Закон сохранения электрического заряда

Электрический заряд и электрическое поле.

Электромагнитные явления в природе и технике

Лекция 1

ПО ЭЛЕКТРОДИНАМИКЕ

ЛЕКЦИИ

М.И Старовиков

Учебное пособие

Электромагнитное взаимодействие является одним из четырех видов фундаментальных взаимодействий (наряду с гравитационным, ядерным и слабым). Нельзя сказать, какое из видов фундаментальных взаимодействий важнее. Все они в равной степени определяют облик физического мира. Тем не менее, в обыденной жизни мы, пожалуй, чаще всего сталкиваемся с проявлением именно электромагнитных взаимодействий. Так, силы трения и силы упругости имеют электромагнитное происхождение. Агрегатное состояние вещества, т.е. его существование в виде газа, жидкости или твердого тела определяется характером электромагнитного взаимодействия между атомами и молекулами. Эти же силы обуславливают протекание химических реакций. Благодаря переносу энергии от Солнца в виде электромагнитных волн поддерживается жизнь на Земле. Электромагнитные излучения разной частоты находят широкое применение в технике, например, в связи. Электрическая энергия лежит в основе всей промышленности и транспорта, а также сферы информационных технологий. Широкое применение электрическая энергия находит в быту.

Электродинамика – раздел физики, изучающий взаимодействие электрически заряженных тел (или частиц) и особый вид материи, порождаемый этими телами – электромагнитное поле.

Электростатика – раздел электродинамики, изучающий взаимодействие неподвижных заряженных тел. Электрическое поле, осуществляющее это взаимодействие, называется электростатическим.

В природе имеется два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Положительными принято называть заряды, подобные тем, которые возникают на стекле при его натирании шелком; отрицательными – заряды, подобные тем, которые возникают на янтаре при его натирании мехом. (Слово «электрон» по-гречески означает «янтарь»). Понятие электрического заряда является первичным, оно не определяется через более простые понятия. Определить данное понятие можно только перечислением свойств того материального объекта, обозначением которого оно служит. Основное свойство электрических зарядов состоит в том, что заряды одного знака отталкиваются друг от друга, заряды разных знаков – притягиваются, рис.1.1.

Электрические заряды атомистичны (дискретны). Это означает, что в природе существует мельчайший, далее не делимый заряд, получивший название элементарного. Величина элементарного заряда по абсолютной величине в СИ: . Носителем положительного элементарного заряда является, например, протон – элементарная частица, входящая в состав ядра атома и имеющая заряд +е. Носителем отрицательного элементарного заряда является, например, электрон.

Заряд макроскопических тел q образуется совокупностью элементарных зарядов и поэтому кратен величине элементарного заряда: q = Ne, где N — целое число. Таким образом, электрический заряд квантуется (если физическая величина может принимать только определенные дискретные значения, то говорят, что эта величина квантуется). Экспериментально установлено, что величина заряда не зависит от скорости, следовательно, электрический заряд является релятивистски инвариантным.

Следует также отметить, что согласно современным представлениям, так называемые сильновзаимодействующие частицы – адроны (мезоны и барионы) построены из кварков – особых частиц, несущих дробный заряд (2/3 или 1/3 элементарного заряда). Мезоны состоят из двух кварков, барионы – из трех. Но в свободном состоянии кварки не наблюдаются. Это позволяет считать, что элементарным зарядом в природе является все же целочисленный заряд е, а не дробный заряд кварков.

Как известно, все вещества состоят из атомов, а атом, в свою очередь, состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. В целом атом электронейтрален, т. к. число протонов, несущих положительный заряд q₊=+ze (где z — порядковый номер элемента в таблице Менделеева), равно числу электронов, несущих отрицательный заряд q_- = -ze.

Для проведения опытов с электрическими зарядами используют различные способы их получения. Самый простой и самый древний способ – натирание одних тел другими. При этом само по себе трение здесь не играет принципиальной роли. Электрические заряды всегда возникают при плотном контакте поверхностей соприкасающихся тел. Трение (притирание) лишь способствует их плотному прилеганию друг к другу, при котором создаются благоприятные условия для перехода зарядов от одного тела к другому.

Другой способ получения электрических зарядов основан на использовании явления электростатической индукции. Суть его иллюстрируется рис.1.2. Поднесем к незаряженному металлическому телу (не касаясь его) другое тело, заряженное, скажем, положительно. Благодаря смещению некоторой доли имеющихся в металле свободных отрицательно заряженных электронов, левая половина исходного тела приобретет избыточный отрицательный заряд, а правая – такой же по величине, но противоположный по знаку положительный заряд. Если теперь в присутствии внешнего заряженного тела развести обе половины в разные стороны и затем удалить заряженное тело, то каждая из них окажется заряженной. В результате мы получим два тела, заряженных равными по величине и противоположными по знаку зарядами.

Проделанный опыт демонстрирует закон сохранения электрического заряда, согласно которому алгебраическая сумма зарядов q_i в электрически изолированной системе остается постоянной:

Система называется электрически изолированной, если через ограничивающую ее реальную или воображаемую поверхность не осуществляется перенос зарядов. В рассмотренном случае полный заряд тела до и после опыта не изменился, он остался равным нулю:

Закон сохранения электрического заряда – один из фундаментальных законов физики. Его опытным путем установил Фарадей.

Дата добавления: 2014-01-07