Как заряжен электрон положительно или отрицательно

Простые опыты по электризации различных тел иллюстрируют следующие положения.

1. Существуют заряды двух видов: положительные (+) и отрицательные (-). Положительный заряд возникает при трении стекла о кожу или шелк, а отрицательный — при трении янтаря (или эбонита) о шерсть.

2. Заряды (или заряженные тела) взаимодействуют друг с другом. Одноименные заряды оттал­киваются, а разноименные заряды притягиваются.

3. Состояние электризации можно передать от одного тела к другому, что связано с переносом электрического заряда. При этом телу можно передать больший или меньший заряд, т. е. заряд имеет величину. При электризации трением заряд приобретают оба тела, причем одно — поло­жительный, а другое — отрицательный. Следует подчеркнуть, что абсолютные величины зарядов наэлектризованных трением тел равны, что подтверждается многочисленными измерениями заря­дов с помощью электрометров.

Объяснить, почему тела электризуются (т. е. заряжаются) при трении, стало возможным после открытия электрона и изучения строения атома. Как известно, все вещества состоят из атомов; атомы, в свою очередь, состоят из элементарных частиц — отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных протонов и нейтральных частиц — нейтронов. Электроны и протоны являются носителями элементарных (минимальных) электрических зарядов.

Элементарный электрический заряд (е) — это наименьший электрический заряд, положи­тельный или отрицательный, равный величине заряда электрона:

Заряженных элементарных частиц существует много, и почти все они обладают зарядом +e или -e, однако эти частицы весьма недолговечны. Они живут меньше миллионной доли се­кунды. Только электроны и протоны существуют в свободном состоянии неограниченно долго.

Протоны и нейтроны (нуклоны) составляют положительно заряженное ядро атома, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны, число которых равно числу протонов, так что атом в целом электроцентралей.

В обычных условиях тела, состоящие из атомов (или молекул), электрически нейтральны. Однако в процессе трения часть электронов, покинувших свои атомы, может перейти с одного тела на другое. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний. Но если тела после трения разъединить, то они окажутся заряженными; тело, которое отдало часть своих электронов, будет заряжено положительно, а тело, которое их приобрело, — отрицательно.

Итак, тела электризуются, т. е. получают электрический заряд, когда они теряют или приоб­ретают электроны. В некоторых случаях электризация обусловлена перемещением ионов. Новые электрические заряды при этом не возникают. Происходит лишь разделение имеющихся заря­дов между электризующимися телами: часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое.

Определение заряда.

Следует особо подчеркнуть, что заряд является неотъемлемым свойством частицы. Частицу без заряда представить себе можно, но заряд без частицы — нельзя.

Что такое Ионизация и как она возникает. Простыми словами.

Проявляют себя заряженные частицы в притяжении (разноименные заряды) либо в отталкивании (одноименные заряды) с силами, на много порядков превышающими гравитационные. Так, сила электрического притяжения электрона к ядру в атоме водорода в 10 39 раз больше силы гра­витационного притяжения этих частиц. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным взаимодействием, а электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.

В современной физике так определяют заряд:

Электрический заряд — это физическая величина, являющаяся источником электрического поля, посредством которого осуществляется взаимодействие частиц, обладающих зарядом.

Делимость электрического заряда

Хорошо известно, что молекулы и атомы в их нормальном состоянии не имеют электрического заряда. Поэтому мы не можем объяснить электризацию их движением. Однако если мы предположим, что частицы с электрическим зарядом существуют в природе, то мы должны обнаружить, что существует предел деления электрического заряда.

Согласно различным экспериментам, проведенным советским ученым Абрамом Федоровичем Иоффе и американским ученым Робертом Милликеном, было обнаружено, что существует заряженная частица с минимальным зарядом, который невозможно разделить.

В своих экспериментах они электризовали маленькие частицы цинковой пыли. Заряд пылинок меняли и вычисляли. Это было проделано несколько раз. При этом заряд оказывался каждый раз другим. Однако все изменения были кратны целому числу, большему, чем некоторый минимальный заряд (т.е. 2, 3, 4 и т.д.). Этот результат можно интерпретировать только следующим образом. Только наименьший заряд (или целое число таких зарядов) присоединяется к пылинке цинка или отсоединяется от нее. Этот заряд дальше уже не делится. Частица с наименьшим зарядом называется электроном.

Также в ходе опытов было установлено, что любая частица вещества либо электрически нейтральна, либо имеет заряд, кратный по модулю заряду электрона.

Свойства электрона

Электрон характеризуется и другими важными свойствами, помимо спина и магнитного момента. Рассмотрим их.

Масса электрона

Электроны очень малы. Масса электрона составляет me = 9,109 • 10 -31 кг или 5, 489 • 10 -4 атомных единиц массы (а. е. м). Эта масса примерно в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, которая является самой маленькой из всех молекул. Из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт).

Отношение массы протона к массе электрона равно 1836, то есть протон в 1836 раз «тяжелее» электрона.

Заряд электрона

Электрический заряд — одно из основных свойств электрона. Невозможно представить, что с электронов можно снять заряд. Они неотделимы друг от друга.

Электрический заряд — это физическая величина. Она обозначается буквой q. Единицей электрического заряда является кулон (Кл). Эта единица названа в честь французского физика Шарля Кулона. Электрон — это частица с наименьшим отрицательным зарядом. Его заряд равен e0 = — 1,6 • 10 -19 Кл.

Модуль заряда электрона назвали элементарным электрическим зарядом. Его обозначают е. Измерения показали, что e = 1,6 • 10 19 Кл.

Обратите внимание, что любой, даже самый малый, заряд тела содержит целое число элементарных зарядов. Так как заряд тела обозначается буквой q, то получаем: q = eN, где N — целое число (N = 1, 2, 3, … ).

Элементарный заряд может показаться очень малым, однако вспомним: в любом теле, видимом невооружённым глазом, содержится невообразимо большое число заряженных частиц. Так, суммарный заряд электронов в одной столовой ложке воды равен по модулю примерно миллиону кулонов (а вы уже знаете, как велик заряд всего в 1 Кл).

Важно! Термин элементарный заряд был придуман, когда предположили, что этот заряд является наименьшим электрическим зарядом в природе. Сегодня мы знаем, что 1/3 элементарного заряда также приходится на кварки.

Энергия покоя электрона

Энергия электрона рассчитывается из эквивалентности массы и энергии. Вы знаете это как формулу из теории относительности E=mc 2 . E означает энергию, m — массу, а c — скорость света. Как было уже сказано выше в этой статье: «из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт)».

В формуле это можно рассчитать следующим образом: E = mec 2 = 9,109 • 10 -31 • (3 • 10 8 ) 2 = 8,2 • 10 -14 Дж = 0,511 • 10 6 эВ ≈ 0,511 МэВ

Атом, электрон и электрическое поле

Весь окружающий нас мир состоит из частиц. К такому выводу пришли древнегреческие ученые, ведь во времена до нашей эры доказательством какого-то суждения служила логично выстроенная философская мысль, ведь физических приборов, таких как электронный микроскоп и масс-спректрограф, не было. Ученые того времени, что скорее являлись философами, рассуждали следующим образом: если взять топор и полено, то можно колоть его на щепки до тех пор, пока не останется неделимая щепочка. Эту щепочку назвали атом, что в переводе с греческого «неделимый». Все уникальные атомы перечислены в таблице Менделеева, а различные их комбинации создают наш удивительный мир и нас самих.

https://alexragulin.ru/img/lesson/2a/2a96bbcac21b482a3f6f8e5a8d4acd9a20210328113720.jpg
Только в 17-18 веках химики показали делимость атома на еще более мельчайшие, так называемые субатомные частицы. А позднее были открыты составляющие атома:

Протоны — положительно заряженные частицы,

Нейтроны — нейтральные частицы,

Электроны — отрицательно заряженные частицы.

Для представления структуры атома можно воспользоваться планетарной моделью атома*, названной так по аналогии с Солнечной системой. В центре атома находится массивное* ядро (из протонов и нейтронов), а вокруг него вращаются электроны. Но такая модель противоречит современным законам электродинамики, так как движущиеся частицы излучают энергию, а значит все электроны давным давно попадали бы на ядра (и Вселенной не было бы). Но для наших целей нам вполне можно вообразить себе ядро вмсето Солнца и электроны вместо планет.

Количество протонов определяет порядковый номер в таблице Менделеева.

Так, например, меньше всего протонов (один) у атома водорода, поэтому он первый в таблице Менделева, а у кислорода протонов 8, и как вы догадались, он восьмой в таблице*.

Остановимся подробнее на электроне, элементарной* частице, имеющей отрицательный электрический заряд*. Название частицы произошло от греческого слова янтарь. Древние греки заметили, что при натирании янтаря кусочком материи, янтарь начинает притягивать к себе небольшие предметы. Это связано с явлением электризации. При трении электроны с одного объекта могут перескакивать на другой. Тело, которое потеряло электроны будет заряжено положительно, тело, которое приобрело излишек электронов – отрицательно.

Электрон – стабильная частица, время жизни электрона 6,6∗1028 , а это 66000000000000000000000000000 лет. Это значит, что через 66 октильонов лет «в живых» останется примерно 1/3 от ныне существующих. Но о таких периодах времени нам, людям, не стоит беспокоиться:)

https://alexragulin.ru/img/lesson/46/467927c0d2c194c334a928b4b318040720210328113720.jpg
Масса электрона очень мала, она равна 9∗10−31 кг, то есть 0,0000000000000000000000000000009 кг. Для сравнения масса комара 0,0000007 г, или 780000000000000000000 электронов.

Заряд электрона равен одному элементарному заряду (1,6∗10−19 Кулон), взятого с минусом.

В некоторых веществах электроны могут свободно перемещаться под действием электрического поля. Это упорядоченное движение называется электрическим током. А такие вещества – проводниками электрического тока. Скорость электронов, именуемая дрейфовой скоростью, меньше 0,1 мм/с, что медленне улитки в 20 раз. Но тогда почему, включая свет, даже самый большой зал освещается мгновенно? Все дело в том, что электроны находятся во всем проводнике в огромном количестве, а скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света* (300 000 км/c), поэтому замыкая цепь, электромагнитное поле воздействует на все электроны в проводнике практически мгновенно, и те электроны, что находятся ближе всего к лампочке начинают питать энергией лампочку.

Чтобы представить себе насколько огромна скорость света, рассмотрим расстояние от Москвы до Нью-Йорка (7510 км), свету потребуется всего лишь 25 мс, чтобы преодолеть этот путь.

А за 1 секунду свет может обогнуть Землю 7 раз!

А теперь немного о технической стороне прогресса. Движение электронов в вакууме и управление этим процессом широко применялось в ламповых радиоприемниках, но с приходом транзисторов оказалось никому не нужным, за исключением профессиональных студий с кристальным звуком. Но вакуумные лампы применяются в магнетронах современных микроволновых печей и никакой альтернативы для более быстрого и недорогого разогрева пищи пока нет, хотя к нам уже шагает семимильными шагами технология индукционных плит, но о их работе мы поговорим в последнем разделе о магнетизме.

* Модель предложил ученый Эрнест Резерфорда, 1911 г.
* Так же, как и масса Солнца составляет 99,9% массы всей Солнечной системы, так и масса атома на 99,9% состоит из массы ядра.
* Количество протонов всегда совпадает с количеством электронов, поэтому атомы нейтральны.
* По определению, элементарная частица – это частица, которую невозможно расщепить на составные части. Следует помнить, что протон и нейтрон тоже элементарные частицы, хоть и состоят из кварков.
* Бенджамин Франклин, доказавший электрическую приироду молнии, первым предложил пользоваться терминологией положительных и отрицательных зарядов.
* Скорость света — наибольшая скорость распространения информации.

Что такое электроны?

Слово «электрон» в переводе с греческого означает «янтарь».

Еще Фалес Милетский (за 600 лет до н э.) заметил, что, если янтарь сильно потереть о ткань, он начнет притягивать к себе легкие предметы. Довольно долго считалось, что таким свойством обладает только янтарь. Однако то же самое происходит с предметами из пластмассы и других синтетических материалов. Вы легко можете наблюдать это явление с расческой и волосами: после расчесывания расческа начинает притягивать волосы (а сами расчесанные волосы, обратите внимание, начинают отталкиваться друг от друга).

Наэлектризованные волосы

В основе описанных явлений лежит явление электричества. Оно заключается во взаимодействии микроскопических частиц, обладающих зарядом — положительным или отрицательным. Частицы, имеющие одинаковый заряд, отталкиваются, а частицы с противоположными зарядами притягиваются. Электроны — это мельчайшие элементарные частицы, обладающие электрическим зарядом. Имя электронам дал англичанин Дж. Дж. Стоуни. Он предложил называть так неделимую частицу заряда.

Как вы уже знаете, все вещества состоят из атомов — микроскопических частичек. Каждый атом, в свою очередь, состоит из ядра и оболочки. Ядро образовано протонами и нейтронами, а вот оболочка состоит из электронов, и поэтому называется электронным облаком.

Электрический заряд есть не только у электронов, но и у протонов (нейтроны электрически нейтральны, как и говорит их название). В атоме электроны притягиваются к ядру, потому что у него положительный заряд за счет заряда протонов, а у электронов — отрицательный. Но, несмотря на эти свойства, электроны с ядром полностью не соединяются, так как находятся в постоянном движении. А сам атом полностью является электрически нейтральным, потому что в атоме число протонов равно количеству электронов.

Строение атома

В металлах часть электронов не связана с атомами и может свободно перемещаться. Направленное движение этих электронов обусловливает явление, без которого мы с вами вряд ли можем представить себе нашу жизнь — электрический ток. Поэтому металлы называют проводниками: они могут проводить электрический ток. Вещества, которые не могут проводить ток, называют изоляторами, или диэлектриками.

Вернемся к началу нашего повествования и ответим на вопрос: почему же электризуется янтарь? Прежде всего, обратите внимание, что трением можно наэлектризовать только изоляторы. При трении двух тел часть электронов переходит с одного тела на другое. В результате тела обретают противоположные заряды. Наэлектризовать трением можно только изоляторы, потому что только в этих телах электроны, перебравшиеся с одного тела на другое, остаются там, куда они попали. В проводниках они начинают свободно перемещаться.

Как вы уже, наверно, догадываетесь, суммарный заряд пары тел, которые терли друг о друга, равен нулю, то есть такая паря электрически нейтральна.

Янтарь электризуется трением очень легко, так же как эбонит, стекло или кошачий мех.

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.

Что такое электроны?

Слово «электрон» в переводе с греческого означает «янтарь».

Еще Фалес Милетский (за 600 лет до н э.) заметил, что, если янтарь сильно потереть о ткань, он начнет притягивать к себе легкие предметы. Довольно долго считалось, что таким свойством обладает только янтарь. Однако то же самое происходит с предметами из пластмассы и других синтетических материалов. Вы легко можете наблюдать это явление с расческой и волосами: после расчесывания расческа начинает притягивать волосы (а сами расчесанные волосы, обратите внимание, начинают отталкиваться друг от друга).

Наэлектризованные волосы

В основе описанных явлений лежит явление электричества. Оно заключается во взаимодействии микроскопических частиц, обладающих зарядом — положительным или отрицательным. Частицы, имеющие одинаковый заряд, отталкиваются, а частицы с противоположными зарядами притягиваются. Электроны — это мельчайшие элементарные частицы, обладающие электрическим зарядом. Имя электронам дал англичанин Дж. Дж. Стоуни. Он предложил называть так неделимую частицу заряда.

Как вы уже знаете, все вещества состоят из атомов — микроскопических частичек. Каждый атом, в свою очередь, состоит из ядра и оболочки. Ядро образовано протонами и нейтронами, а вот оболочка состоит из электронов, и поэтому называется электронным облаком.

Электрический заряд есть не только у электронов, но и у протонов (нейтроны электрически нейтральны, как и говорит их название). В атоме электроны притягиваются к ядру, потому что у него положительный заряд за счет заряда протонов, а у электронов — отрицательный. Но, несмотря на эти свойства, электроны с ядром полностью не соединяются, так как находятся в постоянном движении. А сам атом полностью является электрически нейтральным, потому что в атоме число протонов равно количеству электронов.

Строение атома

В металлах часть электронов не связана с атомами и может свободно перемещаться. Направленное движение этих электронов обусловливает явление, без которого мы с вами вряд ли можем представить себе нашу жизнь — электрический ток. Поэтому металлы называют проводниками: они могут проводить электрический ток. Вещества, которые не могут проводить ток, называют изоляторами, или диэлектриками.

Вернемся к началу нашего повествования и ответим на вопрос: почему же электризуется янтарь? Прежде всего, обратите внимание, что трением можно наэлектризовать только изоляторы. При трении двух тел часть электронов переходит с одного тела на другое. В результате тела обретают противоположные заряды. Наэлектризовать трением можно только изоляторы, потому что только в этих телах электроны, перебравшиеся с одного тела на другое, остаются там, куда они попали. В проводниках они начинают свободно перемещаться.

Как вы уже, наверно, догадываетесь, суммарный заряд пары тел, которые терли друг о друга, равен нулю, то есть такая паря электрически нейтральна.

Янтарь электризуется трением очень легко, так же как эбонит, стекло или кошачий мех.

Как заряжен электрон положительно или отрицательно

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.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий