысл в том, что каждый заряд определенным образом по рассмотренному выше способу взаимодействует со всеми остальными, притягиваясь к разноименным и отталкиваясь от однотипных. К примеру, на положительный заряд q1 действует сила притяжения F31 к отрицательному заряду q3 и отталкивания F21 - от q2.

Результирующая сила F1, действующая на q1, определяется геометрическим сложением векторов F31 и F21. (F1= F31+ F21).

Таким же методом определяются действующие результирующие силы F2 и F3 на заряды q2 и q3 соответственно.

Посредством принципа суперпозиции сделан вывод о том, что при определенном количестве зарядов в замкнутой системе между всеми ее телами действуют установившиеся электростатические силы, а потенциал в любой определенной точке этого пространства равен сумме потенциалов от всех отдельно приложенных зарядов.

Действие этих законов подтверждают созданные приборы электроскоп и электрометр , имеющие общий принцип работы.

Электроскоп состоит из двух одинаковых лепестков тонкой фольги, подвешенных в изолированном пространстве на токопроводящей нити, присоединенной к металлическому шарику. В обычном состоянии на этот шарик заряды не действуют, поэтому лепестки свободно висят в пространстве внутри колбы прибора.

Как можно передавать заряд между телами

Если к шарику электроскопа поднести заряженное тело, например, палочку, то заряд пройдет через шарик по токопроводящей нити к лепесткам. Они получат одноименный заряд и станут отодвигаться друг от друга на угол, пропорциональный приложенному количеству электричества.

У электрометра такое же принципиальное устройство, но он имеет небольшие отличия: один лепесток закреплен стационарно, а второй отходит от него и снабжен стрелкой, которая позволяет снимать отсчет с проградуированной шкалы.

Для переноса заряда от удаленного стационарно закрепленного и заряженного тела на электрометр можно воспользоваться промежуточными носителями.

Измерения, сделанные электрометром, не обладают высоким классом точности и на их основе сложно анализировать силы, действующие между зарядами. Для их исследования больше приспособлены крутильные весы Кулона. У них использованы шарики с диаметрами, значительно меньшими, чем их удаление друг от друга. Они обладают свойствами точечных зарядов - заряженных тел, размеры которых не влияют на точность прибора.

Измерения, выполненные Кулоном, подтвердили его догадку о том, что точечный заряд передается от заряженного тела к такому же по свойствам и массе, но незаряженному таким образом, чтобы равномерно распределиться между ними, уменьшаясь на источнике в 2 раза. Таким способом удалось уменьшать величину заряда в два, три и иное количество раз.

Силы, существующие между неподвижными электрическими зарядами, называют кулоновским либо статическим взаимодействием. Их изучает электростатика, являющаяся одним из разделов электродинамики.

Виды носителей электрических зарядов

Современная наука считает самой маленькой отрицательно заряженной частицей электрон , а положительной - позитрон . Они имеют одинаковую массу 9,1·10-31 кг. Элементарная частица протон обладает всего одним положительным зарядом и массой 1,7·10-27 кг. В природе количество положительных и отрицательных зарядов уравновешено.

В металлах движение электронов создает , а в полупроводниках носителями его зарядов являются электроны и дырки.

В газах ток образуется передвижением ионов - заряженных неэлементарных частиц (атомов или молекул) с положительными зарядами, называемыми катионами либо отрицательными - анионами.

Ионы образуются из нейтральных частиц.

Положительный заряд создается у частицы, потерявшей электрон под действием мощного электрического разряда, светового или радиоактивного облучения, потока ветра, движения масс воды или ряда других причин.

Отрицательные ионы образуются из нейтральных частиц, дополнительно получивших электрон.

Использование ионизации в медицинских целях и быту

Исследователи давно заметили способность отрицательных ионов воздействовать на организм человека, улучшать потребление кислорода воздуха, быстрее доставлять его к тканям и клеткам, ускорять процесс окисления серотонина. Это все в комплексе значительно повышает иммунитет, улучшает настроение, снимает боли.

Первый ионизатор, используемый для лечения людей, получил название люстры Чижевского , в честь советского ученого, который создал прибор, благотворно влияющий на здоровье человека.

В современных электроприборах для работы в бытовых условиях можно встретить встроенные ионизаторы в пылесосы, увлажнители воздуха, фены, сушилки…

Специальные ионизаторы воздуха очищают его состав, уменьшают количество пыли и вредных примесей.

Ионизаторы воды способны снижать количество химических реагентов в ее составе. Их используют для очистки бассейнов и водоемов, насыщая воду ионами меди или серебра, которые уменьшают рост водорослей, уничтожают вирусы и бактерии.

Нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи, или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы. А кто не пробовал подвесить воздушный шарик к потолку, после трения его о голову? Подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества . Подобные действия называются электризацией .

Статическое электричество объясняется существованием в природе электрического заряда . Заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц . Заряд, который возникает на стекле при трении его о шелк, условно называют положительным , а заряд, возникающий на эбоните при трении о шерсть, - отрицательным .

Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и, летающих вокруг него, электронов (на рисунке синие частицы). Ядро состоит из протонов (красные) и нейтронов (черные).

Носителем отрицательного заряда является электрон, положительного - протон. Нейтрон - нейтральная частица, не имеет заряда.

Величина элементарного заряда - электрона или протона, имеет постоянное значение и равна

Весь атом нейтрально заряжен, если количество протонов соответствует электронам. Что произойдет, если один электрон оторвется и улетит? У атома станет на один протон больше, то есть положительных частиц больше, чем отрицательных. Такой атом называют положительным ионом . А если присоединится один электрон лишний - получим отрицательный ион . Электроны, оторвавшись, могут не присоединятся, а некоторое время свободно перемещаться, создавая отрицательный заряд. Таким образом, в веществе свободными носителями заряда являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.

Для того, чтобы имелся свободный протон, необходимо, чтобы разрушилось ядро, а это означает разрушение атома целиком. Такие способы получения электрического заряды мы рассматривать не будем.

Тело становится заряженным, когда оно содержит избыток одних или иных заряженных частиц (электронов, положительных или отрицательных ионов).

Величина заряда тела кратна элементарному заряду. Например, если в теле 25 свободных электронов, а остальные атомы являются нейтральными, то тело заряжено отрицательно и его заряд составляет . Элементарный заряд не делим - это свойство называется дискретностью

Одноименные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются , разноименные (положительный и отрицательный) - притягиваются

Точечный заряд - это материальная точка , которая имеет электрический заряд.

Закон сохранения электрического заряда

Замкнутая система тел в электричестве - это такая система тел, когда между внешними телами нет обмена электрическими зарядами.

Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц остается постоянной при любых процессах, происходящих в электрически замкнутой системе.

На рисунке пример закона сохранения электрического заряда. На первой картинке два тела разноименного заряда. На втором рисунке те же тела после соприкосновения. На третьем рисунке в электрически замкнутую систему внесли третье нейтральное тело и тела привели во взаимодействие друг с другом.

В каждой ситуации алгебраическая сумма заряда (с учетом знака заряда) остается постоянной.

Главное запомнить

1) Элементарный электрический заряд - электрон и протон
2) Величина элементарного заряда постоянна
3) Положительный и отрицательный заряды и их взаимодействие
4) Носителями свободных зарядов являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы
5) Электрический заряд дискретен
6) Закон сохранения электрического заряда

Если потереть стеклянную палочку о лист бумаги, то палочка приобретёт способность притягивать к себе листочки «султана» (см. рис. 1.1), пушинки, тонкие струйки воды. При расчёсывании сухих волос пластиковой расчёской волосы притягиваются к расчёске. В этих простых примерах мы встречаемся с проявлением сил, которые получили название электрических .

Рис. 1.1. Притягивание листочков «султана» наэлектризованной стеклянной палочкой.

Тела или частицы, которые действуют на окружающие предметы электрическими силами, называют заряженными или наэлектризованными . Например, упомянутая выше стеклянная палочка после того, как её потереть о лист бумаги, становится наэлектризованной.

Частицы имеют электрический заряд, если они взаимодействуют друг с другом посредством электрических сил. Электрические силы уменьшаются с увеличением расстояния между частицами. Электрические силы во много раз превышают силы всемирного тяготения.

Электрический заряд – это физическая величина, которая определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий. Электромагнитные взаимодействия – это взаимодействия между заряженными частицами или телами.

Электрические заряды делятся на положительные и отрицательные. Положительным зарядом обладают стабильные элементарные частицы – протоны и позитроны , а также ионы атомов металлов и т.д. Стабильными носителями отрицательного заряда являются электрон и антипротон .

Существуют электрически незаряженные частицы, то есть нейтральные: нейтрон , нейтрино . В электрических взаимодействиях эти частицы не участвуют, так как их электрический заряд равен нулю. Бывают частицы без электрического заряда, но электрический заряд не существует без частицы.

На стекле, потёртом о шёлк, возникают положительные заряды. На эбоните, потёртом о мех – отрицательные заряды. Частицы отталкиваются при зарядах одинаковых знаков (одноимённые заряды ), а при разных знаках (разноимённые заряды ) частицы притягиваются.

Все тела состоят из атомов. Атомы состоят из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые движутся вокруг ядра атома. Атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных частиц – нейтронов. Заряды в атоме распределены таким образом, что атом в целом является нейтральным, то есть сумма положительных и отрицательных зарядов в атоме равна нулю.

Электроны и протоны входят в состав любого вещества и являются наименьшими устойчивыми элементарными частицами. Эти частицы могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Электрический заряд электрона и протона называется элементарным зарядом.

Элементарный заряд – это минимальный заряд, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Электрический заряд протона равен по абсолютной величине заряду электрона:

Е = 1,6021892(46) * 10 -19 Кл

Величина любого заряда кратна по абсолютной величине элементарному заряду, то есть заряду электрона. Электрон в переводе с греческого electron – янтарь, протон – от греческого protos – первый, нейтрон от латинского neutrum – ни то, ни другое.

Проводники и диэлектрики

Электрические заряды могут перемещаться. Вещества, в которых электрические заряды могут свободно перемещаться, называются проводниками . Хорошими проводниками являются все металлы (проводники I рода), водные растворы солей и кислот – электролиты (проводники II рода), а также раскалённые газы и другие вещества. Тело человека также является проводником. Проводники обладают высокой электропроводностью, то есть хорошо проводят электрический ток.

Вещества, в которых электрические заряды не могут свободно перемещаться, называются диэлектриками (от английского dielectric, от греческого dia – через, сквозь и английского electric – электрический). Эти вещества также называют изоляторами . Электропроводность диэлектриков очень мала по сравнению с металлами. Хорошими изоляторами являются фарфор, стекло, янтарь, эбонит, резина, шёлк, газы при комнатных температурах и другие вещества.

Разделение на проводники и изоляторы условно, так как проводимость зависит от различных факторов, в том числе от температуры. Например, стекло хорошо изолирует только в сухом воздухе и становится плохим изолятором при большой влажности воздуха.

Проводники и диэлектрики играют огромную роль в современном применении электричества.

Все тела состоят из неделимых мельчайших частиц, называемых элементарными. Они имеют массу и способны притягиваться друг к другу. По закону всемирного тяготения, при увеличении расстояния между частицами относительно медленно убывает (она обратно пропорциональна квадрату расстояния). Сила взаимодействия частиц превосходит Это взаимодействие и называют «электрический заряд», а частицы - заряженными.

Взаимодействие частиц называют электромагнитным. Оно свойственно большинству элементарных частиц. Если же его между ними нет, то говорят об отсутствии заряда.

Электрический заряд определяет степень интенсивности Он является важнейшей характеристикой элементарных частиц, которая определяет их поведение. Обозначается буквами "q" либо "Q".

Макроскопического эталона единицы электрического заряда не существует, поскольку создать его не представляется возможным из-за его неизбежной утечки. В атомной физике за единицу принимают заряд электрона. В Международной системе единиц она устанавливается с помощью Заряд в 1 кулон (1 Кл) обозначает, что он проходит при силе тока в 1 А за 1 с через Это довольно высокий заряд. Небольшому телу сообщить его невозможно. Но в нейтральном проводнике привести в движение заряд в 1 Кл вполне реально.

Электрический заряд является скалярной физической величиной, которая характеризует способность частиц или тел вступать в электромагнитное силовое взаимодействие между собой.

При изучении взаимодействия важным является представление о точечном заряде. Он являет собой заряженное тело, размеры которого гораздо меньше расстояния от него до точки наблюдения или других заряженных частиц. При взаимодействии двух точечных зарядов расстояние между ними является гораздо большим, чем их линейные размеры.

Частицы обладают противоположными зарядами: протоны - положительным, электроны - отрицательным. Эти знаки (плюс и минус) отражают способность частиц притягиваться (при разных знаках) и отталкиваться (при одном). В природе положительные показатели и отрицательные скомпенсированы между собой.

Одинаков по модулю, независимо от того, положительный ли он, как у протона, или отрицательный, как у электрона. Минимальный заряд называется элементарным. Им обладают все заряженные частицы. Отделить часть заряда частицы невозможно. Минимальное значение определяется экспериментально.

Электрический заряд и его свойства можно измерять с помощью электрометра. Он состоит из вращающейся вокруг горизонтальной оси стрелки и металлического стержня. Если к стрежню прикоснуться положительно заряженной палочкой, то стрелка отклонится на определенный угол. Это объясняется распределением заряда по стрелке и стержню. Поворот стрелки обусловлен действием силы отталкивания. При увеличении заряда возрастает и угол отклонения от вертикали. То есть он показывает значение заряда, который передается стрежню электрометра.

Выделяют следующие свойства электрического заряда. Они могут быть положительными и отрицательными (выбор названий случаен), которые притягиваются и отталкиваются. Заряды способны передаваться при контакте от одних тел другим. Одно тело в разных условиях может обладать разными зарядами. Важным свойством является дискретность, что означает существование наименьшего, универсального заряда, которому кратны аналогичные показатели любых тел. Внутри замкнутой системы алгебраическая сумма всех зарядов остается постоянной. В природе заряды одного знака не возникают и не исчезают одновременно.

Связанный с материальным носителем; внутренняя характеристика элементарной частицы, определяющая ее электромагнитные взаимодействия.

Электрический заряд является физической величиной, характеризующей свойство тел или частиц вступать в электромагнитные взаимодействия, и определяющей значения сил и энергий при таких взаимодействиях. Электрический заряд - одно из основных понятий учения об электричестве. Вся совокупность электрических явлений есть проявление существования, движения и взаимодействия электрических зарядов. Электрический заряд является неотъемлемым свойством некоторых элементарных частиц .

Имеется два вида электрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными. Заряды одного знака отталкиваются, разных знаков - притягиваются друг к другу. Заряд наэлектризованной стеклянной палочки условно стали считать положительным, а смоляной (в частности, янтарной) - отрицательным. В соответствии с этим условием электрический заряд электрона отрицателен (греч. «электрон» - янтарь).

Заряд макроскопического тела определяется суммарным зарядом элементарных частиц, из которых состоит это тело. Чтобы зарядить макроскопическое тело нужно изменить число содержащихся в нем заряженных элементарных частиц, т. е. перенести на него или удалить с него некоторое количество зарядов одного знака. В реальных условиях такой процесс обычно связан с перемещением электронов. Тело считают заряженным только в том случае, если на нем находится избыток зарядов одного знака, составляющий заряд тела, обозначаемый обычно буквой q или Q .Если заряды размещены на точечных телах, то сила взаимодействия между ними может быть определена по закону Кулона . Единицей заряда в системе СИ является кулон - Кл.

Электрический заряд q любого тела дискретен, существует минимальный, элементарный электрический заряд - е, которому кратны все электрические заряды тел:

\(q = n e\)

Минимальный заряд, существующий в природе, - это заряд элементарных частиц. В единицах СИ модуль этого заряда равен: е = 1, 6.10 -19 Кл. Любые электрические заряды в целое число раз больше элементарного. Элементарным электрическим зарядом обладают все заряженные элементарные частицы. В конце 19 в. был открыт электрон - носитель отрицательного электрического заряда, а в начале 20 в, - протон, обладающий таким же по величине положительным зарядом; таким образом, было доказано, что электрические заряды существуют не сами по себе, а связаны с частицами, являются внутренним свойством частиц (позднее были открыты и другие элементарные частицы, несущие положительный или отрицательный заряд той же величины). Заряд всех элементарных частиц (если он не равен нулю) одинаков по абсолютной величине. Элементарные гипотетические частицы - кварки, заряд которых равен 2/3е или +1/3е , не наблюдались, однако в теории элементарных частиц предполагается их существование.

Инвариантность электрического заряда установлена экспериментально: величина заряда не зависит от скорости, с которой он движется (т. е. величина заряда инвариантна относительно инерциальных систем отсчета, и не зависит от того, движется он или покоится).

Электрический заряд аддитивен, т. е. заряд любой системы тел (частиц) равен сумме зарядов тел (частиц), входящих в систему.

Электрический заряд подчиняется закону сохранения, который был установлен после проведения множества опытов. В электрически замкнутой системе полный суммарный заряд сохраняется и остается постоянным при любых физических процессах, происходящих в системе. Этот закон справедлив для изолированных электрических замкнутых систем, в которые заряды не вносятся и из которых они не выносятся. Этот закон действует и для элементарных частиц, которые рождаются и аннигилируют парами, суммарных заряд которых равен нулю.