Электрический заряд - это фундаментальная характеристика материи

Электрический заряд - одно из фундаментальных свойств материи. Без понимания природы электрического заряда невозможно было бы открыть и изучить электромагнитные явления, которые играют огромную роль в нашей жизни.

История открытия электрического заряда

Еще в глубокой древности люди заметили, что некоторые вещества после натирания приобретают способность притягивать легкие предметы. Например, потертый о шерсть янтарь притягивал к себе пушинки. Это явление получило название электризации.

В конце XVI века английский врач Уильям Гильберт провел первые систематические опыты по изучению электрических и магнитных явлений. Он ввел термин "электричество" и назвал тела, проявляющие электрические свойства при натирании, наэлектризованными. Гильберт пришел к выводу, что Земля ведет себя как гигантский магнит и обладает магнитным полем. Это было революционным открытием для науки XVI века.

Важный вклад в изучение электрических явлений внес французский ученый Шарль Дюфе. В 1729 году он установил, что существуют два вида электрических зарядов. Один получается при трении стекла о шелк, а другой - смолы о шерсть. Дюфе назвал их "стеклянным" и "смоляным" электричеством.

Американский ученый Бенджамин Франклин ввел современную терминологию - разделил заряды на положительные и отрицательные. Он же предложил обозначать положительный заряд знаком "+", а отрицательный знаком "-".

Важнейшее открытие в изучении природы электрического заряда сделал американский физик Роберт Милликен в начале XX века. С помощью тщательно поставленных опытов Милликен экспериментально доказал, что электрический заряд квантуется, то есть может принимать только определенные дискретные значения.

Так постепенно ученые пришли к пониманию фундаментальных свойств электрического заряда, который лежит в основе электромагнитных взаимодействий.

Свойства электрического заряда

К настоящему времени установлен ряд важных свойств, присущих электрическому заряду:

Существуют два вида заряда - положительный и отрицательный.
Заряд квантуется, то есть принимает дискретные значения.
Заряд инвариантен относительно системы отсчета.
Для замкнутой системы выполняется закон сохранения заряда.

Рассмотрим подробнее каждое из этих фундаментальных свойств.

Существование двух видов заряда. Это свойство проявляется в том, что заряженные частицы могут либо притягиваться, либо отталкиваться. Это зависит от знаков зарядов: частицы с зарядами одного знака отталкиваются, а разных знаков - притягиваются. Считается, что существуют элементарные носители положительного и отрицательного заряда. Например, у протона заряд +1, а у электрона -1 в единицах элементарного заряда.
Квантование заряда. Эксперименты показали, что заряд любого тела всегда кратен некоторой минимальной величине - элементарному заряду e. Величина элементарного заряда в системе СИ составляет примерно 1,6⋅10^{-19} Кл. Это означает, что заряд не может изменяться непрерывно, а только скачками, кратными e.
Релятивистская инвариантность. Это означает, что величина заряда не зависит от выбора инерциальной системы отсчета и скорости движения заряда. Любые преобразования от одной инерциальной системы к другой не меняют значение заряда.
Закон сохранения заряда. Для любой замкнутой системы сумма всех зарядов остается постоянной. Заряд не может возникнуть из ничего или исчезнуть бесследно. При любых процессах в системе заряд только перераспределяется между телами, но его общее количество не меняется.

Эти свойства позволяют глубже понять природу электрического заряда и применять знания о нем для изучения электромагнетизма и различных технических нужд.

Взаимодействие заряженных частиц

Наличие у частиц электрического заряда обуславливает их электромагнитное взаимодействие. Для описания сил, действующих между заряженными частицами, используются следующие законы и уравнения:

Закон Кулона описывает силы между неподвижными точечными зарядами.
Сила Лоренца действует на движущийся заряд в магнитном поле.
Уравнения Максвелла связывают электрическое и магнитное поля с зарядом и током.

Рассмотрим их подробнее.

Закон Кулона

Закон Кулона определяет силу взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов:

F = k*q1*q2/r^2,

где q1 и q2 - величины зарядов, r - расстояние между ними, k - коэффициент пропорциональности.

Из закона Кулона следует, что сила тем больше, чем больше заряды и меньше расстояние. Знак силы зависит от знаков зарядов.

Сила Лоренца

Если заряженная частица движется в магнитном поле, на нее действует сила Лоренца, направленная перпендикулярно векторам скорости частицы и магнитной индукции:

F = q*v*B*sin(α),

где v - скорость частицы, B - магнитная индукция, α - угол между векторами.

Таким образом, наличие заряда у частицы приводит к появлению силы в магнитном поле.

Уравнения Максвелла

Уравнения Максвелла описывают электромагнитное поле, создаваемое зарядами и токами. Они связывают напряженности электрического E и магнитного B полей с плотностями заряда ρ и тока j.

Распределение заряда в веществе

В зависимости от того, как в веществе распределены заряженные частицы, различают несколько типов веществ:

Проводники - заряды могут свободно перемещаться по всему объему.
Диэлектрики - заряды локализованы в атомах, их подвижность очень мала.
Полупроводники занимают промежуточное положение.

В металлах заряженные частицы - электроны - образуют "электронный газ", который легко перетекает по проводнику под действием электрического поля. В диэлектриках и полупроводниках заряды связаны с атомами и молекулами.

Измерение электрического заряда

Для измерения электрических зарядов используют специальные приборы - электрометры и электроскопы. Принцип их действия основан на взаимодействии зарядов.

Современные приборы позволяют измерять малые заряды с высокой точностью. Например, весы Милликена, камера Вильсона и др. Это помогает исследовать фундаментальные свойства электрического заряда.