ФИЗИКА

3.1.1. Электрический заряд. Электризация тел. Закон сохранения заряда

Электрический заряд – физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия. Единица электрического заряда – кулон (Кл). Существует два вида электрических зарядов – положительные и отрицательные.

Выбор названия этих зарядов был исторической случайностью. Носителями зарядов могут быть элементарные частицы, атомы, молекулы, макроскопические тела.

Экспериментально было установлено, что существует минимальное значение электрического заряда, одинаковое по модулю для положительных и отрицательных зарядов. Наименьший электрический заряд имеют, например, протон (+е) и электрон (-е).

Результирующий заряд атома или молекулы Q складывается из зарядов протонов и электронов, входящих в их состав:

(3.1.1)

где n – целое число.

Из (3.1.1) следует, что электрический заряд дискретен (квантован). Минимальное различие модулей любых зарядов равно е.

Полный заряд электронейтрального атома равен нулю, так как число протонов в ядре равно числу электронов в атоме.

Макроскопические тела, состоящие из нейтральных атомов, электронейтральны. В них положительный заряд протонов уравновешивается отрицательным зарядом всех электронов. Чтобы зарядить тело, надо нарушить этот баланс. Нарушение этого баланса возможно при удалении электронов из электронных оболочек атомов и при присоединении электронов к электронным оболочкам.

При удалении электронов (ионизация атомов) тело заряжается положительно. Например, тело, заряд которого q = +9e, отличается от нейтрального тела отсутствием девяти электронов.

Зарядить тело отрицательно можно, добавив избыточные электроны.

Первые наблюдения притяжения и отталкивания тел в результате взаимного трения отмечались ещё в VI в. до н.э. После полировки янтарь притягивал лёгкие предметы. В связи с этим взаимодействие тел в результате трения было названо электрическим (от греч. electron – янтарь), а процесс получения электрически заряженных тел был назван электризацией.

Знак заряда в результате электризации определяется тем, что одни вещества при трении отдают электроны, а другие их присоединяют. Причина этого явления – в различии энергии связи электрона с атомом в этих веществах.

В атомах тех веществ, где электрон находится далеко от ядра и слабо с ним связан (например, в стекле), энергия связи электрона с атомом мала. Электрон поэтому может легко оторваться от атома. Атом при этом превращается в положительный ион, а вещество заряжается положительно.

В других же веществах (например, в шёлке) ядро атома сильно удерживает электроны так, что энергия связи электронов с атомом велика. Однако такой атом может присоединить дополнительный электрон, образуя отрицательный ион. Вещество при этом заряжается отрицательно. При трении стекла о шёлк часть электронов от атомов стекла переходит к атомам шёлка, которые эти электроны присоединяют.

Трение – лишь один из многих способов электризации вещества. Тело может заряжаться вследствие соприкосновения с заряженным телом, в результате нагревания, светового облучения и т.д.

Величина заряда, измеряемая в различных инерциальных системах отсчёта, оказывается одинаковой. Следовательно, электрический заряд является релятивистски инвариантным. Отсюда вытекает, что величина заряда не зависит от того, движется этот заряд или покоится.

Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь. Однако всегда возникают или исчезают два элементарных заряда противоположных знаков. Например, электрон и позитрон (положительный электрон) при встрече аннигилируют, т.е. превращаются в нейтральные гамма-фотоны. При этом исчезают заряды +e и -e. В ходе процесса, называемого рождением пары гамма-фотон, попадая в поле атомного ядра, превращается в пару частиц – электрон и позитрон. При этом возникают заряды +e и -e.

Таким образом, суммарный заряд электрически изолированной системы не может изменяться. Это утверждение носит название закона сохранения электрического заряда.

Отметим, что закон сохранения электрического заряда тесно связан с релятивистской инвариантностью заряда. Действительно, если бы величина заряда зависела от его скорости, то, приведя в движение заряды одного какого-то знака, мы изменили бы суммарный заряд изолированной системы.

к к к