Предел делимости и опыты с электрическим зарядом

Многочисленные эксперименты, проведённые разными учёными, показали, что физические тела могут быть источниками электромагнитного поля. Причём между ними возникает сила, заставляющая их друг от друга притягиваться или отталкиваться. Объяснить это явление стало возможным после открытия электрического заряда. Его делимость — важное свойство, позволяющее вычислить наименьшую величину энергии частицы.

Оглавление:

• Общие свойства
• Элементарная частица
• Опыты Иоффе и Милликена
• Делимость заряда

Общие свойства

Ещё в Древней Греции философы заметили способность некоторых предметов притягивать к себе тела. Проявлялся этот эффект после их натирания кусочком шерсти. Особо ярко явление можно было обнаружить при трении янтаря. Объяснить природу такого взаимодействия в древние времена не могли. Лишь в XIX веке английский учёный Уильям Гилберт Грейс, занявшись изучением поведения тел, ввёл в обиход такие понятия как «электричество» и «магнетизм».

Предметы, способные взаимодействовать между собой, называли наэлектризованными. В 1729 году член Парижской Академии наук Шарль Франсуа Дюфе смог систематизировать известные сведения по эффектам и, проведя эксперимент, открыл существование двух типов электричества. В 1733 году он смог наблюдать, как тело сначала притягивало к себе другое, а потом его отталкивало.

Дюфе выяснил, что наэлектризованные тела притягивают не наэлектризованные, но при этом 2 заряженных тела не всегда способны отталкиваться. Один род электричества он назвал стеклянным, а другой — смоляным. Как оказалось, различие этих двух видов заключалось в их способности притягивать вещества того же рода и отталкивать другого.

В своё время исследованием электричества занимались такие учёные, как Фарадей, Эдисон, Максвелл, Гальвани, Ампер, Франклин. Их работы позволили прийти к выводу, что в природе существует нечто, вызывающие взаимодействие тел, отличное от гравитационных сил. Описать это явление было решено с помощью скалярной физической величины, названной зарядом. Впервые этот слово применил Кулон в 1785 году.

Но за 40 лет до этого Бенджамин Франклин по аналогии с математикой условно разделил электричество на 2 типа:

• отрицательное;
• положительное.

Опыты, проводимые с помощью электроскопа и электромера, позволили не только определять знак заряда того или иного тела, но и вычислять его значение.

Кулон смог открыть закон взаимодействия. Согласно ему, появляющаяся сила между заряженными телами пропорциональна произведению абсолютных величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Причём электрический заряд можно делить, но только лишь на кратное число до достижения минимума его значения.

Элементарная частица

Заряд — это физическая величина, характеризующая способность тел принимать участие в электромагнитном взаимодействии. В СИ в качестве единицы его измерения принят кулон [Кл]. По сути, он показывает, какое количество зарядов проходит через поперечное сечение материала за единицу времени. Один Кулон — это большая величина. Если расположить 2 заряда, равные ему по значению, между ними бы возникла сила взаимодействия в 9 * 10⁹ Ньютона.

Так как заряд — это характеристика, то должна физически существовать частица, обладающая им. Изучение строения тела показали, что материалы состоят из атомов или молекул. В свою очередь, их формируют элементарные частицы. Так, вокруг атома по орбиталям вращается электрон. Условно его принято считать отрицательно заряженным.

В состоянии равновесия, когда на тело не воздействуют сторонние силы, количество электронов и положительно заряженных частиц (протонов) одинаково. Но если приложить силу, то может возникнуть явление, названное электризацией. Связанно оно с переносом электрического заряда.

С точки зрения физики, происходит следующее. При трении — самый простой способ взаимодействия — электроны из-за слабости их связей с атомами могут отделиться от ядра и перейти на другое тело. В результате один материал получит их избыточное количество, а другой начнёт испытывать в них недостаток. Если эти тела соединить снова вместе, произойдёт уравнивание. Электроны вновь распределятся по материалам, и они снова окажутся незаряженными.

Установлено, что тип взаимодействия определяется именно числом избыточных электронов. Так оно может быть следующего вида:

• отталкивающим — взаимодействуют 2 тела, имеющие одинаковый по знаку избыточный заряд;
• притягивающим — при воздействии тел, заряженных равноимённо.

Сообщение того или иного знака телу зависит от его внутреннего строения. После открытия элементарных частиц физикам было важно узнать, какой заряд имеет электрон и можно ли его изменять. Этим и занялись двое учёных в XX веке, проводя эксперименты независимо друг от друга по нахождению минимальной величины. Но перед этим Майклом Фарадеем было опытным путём установлен закон сохранения электрического заряда. Согласно ему, если система электрически изолирована, алгебраическая сумма элементов всегда остаётся неизменной.

Опыты Иоффе и Милликена

Впервые наблюдение за одиночным электроном выполнил Абрам Фёдорович Иоффе. В закрытый сосуд учёный поместил 2 пластины п-образной формы. Расположил он их в горизонтальной плоскости. Между пластинок Иоффе помещал пылинки, на которые воздействовал ультрафиолетом, а затем наблюдал за их поведением через микроскоп.

При помещении пылинки в сосуд начиналось её падение под действием силы тяжести. Если же при этом изменялся знак заряда на пластинах, её движение можно было ускорить или замедлить. Например, пылинка обладает отрицательным знаком. Тогда при заряде нижней плоскости минусом, а верхней плюсом падение можно остановить.

Возникшая электрическая сила будет совпадать с количеством заряда при уравновешивании пылинки. Уменьшая её с помощью ультрафиолета, Иоффе отметил, что для поддержания тела в состоянии равновесия приходилось увеличивать электромагнитное поле в целое число раз. Он сделал вывод, что существует элементарное минимальное значение заряда, кратно которому изменяется заряженность материала.

Другими словами, удалось установить факт порционного деления, но вот вычислить значение минимального заряда электрона физик не сумел. Всё дело в том, что пылинка имела неправильную форму, поэтому определить её коэффициент сопротивления и плотность было невозможно. Но то, что не удалось советскому учёному, сделал американский.

Ничего не зная об эксперименте Иоффе, Робер Милликен исследовал капли масла. Его установка была похожей. Суть опыта заключалась в изучении маслянистой капли, наэлектризованной трением об воздух с захватом ионов ионизированным излучением. Физик рассуждал, что при падении капли установится постоянная скорость. Определить её можно из равновесия силы Архимеда, вязкости и трения.

Если в сосуде создать направленное электромагнитное поле, масло, пройдя через специальную распыляющую камеру, попадёт в пространство. До того как капля достигнет пола пластинки, физик создавал разницу потенциалов. Возникшее напряжение останавливало каплю и начинало притягивать её к верхней плоскости. Затем он определял скорость подъёма капли вверх.

Повторив многократно эксперимент, Милликен смог посчитать, что заряд составляет 1,6 * 10^-19 Кл. Причём это значение могло увеличиваться кратно целым числам, а уменьшаться уже нет.

Минимально возможная величина и была присвоена электрону, то есть наименьшей известной на то время частице, умеющей нести отрицательным зарядом.

Делимость заряда

Ещё в 1752 году Франклин высказал предположение о кратности электрического заряда. Подтверждены эти догадки были экспериментом Милликена. Способность существовать элементарного заряда только в определённых пропорциональных величинах назвали квантованием. Почему это происходит неизвестно, но существует ряд открытий, приближающих к пониманию явления:

1. Так как в природе есть магнитный монополь, то, в соответствии с квантовой механикой, магнитный заряд находится в строгом соотношении с электрическим. Значит, существование всего даже единственного магнитного монополя приведёт к квантованию всех электрозарядов во Вселенной.
2. В физике частиц исследуются модели, называемые преонными. В них все известные фундаментальные микрочастицы оказываются простейшими комбинациями новых, поэтому квантование явление само по себе разумеющееся, так как возникает «по построению».
3. По мнению Бильсона-Томпсона, величина электрозаряда частиц должна находиться из числа фундаментальных параметров, зависящих от структуры пространства-времени на сверхмалых расстояниях. В их модели существуют 3 пространственно-временные ленты, а электрический заряд представляет собой перекрученную на 180° четвёртую. Но несмотря на изящество такой модели, конкретных результатов в этом направлении пока не получено.

Заряд без носителя существовать не может. Для его переноса необходима частица. Сегодня элементарная физика знает и о существовании античастиц. Это двойники носителей, отличающиеся от них знаками. Например, для электрона это позитрон. Кроме этого, есть фундаментальные частицы — кварки и лептоны. Первые обладают зарядом, кратным 1/3 значения от электрона, вторые же не участвуют в сильном взаимодействии.

Таким образом, делимость электрического заряда электрона — это факт. При этом с открытием кварков в настоящее время стало понятно, что элементарные частицы могут обладать дробным значением от элементарного. Но такого класса вещества не могут существовать в свободном состоянии. Самое простое устройство, с помощью которого можно оценить количественно заряд, называется электромер. Современные приборы — вольтметры. Это измерители с довольно высоким входным сопротивлением оценивающий разность потенциалов.