Свойства элементарных частиц, обладающих электрическим зарядом
Путем трения двух разнородных тел, а также с помощью наведения (индуцирования) телам могут быть сообщены особые свойства — электрические.
Электрические заряды и заряженные частицы
Изучение наэлектризованных тел показало, что электрические свойства их объясняются тем, что частицы, из которых состоят все вещества, обладают особым физическим свойством, называемым электрическим зарядом.
Электрический заряд характеризует взаимосвязь частиц с собственным электромагнитным полем и их взаимодействие с внешним электромагнитным полем. Заряд является одним из отличительных свойств многих элементарных частиц. Существует два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные.
Как известно, все тела в природе состоят из дискретных частиц. Эти частицы называются элементарными. Каждая элементарная частица обладает своими характеристиками, отличительными от характеристик других частиц. К таким характеристикам относятся: масса покоя, электрический заряд, спин, магнитный момент, время жизни и др.
Элементарные частицы входят в состав атомов и молекул вещества, но они могут быть и в свободном состоянии. Таковы, например, электроны, составляющие «электронный газ» в металлических проводниках, электроны катодных потоков в электронных лампах и т. д.
Элементарные частицы с электрическими зарядами разных знаков притягиваются, а с зарядами одинаковых знаков отталкиваются друг от друга. При движении частиц вокруг них наблюдается магнитное поле.
Основными носителями зарядов в веществе, т. е. частицами, которым присущи электрические свойства, являются электроны, заряженные отрицательно, и протоны с положительным зарядом. Они входят в состав атомов всех веществ, являясь их основными структурными элементами.
Совокупность всех электрических явлений обусловливается зарядами частиц, входящих в состав атомов, и их полями. В связи с этим остановимся на внутреннем строении атомов в той мере, в какой это необходимо для понимания явлений, рассматриваемых в электротехнике.
Электрические свойства тел
Твердые тела обычно имеют кристаллическую структуру: их атомы располагаются в пространстве в строгой последовательности на определенном расстоянии друг от друга, образуя так называемую пространственную, или кристаллическую, решетку. В узлах решетки располагаются положительные ионы.
Из-за относительно небольших расстояний на электроны валентной оболочки данного атома оказывают действие соседние атомы, благодаря чему валентные электроны непосредственно участвуют в электронном обмене каждого атома с окружающими его соседними атомами. Это приводит к тому, что уровни энергии расщепляются на ряд близко расположенных уровней, которые образуют зоны непрерывных энергетических состояний электронов.
Электрические свойства тел определяются структурой этих зон и числом электронов, заполняющих зоны в соответствии с принципом запрета. В металлах, к которым относится, например, медь, валентная зона лишь наполовину заполнена электронами, в то время как все зоны с меньшим значением энергии заполнены целиком.
Наличие одной частично заполненной зоны характерно для всех металлов. Для возбуждения валентного электрона изолированного атома на более высокий уровень требуются определенные дискретные порции энергии.
В металлах зона проводимости заполнена частично. Поэтому в ней электроны легко занимают свободные состояния и практически достаточно сколь угодно малого количества энергии, чтобы поднять электрон на более высокий свободный уровень и создать электрический ток.
Поскольку проводимость в металлах обусловливается подвижностью электронов, она называется электронной проводимостью. Проводимость электролитов определяется наличием в растворах легкоподвижных положительных и отрицательных ионов, на которые распадается часть молекул растворенного вещества. Такая проводимость называется ионной проводимостью.
Значительной ионной проводимостью отличаются некоторые соли в расплавленном состоянии и газы в ионизированном состоянии. Газы ионизируются под влиянием высокой температуры, высокого напряжения и т. д. Газ с высокой плотностью свободных электронов и молекул в ионизированном состоянии называется плазмой.
Закон Кулона
Законом Кулона (1785 г.) впервые устанавливалось количественное соотношение между значениями электрических зарядов и их взаимодействием. Этот закон сыграл и продолжает играть большую роль в установлении единицы заряда и силовой характеристики электростатического поля. Подробнее об этом смотрите здесь: Закон Кулона и его применение в электротехнике
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Элементарный электрический заряд
Элемента́рный электри́ческий заря́д (е), наименьший положительный или отрицательный электрический заряд , равный величине заряда электрона : е = 1,6021766208(98) · 10 –19 Кл. Почти все заряженные элементарные частицы обладают электрическим зарядом +е или −е; исключение составляют некоторые резонансы , имеющие заряд, кратный е. В теории элементарных частиц предполагается, что кварки имеют дробный электрический заряд, кратный е/3.
Редакция физических наук
Опубликовано 10 июля 2023 г. в 11:11 (GMT+3). Последнее обновление 10 июля 2023 г. в 11:11 (GMT+3). Связаться с редакцией
Информация
Области знаний: Электрический заряд, Физические постоянные
- Научно-образовательный портал «Большая российская энциклопедия»
Создан при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации.
Свидетельство о регистрации СМИ ЭЛ № ФС77-84198, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) 15 ноября 2022 года.
ISSN: 2949-2076 - Учредитель: Автономная некоммерческая организация «Национальный научно-образовательный центр «Большая российская энциклопедия»
Главный редактор: Кравец С. Л.
Телефон редакции: +7 (495) 917 90 00
Эл. почта редакции: secretar@greatbook.ru
- © АНО БРЭ, 2022 — 2024. Все права защищены.
- Условия использования информации. Вся информация, размещенная на данном портале, предназначена только для использования в личных целях и не подлежит дальнейшему воспроизведению.
Медиаконтент (иллюстрации, фотографии, видео, аудиоматериалы, карты, скан образы) может быть использован только с разрешения правообладателей. - Условия использования информации. Вся информация, размещенная на данном портале, предназначена только для использования в личных целях и не подлежит дальнейшему воспроизведению.
Медиаконтент (иллюстрации, фотографии, видео, аудиоматериалы, карты, скан образы) может быть использован только с разрешения правообладателей.
Электрический заряд
Электри́ческий заря́д — источник электромагнитного поля, связанный с материальным носителем; внутренняя характеристика элементарной частицы, определяющая ее электромагнитные взаимодействия.
Электрический заряд является физической величиной, характеризующей свойство тел или частиц вступать в электромагнитные взаимодействия, и определяющей значения сил и энергий при таких взаимодействиях. Электрический заряд — одно из основных понятий учения об электричестве. Вся совокупность электрических явлений есть проявление существования, движения и взаимодействия электрических зарядов. Электрический заряд является неотъемлемым свойством некоторых элементарных частиц.
Фундаментальными свойствами электрического заряда являются: существование двух видов заряда, его инвариантность, дискретность, аддитивность и подчинение закону сохранение заряда.
Имеется два вида электрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными. Заряды одного знака отталкиваются, разных знаков — притягиваются друг к другу. Заряд наэлектризованной стеклянной палочки условно стали считать положительным, а смоляной (в частности, янтарной) — отрицательным. В соответствии с этим условием электрический заряд электрона отрицателен (греч. «электрон» — янтарь).
Заряд макроскопического тела определяется суммарным зарядом элементарных частиц, из которых состоит это тело. Чтобы зарядить макроскопическое тело нужно изменить число содержащихся в нем заряженных элементарных частиц, т. е. перенести на него или удалить с него некоторое количество зарядов одного знака. В реальных условиях такой процесс обычно связан с перемещением электронов. Тело считают заряженным только в том случае, если на нем находится избыток зарядов одного знака, составляющий заряд тела, обозначаемый обычно буквой q или Q .Если заряды размещены на точечных телах, то сила взаимодействия между ними может быть определена по закону Кулона. Единицей заряда в системе СИ является кулон — Кл.
Электрический заряд q любого тела дискретен, существует минимальный, элементарный электрический заряд — е, которому кратны все электрические заряды тел:
Простейший прибор для измерения заряда — электроскоп.
Минимальный заряд, существующий в природе, — это заряд элементарных частиц. В единицах СИ модуль этого заряда равен: е = 1, 6.10 -19 Кл. Любые электрические заряды в целое число раз больше элементарного. Элементарным электрическим зарядом обладают все заряженные элементарные частицы. В конце 19 в. был открыт электрон — носитель отрицательного электрического заряда, а в начале 20 в, — протон, обладающий таким же по величине положительным зарядом; таким образом, было доказано, что электрические заряды существуют не сами по себе, а связаны с частицами, являются внутренним свойством частиц (позднее были открыты и другие элементарные частицы, несущие положительный или отрицательный заряд той же величины). Заряд всех элементарных частиц (если он не равен нулю) одинаков по абсолютной величине. Элементарные гипотетические частицы — кварки, заряд которых равен 2/3е или +1/3е, не наблюдались, однако в теории элементарных частиц предполагается их существование.
Инвариантность электрического заряда установлена экспериментально: величина заряда не зависит от скорости, с которой он движется (т. е. величина заряда инвариантна относительно инерциальных систем отсчета, и не зависит от того, движется он или покоится).
Электрический заряд аддитивен, т. е. заряд любой системы тел (частиц) равен сумме зарядов тел (частиц), входящих в систему.
Электрический заряд подчиняется закону сохранения, который был установлен после проведения множества опытов. В электрически замкнутой системе полный суммарный заряд сохраняется и остается постоянным при любых физических процессах, происходящих в системе. Этот закон справедлив для изолированных электрических замкнутых систем, в которые заряды не вносятся и из которых они не выносятся. Этот закон действует и для элементарных частиц, которые рождаются и аннигилируют парами, суммарных заряд которых равен нулю.
Связь электрического заряда с электромагнитным полем определяется уравнениями Максвелла.
- НАУКА » Физика » Общие термины и понятия
- НАУКА » Физика » Физические величины и единицы. Меры
Электрический ток
Трибуны легкоатлетического стадиона затихли в ожидании. Через секунду прозвучит выстрел судейского пистолета, и длинноногие жилистые бегуны синхронно сорвутся с мест. Движимые волей к победе, все они помчатся в одном направлении — к финишу, перепрыгивая барьеры и затрачивая энергию. Похожий процесс происходит в спрятанных в стенах дома проводах, когда вы щелкаете выключателем светильника.
По замкнутой траектории под действием внешней силы начинается упорядоченное движение «бегунов» — крошечных частиц, обладающих электрическим зарядом. Наткнувшись на прибор, то есть полезную нагрузку, частицы отдают ему электрическую энергию. Так, например, заряжается аккумулятор смартфона.
Что такое электрическая энергия
От профессионального бегуна любой из нас отличается скоростью передвижения, процентом мышечной массы и выносливостью. Элементарные частицы: протоны , электроны и нейтроны, из которых построены все окружающие нас предметы и мы сами, тоже характеризуются определенными параметрами. У всех частиц одного вида они одинаковые, например, масса любого электрона в мире — 9,1*10 -31 килограмма (или 0,0000000000000000000000000000091 килограмма).
От массы зависит, как сильно две крошечные частицы или два крупных объекта будут притягиваться друг к другу. Чем больше масса, тем сильнее гравитационное поле вокруг частиц или состоящего из них объекта и больше сила притяжения. Солнце обладает гигантской массой (10 30 килограммов или 10 с тридцатью нолями) и удерживает вокруг себя восемь планет, пояс астероидов и кометы.
Еще один параметр элементарных частиц — электрический заряд. Частица, обладающая им, создает вокруг себя электрическое поле. Другие заряды, попадая в это поле, начинают двигаться, но не всегда — к частице. В отличие от массы, создающей гравитационное поле, которое всегда притягивает другие частицы, электрический заряд бывает двух видов. Для удобства их обозначают знаками «плюс» и «минус». Одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные — притягиваются, как Солнце и планеты.
Если силой «оттащить» притягивающиеся разноименные заряды друг от друга, они «накопят» электрическую энергию, как предметы копят гравитационную на большом расстоянии. Поднимая камень на большую высоту, мы придаем ему потенциальную энергию. Чем выше, тем энергия больше. Когда пальцы отпускают камень, он падает и ускоряется из-за гравитации Земли. Энергию, которая при этом высвободилась, мы можем ощутить на себе, если вовремя не уберем ногу. Если сила, разделяющая электрические заряды , прекратит действовать, они, подобно камням, падающим на землю, тут же устремятся навстречу друг другу, высвобождая накопленную электрическую энергию. Она и приводит в действие всю технику вокруг нас.
Как возникает и из чего состоит электрический ток
Электростатическое притяжение между отрицательно заряженным электроном и положительным протонам в 2,3*10 39 раз сильнее гравитационного. Поэтому в природе разноименные заряды в атомах очень хорошо «перемешаны» друг с другом и всегда стремятся перемешаться еще лучше, ведь их сближение высвобождает электрическую энергию.
Смешение зарядов начинается на уровне атомов: в них число положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов обычно одинаковое. Атомы не создают собственное электрическое поле, хотя внутри них — между положительно заряженным ядром, состоящим из протонов, и электронными оболочками — поле очень сильное.
Электроны на внешних оболочках связаны с ядрами слабее, чем электроны на внутренних, и обладают условной «свободой», как сторожевые собаки на длинной цепи. При встрече нескольких атомов их внешние электроны могут перейти в «коллективное пользование» и объединить атомы друг с другом — образовать химическую связь. Так из атомов образуются молекулы. В металлах внешние электроны настолько свободны, что не принадлежат ни одному из атомов. Своим притяжением к положительно заряженным ядрам они связывают все атомы куска металла воедино, но могут свободно «гулять без поводка» по всему его объему. Поэтому из металлов и делают электрические провода.
В состоянии покоя электроны просто «носятся» внутри металла туда-сюда, участвуя в таком же хаотичном движении, как молекулы газа в воздухе. Но стоит электронам в металле «почувствовать» внешнюю силу — электрическое поле от источника электродвижущей силы, — все они начинают смещаться туда, куда их влечет это воздействие. Электрический ток – это направленное движение электронов и других носителей заряда в замкнутом контуре . Характеристики электрической цепи включают напряжение, сопротивление и силу тока.