Элементарный заряд. Закон сохранения электрического заряда

Электричество

Лекция №8

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

История открытия. Элементарный заряд. Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Электрическое поле. Электрический диполь. Принцип суперпозиции. Теорема Гаусса. Электрический потенциал. Энергия электрического поля. Конденсатор.

Электричество играет исключительно важную роль в природе. Атомы, из которых состоят все виды вещества – это положительно заряженные ядра, окруженные вращающимися вокруг них отрицательно заряженными электронами. Молекулы – это сложные структуры, состоящие из атомов, между которыми существуют различные виды межатомных и межмолекулярных связей. Существование атомов и молекул возможно благодаря электромагнитных взаимодействий[1]. Этот вид взаимодействия лежит в основе строения окружающего нас вещества.

Свойство натертого о шерсть янтаря притягивать к себе различные легкие предметы (пылинки, пух, волос) было отмечено еще в VI веке до нашей эры древнегреческим философом Фалесом из Милета. В Средневековье были распространены фокусы с янтарными палочками. Изучение электричества начал английский физик У.Гильберт (1540 – 1603), который одновременно был врачом английской королевы Елизаветы. Вещества, обладающие свойством притягивать предметы, он назвал электрическими.

Научный термин «электричество» происходит от греческого названия янтаря – «электрон». Свойством притягивать к себе легкие вещества или пыль обладают различные вещества (стекло, сера, смола и др.). Это явление получило название статического электричества.

Французский естествоиспытатель Ш.Дюфе (1698 -1739) установил, что одни вещества притягиваются между собой, а другие отталкиваются. Это свойство он называл «смоляным» и «стеклянным» электричеством. Позднее Б. Франклином[2] было предложено различные заряды называть положительными и отрицательными. В этом случае предметы отталкиваются, когда на них располагаются одноименные заряды, и притягиваются, когда заряды имеют разный знак. Заряд возникает, например, на стекле, потертом кожей, или на янтаре, потертом шерстью. Иногда при прикосновении к предметам мы испытываем небольшой электрический удар. Например, прикасаясь к ручке автомобиля, или снимая шелковую одежду (при этом в темноте мы можем заметить проскакивающую искру), или же расчесывая волосы. Во всех случаях объект приобретает электрический заряд, благодаря трению, то есть происходит электризация трением.

Физически возникновение зарядов в пластмассовой линейке, кусочках салфетки происходит из-за того, что электроны удерживаются на поверхности салфетки слабее, чем, например, на поверхности пластмассовой линейки. Поэтому при трении часть электронов с салфетки переходит на линейку. Это приводит к нарушению равенства между числом отрицательных и положительных зарядов на предмете. Разницу между числом отрицательных и положительных зарядов на предмете стали называть электрическим зарядом. Знак заряда на предмете определяется тем фактом, каких зарядов больше положительных или отрицательных. Более точная формулировка понятия электрического заряда выглядит так.

Электрическим зарядом называется физическая величина, характеризующая свойство тел или частиц вступать в электромагнитные взаимодействия и определяющая значения сил, возникающих при таких взаимодействиях.

Существование двух видов электрических зарядов подтверждают следующие опыты. Например, два наэлектризованных предмета одного типа (пластмассовые линейки или стеклянные палочки) будут при их сближении отталкиваться. Предметы, состоящие из веществ разного типа (например, стекло и пластмасса) будут притягиваться. По-видимому, в первом случае они заряжены электрическими зарядами одного типа, а во - втором, разного типа. Таким образом, можно сделать заключение о существовании двух типов зарядов. Причем одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. При возникновении заряда одного типа в одном теле такой же заряд, но противоположного знака возникает в другом теле. При их соприкосновении заряженность каждого из тел исчезает.

Если тело содержит в себе одного заряда больше, чем другого, то оно называется заряженным. Если в теле одинаковое число положительных и отрицательных зарядов, и они распределены равномерно по его объему, то оно считается электрически нейтральным.

Д.Д.Томсоном[3] была открыта первая элементарная частиц носитель единицы дискретного заряда – электрон. Таким образом, был установлен удивительный факт дискретности электрического заряда. Электрический заряд электрона получил название элементарного электрического заряда, который составил Кл[4]. Позднее было установлено, что такой же заряд, но другого знака, носит вторая элементарная частица, открытая Э.Резерфордом, протон.

Электрический заряд любого заряженного тела равен целому числу элементарных зарядов. В электрически нейтральном (незаряженном) теле содержится равное число элементарных зарядов противоположного знака.

Б.Франклином был сформулирован закон сохранения заряда:

Суммарный электрический заряд, образующийся в результате любого процесса, равен нулю, или в замкнутой системе [5] взаимодействующих тел алгебраическая сумма зарядов остается постоянной:

, (8.1.1.)

где и - заряды, кратные единичному элементарному заряду, в замкнутой системе до и после взаимодействия, i=1…N, j=1…M.

Закон сохранения заряда, как и другие законы сохранения (импульса, энергии, момента импульса) является фундаментальным законом физики.

Физики экспериментально проверяют справедливость законов сохранения, причем совершенные современные методики экспериментов позволяют повысить точность проверки законов и расширить область их применения. Это важно, поскольку все современные теоретические представления и действующие на их основе приборы и технические устройства основаны на точном выполнении законов сохранения. Точность, с которой в настоящее время измерено выполнение закона сохранения заряда, составляет 10^-20.

Если заряженный металлический предмет соединить металлической проволокой с другим металлическим предметом, то последний тоже станет заряженным. Вещества, проводящие заряд или электричество при соприкосновении с ними (железо, медь, золото и др.), называют проводниками, а вещества, не проводящие заряд (стекло, эбонит и др.) – называют непроводниками или изоляторами. В проводниках в обычном состоянии присутствуют свободные заряды (электроны), а в изоляторах свободных зарядов нет. Как видно на (рис.8.1), если коснуться заряженного предмета проводником, то он тоже зарядится. Если к проводнику прикоснуться изолятором, то на нем не окажется никакого заряда.

Рис.8.1. Передача заряда между проводниками.

Изоляторы при очень больших зарядах также могут стать проводниками. В этих случаях электроны срываются с атомных орбит и становятся свободными. Кроме того, например, когда пучок электронов попадает на поверхность изолятора, заряды могут скапливаться и перемещаться по ней.

Существуют также вещества, при обычных условиях являющиеся изоляторами, (например, кремний, германий, углерод и др.), которые начинают вести себя как проводники при определенных условиях. Их называют полупроводниками. В полупроводниках свободные заряды возникают при воздействии внешних факторов (возрастания температуры, освещении светом, повышение приложенного к нему напряжения и других) или при контакте разных видов материалов. Если, концам таких проводников приложить напряжение, то в зависимости от его величины и знака, проводник может проводить ток или запереться и не проводить ток.

Дата добавления: 2014-01-07