Чему равен заряд протона и электрона. Заряд протона - базисная величина физики элементарных частиц
Глава 9. Элементарные заряды. Электрон и протон
§ 9.1. Электромагнитная масса и заряд. Вопрос о сущности заряда
В главе 5 мы выяснили механизм возникновения инерции, объяснили, что же такое «инерционная масса» и какие электрические явления и свойства элементарных зарядов определяют её. В главе 7 мы проделали всё то же самое для явления тяготения и «гравитационной массы». Выяснилось, что и инерцию и тяготение тел определяют геометрический размер элементарных частиц и их заряд . Поскольку геометрический размер есть понятие привычное, то в основе таких фундаментальных явлений, как инерция и гравитация, оказывается лежащей лишь одна малоизученная сущность - «заряд». До сих пор понятие «заряд» является загадочным и почти мистическим. Сначала учёные имели дело лишь с макроскопическими зарядами, т.е. зарядами макроскопических тел. В начале изучения электричества в науке использовались представления о незримых «электрических жидкостях», избыток или недостаток которых и приводит к электризации тел. Долгое время споры шли лишь о том, одна это жидкость или их две: положительная и отрицательная. Затем выяснили, что существуют «элементарные» носители заряда электроны и ионизированные атомы, т.е. атомы с избыточным электроном, либо недостающим электроном. Ещё позже были обнаружены «самые элементарные» носители положительного заряда – протоны. Затем выяснилось, что «элементарных» частиц много и многие из них обладают электрическим зарядом, причём по величине заряд этот всегда
кратен некоторой минимальной обнаруживаемой порции заряда q 0 ≈ 1.602 10− 19 Кл . Эта
порция и названа была «элементарным зарядом». Заряд определяет меру участия тела в электрических взаимодействиях и, в частности, взаимодействиях электростатических. На сегодняшний день вразумительных объяснений, что же такое элементарный заряд не существует. Любые рассуждения на тему того, что заряд состоит из других зарядов (например, кварков с дробными величинами зарядов), это не объяснение, а схоластическое «замыливание» вопроса.
Давайте попробуем подумать о зарядах сами, пользуясь тем, что мы уже установили ранее. Вспомним, что главный закон, установленный для зарядов, есть закон Кулона: сила взаимодействия между двумя заряженными телами прямо пропорциональна произведению величин их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Получается, что если мы выведем закон Кулона из каких-либо конкретных уже изученных физических механизмов, то тем самым сделаем шаг в понимании сущности зарядов. Мы уже говорили о том, что элементарные заряды в части взаимодействия с внешним миром вполне определяются своим электрическим полем: его структурой и его движением. И говорили, что после объяснения инерции и гравитации в элементарных зарядах ничего, кроме движущегося электрического поля, и не осталось. А электрическое поле есть не что иное, как возмущённые состояния вакуума, эфира, пленума . Ну, так будем же последовательны и попытаемся свести электрон и его заряд к движущемуся полю! Мы уже догадались в главе 5, что протон полностью подобен электрону, за исключением знака заряда и геометрического размера. Если, сведя электрон к движущемуся полю, мы увидим, что мы можем объяснить и знак заряда и независимость количества заряда частиц от размера, то наша задача будет выполнена, хотя бы в первом приближении.
§ 9.2. Странные токи и странные волны. Плоский электрон
Для начала рассмотрим крайне упрощённую модельную ситуацию (рис. 9.1) кольцевого заряда, движущегося по круговой траектории радиуса r 0 . И пусть он в целом
электронейтрален , т.е. в его центре размещён противоположный по знаку заряд. Это так называемый «плоский электрон». Мы не утверждаем, что реальный электрон именно таков, мы лишь пытаемся пока понять, можно ли получить электрически нейтральный объект, эквивалентный свободному элементарному заряду в плоском, двумерном случае. Попробуем создать наш заряд из связанных зарядов эфира (вакуума, пленума ). Пусть, для определённости, заряд кольца отрицателен, а движение кольца происходит по часовой стрелке (рис. 9.1). В этом случае ток I t течёт против часовой стрелки. Выделим малый
элемент кольцевого заряда dq и припишем ему малую длину dl . Очевидно, что в каждый момент времени элемент dq движется с тангенциальной скоростью v t и нормальным ускорением a n . С таким движением мы можем ассоциировать полный ток элемента dI –
величину векторную. Эту величину можно представить как постоянный по величине тангенциальный ток dI t , постоянно «поворачивающий» своё направление с течением
времени, то есть – ускоренный. То есть имеющий нормальное ускорение dI & n . Трудность
дальнейшего рассмотрения связана с тем, что до сих пор в физике рассматривались в основном такие переменные токи, чьё ускорение лежало на одной прямой с направлением самого тока. В данном случае ситуация иная: ток перпендикулярен своему ускорению. И что же? Разве это отменяет твёрдо установленные ранее законы физики?
Рис. 9.1. Кольцевой ток и его силовое действие на пробный заряд
Так же как с самим элементарным током связано его магнитное поле (согласно закону Био-Савара-Лапласа), так и с ускорением элементарного тока связано электрическое поле индукции, как показано нами в предыдущих главах. Эти поля оказывают силовое действие F на внешний заряд q (рис. 9.1). Поскольку радиус r 0 конечен, то действия
элементарных токов правой (по рисунку) половины кольца не могут быть полностью скомпенсированы противоположным действием элементарных токов левой половины.
Таким образом, между кольцевым током I и внешним пробным зарядом q должно
возникать силовое взаимодействие.
В результате мы получили, что мы можем умозрительно создать объект, который в целом будет совершенно электронейтрален по построению, но содержать в себе кольцевой ток. Что же такое кольцевой ток в вакууме? Это ток смещения. Можно представить его как круговое движение связанных отрицательных (или наоборот - положительных) зарядов вакуума при полном покое оппозитных зарядов, расположенных
в центре. Можно представить и как совместное круговое движение положительных и отрицательных связанных зарядов, но с разными скоростями, или по разным радиусам или
в разные стороны… В конечном итоге как бы мы ни рассматривали ситуацию, она будет
сводиться к вращающемуся электрическому полю E , замкнутому в круге. При этом возникает магнитное поле B , связанное с тем, что текут токи и дополнительное, не ограниченное кр у гом электрическое поле Eинд , связанное с тем, что эти токи ускорены.
Именно это мы и наблюдаем вблизи реальных элементарных зарядов (например, электронов)! Вот наша феноменология так называемого «электростатического» взаимодействия. Не требуется свободных зарядов (с дробными или ещё какими-то величинами заряда), чтобы построить электрон. Достаточно лишь связанных зарядов вакуума ! Вспомните, что по современным представлениям фотон также состоит из движущегося электрического поля и в целом электронейтрален. Если фотон «загнуть» кольцом, то у него появится заряд, поскольку его электрическое поле теперь будет двигаться не прямолинейно и равномерно, а ускоренно. Теперь понятно, как образуются заряды разных знаков: если поле E в «кольцевой модели» (рис. 9.1) направлено от центра к периферии частицы, то заряд одного знака, если наоборот – то другого. Если разомкнуть электрон (или позитрон), то создадим фотон. В реальности из-за необходимости сохранения момента вращения, чтобы превратить заряд в фотон, надо взять два противоположных заряда, свести воедино и получить в итоге два электронейтральных фотона. Такое явление (реакция аннигиляции) действительно наблюдается в экспериментах. Так вот что такое заряд – это момент вращения электрического поля ! Далее мы попытаемся заняться формулами и расчётами и получить закон Кулона из законов индукции, приложенных к случаю переменного тока смещения.
§ 9.3. Закон Кулона как следствие закона индукции Фарадея
Покажем, что в двумерном (плоском) приближении электрон в электростатическом смысле эквивалентен круговому движению тока, который по величине равен току заряда q 0 , движущемуся по радиусу r 0 со скоростью, равной скорости света c .
Для этого разобьем полный круговой ток I (рис. 9.1) на элементарные токи Idl , вычислим dE инд , действующие в точке нахождения пробного заряда q , и проинтегрируем по кольцу.
Итак, ток, текущий в нашем случае по кольцу, равен:
(9.1) I = q 0 v = q 0 c . 2 π r 0 2 π r 0
Поскольку этот ток является криволинейным , то есть ускоренным , то он является
переменным:
И. Мисюченко |
Последняя тайна Бога |
|||||||
dt 2 π r |
2π r |
|||||||
где a - центростремительное ускорение, которое испытывает каждый элемент тока при движении по окружности со скоростью c .
Подставляя известное из кинематики выражение для ускорения a = c 2 , получим: r 0
q0 c2 |
||||||
2π r |
2 π r 2 |
|||||
Понятно, что производная для элемента тока будет выражаться формулой:
dl = |
q0 c2 |
dl . |
|||||
2π r |
2 π r 2 |
||||||
Как следует из закона Био-Савара-Лапласа, каждый элемент тока Idl создаёт в точке нахождения пробного заряда «элементарное» магнитное поле:
(9.5) dB = |
I[ dl , rr ] |
|||
Из главы 4 известно, что переменное магнитное поле элементарного тока порождает электрическое:
(9.6) dE r = v r B dB r = |
μ 0 |
|||||||||
I [ dl , r ] |
||||||||||
Теперь подставим в это выражение значение производной элементарного кругового тока из (9.4):
dl sin (β ) |
|||||||||||
dE = |
|||||||||||
2 π r 2 |
|||||||||||
Остаётся проинтегрировать эти элементарные напряжённости электрического поля по контуру тока, то есть по всем dl , которые мы выделили на окружности:
q0 c2 |
sin(β ) |
r 2 ∫ |
sin(β ) |
||||||||
E = ∫ dE = ∫ 8 π |
2 π r 2 |
dl = |
16 π 2 ε |
dl . |
|||||||
Нетрудно видеть (рис. 9.1), что интегрирование по углам даст:
(9.9) ∫ |
sin(β ) |
4 π r 2 |
|||
dl = 2 π r0 |
r 2 0 |
r 2 0 . |
Соответственно, полное значение напряжённости электрического поля индукции E инд от нашего криволинейного тока в точке нахождения пробного заряда будет равно.
До начала 20 века ученые считали атом мельчайшей неделимой частицей вещества, но это оказалось не так. На самом деле, в центра атома располагается его ядро с заряженными положительно протонами и нейтральными нейтронами, вокруг ядра по орбиталям вращаются отрицательно заряженные электроны (данная модель атома была в 1911 году предложена Э. Резерфордом). Примечательно, что массы протонов и нейтронов практически равны, а вот масса электрона примерно в 2000 раз меньше.
Хоть атом содержит как положительно заряженные частицы, так и отрицательно, его заряд нейтрален, т.к., в атоме одинаковое количество протонов и электронов, а рзнозаряженные частицы нейтрализуют друг друга.
Позже ученые выяснили, что электроны и протоны обладают одинаковой величиной заряда, равной 1,6·10 -19 Кл (Кл - кулон, единица электрического заряда в системе СИ.
Никогда не задумывались над вопросом - какое кол-во электронов соответствует заряду в 1 Кл?
1/(1,6·10 -19) = 6,25·10 18 электронов
Электрическая сила
Электрические заряды воздействуют друг на друга, что проявляется в виде электрической силы .
Если какое-то тело имеет избыток электронов, оно будет обладать суммарным отрицательным электрическим зарядом, и наоборот - при дефиците электронов, тело будет иметь суммарный положительный заряд.
По аналогии с магнитными силами, когда одноименно заряженные полюса отталкиваются, а разноименно - притягиваются, электрические заряды ведут себя аналогичным образом. Однако, в физике недостаточно говорить просто о полюсности электрического заряда, важно его числовое значение.
Чтобы узнать величину силы, действующей между заряженными телами, необходимо знать не только величину зарядов, но и расстояние между ними. Ранее уже рассматривалась сила всемирного тяготения : F = (Gm 1 m 2)/R 2
- m 1 , m 2 - массы тел;
- R - расстояние между центрами тел;
- G = 6,67·10 -11 Нм 2 /кг - универсальная гравитационная постоянная.
В результате проведенных лабораторных опытов, физики вывели аналогичную формулу для силы взаимодейтсвия электрических зарядов, которая получила название закон Кулона :
F = kq 1 q 2 /r 2
- q 1 , q 2 - взаимодействующие заряды, измеренные в Кл;
- r - расстояние между зарядами;
- k - коэффициент пропорциональности (СИ : k=8,99·10 9 Нм 2 Кл 2 ; СГСЭ : k=1).
- k=1/(4πε 0).
- ε 0 ≈8,85·10 -12 Кл 2 Н -1 м -2 - электрическая постоянная.
Согласно закону Кулона, если два заряда имеют одинаковый знак, то действующая между ними сила F положительна (заряды отталкиваются друг от друга); если заряды имеют противоположные знаки, действующая сила отрицательна (заряды притягиваются друг к другу).
О том, насколько огромным по силе является заряд в 1 Кл можно судить, используя закон Кулона. Например, если предположить, что два заряда, каждый в 1Кл разнести на расстояние друг от друга в 10 метров, то они будут друг от друга отталкиваться с силой:
F = kq 1 q 2 /r 2 F = (8,99·10 9)·1·1/(10 2) = -8,99·10 7 Н
Это достаточно большая сила, примерно сопостовимая с массой в 5600 тонн.
Давайте теперь при помощи закона Кулона узнаем, с какой линейной скоростью вращается электрон в атоме водорода, считая, что он движется по круговой орбите.
Электростатическую силу, действующую на электрон, по закону Кулона можно приравнять к центростремительной силе:
F = kq 1 q 2 /r 2 = mv 2 /r
Учитывая тот факт, что масса электрона равна 9,1·10 -31 кг, а радиус его орбиты = 5,29·10 -11 м, получаем значение 8,22·10 -8 Н.
Теперь можно найти линейную скорость электрона:
8,22·10 -8 = (9,1·10 -31)v 2 /(5,29·10 -11) v = 2,19·10 6 м/с
Таким образом, электрон атома водорода вращается вокруг его центра со скоростью, равной примерно 7,88 млн. км/ч.
Атом - это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z - порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е - величина элементарного электрического заряда.
Электрон - это мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10 -19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К - оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.
Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц - протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны - это стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента - водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон - это нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А - Z, где А - массовое число данного изотопа (см. ). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.
В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.
Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).
Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны - . Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.
Атом (греч. atomos - неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е - элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 -10 эл.-ст. ед.), и Z - атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А-Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются: 
Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10 -8 см. Поскольку масса всех электронов атома в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса атома пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе атома изотопа углерода С 12 , принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес атома химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).
Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы - электроны, протоны, атомы и т. д.,- кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е 0 , в какое-либо из возбужденных состояний E i происходит при поглощении определенной порции энергии Е i - Е 0 . Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= E i - Е k где h - постоянная Планка (6,62·10 -27 эрг·сек), v - частота света.
Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства атомов. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Протоном называют стабильную частицу, принадлежащую классу адронов, являющуюся ядром атома водорода.
Ученые расходятся во мнении, какое и научных событий считать открытием протона. Важную роль в открытии протона сыграли:
- создание Э. Резерфордом планетарной модели атома;
- открытие изотопов Ф. Содди, Дж. Томсоном, Ф. Астоном;
- наблюдения за поведением ядер атомов водорода при выбивании их альфа-частицами из ядер азота Э. Резерфордом.
Первые фотографии следов протона были получены П. Блэкеттом в камере Вильсона при исследовании процессов искусственного превращения элементов. Блэкетт исследовал процесс захвата альфа частиц ядрами азота. В этом процессе испускался протон и ядро азота превращалось в изотоп кислорода.
Протоны совместно с нейтронами входят в состав ядер всех химических элементов. Количество протонов в ядре определяет атомный номер элемента в периодической системе Д.И. Менделеева.
Протон - это положительно заряженная частица. Ее заряд равен по модулю элементарному заряду, то есть величине заряда электрона. Заряд протона часто обозначают как , тогда можно записать, что:
В настоящее время считают, что протон не является элементарной частицей. Он имеет сложную структуру и состоит из двух u- кварков и одного d - кварка. Электрический заряд u - кварка () положительный и он равен
Электрический заряд d - кварка () отрицательный и равен:
Кварки связывают обмен глюонами, которые являются квантами поля, они переносят сильное взаимодействие. То, что протоны имеют в своей структуре несколько точечных центров рассеяния подтверждено экспериментами по рассеянию электронов на протонах.
Протон имеет конечные размеры, о которых ученые до сих пор спорят. В настоящее время протон представляют как облако, которое имеет размытую границу. Такая граница состоит из постоянно возникающих и аннигилирующих виртуальных частиц. Но в большинстве простых задач протон, конечно можно считать точечным зарядом. Масса покоя протона () примерно равна:
Масса протона в 1836 раз больше, чем масса электрона.
Протоны принимают участие во всех фундаментальных взаимодействиях: сильные взаимодействия объединяют протоны и нейтроны в ядра, электроны и протоны при помощи электромагнитных взаимодействий соединяются в атомах. В качестве слабого взаимодействия можно привести, например, бета-распад нейтрона (n):
где p - протон; — электрон; — антинейтрино.
Распад протона получен пока еще не был. Это является одной из важных современных задач физики, так как это открытие стало бы существенным шагом в понимании единства сил природы.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Ядра атома натрия бомбардируют протонами. Какова сила электростатического отталкивания протона от ядра атома, если протон находится на расстоянии  м. Считайте, что заряд ядра атома натрия в 11 раз больше, чем заряд протона. Влияние электронной оболочки атома натрия можно не читывать.
|
| Решение | За основу решения задачи примем закон Кулона, который можно для нашей задачи (считая частицы точечными) записать следующим образом:
где F - сила электростатического взаимодействия заряженных частиц; Кл — заряд протона; - заряд ядра атома натрия; - диэлектрическая проницаемость вакуума; — электрическая постоянная. Используя имеющиеся у нас данные можно провести вычисления искомой силы отталкивания: |
| Ответ | Н |
ПРИМЕР 2
| Задание | Рассматривая простейшую модель атома водорода, считают, что электрон движется по круговой орбите вокруг протона (ядра атома водорода). Чему равна скорость движения электрона, если радиус его орбиты равен м? |
| Решение | Рассмотрим силы (рис.1), которые действуют на движущийся по окружности электрон. Это сила притяжения со стороны протона. По закону Кулона мы запишем, что ее величина равна ():
где =— заряд электрона; |
- заряд протона; — электрическая постоянная. Сила притяжения меду электроном и протоном в любой точке орбиты электрона направлена от электрона к протону по радиусу окружности.Если потереть стеклянную палочку о лист бумаги, то палочка приобретёт способность притягивать к себе листочки «султана» (см. рис. 1.1), пушинки, тонкие струйки воды. При расчёсывании сухих волос пластиковой расчёской волосы притягиваются к расчёске. В этих простых примерах мы встречаемся с проявлением сил, которые получили название электрических .
Рис. 1.1. Притягивание листочков «султана» наэлектризованной стеклянной палочкой.
Тела или частицы, которые действуют на окружающие предметы электрическими силами, называют заряженными или наэлектризованными . Например, упомянутая выше стеклянная палочка после того, как её потереть о лист бумаги, становится наэлектризованной.
Частицы имеют электрический заряд, если они взаимодействуют друг с другом посредством электрических сил. Электрические силы уменьшаются с увеличением расстояния между частицами. Электрические силы во много раз превышают силы всемирного тяготения.
Электрический заряд – это физическая величина, которая определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий. Электромагнитные взаимодействия – это взаимодействия между заряженными частицами или телами.
Электрические заряды делятся на положительные и отрицательные. Положительным зарядом обладают стабильные элементарные частицы – протоны и позитроны , а также ионы атомов металлов и т.д. Стабильными носителями отрицательного заряда являются электрон и антипротон .
Существуют электрически незаряженные частицы, то есть нейтральные: нейтрон , нейтрино . В электрических взаимодействиях эти частицы не участвуют, так как их электрический заряд равен нулю. Бывают частицы без электрического заряда, но электрический заряд не существует без частицы.
На стекле, потёртом о шёлк, возникают положительные заряды. На эбоните, потёртом о мех – отрицательные заряды. Частицы отталкиваются при зарядах одинаковых знаков (одноимённые заряды ), а при разных знаках (разноимённые заряды ) частицы притягиваются.
Все тела состоят из атомов. Атомы состоят из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые движутся вокруг ядра атома. Атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных частиц – нейтронов. Заряды в атоме распределены таким образом, что атом в целом является нейтральным, то есть сумма положительных и отрицательных зарядов в атоме равна нулю.
Электроны и протоны входят в состав любого вещества и являются наименьшими устойчивыми элементарными частицами. Эти частицы могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Электрический заряд электрона и протона называется элементарным зарядом.
Элементарный заряд – это минимальный заряд, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Электрический заряд протона равен по абсолютной величине заряду электрона:
Е = 1,6021892(46) * 10 -19 Кл Величина любого заряда кратна по абсолютной величине элементарному заряду, то есть заряду электрона. Электрон в переводе с греческого electron – янтарь, протон – от греческого protos – первый, нейтрон от латинского neutrum – ни то, ни другое.
Проводники и диэлектрики
Электрические заряды могут перемещаться. Вещества, в которых электрические заряды могут свободно перемещаться, называются проводниками . Хорошими проводниками являются все металлы (проводники I рода), водные растворы солей и кислот – электролиты (проводники II рода), а также раскалённые газы и другие вещества. Тело человека также является проводником. Проводники обладают высокой электропроводностью, то есть хорошо проводят электрический ток.
Вещества, в которых электрические заряды не могут свободно перемещаться, называются диэлектриками (от английского dielectric, от греческого dia – через, сквозь и английского electric – электрический). Эти вещества также называют изоляторами . Электропроводность диэлектриков очень мала по сравнению с металлами. Хорошими изоляторами являются фарфор, стекло, янтарь, эбонит, резина, шёлк, газы при комнатных температурах и другие вещества.
Разделение на проводники и изоляторы условно, так как проводимость зависит от различных факторов, в том числе от температуры. Например, стекло хорошо изолирует только в сухом воздухе и становится плохим изолятором при большой влажности воздуха.
Проводники и диэлектрики играют огромную роль в современном применении электричества.