Електричний заряд є фізичною величиною, яка властива деяким елементарним частинкам. Він проявляє себе через сили тяжіння і відштовхування між зарядженими тілами за допомогою електромагнітного поля. Розглянемо фізичні властивості заряду і види зарядів.
Загальне уявлення про електричному заряді
Матерія, яка має відмінний від нуля електричний заряд, активно взаємодіє з електромагнітним полем і, в свою чергу, створює поле. Взаємодія зарядженого тіла з електромагнітним полем є одним з чотирьох типів силових взаємодій, які відомі людині. Говорячи про зарядах і види зарядів, слід зазначити, що з точки зору стандартної моделі електричний заряд відображає здатність тіла або частинки обмінюватися носіями електромагнітного поля – фотони – з іншим зарядженим тілом або електромагнітним полем.
Одна з важливих характеристик різних видів заряду – збереження їх суми в ізольованій системі. Тобто загальний заряд зберігається як завгодно тривалий час незалежно від типу взаємодії, що має місце всередині системи.
Електричний заряд не є безперервним. В експериментах Роберта Міллікена була продемонстрована дискретна природа електричного заряду. Види зарядів, що існують в природі, можуть бути позитивними або негативними.
Позитивні і негативні заряди
Носіями двох видів зарядів є протони і електрони. З історичних причин заряд електрона вважається негативним, має значення -1 і позначається -e. Протон має позитивний заряд +1 і позначається +e.
Якщо тіло містить більше протонів, ніж електронів, то воно вважається позитивно зарядженим. Яскравим прикладом позитивного виду заряду в природі є заряд скляної палички після того, як її потруть шовковою тканиною. Відповідно, якщо тіло містить більше електронів, ніж протонів, воно покладається негативно зарядженим. Цей вид електричного заряду спостерігається на пластиковій лінійці, якщо її потерти шерстю.
Зазначимо, що заряд протона і електрона хоч і дуже маленький, він не є елементарним. Виявлені кварки – “цеглинки”, що утворюють елементарні частинки, які мають заряди ±1/3 і ±2/3 щодо заряду електрона і протона.
Одиниця виміру
Види зарядів, як позитивні, так і негативні, в міжнародній системі одиниць СІ вимірюється в кулонах. Заряд у 1 кулон – це дуже великий заряд, який визначається як кількість електронів, що проходять за 1 секунду через поперечний переріз провідника при силі струму в ньому, що дорівнює 1 ампер. Одному кулону відповідає 6,242*1018 вільних електронів. Це означає, що заряд одного електрона дорівнює -1/(6,242*1018) = – 1,602*10-19 кулона. Це ж значення, тільки зі знаком плюс, характерне для іншого виду зарядів в природі – позитивного заряду протона.
Коротка історія електричного заряду
Ще з часів античної Греції відомо, що якщо потерти шкіру про бурштин, то він набуває здатність притягати до себе легкі тіла, наприклад, солому або пір’я птахів. Це відкриття належить грецькому філософу Фалесу Милетскому, який жив 2500 років тому.
У 1600 році англійський медик Вільям Гілберт помітив, що багато матеріалів ведуть себе подібно янтарю, якщо їх потерти. Слово “бурштин” в давньогрецькій мові звучить як “електрон”. Гілберт став використовувати цей термін для всіх подібних явищ. Пізніше з’явилися інші терміни, такі як “електрику” і “електричний заряд”. У своїх роботах Гілберт також зміг розрізнити магнітні та електричні явища.
Відкриття існування тяжіння і відштовхування між електрично зарядженими тілами належить фізику Стефану Грію. Першим вченим, який припустив існування двох видів електричних зарядів, був французький хімік і фізик Шарль Франсуа Дюфе. Явище електричного заряду також докладно досліджував Бенджамін Франклін. Наприкінці XVIII століття французький фізик Шарль Огюстен де Кулон відкрив свій знаменитий закон.
Проте всі зазначені спостереження змогли оформитися в струнку теорію електрики тільки до середини XIX століття. Тут слід зазначити важливість робіт Майкла Фарадея з вивчення процесів електролізу і Джеймса Максвелла, який повністю описав електромагнітні феномени.
Сучасні уявлення про природу електрики і дискретному електричному заряді зобов’язані своїм існуванням робіт Джозефа Томсона, який відкрив електрон, і Роберта Міллікена, який виміряв його заряд.
Магнітний момент і електричний заряд
Види заряду виділив ще Бенджамін Франклін. Їх два: позитивний і негативний. Два заряди однакового знака відштовхуються, а протилежного – притягуються.
З появою квантової механіки і фізики елементарних частинок було показано, що крім електричного заряду частинки володіють магнітним моментом, який носить назву спина. Завдяки електричним і магнітним властивостями елементарних частинок в природі існує електромагнітне поле.
Принцип збереження електричного заряду
Згідно з результатами численних експериментів, принцип збереження електричного заряду свідчить, що не існує жодного способу руйнування заряду, ні його створення з нічого, і що в будь-яких електромагнітних процесах в ізольованій системі повний електричний заряд зберігається.
В результаті процесу електризації загальна кількість протонів і електронів не змінюється, існує лише поділ зарядів. Електричний заряд може з’явитися в будь-якій частині системи, де раніше його не було, але загальний заряд системи при цьому все одно не зміниться.
Щільність електричного заряду
Під щільністю заряду розуміється його кількість на одиницю довжини, площі або об’єму простору. У зв’язку з цим говорять про трьох типах його щільності: лінійної, поверхневої та об’ємної. Оскільки існує два види заряду, щільність також може бути позитивною і негативною.
Незважаючи на те, що електричний заряд квантован, тобто є дискретним, в ряді дослідів і процесів кількість його носіїв настільки велике, що можна вважати, що вони розподілені по тілу рівномірно. Це хороше наближення дозволяє отримати ряд важливих експериментальних законів для електричних явищ.
Закон Кулона
Досліджуючи на крутильних вагах поведінку двох точкових зарядів, тобто таких, для яких відстань між ними значно перевищує їх розміри, Шарль Кулон у 1785 році відкрив закон взаємодії між електричними зарядами. Цей закон вчений сформулював наступним чином:
Величина кожної сили, з якою взаємодіють два точкових заряди в спокої, прямо пропорційна добутку їх електричних зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані, що розділяє їх. Сили взаємодії направлені вздовж лінії, яка з’єднує заряджені тіла.
Зазначимо, що закон Кулона від виду зарядів не залежить: зміна знаку заряду лише змінить напрямок діючої сили на протилежне, зберігши при цьому її модуль. Коефіцієнт пропорційності в законі Кулона залежить від діелектричної постійної середовища, в якій розглядаються заряди.
Таким чином, формула для кулонівському сили записується в наступному вигляді: F = k*q1*q2/r2, де q1, q2 – величини зарядів, r – відстань між зарядами, k = 9*109 Н*м2/Кл2 – коефіцієнт пропорційності для вакууму.
Константа k через універсальну діелектричну постійну ε0 і діелектричну постійну матеріалу ε виражається наступним чином: k = 1/(4*pi*ε*ε0), тут pi – число пі, а ε > 1 для будь-якого середовища.
Закон Кулона не справедливий у наступних випадках:
- коли заряджені частинки починають рухатися, і особливо коли їх швидкості наближаються до близько світловим швидкостей;
- коли відстань між зарядами мало порівняно з їх геометричними розмірами.
Цікаво відзначити, що математичний вигляд закону Кулона збігається з таким для закону всесвітнього тяжіння, в якому роль електричного заряду грає маса тіла.
Способи передачі електричного заряду і електризація
Під електризацією розуміється процес, в результаті якого електрично нейтральне тіло набуває відмінний від нуля заряд. Цей процес пов’язаний з переміщенням елементарних носіїв заряду, найчастіше електронів. Наелектризувати тіло можна з допомогою наступних способів:
- В результаті контакту. Якщо зарядженим тілом доторкнутися до іншого тіла, що складається з провідного матеріалу, то останнім придбає електричний заряд.
- Тертя ізолятора про інший матеріал.
- Електрична індукція. Суть цього явища полягає в перерозподілі електричних зарядів усередині тіла за рахунок впливу зовнішнього електричного поля.
- Явище фотоефекту, при якому електрони вириваються із твердого тіла за рахунок впливу на нього електромагнітного випромінювання.
- Електроліз. Фізико-хімічний процес, який відбувається в розплавах і розчинах солей, кислот і лугів.
- Термоелектричний ефект. В даному випадку електризація виникає за рахунок градієнтів температури в тілі.
