Сохранение электрического заряда

Электрический заряд

Электрический заряд

q, Q

Размерность

T I

Единицы измерения

СИ

кулон

СГСЭ

статкулон (франклин)

СГСМ

абкулон

Другие единицы

ампер-час, фарадей, элементарный заряд

Примечания

скалярная величина, Квантуется

Классическая электродинамика

Электричество · Магнетизм

Ковариантная формулировка

См. также: Портал:Физика

Электри́ческий заря́д (коли́чество электри́чества) — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году.

Единица измерения заряда в Международной системе единиц (СИ) — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника с током 1 А за время 1 с. Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда (q1 = q2 = 1 Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9⋅109 H, то есть с силой, с которой гравитация Земли притягивает предмет массой порядка 1 миллиона тонн.

История

Майкл Фарадей за опытами в своей лабораторииБенджамин Франклин проводит свой знаменитый опыт с летающим змеем, в котором доказывает, что молния — это электричество.

Ещё в глубокой древности было известно, что янтарь (др.-греч. ἤλεκτρον — электрон), потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы. А уже в конце XVI века английский врач Уильям Гильберт назвал тела, способные после натирания притягивать лёгкие предметы, наэлектризованными.

В 1729 году Шарль Дюфе установил, что существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным» соответственно. Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл Бенджамин Франклин.

В начале XX века американский физик Роберт Милликен опытным путём показал, что электрический заряд дискретен, то есть заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда.

Электростатика

Основная статья: Электростатика

Электростатикой называют раздел учения об электричестве, в котором изучаются взаимодействия и свойства систем электрических зарядов, неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчета.

Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) может принимать и положительные, и отрицательные значения; она является численной характеристикой носителей заряда и заряженных тел. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов, взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля, зависят от знака зарядов.

Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, равных примерно 1,6⋅10−19 Кл в системе СИ или 4,8⋅10−10 ед. СГСЭ. Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы. Наименьшей по массе устойчивой в свободном состоянии частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд, является электрон (его масса равна 9,11⋅10−31 кг). Наименьшая по массе устойчивая в свободном состоянии античастица с положительным элементарным зарядом — позитрон, имеющая такую же массу, как и электрон. Также существует устойчивая частица с одним положительным элементарным зарядом — протон (масса равна 1,67⋅10−27 кг) и другие, менее распространённые частицы. Выдвинута гипотеза (1964 г.), что существуют также частицы с меньшим зарядом (±⅓ и ±⅔ элементарного заряда) — кварки; однако они не выделены в свободном состоянии (и, по-видимому, могут существовать лишь в составе других частиц — адронов), в результате любая свободная частица несёт лишь целое число элементарных зарядов.

Электрический заряд любой элементарной частицы — величина релятивистски инвариантная. Он не зависит от системы отсчёта, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится, он присущ этой частице в течение всего времени её жизни, поэтому элементарные заряженные частицы зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решеток твёрдых тел скомпенсированы.

Взаимодействие зарядов

Взаимодействие зарядов: одноимённо заряженные тела отталкиваются, разноимённо — притягиваются друг к другу

Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — электризация тел при соприкосновении. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух различных видов зарядов. Один вид электрического заряда называют положительным, а другой — отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются друг от друга.

При соприкосновении двух электрически нейтральных тел в результате трения заряды переходят от одного тела к другому. В каждом из них нарушается равенство суммы положительных и отрицательных зарядов, и тела заряжаются разноимённо.

При электризации тела через влияние в нём нарушается равномерное распределение зарядов. Они перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток положительных зарядов, а в другой — отрицательных. Если две эти части разъединить, то они будут заряжены разноимённо.

Симметрия в физике
Преобразование Соответствующая
инвариантность
Соответствующий
закон
сохранения
↕ Трансляции времени Однородность
времени
…энергии
⊠ C, P, CP и T-симметрии Изотропность
времени
…чётности
↔ Трансляции пространства Однородность
пространства
…импульса
↺ Вращения пространства Изотропность
пространства
…момента
импульса
⇆ Группа Лоренца (бусты) Относительность
Лоренц-ковариантность
…движения
центра масс
~ Калибровочное преобразование Калибровочная инвариантность …заряда

Закон сохранения электрического заряда

Основная статья: Закон сохранения электрического заряда

Электрический заряд замкнутой системы сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.

В рассматриваемой системе могут образовываться новые электрически заряженные частицы, например, электроны — вследствие явления ионизации атомов или молекул, ионы — за счёт явления электролитической диссоциации и др. Однако, если система электрически изолирована, то алгебраическая сумма зарядов всех частиц, в том числе и вновь появившихся в такой системе, всегда сохраняется.

Закон сохранения электрического заряда — один из основополагающих законов физики. Он был впервые экспериментально подтверждён в 1843 году английским учёным Майклом Фарадеем и считается на настоящее время одним из фундаментальных законов сохранения в физике (подобно законам сохранения импульса и энергии). Всё более чувствительные экспериментальные проверки закона сохранения заряда, продолжающиеся и поныне, пока не выявили отклонений от этого закона.

Свободные заряды

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

  • Проводники — тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму. Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (металлы), в которых перенос зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями; 2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот), в которых перенос зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведёт к химическим изменениям.
  • Диэлектрики (например стекло, пластмасса) — тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды.
  • Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Измерение

Простейший электроскоп

Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электроскоп, который состоит из металлического стержня — электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным предметом заряды стекают через электрод на листочки фольги, листочки оказываются одноимённо заряженными и поэтому отклоняются друг от друга.

Также может применяться электрометр, в простейшем случае состоящий из металлического стержня и стрелки, которая способна вращаться вокруг горизонтальной оси. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке, и силы отталкивания, действующие между одноимёнными зарядами на стержне и стрелке, вызывают её поворот. Для измерения малых зарядов используются более чувствительные электронные электрометры.

> См. также

  • Заряд (физика)
  • Точечный электрический заряд
  • Элементарный электрический заряд
  • Плотность заряда
  • Заряд электрона

Литература

  • М. Ю. Хлопов. Заряд // Физическая энциклопедия : / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия (т. 1—2); Большая Российская энциклопедия (т. 3—5), 1988—1999. — ISBN 5-85270-034-7.

Примечания

  1. Или, более точно, 1,602176487(40)⋅10−19 Кл.
  2. Или, более точно, 4,803250(21)⋅10−10 ед СГСЭ.
  3. Обычная для позитрона неустойчивость, связанная с аннигиляцией электрон-позитронной пары, при этом не рассматривается
  4. Но это далеко не единственный способ электризации тел. Электрические заряды могут возникнуть, например, под действием света
  5. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004. — Т. III. Электричество. — С. 16. — 656 с. — ISBN 5-9221-0227-3.
  6. Электрически замкнутая система — это система, у которой через ограничивающую её поверхность не могут проникать электрически заряженные частицы (система, не обменивающаяся зарядами с внешними телами).

Электрический заряд — Electric charge

Электрический заряд

Электрическое поле позитива и заряд отрицательной точки

Общие символы

единица СИ

кулон

Другие подразделения

В базовых единицах СИ

C = A s

Обширные ?

да

Под сохранением ?

да

измерение

T I

Часть серии статей о

электромагнетизм

  • Электричество
  • Магнетизм

Электрический заряд является физическим свойством из материи , которая заставляет его испытывать усилие при помещении в электромагнитном поле . Есть два типа электрических зарядов; положительный и отрицательный (обычно переносятся протонами и электронами соответственно). Как заряды отталкиваются , и в отличие от притягиваются. Объект с отсутствием чистого заряда, называетсянейтральный . Раннее знание тогокак заряженные вещества взаимодействуют теперь называется классической электродинамика , и до сих пор точный для задачкоторые не требуют рассмотрений квантовых эффектов .

Электрический заряд является сохраняющейся собственностью ; чистый заряд изолированной системы , величина положительного заряда за вычетом суммы отрицательного заряда, не может измениться. Электрический заряд переносится субатомных частиц . В обычной материи, отрицательный заряд переносится электронами , и положительный заряд переносится на протонов в ядрах из атомов . Если есть больше электронов , чем протоны в куске материи, он будет иметь отрицательный заряд, если есть меньше она будет иметь положительный заряд, и если есть равное число будет нейтральными. Charge является квантуется ; он приходит в целых кратных отдельных небольших блоков называется элементарный заряд , е , около 1,602 × 10 -19 кулонов , который является самым маленьким заряд , который может существовать свободно (частицы , называемые кварки имеют меньшие заряды, кратные 1 / 3 е , но они можно найти только в сочетании, и всегда объединяются с образованием частиц с целым электрическим зарядом). Протон имеет заряд + е , а электрон имеет заряд — е .

Электрический заряд имеет электрическое поле , а если заряд движется он также генерирует магнитное поле . Сочетание электрического и магнитного поле называется электромагнитное поле , и его взаимодействие с зарядами источник электромагнитной силы , которая является одной из четырех основных сил в физике. Исследование заряженных частиц, и как их взаимодействие опосредуется фотонов , называется квантовой электродинамики .

SI производная единица электрического заряда является кулонов (C) названный в честь французского физика Шарля Огюстен де Кулона . В области электротехники , это также обычно используют ампер-час (Ah); в физике и химии , то обычно используют элементарный заряд ( е в качестве единицы). Химия также использует константу Фарадея в качестве заряда на моль электронов. Символ Q часто обозначает заряд.

П. 3.2. Формальный и частичный заряды атомов в молекулах и ионах.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 10

Формулу метильного катиона можно записать не только как +СН3, но и как СН3+ (практически равнозначные записи). В последнем случае знак «+» указывает на заряд частицы в целом. При записи +СН3 знак «+» тоже указывает на заряд частицы в целом, но он также указывает на валентное состояние углерода (вокруг углерода не восемь как в молекуле метана или метильном анионе, не семь, как в метильном радикале, а шесть электронов, да и сам метильный катион может быть образован из трех атомов водорода и катиона углерода С+). Этот знак «+» называется в данном случае формальным зарядом, он описывает электронное состояние атома углерода.

Итак, метильный катион имеет заряд +1, формально мы приписываем этот заряд атому углероду, поскольку этот заряд описывает его валентное состояние (напомним еще раз, что сам метильный катион может быть образован из трех атомов водорода и катиона углерода С+). Однако не следует думать, что весь положительный заряд в метильном катионе СН3+ сосредоточен только на атоме углерода. НИЧЕГО ПОДОБНОГО.

Связи углерода с водородом (С-Н) образованы за счет двух электронов (по одному неспаренному электрону от каждого атома, как и любая ковалентная связь, образованная по обменному механизму). Электроны этих связей С-Н могут смещаться к атому углерода, то есть располагаться не строго посередине между атомами углерода и водорода, а ближе к углеродному атому. При этом на атомах водорода возникает ЧАСТИЧНЫЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЗАРЯД (не целый, не формальный заряд «+1», как ранее, а именно частичный), обозначаемый символом «d+» (читается : «дельта плюс»). Строение метильного катиона можно изобразить при этом одним из нижеприведенных способов. Все они практически равнозначны, однако на практике чаще используется последнее обозначение ввиду его простоты, при этом то, что положительный заряд не сконцентрирован только на атоме углерода, а размыт, ДЕЛОКАЛИЗОВАН по всему катиону ПОДРАЗУМЕВАЕТСЯ.


Суммарный положительный заряд частицы по-прежнему равен +1, однако при такой записи (первые две формулы) указывается, что этот заряд распределен между атомом углерода и тремя атомами водорода. Конкретные значения d+ и d/+ (к примеру, +0.1 и +0.7) могут быть определены физическими методами, однако для органической химии важно понимание наличия этих частичных зарядов, конкретные величины зарядов обычно не так существенны.

Необходимо ясно уяснить для себя отличие целочисленного формального заряда, приписываемого атому, от частичного заряда δ. Поясним это подробнее.

Атом водорода можно обозначить как Н или как Н., указывая на наличие у него одного электрона. Атом водорода электронейтрален. Два атома водорода образуют молекулу водорода, в которой два электрона связи Н-Н находятся строго посередине между атомами водорода (ковалентная неполярная связь). Считается, что в молекуле водорода Н2 на атомах нет ни частичного положительного, ни частичного отрицательного заряда.

С другой стороны, рассмотрим молекулу фтороводорода, образованную из одновалентных атомов водорода и фтора. Два электрона связи Н-F располагаются ближе к более электроотрицательному атому фтора. На атоме водорода возник частичный положительный заряд «d+», а на атоме фтора – частичный отрицательный «d-» (напоминаю: электрон имеет заряд ‑1, а Вы не в магазине).

Но это именно частичные заряды «d+» и «d-«, поскольку связь H-F является ковалентной полярной, а не ионной и электронная пара частично, а не полностью (как в случае ионной связи) смещена к атому фтора. Заряды «d+» и «d-» в молекуле HF по абсолютному значению (то есть по модулю) больше нуля, но меньше единицы, поскольку атом водорода лишь частично отдал свой валентный электрон атому фтора. Точные значения величин «d+» и «d-» ( к примеру, +0.30 и -0.30 или что-то около) могут быть определены физическими методами, однако для объяснения особенностей протекающих химических реакций зачастую достаточно лишь знать, что на атоме водорода имеется какой-то частичный положительный заряд. Точное его значение обычно не так важно.

Если связь Н-F разорвать гетеролитически, чтобы два электрона связи перешли к атому фотора, то получаться две частицы, обладающие уже не частичными зарядами «d+» и «d-«, а полными зарядами +1 и -1, поскольку тот электрон, который раньше принадлежал атому водорода сейчас ПОЛНОСТЬЮ перешел к атому фтора:

Если от атома водорода оторвать электрон, то получится частица, обозначаемая как «Н+» и называемая «протон». В данном случае знак «+» — это уже целочисленный, а не частичный заряд.

ЗАДАНИЕ № 2. Опишите при помощи символов δ+ и δ- распределение заряда в следующих частицах:

Краткий ответ: Фтор, кислород, азот и хлор – типичные неметаллы, характеризующиеся высокой электроотрицательностью и стремлением притягивать электроны от менее электроотрицательных атомов.

>III. Основы электродинамики>Тестирование онлайн

  • Электрический заряд. Основные понятия

Нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи, или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы. А кто не пробовал подвесить воздушный шарик к потолку, после трения его о голову? Подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества. Подобные действия называются электризацией.

Статическое электричество объясняется существованием в природе электрического заряда. Заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Заряд, который возникает на стекле при трении его о шелк, условно называют положительным, а заряд, возникающий на эбоните при трении о шерсть, — отрицательным.

Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и, летающих вокруг него, электронов (на рисунке синие частицы). Ядро состоит из протонов (красные) и нейтронов (черные).

.

Носителем отрицательного заряда является электрон, положительного — протон. Нейтрон — нейтральная частица, не имеет заряда.

Величина элементарного заряда — электрона или протона, имеет постоянное значение и равна

Весь атом нейтрально заряжен, если количество протонов соответствует электронам. Что произойдет, если один электрон оторвется и улетит? У атома станет на один протон больше, то есть положительных частиц больше, чем отрицательных. Такой атом называют положительным ионом. А если присоединится один электрон лишний — получим отрицательный ион. Электроны, оторвавшись, могут не присоединятся, а некоторое время свободно перемещаться, создавая отрицательный заряд. Таким образом, в веществе свободными носителями заряда являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.

Для того, чтобы имелся свободный протон, необходимо, чтобы разрушилось ядро, а это означает разрушение атома целиком. Такие способы получения электрического заряды мы рассматривать не будем.

Тело становится заряженным, когда оно содержит избыток одних или иных заряженных частиц (электронов, положительных или отрицательных ионов).

Величина заряда тела кратна элементарному заряду. Например, если в теле 25 свободных электронов, а остальные атомы являются нейтральными, то тело заряжено отрицательно и его заряд составляет . Элементарный заряд не делим — это свойство называется дискретностью

Одноименные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются, разноименные (положительный и отрицательный) — притягиваются

Точечный заряд — это материальная точка, которая имеет электрический заряд.

Закон сохранения электрического заряда

Замкнутая система тел в электричестве — это такая система тел, когда между внешними телами нет обмена электрическими зарядами.

Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц остается постоянной при любых процессах, происходящих в электрически замкнутой системе.

На рисунке пример закона сохранения электрического заряда. На первой картинке два тела разноименного заряда. На втором рисунке те же тела после соприкосновения. На третьем рисунке в электрически замкнутую систему внесли третье нейтральное тело и тела привели во взаимодействие друг с другом.

В каждой ситуации алгебраическая сумма заряда (с учетом знака заряда) остается постоянной.

Главное запомнить

1) Элементарный электрический заряд — электрон и протон
2) Величина элементарного заряда постоянна
3) Положительный и отрицательный заряды и их взаимодействие
4) Носителями свободных зарядов являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы
5) Электрический заряд дискретен
6) Закон сохранения электрического заряда

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *