III. Основы электродинамики
Тестирование онлайн
Электрический заряд
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
Источник
Что значит положительно зарядить частицы
3.1. Электрический заряд
Еще в древности люди обратили внимание на то, что потертый шерстью кусочек янтаря начинает притягивать к себе различные мелкие предметы: пылинки, ниточки и тому подобное. Вы сами можете легко убедиться, что пластмассовая расческа, потертая о волосы, начинает притягивать небольшие кусочки бумаги. Это явление называется электризацией, а силы, действующие при этом – электрическими силами. Оба названия происходят от греческого слова » электрон» , что означает » янтарь» .
При трении расчески о волосы или эбонитовой палочки о шерсть предметы заряжаются, на них образуются электрические заряды. Заряженные тела взаимодействуют друг с другом и между ними возникают электрические силы.
Электризоваться трением могут не только твердые тела, но и жидкости, и даже газы.
При электризации тел вещества, из которых состоят электризующиеся тела, в другие вещества не превращаются. Таким образом, электризация – физическое явление.
Существует два разных рода электрических зарядов. Совершенно условно они названы » положительным» зарядом и » отрицательным» зарядом (а можно было бы назвать их » черный» и » белый» , или » прекрасный» и » ужасный» , или как-то иначе).
Положительно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные предметы так же, как стекло, наэлектризованное трением о шелк.
Отрицательно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные предметы так же, как сургуч, наэлектризованный трением о шерсть.
Основное свойство заряженных тел и частиц: одноименно заряженные тела и частицы отталкиваются, а разноименно заряженные – притягиваются. В опытах с источниками электрических зарядов вы познакомитесь и с некоторыми другими свойствами этих зарядов: заряды могут » перетекать» с одного предмета на другой, накапливаться, между заряженными телами может происходить электрический разряд и так далее. Подробно эти свойства вы изучите в курсе физики.
Электрический заряд (Q или q) – физическая величина, он может быть больше или меньше, и, следовательно, его можно измерять. Но непосредственно сравнивать заряды друг с другом физики пока не могут, поэтому сравнивают не сами заряды, а действие, которое заряженные тела оказывают друг на друга, или на другие тела, например, силу с которой одно заряженное тело действует на другое.
Силы (F), действующие на каждое из двух точечных заряженных тел противоположно направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела. Их величины равны между собой, прямо пропорциональны произведению зарядов этих тел (q1) и (q2) и обратно пропорциональны квадрату расстояния (l) между ними.
Это соотношение носит название » закон Кулона» в честь открывшего его в 1785 г. французского физика Шарля Кулона (1763-1806). Важнейшая для химии зависимость кулоновских сил от знака заряда и расстояния между заряженными телами наглядно показана на рис. 3.1.
Единица измерений электрического заряда – кулон (определение в курсе физики). Заряд величиной в 1 Кл протекает через электрическую лампочку мощностью 100 ватт примерно за 2 секунды (при напряжении 220 В).
До конца XIX века природа электричества оставалась неясной, но многочисленные эксперименты привели ученых к выводу, что величина электрического заряда не может изменяться непрерывно. Было установлено, что существует наименьшая, далее неделимая порция электричества. Заряд этой порции получил название » элементарный электрический заряд» (обозначается буквой е). Он оказался равен 1,6 . 10– 19 Кл. Это очень маленькая величина – через нить той же электрической лампочки за 1 секунду проходит почти 3 миллиарда миллиардов элементарных электрических зарядов.
Любой заряд является величиной, кратной элементарному электрическому заряду, поэтому элементарный электрический заряд удобно использовать в качестве единицы измерений малых зарядов. Таким образом,
1е = 1,6 . 10– 19 Кл.
На рубеже XIX и XX веков физики поняли, что носителем элементарного отрицательного электрического заряда является микрочастица, получившая название электрон (Джозеф Джон Томсон, 1897 г.). Носитель элементарного положительного заряда – микрочастица под названием протон – был обнаружен несколько позже (Эрнест Резерфорд, 1919 г.). Тогда же было доказано, что положительный и отрицательный элементарные электрические заряды равны по абсолютной величине
Таким образом, элементарный электрический заряд – это заряд протона.
С другими характеристиками электрона и протона вы познакомитесь в следующей главе.
Несмотря на то, что в состав физических тел входят заряженные частицы, в обычном состоянии тела незаряжены, или электронейтральны. Также электронейтральны и многие сложные частицы, например, атомы или молекулы. Суммарный заряд такой частицы или такого тела оказывается равным нулю потому, что число электронов и число протонов, входящих в состав частицы или тела, равны.
Тела или частицы становятся заряженными, если электрические заряды разделяются: на одном теле (или частице) оказывается избыток электрических зарядов одного знака, а на другом – другого. В химических явлениях электрический заряд какого-либо одного знака (положительный или отрицательный) не может ни появиться, ни исчезнуть, так как не могут появиться или исчезнуть носители элементарных электрических зарядов только одного знака.
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД, ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД, ОСНОВНОЕ СВОЙСТВО ЗАРЯЖЕННЫХ ТЕЛ И ЧАСТИЦ, ЗАКОН КУЛОНА, ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД
1.Как заряжается шелк при трении о стекло? А шерсть при трении о сургуч?
2.Какое число элементарных электрических зарядов составляет 1 кулон?
3.Определите силу, с который притягиваются друг к другу два тела с зарядами +2 Кл и –3 Кл, находящиеся друг от друга на расстоянии 0,15 м.
4.Два тела с зарядами +0,2 Кл и –0,2Кл находятся на расстоянии 1 см друг от друга. Определите силу с которой они притягиваются.
5.С какой силой отталкиваются друг от друга две частицы, несущие одинаковый заряд, равный +3 е, и находящиеся на расстоянии 2 Е? Значение константы в уравнении закона Кулона k = 9 . 10 9 Н . м 2 /Кл 2 .
6.С какой силой притягивается электрон к протону, если расстояние между ними 0,53 Е? А протон к электрону?
7.Два одноименно и одинаково заряженных шарика соединены непроводящей заряды нитью. Середина нити неподвижно закреплена. Нарисуйте, как расположатся в пространстве эти шарики в условиях, когда силой тяжести можно пренебречь.
8.Как в этих же условиях будут расположены в пространстве три таких же шарика, привязанных одинаковыми по длине нитями к одной опоре? А четыре? 
Опыты по притяжению и отталкиванию заряженных тел.
Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору
Источник
О зарядах элементарных частиц
Со школьной скамьи, те, кто не прогуливал уроки физики, усвоили знание, и всю жизнь искренне верили в него, что электрон имеет заряд -1, протон +1, а нейтрон 0. Этот постулат позволил учёным объяснить зарядовую нейтральность атома. Так как протонов в атоме как правило больше электронов, то для того чтобы привести атом к нейтральному заряду потребовался такой странный конструкт как нейтрон, который не более чем через 15 минут, после выхода из атома, превращается в протон и электрон. Но, не смотря на эту неприятную мелочь, версия о зарядах очень логично объясняла, почему атом нейтрален, так как он якобы состоит из равного количества протонов и электронов, которые уравновешивают электрический заряд атома, а недостающая масса покрывается нейтронами. При этом авторы этой модели, очевидно, сами иногда прогуливали уроки физики, иначе бы они знали о том, что сквозь отрицательную сферу электронной оболочки атома положительное поле не может пройти, поэтому отрицательная сфера всегда остаётся отрицательной с наружи, сколько бы внутрь неё не вкладывать положительных зарядов, так как все электростатическое поле протонов замыкается на электронах и мимо них пройти на внешнюю сторону сферы никак не может. [1] Таким образом, нейтрон в этой схеме оказался лишним, но он так прижился в терминологии атомной физики, что расставаться с ним ни кто не собирается. Смею предположить, что он будет здравствовать ещё не одно десятилетие.
В 19 веке химики обратили внимание на то, что при электролизе ни когда не встречаются случаи переноса заряда дробного от некоторого минимального значения, который стали считать элементарным и наделили им электрон. Так электрон превратился в эталон элементарного электрического заряда и стал обозначаться -1. Но наука не стаяла на месте и принялась изучать магнитные свойства элементарных частиц, магнитный момент которых стали определять из выражения:
где
мю – наблюдаемый магнитный момент частицы, Дж/Тл;
мю(э) = — 928,477*10^(-26) Дж/Тл;
мю(р) = 1,4106*10^(-26) Дж/Тл;
k – коэффициент фактического заряда частицы;
е = 1,602*10^(-19) К – элементарный заряд по модулю;
h = 6,626*10^(-34) Дж*с – постоянная Планка;
m – масса частицы, кг;
m(э) = 9,1094*10^(-31) кг – масса электрона;
m(р) = 1,6726*10^(-27) кг – масса протона.
k(э) = -1,001
k(р) = +2,793
Полученный результат говорит о том, что электрон действительно обладает единичным зарядом с небольшой поправкой в 0,1 %, а вот протон имеет заряд не +1, а +2,793, что выглядит весьма странно, так как нас учили совсем другому. И самое главное, заряд элементарной частицы, оказывается, может быть и дробным, а не обязательно целым.
Ещё интересней ситуация с нейтроном. Нейтрон по сути своей представляет собой вырожденный атом водорода, который образуется во время распада атомного ядра и имеет заряд равный – 1,913. Учитывая заряд электрона, в момент формирования нейтрона протон имеет заряд равный – 0,912. Т.е. он из положительно заряженной частицы неожиданно превращается в отрицательную, и приобретает при этом 3,704 отрицательного заряда.
Все эти метаморфозы с изменением и дроблением зарядов современная наука ни как не объясняет и старается этот вопрос публично не обсуждать.
Итак, анализ магнитных свойств элементарных частиц с высокой степенью уверенности позволяет утверждать:
1. Принятый на сегодня элементарный заряд фактически не является элементарным. Само понятие элементарного заряда бессмысленно, так как в природе могут существовать дробные заряды любой величины, в том числе и исчезающе малые.
2. Знак заряда протона не является постоянным и может меняться с положительного на отрицательный под воздействием внешних факторов.
3. Природа электрического заряда так на сегодня и не познана.
Возможно ответ, на вопрос: что представляет собой электрический заряд; следует искать в торовой модели элементарных частиц.
Предлагаемая торовая модель базируется на следующих постулатах:
1. Основным источником электрического заряда является нейтральный электрон.
2. Заряд протона является результатом комбинации отрицательных, положительных и нейтральных электронов, находящихся в его составе.
3. Заряд электрона может принимать любое значения от -1 до +1 единичного заряда.
4. Физический единичный заряд соответствует 1,001159652193 принятому в настоящее время. Иными словами он соответствует 1,60403028321*10^(-19) Кл. [2]
5. Плотность электрона определяется из выражения:
р = k*10^(4)*с^(2) = 8,9875519*10^(20) кг/м куб.
k — коэффициент пропорциональности с аргументом 1 кг*с^(2)/м^(5)
Протон и электрон могут быть представлены в виде торов, со следующими характеристиками [3]:
Электрон:
Масса – 9,109*10^(-31) кг;
Комптоновская длина волны — 2,426*10^(-12) м;
Радиус тора по средней линии — 3,86*10^(-13) м;
Радиус сечение тора – 1,153*10^(-20) м;
Объём тора – 1,0129*10^(-51) куб. м.
Характеристики тора протона вычисляются из условия размещения внутри него 1836 электронов в свёрнутом виде спиралью Архимеда по плоскостям сечения тора. В этом случае площадь, которую занимает свёрнутый электрон определяется из выражения:
Sе = L(e) * 2r = 2,426*10^(-12) * 2 * 1,153*10^(-20) = 5,594*10^(-32) кв. м
Принимаем коэффициент заполнения площади на уровне 0,8, тогда площадь сечения протона для размещения в нём электрона равна Sp = 6,993*10^(-32) кв. м, откуда радиус сечения равен r = 1,492*10^(-16) м. Таким образом, протон имеет следующие характеристики:
Масса – 1,6726*10^(-27) кг;
Комптоновская длина волны — 1,321*10^(-15) м;
Радиус тора по средней линии — 2,1*10^(-16) м;
Радиус сечение тора – 1,492*10^(-16) м;
Объём тора – 9,228*10^(-47) куб. м.
Электрон, судя по его характеристикам, представляет собой очень узкую трубку огромного диаметра в 1836 раз большего диаметра протона и в 12940 раз меньшего сечения.
Внутри этой трубки в виде двух потоков двигается некая материя [4]. Эти два потока перекручены между собой таким образом, что один поток вращается по часовой стрелке по ходу движения, а другой против. До тех пор пока оба потока уравновешенны по массе, заряд электрона нейтрален.
Если одно из направлений вращения материи исчезает, и весь поток внутренней материи электрона вращается только в одном направление, по часовой стрелке или против, электрон приобретает электрический заряд.
Если направление вращения полного потока совпадает с направлением вращения часовой стрелки, электрон приобретает положительный заряд +1. Если направление вращения полного потока материи противоположно вращению часовой стрелки, то электрон приобретает отрицательный заряд -1.
Но существуют ситуации, когда только часть потока меняет направление своего вращения, тогда в зависимости от соотношения масс оставшихся потоков устанавливается и соответствующий заряд электрона.
Так заряд протона составляет +2,793. Это означает, что в его составе два электрона с зарядами +1 не скомпенсированы, т.е. положительно заряженных электронов (позитронов) в составе протона на 2 больше чем отрицательных, и один нейтральный электрон приобрёл заряд +0,793, став частично позитроном.
Для того чтобы получился заряд равный +0,793, поток материи, который создаёт отрицательный заряд должен уменьшиться. Причём отрицательный поток является компенсатором для такого же объёма положительного потока. Поэтому, что бы получился итоговый положительный поток в 79,3 % от общего потока материи в электроне, оставшиеся 20,7 % потока должны быть суммой двух равных разновращающихся потоков. Иными словами отрицательный поток должен составлять 10,35%, а положительный соответственно 89,65 %. Итак перераспределение массы потоков с разными направлениями вращения с 50% до 89,65% в положительном направлении, и с 50% до 10,35% в отрицательном направлении приводит к тому, что электрон (позитрон) приобретает положительный заряд равный +0,793.
Аналогично происходит формирование дополнительного отрицательного электрона в момент образования нейтрона.
Заряд нейтрона равен –1,913. Заряд равный –1 вносится электроном, находящимся на нестационарной орбите протона. В результате суммарный заряд протона в момент выхода из ядра равен – 0,913, а до выхода из ядра он был соответственно +2,793. Следовательно, в момент разрушения ядра протон изменил свой заряд с +2,793 до – 0,913. Иными словами он приобрёл в это время 3,706 отрицательных зарядов. Три из них это нейтральные электроны, соответствующим образом, перешедших в состояние отрицательно заряженных электронов. Четвёртый нейтральный электрон приобрёл неполный отрицательный заряд путём вовлечения большей части положительного потока в противоположное направление вращения. В результате положительный поток снизился с 50% до 4,35%, а отрицательный соответственно увеличился с 50% до 95,65%
Таким образом, торовая модель в состоянии объяснить наличие не только дробных зарядов, но и их изменение под воздействием внешних факторов.
Также следует отметить, что торовая модель допускает наличие у протона не только положительного, но и отрицательного заряда, что экспериментально уже обнаружено, а также и нейтрального, который вероятно будет обнаружен в будущем.
Для того чтобы понять, как электрон значительно большего диаметра размещается в достаточно небольшом протоне необходимо принять допущение, что электрон является более древней формой материи по отношению к протону и в момент своего образования он формировался в условиях сверхвысоких плотностей материи. И хотя он уже изначально приобрёл форму тора, но эта форма была свёрнута в спираль Архимеда и в виде плоского диска разместилась в сечении протона.
Таким образом, протон собственно представляет собой не единое цельное тело, как это считается сегодня, а батарею из 1836 электронов упакованных в виде дисков спиралей Архимеда и вращающихся вокруг центра сечения тора протона.
В составе стабильного протона находится:
613 положительных электронов (позитронов) с зарядами +1;
611 отрицательных электронов с зарядами -1;
611 нейтральных электронов c зарядами 0;
Один электрон (позитрон) с зарядом +0,793.
Суммарный заряд протона составляет +2,793, при этом электроны располагаются в протоне симметрично по схеме:
[2] Ошибка вычисления элементарного заряда связана с ошибкой определения числа Авогадро. Подробнее о числе Авогадро см. http://www.proza.ru/2019/03/26/1450.
[4] Анализ природы этой материи выходит за рамки настоящей статьи.
Источник
