Как квантуется электрический заряд

Электри́ческий заря́д — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году.

Свойства электрического заряда

Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Положительно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные тела так же, как стекло, наэлектризованное трением о шелк. Отрицательно заряженными называют тела, которые действуют так же, как эбонит, наэлектризованный трением о шерсть.

Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому.

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Важным свойством электрического заряда является его дискретность. Это означает, что существует некоторый наименьший, универсальный, далее не делимый элементарный заряд, так что заряд q любого тела является кратным этому элементарному заряду:

где N – целое число, е – величина элементарного заряда. Согласно современным представлениям, этот заряд численно равен заряду электрона e = 1,6∙10 -19 Кл.

Закон сохранения электрического заряда.

Внутри замкнутой системы при любых взаимодействиях алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной:

Изолированной (или замкнутой) системой мы будем называть систему тел, в которую не вводятся извне и не выводятся из нее электрические заряды.

Квантование электрического заряда. На основании большого числа экспериментов установлено, что электрический заряд квантуется, т. е. заряд любого тела кратен целому числу элементарных зарядов, каждый из которых имеет величину, равную 1,6010  Кл. Этот элементарный заряд принято обозначать буквой e. Частицей с отрицательным элементарным зарядом является электрон (me= 9,1110  кг). Примером устойчивой частицы с положительным элементарным зарядом служит протон (mр = 1,6710 7 кг). Известна также частица с массой, равной массе электрона, и зарядом, равным заряду протона, получившая название позитрон.

Зако́н Куло́на — это закон, описывающий силы взаимодействия между точечными электрическими зарядами.

Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними

Важно отметить, что для того, чтобы закон был верен, необходимы:

точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров — впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными непересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии;

их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд;

Физика 10 класс (Урок№26 — Электрический заряд. Закон Кулона.)

взаимодействие в вакууме.

В векторном виде в формулировке Ш. Кулона закон записывается следующим образом:

где — сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2; — величина зарядов; — радиус-вектор (вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2, и равный, по модулю, расстоянию между зарядами — ); — коэффициент пропорциональности.

Элементарный электрический заряд

Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен элементарному. Такое предположение было высказано Б. Франклином в 1752 г. и в дальнейшем неоднократно проверялось экспериментально. Впервые заряд был экспериментально измерен Милликеном в 1908 г.

Тот факт, что электрический заряд встречается в природе лишь в виде целого числа элементарных зарядов, можно назвать квантованием электрического заряда. Заметим, что в классической электродинамике вопрос о причинах квантования заряда не обсуждается, поскольку заряд является внешним параметром, а не динамической переменной. Удовлетворительного объяснения, почему заряд обязан квантоваться, пока не найдено, однако уже получен ряд интересных наблюдений.

Электрический заряд

Понятие электрического заряда занимает центральное место в классической теории электромагнетизма. Электрическим зарядом в физике называется величина, которая характеризует способность объектов входить в электрические взаимодействия. Следует подчеркнуть, что тела с одноимёнными зарядами всегда отталкиваются, а тела с разноимёнными – притягиваются друг к другу.

Электрический заряд

Фундаментальная характеристика заряда заключается в его двойственной природе: заряды бывают и положительными, и отрицательными. Так, все заряженные тела условно делятся физиками на два подтипа, при этом все тела одного из подтипа отталкивают друг друга, но притягивают тела из второго подтипа. Например, если частица А отталкивает частицу В, но частица А притягивает частицу С, то частица В тоже будет притягивать частицу С.

Физики до сих пор не выяснили, почему тела обладают этим глобальным, универсальным и, при ближайшем рассмотрении, элементарным свойством. Тем не менее, термины «отрицательный заряд» и «положительный заряд» являются противоположными проявлениями одного и того же качества.

Заряженная частица всегда рождается в паре с частицей противоположного заряда. Например, пара положительно и отрицательно заряженных электронов (позитрон и негатрон) появляется на свет посредством распадения фотона. При этом процессе изменения заряда не происходит, другими словами, изменение заряда равно нулю до и после «превращения» фотона.

Чтобы понять, в чём заключается сущность данной скалярной величины и из чего состоит электрическое вещество, следует изучить два фундаментальных свойства электрического заряда: квантование и сохранение заряда.

Принцип квантования заряда

Даже начинающий физик знает: в природе электрические заряды состоят из дискретных зарядов, имеющих постоянную величину, которая характеризуется как заряд электрона и обозначается символом е. Например, положительный заряд позитрона и отрицательный заряд негатрона равны по своей величине. Квантование заряда – это и есть природное уравнивание величин зарядов двух разноимённо заряженных частиц. Важное понятие в терминологии квантования – дискретность заряда. Согласно новейшим физическим теориям, заряд квантуется, то есть обладает свойством дискретности: один заряд состоит из минимальных порций зарядов, которые далее разделить невозможно.

Принцип сохранения заряда

Этот принцип следует из природы «рождения» двух миркотел, имеющих разноимённые заряды. Это фундаментальный эмпирический закон, не имеющий противоречий ни в одном из сделанных до сегодняшнего дня исследований. Дословно принцип сохранения гласит: в закрытой системе электрический заряд, носящий и другое название – алгебраическая сумма двух разноимённых зарядов, –остаётся постоянным.

Кулоновская сила

Концепция Кулона характеризует взаимодействие между двумя зарядами, пребывающими в состоянии покоя. Она гласит: два недвижимых заряда отталкивают либо притягивают один другого с силой, которая прямо пропорциональна произведению величин зарядов, но обратна длине расстояния между этими зарядами во второй степени. Вместе с этим, сила взаимодействия пары зарядов не может измениться при присутствии третьего.

С помощью кулоновского принципа естествоиспытатель может отыскать состояние равновесия в ситуации свободного перемещения зарядов под воздействием силы другого типа, при котором заряды будут распределяться с постоянным коэффициентом. Сила Кулона предопределена третьим законом Ньютона, который утверждает, что заряды воздействуют один на другого с силами, которые равны по модулям, но противоположны по направлениям.

Суперпозиция полей

Закон Кулона и все вытекающие из него утверждения являются лишь основой для другого, более масштабного принципа – закона суперпозиции. Исходя из этого фундаментального утверждения, силы, которые действуют на заряды, каждый из которых располагается в конкретной точке объединённой системы, являют собой сумму сил, имеющих строгое направление и формируемых отдельными группами зарядов по отдельности и влияющих на заряды в конкретных точках.

Принцип суперпозиции полей

В отличие от закона Кулона, принцип суперпозиции может быть недостаточным в рамках некоторых квантовых явлений в электрическом поле.

Научная электронная библиотека

Известнейшие слова В. Ленина в эпиграфе, многократно цитированные в учебниках философии и физики, — попытка философа без знания основ физики «объять необъятное». Что значит «неисчерпаем»? Как материальный объект, в энергетическом освоении или в познавательном содержании? Если неисчерпаем в кантовском смысле «вещи в себе», то Ленин прав, хотя он и был противником Канта. Познать все свойства электрона — вряд ли посильная задача для современной науки, но макроэкологические представления о системности МИРА позволяют приблизиться к этому пониманию сквозь догмы и фетиши физики ХХ века. Чтобы привлечь внимание читателя к разгадке тайны этой одной из множества «изученных» физиками элементарных частиц с отрицательным зарядом, — анонсируем разгадку: «В Природе не существует отрицательного заряда, как он введён в физике, а потому и частица, называемая «электрон» — это только одна проекция свойств единственной элементарной частицы материального мира!» Прежде чем углубить представления о частице, называемой «электрон», мы будем использовать это название, и проследим исторические вехи открытий и заблуждений на пути нового понимания.

Электрические свойства некоторых веществ были известны ещё 2500 лет назад. «Электрон» — так называлась в Греции окаменевшая смола, называемая нами «янтарь», способная притягивать мелкие предметы. В новое время научное изучение этого явления начали в XVI веке. Английский физик У. Гильберт (1544-1603), начав исследования в 1570 г., обнаружил, что некоторые драгоценные камни (алмаз, сапфир, аметист, агат, горный хрусталь и другие), будучи натёртыми, проявляют силы притяжения. Он назвал эти вещества «электриками». Когда такое вещество становилось наэлектризованным, то считалось, что оно приобрело электрический заряд. Металлы не электризовались. Возникла идея, что электричество является чем-то подобным жидкости (аналогичная идея перетекания «теплорода» при нагревании тел была широко распространена позднее для явлений теплопередачи). Заряд перетекает и, накопившись в теле, делает его наэлектризованным.

В 1733 г. французский химик Ш.Ф. Дюфе обнаружил, что наэлектризованные разные тела могут не только притягиваться, но и отталкиваться и предположил наличие разного типа электричества «стеклянного» и «канифольного». Б. Франклин экспериментально показал, что «стеклянный» заряд нейтрализует «канифольный» и предположил, что существует заряд только одного типа. Когда заряд имеется в теле в нормальном количестве, оно нейтрально, если заряд притекает в тело, то заряд возрастает и тело «положительно заряжено», а если заряд покидает тело, то тогда оно «отрицательно» заряжено. Положительно заряженной тело притягивает отрицательно заряженное, заряд перетекает, его количество выравнивается и тела становятся разряженными.

Какое тело считать положительно заряженным, а какое отрицательно? Б. Франклин (1740) предположил, что натёртое стекло приобретает заряд и потому оно положительно заряжено, а канифоль теряет заряд. С тех пор физики традиционно считают, что поток электричества идёт от + к -, то есть из точки с наибольшей концентрацией заряда, — к месту, где его не хватает. Нейтрализация положительного электрического заряда определённой величины (избытка) производится такой же величиной отрицательного заряда (недостатка). Происходит перераспределение заряда, но сохраняется их сумма. Так со времени Франклина считается общепризнанным закон сохранения электрического заряда.

Понятие «заряд» у Франклина — единственно, а мы можем обнаруживать его избыток или недостаток в каком-то теле. Позднее наука фетишизировала + и -, присвоив их разным частицам. В конце XIX века при исследовании строения атомов были экспериментально обнаружены частицы, названные электронами (фотоэффект, катодные лучи). Частице был приписан отрицательный заряд, который определялся направлением движения в электрическом поле. Экспериментально с высокой точностью Р.Э. Милликен (1915) измерил значение минимального заряда, который и был приписан электрону:

е = — 1,602177·10 -19 Кл.

Блестящий экспериментатор Милликен заслуженно получил Нобелевскую премию (1923 г). Подчеркнём, что это значение (того, что названо зарядом) действительно является минимальным в Природе, так как определяется свойствами среды. Меньшие значения заряда, приписываемые теоретиками сказочным кваркам, не существуют, хотя за эту идею М. Гелл-Манн получил Нобелевскую премию (1969).

Экспериментально измеренная масса электрона me = 9,10939·10 -31 кг, как будет показано при уточнении понятия массы, также является минимально возможной в Природе. Позднее были определены и другие физические характеристики электрона, описывающие в формулах его поведение, но не имеющие внятного объяснения физической сущности: Комптоновская длина волны электрона λК = h/mec = 2,426311·10 -12 м , его классический радиус r0 = e 2 /mc 2 = 2,81794 ·10 -15 м (h — постоянная Планка, e — заряд, mе — масса электрона, c — скорость света), магнитный момент μе = 928,477·10 -26 Дж·Тл -1 (действительная размерность величины, скрытая за именами учёных, — кг 1/2 ·м 7/2 ·с -2 не имеет физического смысла, но это что-то измерено с высокой точностью!) и другие [91].

При исследовании свойств атомов было определено, что их ядра состоят из протонов и нейтронов, электроны располагаются на удалении вокруг ядра, а протон является ядром простейшего атома — водорода. Измеренная масса протона, также признанного элементарной частицей, оказалась в 1837 раз больше массы электрона (почему именно такое различие масс элементарных частиц атома, физика объяснить не способна). Заряд протона оказался равным заряду электрона, но другого знака — положительный (что это значит и почему так, физика не знает). При дальнейшем развитии теории протон признали составной частицей из различного типа кварков, имеющих дробный заряд. Во всех атомах число протонов в ядре равно числу электронов и заряды сбалансированы.

Оказалось, что обычные законы механики не способны описать поведение элементарных частиц, проявляющих волновые свойства. Потребовались радикально новые представления. Луи де Бройль (1924) высказал гипотезу, позднее развитую в квантовой механике, что «корпускулярно-волновой дуализм носит всеобщий характер. Это означало, что волновые свойства присущи любым частицам материи, то есть не только фотону, но и электрону, протону и др. Согласно де Бройлю, любой частице материи можно поставить в соответствие волну, длина которой связана с импульсом частицы» [53]. «Волны де Бройля» были обнаружены при дифракции электронов, и де Бройль был удостоен Нобелевской премии (1929), хотя понимание такого «двуличия» электронов, нуклонов и других частиц отсутствует.

Основы квантовой механики были заложены В. Гейзенбергом (1925) и Э. Шредингером (1926). Они смогли математически в матричной форме представить соотношения между экспериментально наблюдаемыми величинами: частота излучения спектральных линий атомов и их интенсивность. Оба были удостоены Нобелевских премий (1932, 1933). Матрицы и волновые функции предсказывали вероятность событий и позволяли исключить из рассмотрения понятные механические характеристики: координаты электрона, его скорость, траектория движения. Эти характеристики были признаны не существующими.

Релятивистское обобщение квантово-механических законов было представлено П. Дираком (1928). Один из важных результатов его работы — решение релятивистского уравнения движения электрона, в котором перед корнем квадратным математически должны стоять знаки + и -, что было воспринято как существование двух частиц. Наряду с электроном, должна существовать и частица с равной ему массой, но с положительным зарядом. В 1932 г частица с такой же массой, как электрон, но которая отклонялась в магнитном поле в противоположном направлении, была обнаружена К. Андерсоном. Частица была названа позитроном. П. Дирак и К. Андерсон получили Нобелевские премии (1933, 1936). Это считается блестящим достижением теории, хотя реально — это заблуждение науки. С тех пор вместо единого понятия «перетекающего» заряда Франклина в ХХ веке окончательно утвердилось существование в Природе двух разных частиц с противоположными зарядами, которые обязаны существовать и взаимно уничтожаться (аннигилировать) при встрече.

Современная физика, оперируя понятием заряд, не определяет его ни как субстанцию, ни как природное явление, а использует технически, потребительски. Определение электрического заряда: «величина, равная произведению силы тока I на время t, в течение которого шёл ток; единица измерения — кулон (Кл); кулон равен количеству электричества, проходящему через поперечное сечение проводника при токе силой 1 ампер за время 1 секунда» [91].

Коренное физическое понятие заряда в физике оказалось сведено до второстепенного, определяемого по силе электрического тока, принятой за основную физическую величину. Оказывается, что и эта единица не проясняет нам ничего, а возвращает к предыдущему определению: «Сила электрического тока I — скалярная величина, равная производной по времени от электрического заряда, переносимого носителями заряда сквозь рассматриваемую поверхность; единица измерения — ампер; ампер равен силе тока, который при прохождении по двум параллельным, прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10 -7 ньютона» [91]. Если после этого кому-то стало ясно, что такое заряд, попытайтесь это объяснить своим друзьям или студентам.

Заканчивая этот краткий обзор, можно видеть, что теоретическая физика математически «исчерпала» электрон и его анти-брата позитрон. Как показано (см. 4.2), имена Кулона, Ампера и других великих учёных присвоены существующим и не существующим явлениям, но зато найдены соотношения, которые позволяют в технике их использовать. Всё подтверждается экспериментами. «Электрический ток идёт, заряды бегут, двигатель крутится, машина едет»,- что же ещё нужно? Необходимое в естествознании понимание соотношений между природными сущностями в науке отсутствует. Сила тока — ампер имеет размерность в системе СИ: I=[M 1/2 L 3/2 T -2 ], а заряд — кулон — [M 1/2 L 3/2 Т -1 ]. Как в Природе извлекается корень квадратный из массы или длины, чтобы создать единичные заряды и передавать их на большие расстояния? Такое возможно в технике, где течёт что-то, но не возможно в естествознании. Физика не даёт реального представления о заряде частиц, их размере и траектории движения, заявляя, что в микромире всё по иному и нельзя использовать классические понятия.

Современная квантовая физика вместе с теорией относительности привели к относительности науки вообще. Если в каждой из выбранных систем координат события могут развиваться по-разному, если местонахождение электрона в каждый данный момент неизвестно, если электрон может при движении менять массу, не изменяя заряда, то уже не существует единства Природы, и возникают сомнения в логических причинно-следственных связях.

Исследования структуры микромира продолжаются, но до сих пор не создана непротиворечивая теория элементарных частиц, число которых около 400, а масса изменяется от одной до миллионов и миллиардов («бозоны Хиггса») электронных масс. Существует множество математических трудностей: получение бесконечно большого значения для некоторых физических величин, нестыковка теорий для разных типов микрообъектов, отсутствие единой теории физических полей. В гл. 1.3 было показано, что причина всех трудностей в физике состоит в использовании одного способа описания явлений Природы — математического. Принято считать, что математика — не просто язык для описания природы, но внутренне присуща самой Природе. Такое представление вылилось в трагедию науки. Особенность математического описания — абстрактность. Система понятий и символов, представляет карту реальности, на которой запечатлены лишь её некоторые черты. Оперируя символами, физик имеет дело с упрощёнными представлениями о реальности. За понятиями и символами в физике скрывается какое-то свойство, но потеряны другие. Часто физики придумывают свойства, не имеющие содержания. Так, придуманным кваркам, предполагаемым составным частям протона и нейтрона, приписывают электрический заряд или -1/3, или +2/3 и такие квантовые числа, как спин, изотопический спин, странность, очарование, прелесть, барионный заряд. Какой физический смысл скрывается за каждым из этих свойств? Может ли быть электрический заряд равным 1/3 или, например, 1/101 от заряда электрона? Милликен определил экспериментально минимальный заряд, но теоретики делят его на дроби.

В. Гейзенберг отмечал, что «каждое слово или понятие, каким бы понятным оно ни казалось, может найти лишь ограниченное применение». Поэтому каждое понятие должно быть чётко определено. Математизированная физика об этом забыла. На вопрос, что такое заряд,- физик даёт ответ: «это свойство — притягиваться для частиц с разным знаком и отталкиваться с одинаковым». Но свойство притягиваться не объясняет ни причину притяжения, ни знаки зарядов.

Как квантуется электрический заряд

Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. Эти силы называют электромагнитными силами .

О существовании электромагнитных сил знали еще древние греки. Но систематическое, количественное изучение физических явлений, в которых проявляется электромагнитное взаимодействие тел, началось только в конце XVIII века. Трудами многих ученых в XIX веке завершилось создание стройной науки, изучающей электрические и магнитные явления. Эта наука, которая является одним из важнейших разделов физики, получила название электродинамики .

Основными объектами изучения в электродинамике являются электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами и токами.

Электрическое поле

1.1. Электрический заряд. Закон Кулона

Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Электрический заряд обычно обозначается буквами или .

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

  • Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
  • Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
  • Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда .

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду .

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером . Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:

Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными . Элементарный заряд является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков – частиц с дробным зарядом и Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.

В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.

Рисунок 1.1.1.

Перенос заряда с заряженного тела на электрометр

Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка .

Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами .

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

Рисунок 1.1.2.

Прибор Кулона

Рисунок 1.1.3.

Силы взаимодействия зарядов

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой .

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.

Коэффициент пропорциональности в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).

Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения .

Коэффициент в системе СИ обычно записывают в виде:

где – электрическая постоянная .

В системе СИ элементарный заряд равен:

Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Рис. 1.1.4 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел.

Рисунок 1.1.4.

Принцип суперпозиции электростатических сил
Модель. Взаимодействие точечных зарядов

Принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы. Однако, его применение требует определенной осторожности, в том случае, когда речь идет о взаимодействии заряженных тел конечных размеров (например, двух проводящих заряженных шаров 1 и 2). Если к системе из двух заряженных шаров поднсти третий заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 изменится из-за перераспределения зарядов .

Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном) распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.

Квантование электрического заряда измерили линейкой

Физики провели эксперимент, который невооруженным глазом позволяет убедиться в дискретности элементарного электрического заряда. Для этого они модифицировали классический опыт Милликена, заставив левитировать каплю силиконового масла в оптической ловушке с очень низкой жесткостью в постоянном электрическом поле. При этом изображение капли на стене, увеличенное линзой, менялось строго дискретными шагами. Исследование опубликовано в Scientific Reports.

Более ста лет назад Роберт Эндрюс Милликен провел свой знаменитый опыт, который позволил весьма достоверно доказать, что электрический заряд всегда кратен некоему малому значению, и даже довольно точно его вычислить. Эксперимент заключался в измерении скоростей пролета заряженных капелек масла между пластинами конденсатора. Скорость при этом оказывается пропорциональна числу электронов, пойманных каплей.

И хотя классический милликеновский опыт наблюдался непосредственно глазом в окуляр, дискретный характер скорости капли и, как следствие, электрического заряда был не очевиден для наблюдателя. Для развития физики этот факт, конечно, не имеет существенного значения, но необходимость пост-обработки результатов снижает демонстрационный потенциал опыта. В наши дни современная версия опыта Милликена проводится путем помещения капель в оптические или электростатические ловушки, однако до недавнего времени ни один из экспериментов не позволял убедиться в дискретности электрического заряда невооруженным глазом.

Исправить этот недостаток смогла группа физиков из Швеции и Мексики под руководством Дага Хансторпа (Dag Hanstorp) из Гётеборгского университета. Они смогли добиться этого, поместив капли силиконового масла в оптическую ловушку малой жесткости, что обеспечило высокую чувствительность пространственного положения капли в зависимости от ее заряда. Чтобы сделать эту зависимость видимой без дополнительных приспособлений со стороны наблюдателя, изображение капли увеличивалось с помощью линзы на экране.

Ученые создавали оптическую ловушку, фокусируя излучение лазера с длиной волны 532 нанометра с помощью длиннофокусной линзы в пространство между пластинами конденсатора. Про каплю, пойманную в такой оптический пинцет, говорят, что она левитирует, потому что сила, возвращающая ее в центр ловушки, уравновешивает все остальные силы, в том числе силу тяжести. Эту силу можно описывать моделью пружины с некоторой жесткостью, причем жесткость тем больше, чем сильнее градиент электромагнитного поля или, если говорить в терминах оптики, чем больше числовая апертура фокусировки. Физики так подобрали параметры системы, чтобы жесткость их ловушки была мала и составила 5,00±0,49 наноньютон на метр.

Авторы подавали на пластины, расстояние между которыми было равно одному миллиметру, разность потенциалов, равную 666 вольтам. Несмотря на наличие отверстий для лазерного пучка, радиусами в один миллиметр, численные симуляции показали, что в промежутке между пластинами должно создаваться достаточно однородное поле, напряженностью 360±45 киловольт на метр. Вкупе с малой жесткостью оптической ловушки этой напряженности оказалось достаточно, чтобы положение капли смещалось на десять микрон при добавлении в нее единичного электрона. Чтобы сделать видимым такое смещение, физики установили рядом с пластинами собирающую асферическую линзу, которая фокусировала свет лазера, рассеянный верхней и нижней частью капли, на стену лаборатории с увеличением в 73 раза.

Чтобы индуцировать в камере свободные электроны, авторы, как и в классическом опыте, использовали ионизирующее излучение. В частности, физики использовали изотоп 241 Am в качестве источника альфа-частиц, которые выбивали электроны из капель, электродов и воздуха. Некоторые из выбитых электронов садились на капли, что и фиксировалось в эксперименте.

Количество захваченных электронов варьировалось случайным образом от одного до нескольких штук. Это выражалось в скачках положения изображения капли на экране, пропорциональных приобретенному заряду. Откалибровав нужным образом экран с помощью горизонтальных меток, физики могли невооруженным глазом увидеть число захваченных электронов. Многоступенчатый процесс поглощения заряда был снят ими на видео.

Измеренная зависимость положения капли от времени имела ступенчатый характер, где каждый шаг был равен либо кратен некоторому минимальному значению. Физики аппроксимировали эту зависимость с помощью ровных ступенчатых функций и исследовали разность двух графиков. Гистограмма разности демонстрировала нормальное распределение в окрестности нуля с полушириной, не превышающей половину деления.

С помощью несложных вычислений физики также оценили величину элементарного заряда, которая в их опыте оказалась равной 1,44±0,25×10 −19 кулон, что с учетом ошибки согласуется с известным на сегодня значением, равным 1,602×10 −19 кулон. Такая большая ошибка по мнению авторов исходит из неопределенностей электрического поля и жесткости ловушки.

Конечно, проведенный эксперимент несет скорее демонстрационную ценность, нежели ценность измерительную, в силу его малой точности. Для сверхточного измерения электрических зарядов физики используют другие экспериментальные техники. Мы уже писали ранее, как физики ограничили максимальный заряд нейтрона очень малым значением.

Марат Хамадеев
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Эксперимент Muon g-2 измерил аномальный магнитный момент мюона с рекордной точностью
Он расходится с последними теоретическими предсказаниями со статистической значимостью в 5σ

Физики представили новые результаты эксперимента Muon g-2 в Фермилабе по измерению аномального магнитного момента мюона. Согласно анализу данных двух новых сеансов измерений, физикам удалось больше чем в два раза уменьшить неопределенность измеренного значения. С учетом всех собранных Muon g-2 экспериментальных данных, новый результат противоречит последним предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5,0σ. Согласно авторам статьи, препринт которой доступен на сайте эксперимента, статистическая значимость расхождения, вероятно, ослабнет, если включить в расчет предсказаний недавно опубликованные теоретические и экспериментальные результаты других коллабораций. Также о результатах эксперимента рассказывается на сайте ИЯФ имени Будкера, а запись научного семинара с докладом о последних результатах Muon g-2 доступна на YouTube.Значение магнитного момента мюона — одна из немногих напрямую измеряемых аномалий в современной физике, которая может указывать на существования физики за пределами Стандартной модели. Дело в том, что в это значение вносит вклад взаимодействие этого тяжелого лептона с существующими в нашей модели Вселенной виртуальными частицами. За счет большой массы мюона такой вклад различим на фоне хорошо предсказываемых электромагнитных поправок. Он же позволяет судить о существовании потенциально неоткрытых полей и частиц: расхождения измеренного значения магнитного момента и теоретических расчетов может указывать на неполноту теории. Однако сложность таких измерений в том, что относительная разница измеренного экспериментом и предсказанного теорией значений может проявляться только в шестом знаке после запятой. Для достижения такой точности измерений необходим большой массив экспериментальных данных, а также уверенность в том, что из их анализа были исключены любые систематические вклады и неопределенности в теории. Кроме того, сами предсказания Стандартной модели обладают погрешностью и зависят от параметров существующих в ней частиц и процессов. Два года назад мы уже рассказывали о природе аномального магнитного момента мюона и о том, как эксперимент Muon g-2 впервые увидел расхождение теории и эксперимента. Тогда в совокупности с данными двадцатилетней давности эксперимента-предшественника E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории статистическая значимость расхождения составила 4,2 стандартных отклонения (или 4,2σ), чего лишь немного не хватило до общепринятого порога официального открытия в 5σ. Вчера участники коллаборации Muon g-2, в том числе физики из институтов Великобритании, Германии, Италии, Китая, России и США, представили результаты анализа данных двух новых сеансов измерений, которые состоялись в 2019 и 2020 годах. Полученное значение аномального магнитного момента совпало в пределах погрешности с результатами за первый сеанс измерений и эксперимента E821, а относительную точность измерения удалось уменьшить больше чем в два раза: с 0,46 до 0,20 миллионных долей. Как и в первом сеансе набора данных, магнитный момент мюона физики измеряли через разность циклотронной частоты и частоты спиновой прецессии поляризованных антимюонов (частица с противоположным по знаку мюону зарядом, но теми же свойствами) в накопительном кольце в сильном магнитном поле. Эта разность частот пропорциональна абсолютной величине аномального магнитного момента мюона и магнитному полю. Поэтому непрерывно измеряя магнитные поля внутри кольца с помощью ЯМР-проб, физики могли получить искомое значение магнитного момента. При этом сам антимюон в накопительном кольце достаточно быстро распадался на два нейтрино и позитрон, который за счет меньшей массы отклонялся в сторону внутреннего радиуса накопительного кольца, покрытого калориметрами. Искомую разность частот измеряли по колебаниям в количестве электронов, зарегистрированных с помощью этих детекторов. Столь сильно уменьшить погрешность измерений физикам удалось не только за счет увеличения количества набранных данных в 5 раз, но и благодаря оптимизации установки и процесса анализа данных. К примеру, ученые обернули кольцо в теплоизолирующий кожух и улучшили систему кондиционирования экспериментального холла, чтобы уменьшить колебания температуры, которые влияли на магнитное поле внутри установки. Большой вклад также внесли улучшение хранения пучка в кольце и оптимизация квадрупольных и дипольных магнитов в установке с обновленной техникой измерения их влияния на динамику пучка. В результате систематическая погрешность измерений составила всего 0,07 миллионных долей, что уже меньше цели эксперимента в 0,1 миллионных долей. К 2025 году физики собираются достигнуть цель и по статистической погрешности за счет обработки данных еще 3 сеансов набора данных, проведенных в 2021-2023 годах. Формально, с учетом всех собранных данных, измеренное экспериментом Muon g-2 значение аномального магнитного момента мюона уже сейчас противоречит предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5σ, а с учетом данных эксперимента E821 — в 5,1σ. Однако участники коллаборации предостерегают от поспешных выводов: это сравнения с устаревшим расчетом теоретической группы эксперимента, опубликованным в 2020 году. По мнению ученых, недавно опубликованные данные эксперимента КМД-3 в Институте ядерной физики имени Будкера и теоретические расчеты коллаборации BMW должны повлиять на теоретические предсказания и потенциально сблизить их с экспериментально полученным значением. Еще одно прямое указание на Новую физику — переносчик слабого взаимодействия W-бозон. Год назад мы рассказывали о том, что измеренное коллаборацией CDF значение массы этой частицы разошлось с предсказаниями Стандартной модели на 7 стандартных отклонений.

Элементарный электрический заряд

Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен элементарному. Такое предположение было высказано Б. Франклином в 1752 г. и в дальнейшем неоднократно проверялось экспериментально. Впервые заряд был экспериментально измерен Милликеном в 1908 г.

Тот факт, что электрический заряд встречается в природе лишь в виде целого числа элементарных зарядов, можно назвать квантованием электрического заряда. Заметим, что в классической электродинамике вопрос о причинах квантования заряда не обсуждается, поскольку заряд является внешним параметром, а не динамической переменной. Удовлетворительного объяснения, почему заряд обязан квантоваться, пока не найдено, однако уже получен ряд интересных наблюдений.

Электрический заряд. Квантование заряда — ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Нажмите, чтобы узнать подробности

Цель: научиться обнаруживать электрические заряды на телах.

I. Анализ контрольной работы

II. Изучение нового материала

Структура Вселенной формируется гравитационным притяжением тел. Но притяжение привело бы к сжатию. Для существования стабильных размеров тел должны существовать силы отталкивания между частицами тела. Такими силами являются силы электромагнитного взаимодействия. Силы электромагнитного взаимодействия частиц тела на много порядков превосходят гравитационные силы. Электромагнитные притяжения и отталкивания возникают лишь между заряженными частицами.

Подвесили на нитку кусочек фольги. И поднесем к нему палочку из оргстекла.

— Что вы наблюдаете?

Никаких изменений не происходит.

Значит, тело не обладает зарядами. Натрем палочку из оргстекла о бумагу. Кусочек фольги начал притягиваться. Значит, один из способов сообщить телу электрический заряд — натереть его.

Убедиться, что это не единственный способ зарядить тела.

Ударим эбонитовой палочкой о резиновую трубку. Поднесем тела к электрометрам, а затем соединим, стрелки вначале отклонятся, а после соединения проволокой вернутся в первоначальное положение. Эбонитовая палочка и резиновая трубка «зарядилась» разными по знаку зарядами, но одинаковыми по модулю.

Способность частиц (или тел) к электромагнитному взаимодействию характеризует электрический заряд.

Электрический заряд — физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия.

Отрежем две полоски бумаги по ширине около 1 см. Сблизим. Взаимодействие отсутствует. Положим на тетрадь и проведем несколько раз ручкой.

Будем сближать полоски, взяв их в руки, полоски оттолкнутся друг от друга.

К подвешенной фольге поднести заряженную палочку, фольга притягивается. Если же фольга коснется палочки, фольга будет отталкиваться.

Значит, заряженные тела могут отталкиваться. Это объясняется существованием двух различных зарядов. Один из них положительный, а другой отрицательный.

При соприкосновении одной и той же пластиковой ручки были сообщены бумаге одинаковые заряды.

Следовательно, между электрическими зарядами одинакового знака действуют силы отталкивания, а между зарядами противоположных знаков действуют силы притяжения.

Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяют электрометр. По углу отклонения стрелки электрометра можно судить о значении электрического заряда, переданного стержню электрометра.

Установим два одинаковых электрометра. На стержне одного из них укрепим металлический диск и поставим на него второй такой же с ручкой изолятора. Между дисками положим кусок сукна. Взявшись за ручку, сделаем несколько движений и снимаем верхний диск. Стрелка электрометра отклонится. Верхний диск поднесем ко второму электрометру. Стрелки электрометров отклонились на один и тот же угол, примерно. Теперь соединим проволокой электрометры, стрелки вернутся в первоначальное положение.

Самые точные эксперименты показали, что в результате электронизации тел при соприкосновении на них всегда возникают электрические заряды, равные по модулю и противоположные по знаку.

Электрические заряды могут появиться и при других взаимодействиях, под воздействием света.

Внутри изолированной системы при любых взаимодействиях алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной: q1 + q2 +. + qn = const.

Нигде и никогда не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением равного по модулю отрицательного заряда.

III. Закрепление изученного

1. Какие взаимодействия называют электромагнитными?

2. Что такое электрический заряд?

3. В чем сходство и отличие электрического заряда и гравитационной массы?

4. Какой заряд называют элементарным?

5. В чем состоит явление электронной теории?

6. Сформулируйте законы сохранения электронного заряда?

7. Когда он выполняется?

1. Исследуйте в домашних условиях синтетические и натуральные материалы. Какие из них электризуются сильнее?

2. Можно ли на концах эбонитовой палочки получить одновременно два разных по знаку заряда? Дайте теоретическое решение и проверьте его экспериментом.

Как квантуется электрический заряд?

Как происходит процесс квантования электрического заряда? Что это за процесс, и какие особенности он имеет?

Знаешь ответ?
Valeriya Komissarova 12 июля, 2023 в 18:33

Электрический заряд квантуется, что означает, что он может принимать только определенные значения. Эти значения измеряются в единицах элементарного заряда и экспрессируются через заряд электрона. Известно, что заряд электрона равен примерно -1.602 × 10^-19 Кл (колумбам) в системе Международной системы единиц (СИ). Когда объект набирает или теряет электроны, его заряд изменяется на целочисленное количество элементарных зарядов. Это явление называется квантованием электрического заряда.

Знаешь ответ?

Оставить комментарий Отменить ответ

Не уверен в ответе?

Найди верный ответ на вопрос ✅ Как квантуется электрический заряд? по предмету Физика, а если ответа нет или никто не дал верного ответа, то воспользуйся поиском и попробуй найти ответ среди похожих вопросов.

Для чего характерна способность накапливать и сохранять электрический заряд?

ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ И КОНДЕНСАТОРЫ.. ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ — ЭТО физическая величина, характеризующая способность двух проводников накапливать электрический заряд.

Электро́н — легчайшая стабильная отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Заряд электрона равен −1,602176487(40)×10 − 19 Кл (или −4,80320427(13)×10 − 10 ед. СГСЭ в системе СГС); наиболее точно он был измерен в независимых экспериментах Р.

Почему у электрона есть заряд?

Электрон и протон обладают элементарными электрическими зарядами, равными по модулю и противоположными по знаку. Заряд электрона считается отрицательным, заряд протона положительным. Заряд протона или электрона — это элементарный электрический заряд.

Электрон ( )
Масса9,1093837015(28)⋅10 − 31 кг, 0,51099895000(15) МэВ, 5,48579909065(16)⋅10 — 4 а.е.м.
Время жизни∞ (не менее 6,6⋅10 28 лет)
Квантовые числа
Электрический заряд−1,6021766208(98)⋅10 − 19 Кл
Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий