Электрический заряд и его свойства. Дискретность. Элементарный электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Какой минимальный заряд известен в настоящее время

Законы электролиза, открытые Фарадеем, свидетельствуют в пользу существования мельчайших, неделимых количеств электричества. При электролизе один моль любого - валентного элемента переносит заряд кулонов ( - постоянная Фарадея). На один атом (точнее, ион) приходится, таким образом, заряд

На одновалентный ион приходится заряд , на двухвалентный - заряд , на трехвалентный - заряд и т. д.

Эту закономерность легко понять, если принять, что заряд является мельчайшей порцией заряда, элементарным зарядом.

Но законы электролиза можно понимать и в том смысле, что является средней порцией заряда, переносимой одновалентным ионом; свойство - валентного иона переносить в раз больший заряд должно было бы объясняться тогда не атомарной структурой электричества, а только свойствами иона. Поэтому для выяснения вопроса о существовании элементарного заряда необходимы прямые опыты по измерению мельчайших количеств электричества. Такие опыты были выполнены американским физиком Робертом Милликеном (1868-1953) в 1909 г.

Установка Милликена изображена схематически на рис. 348. Основной ее частью является плоский конденсатор 2,3, на пластины которого с помощью переключателя 4 можно подавать разность потенциалов того или иного знака.

Рис. 348. Схема опыта по измерению элементарного электрического заряда. Рентгеновская трубка 7 служит для изменения заряда капель; ее излучение создает в объеме между пластинами 2 и 3 ионы, которые, прилипая к капле, изменяют ее заряд

В сосуд 1 с помощью пульверизатора вбрызгиваются мельчайшие капли масла или другой жидкости. Некоторые из этих капель через отверстие в верхней пластине попадают в пространство между пластинами конденсатора, освещаемое лампой 6. Капли наблюдаются в микроскоп через окошко 5; они выглядят яркими звездочками на темном фоне.

Когда между пластинами конденсатора нет электрического поля, капли падают вниз с постоянной скоростью. При включении поля незаряженные капли продолжают опускаться с неизменной скоростью. Но многие капли при разбрызгивании приобретают заряд (электризация трением). На такие заряженные капли действует, кроме силы тяжести, также сила электрического поля. В зависимости от знака заряда можно выбрать направление поля так, чтобы электрическая сила была направлена навстречу силе тяжести. В таком случае заряженная капелька после включения поля будет падать с меньшей скоростью, чем в отсутствие поля. Можно подобрать значение напряженности поля так, что электрическая сила превзойдет силу тяжести и капля будет двигаться вверх.

В установке Милликена можно наблюдать за одной и той же каплей в течение нескольких часов; для этого достаточно выключать (или уменьшать) поле, как только капля начнет приближаться к верхней пластине конденсатора, и включать (или увеличивать) его снова, когда она будет опускаться к нижней пластине.

Равномерность движения капли свидетельствует о том, что действующая на нее сила уравновешивается сопротивлением воздуха, которое пропорционально скорости капли. Поэтому для такой капли можно написать равенство

где - сила тяжести, действующая на каплю с массой , - скорость капли, - сила сопротивления воздуха (сила трения), - коэффициент, зависящий от вязкости воздуха и размеров капли.

Измерив с помощью микроскопа диаметр капли, следовательно, зная ее массу, и определив далее скорость свободного равномерного падения , мы можем найти из (196.1) значение коэффициента , которое для данной капли сохраняется неизменным. Условие равномерного движения для капли с зарядом , поднимающейся со скоростью в электрическом поле , имеет вид

(196.2)

Из (196.2) получаем

Таким образом, проделав с одной и той же каплей измерения в отсутствие поля и при его наличии, найдем заряд капли . Мы можем изменить этот заряд. Для этой цели служит рентгеновская трубка 7 (рис, 348), с помощью которой можно ионизовать воздух в конденсаторе. Образовавшиеся ионы будут захватываться капелькой, и заряд ее изменится, сделавшись равным . При этом изменится скорость равномерного движения капли и она станет равной , так что

Этот минимальный заряд равен, как мы видим, элементарному заряду, проявляющемуся в процессе электролиза. Важно отметить, что начальный заряд капли есть «электричество трения», изменения же этого заряда происходили за счет захвата каплей ионов газа, образованных рентгеновскими лучами. Таким образом, заряд, образующийся при трении, заряды ионов газа и ионов электролита слагаются из одинаковых элементарных зарядов. Данные других опытов позволяют обобщить этот вывод: все встречающиеся в природе положительные и отрицательные заряды состоят из целого числа элементарных зарядов .

В частности, заряд электрона равен по абсолютному значению одному элементарному заряду.

Предположение о том, что любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен элементарному, было высказано Б. Франклином в 1752 г. Благодаря опытам М. Фарадея по электролизу величина элементарного заряда была вычислена в 1834 г. На существование элементарного электрического заряда также указал в 1874 г. английский ученый Дж.Стони. Он же ввел в физику понятие «электрон» и предложил способ вычисления значения элементарного заряда. Впервые экспериментально элементарный электрический заряд был измерен Р. Милликеном в 1908 г.

Электрический заряд любой микросистемы и макроскопических тел всегда равен алгебраической сумме элементарных зарядов, входящих в систему, то есть целому кратному от величины е (или нулю).

Установленное в настоящее время значение абсолютной величины элементарного электрического заряда составляет е = (4, 8032068 0, 0000015) . 10 -10 единиц СГСЕ, или 1, 60217733 . 10 -19 Кл. Вычисленная по формуле величина элементарного электрического заряда, выраженная через физические константы, дает значение для элементарного электрического заряда: e = 4, 80320419(21) . 10 -10 , или: е =1, 602176462(65) . 10 -19 Кл.

Считается, что этот заряд действительно элементарен, то есть он не может быть разделен на части, а заряды любых объектов являются его целыми кратными. Электрический заряд элементарной частицы является ее фундаментальной характеристикой и не зависит от выбора системы отсчета. Элементарный электрический заряд в точности равен величине электрического заряда электрона, протона и почти всех других заряженных элементарных частиц, которые тем самым являются материальными носителями наименьшего заряда в природе.

Существует положительный и отрицательный элементарный электрический заряд, причем элементарная частица и ее античастица имеют заряды противоположных знаков. Носителем элементарного отрицательного заряда является электрон, масса которого me = 9, 11 . 10 -31 кг. Носителем элементарного положительного заряда является протон, масса которого mp = 1, 67 . 10 -27 кг.

Тот факт, что электрический заряд встречается в природе лишь в виде целого числа элементарных зарядов, можно назвать квантованием электрического заряда. Почти все заряженные элементарные частицы имеют заряд е - или е + (исключение - некоторые резонансы с зарядом, кратным е ); частицы с дробными электрическими зарядами не наблюдались, однако в современной теории сильного взаимодействия - квантовой хромодинамике - предполагается существование частиц - кварков - с зарядами, кратными 1 / 3 е.

Элементарный электрический заряд не может быть уничтожен; этот факт составляет содержание закона сохранения электрического заряда на микроскопическом уровне. Электрические заряды могут исчезать и возникать вновь. Однако всегда возникают или исчезают два элементарных заряда противоположных знаков.

Величина элементарного электрического заряда является константой электромагнитных взаимодействий и входит во все уравнения микроскопической электродинамики.

Чувствительность к ударно-волновым воздействиям

Ударно-волновое воздействие создается ударной волной. Ударная волна, вошедшая в заряд, создает зону сжатого вещества, в которой протекают реакции разложения и выделения энергии. Если скорость выделения энергии больше скорости её отвода, то происходит ускорение фронта ударной волны, её подпитывание и распространение. Если скорость энергии выделения мала, то ударная волна успевает уйти вперед и затухнуть.

Время ударно-волнового воздействия мало. Если длительность начального импульса меньше критического значения (~0,11 мкс) и минимальная скорость инициирующей ударной волны меньше некоторого критического значения, то происходит отказ.

Сложное ударно-волновое воздействие создается обычно с помощью взрыва других ВВ. С практической точки зрения чувствительность ВВ к этому импульсу важна при создании надежных средств инициирования (КД) и при ведении взрывных работ для надежной передачи детонационного импульса от одного заряда БВВ к другому.

Минимальный инициирующий заряд такое количество ИВВ, которое способно вызвать полную детонацию БВВ.

Минимальный заряд ИВВ зависит не только от чувствительности БВВ к детонационному импульсу, но и от свойств ИВВ. Поэтому для обеспечения безотказности действия КД комбинированного снаряжения необходимо определить минимальный заряд конкретного ИВВ, входящего в конструкцию КД, по отношению к конкретному БВВ. Условия испытаний максимально приближают к реальности, т.е. снаряжают подрывной КД №8

(1 гр БВВ и некоторое количество ИВВ (<0,1 г).

В КД вставляют либо огнепроводный шнур, либо электровоспламенитель. Готовый КД устанавливают на стандартную свинцовую пластину и подрывают. Если диаметр пробития пластины равен или больше диаметра гильзы, то детонация БВВ полная. Изменяя величину навески ИВВ, находят минимальный заряд. Минимальный заряд ИВВ зависит от плотности БВВ. Чем выше плотность, тем больше минимальный заряд. Присутствие в заряде БВВ твердых тугоплавких примесей снижает минимальный заряд, а плавкие и мягкие повышают.

Влияние плотности заряда БВВ и примесей связано с механизмом возбуждения взрыва. Низкая плотность и тугоплавкие примеси способствуют реализации очагового механизма возбуждения взрыва, требующего меньшей затраты энергии.

Изменение массы БВВ практически не влияет на минимальный заряд ИВВ. Изменение диаметра гильзы приводит к изменению толщины слоя ИВВ. Поэтому минимальный заряд обычно определяют в гильзе №8 или характеризуют отношением массы к площади сечения заряда.

На вопрос как определяется минимальный электрический заряд? заданный автором распроститься лучший ответ это Или же, современная физика не имеет представления о существе электрического заряда, хотя еще Гегель указал на принцип определения электрического заряда (но физики, видимо, посчитали несостоятельным указание великого мыслителя, и… сами оказались за чертой Познания природы) .
А. Современная физика определяет, что свойство, определяющее возможность участия тела в электрическом взаимодействии, называют электрическим зарядом.
Иногда определяется, что электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство тел или частиц вступать в электромагнитные взаимодействия и определяющая значения сил и энергий при таких взаимодействиях.
[Но свойство относится к чему-то, что (электрический заряд) надобно бы сначала определить. ]
Минимальный электрический заряд имеет величину 1,6·10-19 Кл.
Электрические заряды делятся на положительные и отрицательные заряды.
В нейтральном (незаряженном) теле содержатся заряды противоположных знаков, равные по абсолютной величине . При этом известны распады, подтверждающие то, что в нейтральном теле содержатся заряды противоположных знаков, равные по абсолютной величине [там же. С. 872]: например, нейтрон распадается на положительно заряженный протон, отрицательно заряженный электрон и нейтральное электронное антинейтрино с выделением 0,78 Мэв энергии.
n -> p+ + e - +ve [+ 0,78 Мэв] ,
где n – нейтрон, p+ – положительно заряженный протон, e - – отрицательно заряженный электрон, ve – нейтральное электронное антинейтрино.
Частицы с дробным электрическим зарядом не наблюдались, однако в теории элементарных частиц рассматривают т. н. кварки, обладающие электрическим зарядом, в три раза меньшим, чем минимальный электрический заряд.
Б. Указанные определения электрического заряда приведены для того, чтобы стало ясным отсутствие у физики представления о его существе.
С одной стороны, «свойство» есть, используя выражение Гегеля, лишь неопределенное слово, не объясняющее, какова функция электричества .
При определении электрического заряда, как величины или свойства (без определения его существа) , не дается его определенное качество. Например, можно сказать: «данный объект есть сооружение» ; но это значит лишь то, что объект – не апельсин или еще что-то, а именно сооружение: быть может, мост или, быть может, навес над прилавком.
С другой стороны, экспериментальные данные отражают еще один противоречивый факт.
Известно, что
п0 -> e+ + e - +y [+ 134 Мэв] ,
K+ -> п+ + п+ + п - [+ 75 Мэв] ,
K+ -> п+ + п0 + п0 [+ 84,2 Мэв] ,
K10 -> п0 + п0 [+ 228 Мэв] ,
K20 -> п0 + п0 + п0 [+ 93 Мэв] ,
где п0 – нейтральный пи-мезон, e+ - положительно заряженный позитрон, y – фотон, K+, K10, K20 – соответствующие К-мезоны, п+ - положительно заряженный пи-мезон и п - -отрицательно заряженный пи-мезон.

Электрический заряд – физическая величина, характеризующая способность тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Измеряется в Кулонах.

Элементарный электрический заряд – минимальный заряд, который имеют элементарные частицы (заряд протона и электрона).

Тело имеет заряд , значит имеет лишние или недостающий электроны. Такой заряд обозначаетсяq =ne . (он равен числу элементарных зарядов).

Наэлектризовать тело – создать избыток и недостаток электронов. Способы:электризация трением иэлектризация соприкосновением .

Точечный заря д – заряд тела, которое можно принять за материальную точку.

Пробный заряд () – точечный, малый по величине заряд, обязательно положительный – используется для исследования электрического поля.

Закон сохранения заряда :в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется постоянной при любых взаимодействиях этих тел между собой .

Закон Кулона :силы взаимодействия двух точечных зарядов пропорциональны произведению этих зарядов, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними, зависят от свойств среды и направлены вдоль прямой, соединяющей их центры .

, где
Ф/м, Кл 2 /нм 2 – диэлектр. пост. вакуума

- относит. диэлектрическая проницаемость (>1)

- абсолютная диэлектрическая прониц. среды

Электрическое поле – материальная среда, через которую происходит взаимодействие электрических зарядов.

Свойства электрического поля:

Характеристики электрического поля:

Напряжённость (E ) – векторная величина, равная силе, действующей на единичный пробный заряд, помещённый в данную точку.

Измеряется в Н/Кл.

Направление – такое же, как и у действующей силы.

Напряжённость не зависит ни от силы, ни от величины пробного заряда.

Суперпозиция электрических полей : напряжённость поля, созданного несколькими зарядами, равна векторной сумме напряжённостей полей каждого заряда:

Графически электронное поле изображают с помощью линий напряжённости.

Линия напряжённости – линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряжённости.

Свойства линий напряжённости : они не пересекаются, через каждую точку можно провести лишь одну линию; они не замкнуты, выходят из положительного заряда и входят в отрицательный, либо рассеиваются в бесконечность.

Виды полей:

Однородное электрическое поле – поле, вектор напряжённости которого в каждой точке одинаков по модулю и направлению.

Неоднородное электрическое поле – поле, вектор напряжённости которого в каждой точке неодинаков по модулю и направлению.

Постоянное электрическое поле – вектор напряжённости не изменяется.

Непостоянное электрическое поле – вектор напряжённости изменяется.

Работа электрического поля по перемещению заряда .

, гдеF– сила,S– перемещение,- угол междуFиS.

Для однородного поля: сила постоянна.

Работа не зависит от формы траектории; работа по перемещению по замкнутой траектории равна нулю.

Для неоднородного поля:

Потенциал электрического поля – отношение работы, которое совершает поле, перемещая пробный электрический заряд в бесконечность, к величине этого заряда.

-потенциал – энергетическая характеристика поля. Измеряется в Вольтах

Разность потенциалов :

Если
, то

, значит

-градиент потенциала.

Для однородного поля: разность потенциалов – напряжение :

. Измеряется в Вольтах, приборы – вольтметры.

Электроёмкость – способность тел накапливать электрический заряд; отношение заряда к потенциалу, которое для данного проводника всегда постоянно.

.

Не зависит от заряда и не зависит от потенциала. Но зависит от размеров и формы проводника; от диэлектрических свойств среды.

, гдеr– размер,
- проницаемость среды вокруг тела.

Электроёмкость увеличивается, если рядом находятся любые тела – проводники или диэлектрики.

Конденсатор – устройство для накопления заряда. Электроёмкость:

Плоский конденсатор – две металлические пластины, между которыми находится диэлектрик. Электроёмкость плоского конденсатора:

, гдеS– площадь пластин,d– расстояние между пластинами.

Энергия заряженного конденсатора равна работе, которую совершает электрическое поле при переносе заряда с одной пластины на другую.

Перенос малого заряда
, напряжение измениться на
, совершится работа
. Так как
, а С =const,
. Тогда
. Интегрируем:

Энергия электрического поля :
, гдеV=Sl– объём, занимаемый электрическим полем

Для неоднородного поля :
.

Объёмная плотность электрического поля :
. Измеряется в Дж/м 3 .

Электрический диполь – система, состоящая из двух равных, но противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (плечо диполя -l).

Основная характеристика диполя – дипольный момент – вектор, равный произведению заряда на плечо диполя, направленный от отрицательного заряда к положительному. Обозначается
. Измеряется в Кулон-метрах.

Диполь в однородном электрическом поле.

На каждый из зарядов диполя действуют силы:
и
. Эти силы противоположно направлены и создают момент пары сил – вращающий момент:, где

М – вращающий момент F– силы, действующие на диполь

d– плечо силl– плечо диполя

p– дипольный моментE– напряжённость

- угол междуpи Еq– заряд

Под действием вращающего момента, диполь повернётся и установится по направлению линий напряжённости. Векторы pи Е будут параллельны и однонаправлены.

Диполь в неоднородном электрическом поле.

Вращающий момент есть, значит диполь повернётся. Но силы будут неравны, и диполь будет двигаться туда, где сила больше.

-градиент напряжённости . Чем выше градиент напряжённости, тем выше боковая сила, которая стаскивает диполь. Диполь ориентируется вдоль силовых линий.

Собственное поле диполя .

Но . Тогда:

.

Пусть диполь находится в точке О, а его плечо мало. Тогда:

.

Формула получена с учётом:

Таким образом разность потенциалов зависит от синуса половинного угла, под которым видны точки диполя, и проекции дипольного момента на прямую, соединяющие эти точки.

Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектрик – вещество, не имеющее свободных зарядов, а значит и не проводящее электрический ток. Однако на самом же деле проводимость существует, но она ничтожно мала.

Классы диэлектриков:

с полярными молекулами (вода, нитробензол): молекулы не симметричны, центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают, а значит, они обладают дипольным моментом даже в случае, когда электрического поля нет.

с неполярными молекулами (водород, кислород): молекулы симметричны, центры масс положительных и отрицательных зарядов совпадают, а значит, они не имеют дипольного момента при отсутствии электрического поля.

кристаллические (хлорид натрия): совокупность двух подрешёток, одна из которых заряжен положительно, а другая – отрицательно; в отсутствии электрического поля суммарный дипольный момент равен нулю.

Поляризация – процесс пространственного разделения зарядов, появления связанных зарядов на поверхности диэлектрика, что приводит к ослаблению поля внутри диэлектрика.

Способы поляризации:

1 способ – электрохимическая поляризация :

На электродах – движение к ним катионов и анионов, нейтрализация веществ; образуются области положительных и отрицательных зарядов. Ток постепенно уменьшается. Скорость установления механизма нейтрализации характеризуется временем релаксации – это время, в течение которого ЭДС поляризации увеличится от 0 до максимума от момента наложения поля. = 10 -3 -10 -2 с.

2 способ – ориентационная поляризация:

На поверхности диэлектрика образуются некомпенсированные полярные, т.е. происходит явление поляризации. Напряжённость внутри диэлектрика меньше внешней напряжённости. Время релаксации: = 10 -13 -10 -7 с. Частота 10 МГц.

3 способ – электронная поляризация:

Характерна для неполярных молекул, которые становятся диполями. Время релаксации: = 10 -16 -10 -14 с. Частота 10 8 МГц.

4 способ – ионная поляризация:

Две решётки (NaиCl) смещаются относительно друг друга.

Время релаксации:

5 способ – микроструктурная поляризация:

Характерен для биологических структур, когда чередуются заряженные и незаряженные слои. Происходит перераспределение ионов на полупроницаемых или непроницаемых для ионов перегородках.

Время релаксации: =10 -8 -10 -3 с. Частота 1 КГц

Числовые характеристики степени поляризации:

Электрический ток – это упорядоченное движение свободных зарядов в веществе или в вакууме.

Условия существования электрического тока :

наличие свободных зарядов

наличие электрического поля, т.е. сил, действующих на эти заряды

Сила тока – величина, равная заряду, который проходит через любое поперечное сечение проводника за единицу времени (1 секунду)

Измеряется в Амперах.

n– концентрация зарядов

q– величина заряда

S– площадь поперечного сечения проводника

- скорость направленного движения частиц.

Скорость движения заряженных частиц в электрическом поле небольшая – 7*10 -5 м/с, скорость распространения электрического поля 3*10 8 м/с.

Плотность тока – величина заряда, проходящего за 1 секунду через сечение в 1 м 2 .

. Измеряется в А/м 2 .

- сила, действующая на ион со стороны эл поля равна силе трения

- подвижность ионов

- скорость направленного движения ионов =подвижность, напряжённость поля

Удельная проводимость электролита тем больше, чем больше концентрация ионов, их заряд и подвижность. При повышении температуры возрастает подвижность ионов и увеличивается электропроводность.