Электрический заряд

Электрический заряд
q, Q
Размерность	TI
Единицы измерения
СИ	кулон
СГСЭ	статкулон (франклин)
СГСМ	абкулон
Другие единицы	ампер-час, фарадей, элементарный заряд

Майкл Фарадей за опытами в своей лаборатории

Электри́ческий заря́д — фундаментальное свойство материи, характеризующее её способность к электромагнитным взаимодействиям. Это физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий заряженных частиц и тел, является источником электромагнитного поля и количественной мерой электрических свойств тел и элементарных частиц.

История

В VI веке до н. э. Фалес Милетский зафиксировал способность натёртого янтаря притягивать лёгкие объекты. Это наблюдение положило начало изучению электрических явлений. Термин «электрон», обозначающий элементарную частицу, этимологически связан с греческим названием янтаря.

Уильям Гилберт в 1600 году внёс значительный вклад в систематизацию знаний об электричестве. Он ввёл термин «электрический» и опубликовал трактат «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле», ставший основополагающим трудом в данной области.

Важным этапом стало открытие явления электропроводности Стивеном Греем в 1729 году. Он впервые классифицировал материалы на проводники и изоляторы, что имело огромное значение для дальнейшего развития электротехники.

Шарль Дюфе в 1733 году выдвинул гипотезу о существовании двух типов электричества, которые он назвал «стеклянным» и «смоляным». Эта концепция предвосхитила современное понимание положительных и отрицательных зарядов.

Создание лейденской банки в 1745—1746 годах Питером ван Мушенбруком и Эвальдом Юргеном фон Клейстом ознаменовало появление первого устройства для накопления электрического заряда. Это изобретение значительно расширило возможности экспериментальных исследований в области электричества.

Бенджамин Франклин в 1752 году провёл знаменитый эксперимент с воздушным змеем, доказавший электрическую природу молнии. Он также ввёл концепцию положительного и отрицательного электричества, которая используется в современной физике.

Шарль Кулон сформулировал в 1785 году фундаментальный закон взаимодействия электрических зарядов, известный как закон Кулона. Это открытие заложило основы электростатики и позволило количественно описывать электрические явления.

Конец XVIII века ознаменовался двумя значимыми открытиями: в 1791 году Луиджи Гальвани обнаружил «животное электричество», наблюдая сокращения мышц лягушки под воздействием электрического тока, а в 1800 году Алессандро Вольта создал первый химический источник постоянного тока — «вольтов столб».

Ханс Кристиан Эрстед в 1820 году экспериментально установил связь между электричеством и магнетизмом, наблюдая отклонение магнитной стрелки вблизи проводника с током.

Майкл Фарадей в 1833 году сформулировал законы электролиза, установив количественную связь между химическими и электрическими явлениями. Его работы способствовали интеграции различных областей физики и химии.

Открытие электрона Джозефом Джоном Томсоном в 1897 году стало поворотным моментом в понимании природы электричества. Электрон был идентифицирован как первая известная элементарная частица и носитель элементарного отрицательного заряда.

В начале XX века Роберт Милликен экспериментально определил заряд электрона в опыте с масляными каплями (1909 год), а Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома (1911 год), объяснившую распределение положительного и отрицательного зарядов в атомной структуре.

Завершающим этапом в рассматриваемой хронологии стало предложение кварковой модели Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом в 1964 году. Эта теория объяснила структуру протонов и нейтронов и ввела концепцию дробных электрических зарядов, открыв новые перспективы в физике элементарных частиц.

Электростатика

Бенджамин Франклин проводит свой знаменитый опыт с летающим змеем, в котором доказывает, что молния — это электричество.

Электростатика — раздел физики, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов и их полей. Ключевые аспекты электростатики включают:

• основные понятия:
  • электрическое поле — область пространства, в которой проявляются электрические силы;
  • напряжённость электрического поля — векторная величина, характеризующая силу действия поля на единичный положительный заряд;
  • потенциал электрического поля — скалярная величина, характеризующая энергию заряда в поле;
• закон Кулона — два точечных электрических заряда взаимодействуют с силой, пропорциональной величине произведения зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними $F=k{\frac {(q_{1}q_{2})}{r^{2}}}$, где $F$ — сила взаимодействия между зарядами, $k$ — электрическая постоянная, $q_{1}$и $q_{2}$ — величины зарядов, $r$ — расстояние между ними.

• принцип суперпозиции электрических полей: напряжённость результирующего поля равна векторной сумме напряжённостей полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности;
• теорема Гаусса: поток вектора напряжённости электрического поля через замкнутую поверхность пропорционален алгебраической сумме зарядов, заключённых внутри этой поверхности;
• электростатическая индукция: явление перераспределения зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля;
• электрическая ёмкость: способность проводника накапливать электрический заряд $C=Q/U$, где $C$ — ёмкость, $Q$ — заряд, $U$ — напряжение;
• диэлектрики в электрическом поле:
  • поляризация диэлектриков — смещение связанных зарядов под действием внешнего поля;
  • диэлектрическая проницаемость — характеристика способности вещества поляризоваться;
• Энергия электростатического поля: $W={\frac {\varepsilon E^{2}V}{2}}$, где $W$ — энергия, $\xi$ — диэлектрическая проницаемость среды, $\mathrm {E}$ — напряжённость поля, $V$ — объём.

Практическое применение электростатики:

• электростатические фильтры: производится очистка воздуха и газов от мелких частиц в промышленности и бытовых приборах;
• электростатическая окраска: нанесение краски на поверхности в автомобильной и мебельной промышленности;
• копировальные аппараты и лазерные принтеры; использование электростатического притяжения для переноса тонера на бумагу;
• электростатическая защита: предотвращение повреждения электронных компонентов статическим электричеством;
• электростатические ускорители: устройства для ускорения заряженных частиц в научных исследованиях;
• электростатические генераторы: устройства для получения высокого напряжения, например, генератор Ван де Граафа;
• электростатические двигатели: преобразование электрической энергии в механическую с использованием электростатических сил.

Взаимодействие зарядов

Взаимодействие электрических зарядов лежит в основе многих физических явлений и технологических процессов. Ключевые аспекты этого взаимодействия включают:

• типы взаимодействий:
  • притяжение — между разноимёнными зарядами;
  • отталкивание — между одноимёнными зарядами;
• закон Кулона в вакууме: $F=k{\frac {\mid q_{1}\times q_{2}\mid }{r^{2}}}$, где $k={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\approx 9\times 10^{9}\,{\frac {{\text{Н}}\times {\text{м}}^{2}}{{\text{Кл}}^{2}}}$ — электрическая постоянная сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами;
• взаимодействие в среде: $F=k{\frac {\mid q_{1}\times q_{2}\mid }{\varepsilon r^{2}}}$, где $\varepsilon$ — диэлектрическая проницаемость среды;
• принцип суперпозиции: результирующая сила, действующая на заряд в присутствии нескольких других зарядов, равна векторной сумме сил, действующих от каждого заряда в отдельности;
• электрическое поле:
  • характеризуется напряжённостью $E={\frac {F}{q}}$;
  • силовые линии — воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряжённости;
• потенциальная энергия взаимодействия: $U=k{\frac {q_{1}q_{2}}{r}}$ — работа по перемещению заряда в электрическом поле равна изменению его потенциальной энергии;
• электрический потенциал: $\varphi ={\frac {U}{q}}$ — характеризует энергию единичного заряда в данной точке поля;
• проводники в электрическом поле:
  • свободные заряды перераспределяются по поверхности проводника. Внутри проводника электрическое поле отсутствует (эффект электростатического экранирования);
• диэлектрики в электрическом поле:
  • происходит поляризация — смещение связанных зарядов;
  • ослабление внешнего поля внутри диэлектрика;
• квантовые аспекты:
  • обменное взаимодействие — квантовомеханический эффект, влияющий на взаимодействие тождественных частиц;
  • виртуальные фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия в квантовой электродинамике.

Закон сохранения электрического разряда

Взаимодействие электрически заряженных тел: одноимённо заряженные тела отталкиваются, разноимённо — притягиваются друг к другу

Закон сохранения электрического заряда — фундаментальный закон природы, устанавливающий неизменность суммарного электрического заряда замкнутой системы во времени. Ключевые аспекты этого закона включают:

• Формулировка закона:
  • Алгебраическая сумма зарядов электрически изолированной системы остаётся постоянной при любых процессах, происходящих внутри системы.
  • Математически: $\sum {Q}={const}$, где ${Q}$ — суммарный заряд системы.
• Физический смысл:
  • Электрические заряды не могут возникать или исчезать, они могут только перераспределяться или преобразовываться.
  • Закон выполняется для любых известных взаимодействий и процессов.
• Следствия закона:
  • При электризации тел общее количество заряда не меняется, происходит лишь его перераспределение.
  • В химических реакциях суммарный заряд реагентов равен суммарному заряду продуктов. При рождении или аннигиляции частиц суммарный заряд сохраняется.
• Проявления в физических процессах:
  • Электрический ток: количество заряда, проходящее через любое сечение проводника, одинаково.
  • Радиоактивный распад: суммарный заряд продуктов распада равен заряду исходного ядра.
  • Элементарные частицы: при взаимодействии частиц суммарный заряд до и после взаимодействия сохраняется.
• Роль в современной физике:
  • Закон сохранения заряда связан с калибровочной инвариантностью электромагнитного поля (теорема Нётер).
  • Является одним из ключевых принципов квантовой электродинамики.
  • Используется при анализе процессов в физике элементарных частиц и ядерной физике.
• Экспериментальные подтверждения:
  • Опыты Фарадея с электролизом: количество выделившегося вещества пропорционально прошедшему заряду.
  • Эксперименты по поиску распада протона: отсутствие наблюдаемого распада подтверждает сохранение заряда.
  • Высокоточные измерения нейтральности атомов и молекул.
• Применение в технике:
  • Расчёт электрических цепей: баланс зарядов в узлах (первый закон Кирхгофа).
  • Проектирование аккумуляторов: учёт сохранения заряда при зарядке и разрядке.
  • Анализ работы ускорителей частиц: сохранение заряда в пучках частиц.
• Ограничения и обобщения:
  • Закон выполняется с высочайшей точностью (отклонения не обнаружены).
  • В квантовой теории поля рассматривается локальное сохранение заряда.
  • Обобщение на другие типы зарядов: цветовой заряд в квантовой хромодинамике.

Свободные носители заряда

Свободные носители заряда — это заряженные частицы, способные свободно перемещаться внутри материала под действием электрического поля. Они играют ключевую роль в электропроводности веществ и определяют многие электрические свойства материалов.

Типы свободных носителей заряда:

• Электроны — в металлах и полупроводниках.
• Дырки — в полупроводниках.
• Ионы — в электролитах и ионизированных газах.

Характеристики свободных носителей:

• Концентрация — число носителей в единице объёма.
• Подвижность — скорость дрейфа в единичном электрическом поле.
• Время релаксации — среднее время между столкновениями.

Свободные носители в различных материалах:

• Металлы:
  • Электроны проводимости образуют «электронный газ».
  • Высокая концентрация: порядка 1022—1023 см-3 • Подвижность: 10-100 см2/(В·с).
  • Определяют высокую электропроводность металлов.
• Полупроводники:
  • Электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне.
  • Концентрация зависит от температуры и легирования.
  • Подвижность электронов выше, чем дырок.
  • В собственных полупроводниках концентрации электронов и дырок равны.
• Электролиты:
  • Положительные и отрицательные ионы в растворе.
  • Концентрация зависит от степени диссоциации.
  • Подвижность ионов ниже, чем электронов в металлах.
  • Электропроводность зависит от концентрации раствора.

Влияние внешних факторов

• Температура:
  • Повышение увеличивает концентрацию носителей в полупроводниках.
  • В металлах снижает подвижность из-за усиления рассеяния на фононах.
• Магнитное поле:
  • Вызывает отклонение траектории носителей (эффект Холла).
  • Используется для определения типа и концентрации носителей.
• Электрическое поле:
  • Сильные поля могут вызывать ударную ионизацию и лавинный пробой.

Измерение

Исторические методы измерения

1. Электроскоп:
   1. Простейший прибор для обнаружения электрического заряда.
   2. Принцип действия основан на отталкивании одноимённых зарядов.
   3. Позволяет определить знак заряда, но не его величину.
2. Крутильные весы Кулона:
   1. Использовались для установления закона Кулона.
   2. Измеряли силу взаимодействия между заряженными телами.
   3. Позволили количественно оценить зависимость силы от расстояния и величины зарядов.

Современные методы измерения

1. Электрометры:
   1. Высокочувствительные приборы для измерения малых зарядов и токов.
   2. Принцип действия основан на измерении потенциала заряженного тела.
   3. Применяются в научных исследованиях и радиационном контроле.
2. Баллистический гальванометр:
   1. Измеряет кратковременные импульсы тока.
   2. Используется для определения заряда, прошедшего через проводник.
3. Метод Милликена (опыт с масляными каплями):
   1. Позволил точно измерить заряд электрона.
   2. Основан на уравновешивании силы тяжести и электрической силы, действующей на заряженную каплю масла.
   3. Продемонстрировал дискретность электрического заряда.
4. Сцинтилляционные счётчики:
   1. Используются для регистрации заряженных частиц.
   2. Принцип действия основан на вспышках света при прохождении частиц через сцинтиллятор.
   3. Применяются в ядерной физике и медицине.
5. Полупроводниковые детекторы:
   1. Высокоточные приборы для измерения энергии и заряда частиц.
   2. Основаны на ионизации полупроводника заряженной частицей.
   3. Широко используются в физике высоких энергий и космических исследованиях.
6. Кулонометры:
   1. Измеряют количество электричества, прошедшее через электролит.
   2. Применяются в электрохимии и аналитической химии.
7. Одноэлектронные транзисторы:
   1. Позволяют регистрировать перемещение отдельных электронов.
   2. Используются в нанотехнологиях и квантовых вычислениях.

Специальные методы измерения

1. Измерение заряда в физике элементарных частиц:
   1. Использование трековых детекторов в магнитном поле.
   2. Анализ кривизны треков для определения заряда и импульса частиц.
2. Атомно-силовая микроскопия с регистрацией заряда:
   1. Позволяет измерять распределение заряда на поверхности с нанометровым разрешением.
   2. Применяется в исследованиях наноматериалов и биологических объектов.
3. Электрометрия в космических исследованиях:
   1. Измерение зарядов космических тел и плазмы.
   2. Используется для изучения атмосферного электричества и солнечно-земных связей.

Ссылки

• Потенциал электрического поля
• Генератор Ван де Граафа
• Принцип суперпозиции
• Радиоактивный заряд
• Эффект Холла
• Крутильные весы Кулона
• Метод Милликена
• Атомно-силовая микроскопия