Определение и свойства электрического заряда в физике

Главной величиной в электродинамике считается электрический заряд. В физике его свойства, пожалуй, занимают такое же положение, как теоремы умножения и деления в алгебре. После открытия параметра удалось получить представления о силовых полях, токе, напряжении, понять суть энергии, классифицировать вещества по проводимости. Изучение взаимодействия частиц позволило сделать важные открытия, ставшие фундаментом в создании электронных приборов.

Оглавление:

• Общие сведения
• Свойства заряда
• Закон Кулона
• Решение задач

Общие сведения

Проводя серию опытов с янтарём, Уильям Гильберт заметил, что при определённых обстоятельствах он был способен притягивать к себе другие предметы. В XVI веке врач из Англии назвал тела, которые обладали таким свойством наэлектризованными. Им было сделано предположение, что в теле существует определённая субстанция, которая склонна к взаимодействию.

Французский учёный Шарль Франсуа Дюфе, провёдший большую работу по систематизации сведений, связанных с электричеством, пришёл к выводу, что такой субстанцией является элементарная частица. В каждом теле существует несколько их видов. Как показали опыты, одни образовывались при трении стекла о шёлк, а другие — смолы. Поэтому учёный назвал частицы «стеклянными» и «смоляными».

В 1897 году физиком Томсоном была открыта элементарная частица, получившая название электрон. Через двадцать лет Резерфорд выдвинул предположение о существовании противоположной величины. После этого теория была подтверждена экспериментально, а частица была названа протоном. Учёный из Англии в 1932 году смог обнаружить новый вид частиц, близких по размеру открытым, но отличающихся своим поведением. Назвал он их нейтронами, что в переводе с латинского обозначает «ни тот ни другой».

После открытия тока и напряжения учёными были обнаружены интересные эффекты. Проводник, по которому протекало электричество, вызывал отклонение магнитной стрелки. Это явление позволило сделать вывод, что элементарная частица является носителем энергии, которую и назвали зарядом. Понятие же о положительной и отрицательной частицы ввёл Вениамин Франклин.

Таким образом, было установлено, что атом вещества состоит из трёх частиц:

• отрицательно заряженного электрона;
• имеющего положительный заряд протона;
• нейтральной частицы нейтрона.

В начале XX века американский физик Роберт Милликен опытным путём показал, что заряд дискретен, то есть для любого тела он составляет целое кратное и показывает количество электричества.

Сегодня под ним понимают скалярную физическую величину, определяющую возможности физического тела быть источником возникновения электромагнитных полей. Именно количество заряда и обеспечивает появление электромагнитного взаимодействия. Поэтому он не может существовать без носителя.

Свойства заряда

Для упрощения описания поля, возникающего вокруг заряженного тела или даже их системы, была введена идеализация — пробный точечный заряд. Простыми словами — это величина с размерами носителя, которым можно пренебречь. В абстрактном смысле заряд представляет собой генератор непрерывной симметрии изучаемой физической системы. По сути, это субстанция, которая «течёт» в физическом теле.

Для изучения взаимодействия заряженных частиц используют специальные приборы — электроскоп и электрометр. В состав первого входит металлический стержень, проходящий сквозь диэлектрическую пробку, с прикреплёнными к нему двумя тонкими металлическими лепестками (фольга). При взаимодействии тела со стержнем листки заряжаются и отклоняются друг от друга. Во втором же устройстве используется стрелка, которая может свободно вращаться на стержне. По её отклонениям судят о величине электрического заряда и его влиянии.

Из известных свойств заряженных частиц можно выделить следующие:

1. В природе есть как отрицательные, так и положительные заряды. При взаимодействии для разноимённых характерно появление силы притягивания, а одноимённых — отталкивания. Носителем наименьшего отрицательного заряда в физическом теле является электрон. Его величина составляет q = -1,6*10^-19 Кл, а масса m = 9,1*10^-31 кг. Положительный же переносят протоны. Значение их заряда аналогично электрону, но только с противоположным знаком, а масса больше m = 1,67*10^-27 кг.
2. Электрический заряд по природе дискретный. Это значит, что его значение в любом случае будет кратно величине электрона: q = N qe. При этом n — всегда целое число.
3. При создании определённых условий электрический заряд можно переместить из одного тела в другое.
4. В замкнутой системе действует закон сохранения энергии частиц. Экспериментально установлено, что появление положительно заряженной частицы сопровождается исчезновением отрицательной. Любого знака заряды при их равенстве и взаимодействии могут аннигилировать, то есть нейтрализовать друг друга.
5. За единицу заряда принимается величина, определяемая как количество прошедших частиц через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Эти свойства помогли лучше понять строение физических тел, дать определение таким параметрам, как ток и напряжение. А открытие того, что величина электричества не зависит от системы отсчёта, позволило вывести закон сохранения заряда.

Закон Кулона

Возможность взаимодействия зарядов между собой впервые подтвердил Кулон. Для этого он использовал крутильные весы собственного изобретения. На них было закреплено коромысло, подвешенное на шёлковую нить. К другому её концу через зажим крепилась стрелка микрометра. На одну чашу весов ложился шар, а на другую — противовес. Вся эта конструкция размещалась в сосуде, из которого был выкачан воздух. Через специальное отверстие в колбу можно было поместить другой шар.

В результате таких действий физик наблюдал, как при помещении шаров с разным зарядом происходило закручивание нити. Силу этого взаимодействия он определял по отклонению стрелки микрометра. Кроме этого, с помощью проводника Кулон замыкал оба тела и наблюдал распределение электрозарядов. Такое устройство позволяло измерять силы до 10^-11 ньютон.

Проведя ряд экспериментов, учёный установил, что сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между носителями и пропорциональна произведению их зарядов. То есть, чем большей энергией обладают носители и плотнее расположены друг к другу, тем сильнее они испытывают обоюдное влияние. В честь его работы величина энергии частицы стала измеряться в кулонах (Кл).

В математическом виде сила взаимодействия описывается выражением: F = k * (q1 * q2) / r². Где:

• q – величина энергии которой обладает элементарная частица;
• k – коэффициент;
• r – расстояние между зарядами.

Коэффициент является постоянной величиной, но зависит от выбора системы измерений. Так, для Гаусса его можно вычислить по формуле: K = (p * E0) / 4, где E0 – электрическая постоянная.

Кроме этого, с помощью закона Кулона возможно определить и силу, с которой взаимодействуют магнитные полюса. Находится она из выражения: F = f * (m 1 * m 2 / μ * r²). Эта формула похожа на предыдущую, только в ней стоит магнитная проницаемость среды – μ.

Решение задач

Электростатика – эта наука, занимающаяся изучением и нахождением сил, возникающих при взаимодействии заряженных частиц между собой в состоянии покоя. При помощи закона Кулона проводить постоянные измерения для этого не нужно, достаточно использовать полученные им закономерности.

Например, с помощью математики и знания нужных формул можно решать следующие виды задач:

1. Определить, с какой силой будут действовать друг на друга электроны, несущие заряд 10-8 кулон каждый, если расстояние между ними составляет три сантиметра. Это задача одноходовая, то есть решается по одной формуле: F = k * (q 1 * q 2 / r ²). Следует обратить внимание, что расстояние дано в сантиметрах, а подставлять его нужно согласно СИ в метрах. После подстановки и выполнения вычислений ответ должен получиться следующим: F = 9 * 10⁹ * (H * m ² / Кл²) * (10 ^-8)² (Кл) / (3 * 10^-2)² (м) = 10^-3 Н.
2. Найти, во сколько раз электроотталкивание между двумя электронами будет больше их силы притяжения. Для решения этой задачи понадобится взять данные о массе частицы и величине её заряда из справочника. Затем по закону Кулона рассчитать силу электрического взаимодействия, а по закону всемирного тяготения — гравитационную и найти соотношение полученных результатов. Так, F 1 = (k * q 1 * q 2) / r ² = k * (e)² / r ², а F 2 = G * (m 1 * m 2) / r ² = G * m / r ². Отсюда F 1 / F 2 = 9 * 10⁹ * 1,6 * 10^-19 / 6,67 * 10^-11 * (9,1 * 10^-31)² = 4, 23 * 10⁴².
3. Заряженные частицы находятся друг от друга на расстоянии семь миллиметров. Вычислить силу, действующую на заряд 2 нКл расположенный в точке, удалённой на три миллиметра от заряда в 10 нКл и на четыре от 16 нКл. Равнодействующую возникших сил можно определить так: F = F1 – F2, где: F1 – взаимодействие c третьим первого заряда, а F2 — второго. Таким образом, рабочая формула примет вид: F = k * (q 1 * q 3) / r 1² – k * (q1 * q3) / r 2² = k * q 3 * (q 1/ r 1² – q 2/ r 2²). После подстановки данных в ответе должна получиться сила, равная: F = 2 * 10^-3 Н.

Нужно обратить внимание, что при подстановке исходных данных в формулы нужно обязательно придерживаться СИ. Это важно, тем более что с помощью размерностей можно проверить правильность используемого или полученного выражения. А также при решении задач часто приходится прибегать к использованию справочника по электрофизике. Другие сложности при знании формул возникнуть не должны.