Электрические заряды

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.

Из всех известных фундаментальных типов взаимодействия наиболее распространенными являются электромагнитные. Простейший пример этих взаимодействий - притяжение и отталкивание наэлектризованных тел.

Впервые его наблюдал Фал ее (VII в. до н.э.), используя янтарную палочку, потертую о шерсть. Позже В.Гильберт (XVI в.) обнаружил, что свойством притягивать легкие предметы обладают, кроме янтаря, фарфор и многие другие тела, предварительно натертые кожей или другими мягкими материалами. Это явление В. Гильберт назвал электризацией (electron по-гречески - янтарь).

О телах, способных к таким взаимодействиям, говорят, что они электрически заряжены , т.е. им сообщен электрический заряд .

Электрический заряд q - это количественная мера способности тел к электромагнитным взаимодействиям.

Единицей электрического заряда в СИ является кулон. 1 кулон есть электрический заряд, переносимый через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока 1 А.

Опыты по электризации тел трением, взаимодействию незаряженной станиолевой гильзы с заряженной палочкой показывают, что:

1. существуют два рода электрических зарядов, которые условно называют положительными и отрицательными; заряд элементарных частиц - протонов, входящих в состав любого ядра, называют положительным, а заряд электронов - отрицательным;
2. при взаимодействии одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются . На этом свойстве зарядов основано действие простейших приборов - электроскопа и электрометра;
3. современная физика приводит к выводу о существовании элементарного заряда, являющегося неотъемлемым свойством ряда элементарных частиц. Впервые немецкий физик Г. Гельмгольц в 1881 г. высказал гипотезу, объясняющую электрические явления существованием электрически заряженных элементарных частиц. Впоследствии эта гипотеза подтвердилась открытием электрона (в 1897 г. английским физиком У. Томсоном) и протона (в 1919 г. Э. Резерфордом).

   Электрон - это элементарная частица, заряд которой е = -1,6·10 -19 Кл, масса m e = 9,1·10 -31 кг. Протон имеет положительный заряд е = 1,6·10 -19 Кл, а масса протона в 1836 раз больше массы электрона;

4. электрический заряд дискретен (это доказано опытным путем американским физиком Р. Милликеном и русским физиком А. Ф. Иоффе). Это значит, что любой заряд, больший элементарного, состоит из целого числа элементарных зарядов q = ±N·e, где N = 1, 2, 3...

   В теле, электрически нейтральном, число протонов и электронов одинаково и они равномерно распределены по объему. Если число электронов в теле меньше числа протонов, то оно заряжено положительно, а если заряд обусловлен избытком электронов, то тело заряжено отрицательно.

   Именно этот избыточный заряд определяет собой электрические свойства тела, и его называют зарядом тела, q = (N+ - N-) e, где N+ - число протонов, N- - число электронов.

   Процесс, приводящий к появлению на телах или разных частях тела избыточного заряда, называют электризацией;

5. заряд инвариантен, т.е. не зависит от характера движения заряженной частицы, ни от ее взаимодействия с другими частицами, ни от выбора системы отсчета. Об этом свидетельствуют многие факты. Так, неионизированный атом и молекула нейтральны: заряды электронной оболочки атома и ядра в точности равны друг другу. А между тем характер движения электронов и ядер совершенно различен. Кроме того, при химических превращениях движение электронов в оболочках атомов изменяется, что приводит к изменению характера спектров атомов. Если бы заряд зависел от скорости движения частиц, то в химических реакциях могли бы появиться нескомпенсированные электрические заряды, но это не обнаружено.

Испокон веков человеку приходилось наблюдать разные явления природы, как мы знаем теперь, что некоторые из них имели электрическое происхождение. Такие как молнии, ярко святящие во время грозы, или необычайные и величественные по своей красоте полярные сияния.

Простейшее электрическое явление человек сам воспроизвёл впервые более 2500 лет назад: древними греками было найдено, что стоит кусок особой окаменевшей смолы – янтаря, потереть сухой шерстью, как он немедленно начинал притягивать к себе лёгкие тела, такие как кусочки нити, различного рода мелкие соринки, и т.п. Слово «электричество» собственно и происходит от греческого названия янтаря – «электрон».

Объяснение этому – электрические заряды, которые появляются на поверхности янтаря при его трении, и именно это свойство заставляет янтарь притягивать к себе мелкие тела.

Электрические заряды, как это известно, бывают двух родов: отрицательные и положительные. В янтаре, и в том числе на смолах, на момент натирания их шерстью возникают отрицательные электрические заряды.

Из неких опытов известно, что одноимённые электрические заряды отталкиваются, а разноимённые – притягиваются. Силы зарядов, как на отталкивания, так и притяжения именуются электрическими силами. В любом сколь угодно малом количестве электрический заряд не может существовать. Электрон является минимальной частицей вещества, несущей отрицательный заряд, то есть неделимое количество отрицательного электричества.

Другой вид электрических заряженных частиц представляют собой протоны. Протоны существенно тяжелее электронов и несут равный по величине заряда электрона положительный заряд. Некое огромное впечатление предоставляет собой электрическая иллюминация. На данный момент специалистами разработаны составы особых светящихся красок. Картины, написанные подобными красками на время их освещения кварцевыми электрическими лампами, излучающими ультрафиолетовые лучи, несут собой весьма увлекательное зрелище.

Мельчайшие частицы всех тел природы – атомы. Атомы построены из электронов и протонов, а также из нейтронов – не заряженных электричеством частиц. Положительно заряженное ядро служит центральной частью атома, заключающееся из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре, то есть величина заряда ядра – это важнейшее свойство атомов данного вещества, полностью отличающее их от атомов других веществ.

От ядра атома, скажем так, в значительном отдалении расположены несколько или одна так называемая электронная оболочка. Данные оболочки представляют собой некую совокупность электронов, вращающихся вокруг ядра, с большой скоростью имея собственную орбиту. Силой электрического притяжения к ядру атома электроны удерживаются на своих орбитах. Численность электронов в данных оболочках идентична численности протонов в ядре атома, что в целом предоставляет атому оказываться электрически нейтральным. Чрезмерное трение тел приводит к тому, что у одного из этих тел расположенные атомы на поверхности, утрачивают часть своих электронов. Они переходят на второе тело, и в результате первое тело зарядится положительно, а второе, которое обретет избыток электронов – отрицательно.