Одним з фундаментальних понять фізики є електричний заряд. Його властивості дозволяють зрозуміти, як з’являється електрика та від чого вона залежить.
Сили, які він викликає, не можна віднести до гравітаційних, тому для них придумали свою назву — електромагнітні. Точкові електрозаряди належать до первинних величин. Вивчає ж їх вплив один на одного і викликані ними силові взаємодії електростатика.
Загальні відомості
У 1666 році Ісаак Ньютон відкрив закон всесвітнього тяжіння. У його описі він використовував сили, названі гравітаційними. Їх дії пояснювалися впливом астрономічних об’єктів. Було встановлено, що величина сили залежить від маси взаємодіючих тіл. Але разом з цим вчені, проводячи експерименти, спостерігали явища тяжіння або відштовхування тіл невеликих розмірів, що не пов’язані з гравітацією.
На той час він не зміг пояснити природу сил, що виникали, тому він просто констатував дослідний факт. Філософ виявив, що якщо потерти камінь з бурштину об хутро, він починає притягувати до себе легкі частинки, наприклад, порошинки. Тільки в 1600 році Гілберт використовував для опису явища слово «електрика», яке в перекладі з грецької мови означає «бурштин».
Через 60 років німець Отто фон Геріке спорудив пристрій, названий електростатичною машиною. Вона складалася з металевого штатива, вставленого в сірчану кулю. З її допомогою він зміг дізнатися, що предмети можуть не тільки притягуватися, але і відштовхуватися.
Експерименти, проведені французом Шарлем Дюфе, показали, що існує 2 типи електрики. Пізніше Франклін пояснив це існуванням двома видами частинок:
- позитивні;
- негативні.
Знак був привласнений умовно, щоб зручно було досліджувати явище. Досліди показали, що 2 однаково заряджених елементів відштовхуються один від одного, в той час як різнойменні притягуються. Прояв же тих чи інших властивостей тілами, як, виявилося, залежить від кристалічної будови тіла. Вчені встановили, що в його основі лежить міжатомна взаємодія.
Часткою-носієм властивостей елемента є атом. Він складається з протонів і нейтронів, що утворюють ядро. Навколо останнього по орбіталях обертаються електрони.
Дослід Кулона
Закон взаємодії зарядів був сформульований і емпірично підтверджений Кулоном в 1785 році. Для цього фізик сконструював спеціальний пристрій – крутильні ваги. Цей прилад міг вимірювати малі сили, що виникають при зарядженості тіл. Причому для зручності ним була введена величина — точковий заряд.
По суті, це ідеалізація, що дозволяє доступно описати поле зарядженого тіла. Під таким зарядом розуміють наелектризований предмет, розмірами якого можна знехтувати. З’явилися підстави припустити, що вся енергія зосереджена в одній точці. Прилад вченого складався з наступних елементів:
- шовкова нитка;
- дві металеві кульки;
- проградуйовані шкали;
- паперовий диск;
- коромисло.
Суть експерименту полягала в наступному. Підвісивши до тонкої нитки коромисло, на якому були закріплені 2 кульки, Кулон опустив цю конструкцію в скляну посудину. Нитка знаходилася на половину глибини ємності. Причому навпроти куль по зовнішньому діаметру судини була закріплена шкала. Потім він опускав заряджену кулю і спостерігав реакцію.
Реакція полягала вона в повороті коромисла на певну величину. Таким чином, було не тільки відкрито явище, в якому виявився факт існування в природі елементарних носіїв електричних зарядів, а й електризація тіл при їх контакті.
Вчений, заміряючи кут повороту, сформулював закон. Він свідчив, що сила з якою відбувається взаємодія двох заряджених елементарних зарядів прямо пропорційна добутку їх значень по модулю і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.
У математичному вигляді це твердження описується наступною формулою:
F = K * (q1 * q2)/r2
де
- k — коефіцієнт пропорційності.
У міжнародній системі одиниць вимірювання він визначається як k = ¼pE. Причому E – це скалярна величина, що дорівнює 8,85 * 10-12 Ф/М. Називається вона електричною постійною і визначається середовищем, в якій відбувається взаємодія.
Експеримент Кулона допоміг встановити електромагнітну сутність взаємодії електричних зарядів та зрозуміти, що частинка володіє енергією, яку вона може передавати і через яку відбувається електрична взаємодія тіл. Але також стало ясно, що якщо система ізольована від зовнішніх впливів, вона знаходиться в енергетичній рівновазі, тобто діє закон збереження енергії.
Властивості зарядів
Кількісно енергію, що переноситься частинками, заведено вимірювати в кулонах (Кл). Заряд – це якась фундаментальна величина природи. Сказати, що це таке, фізики не можуть. Зате вони навчилися пояснювати їх взаємодії і змогли з’ясувати властивості явища.
Ця теорія була висунута експериментатором Майклом Фарадеєм і названа ним правилом близькодії. Виявилося, що носій відчуває дію електричного поля, навіть якщо поруч немає іншої зарядженої частинки, тобто сприймає електромагнітні хвилі.
Крім цього, вчені змогли виявити наступні властивості, властиві заряду:
- Існує тільки 2 види заряджених частинок — позитивні і негативні.
- У природі немає переважання плюсових або мінусових зарядів, а їх сумарне число однакове.
- При електризації процес супроводжується не появою нових носіїв, а їх поділом.
- Розмір мінімального позитивного заряду (протона), який вдалося відкрити, становить 1,6021892 * 10-19 Кл. Це значення по модулю дорівнює електрону.
- Заряд інваріантний, тобто його значення не залежить від обраної системи відліку.
- Енергія, якою володіє заряджена частинка, може приймати будь-які дискретні значення.
Остання властивість була доведена радянським фізиком Іоффе на початку XX століття. Він взяв 2 металеві пластини. Одну з них він зарядив негативно, а іншу позитивно. Між ними вчений поміщав порошинки цинку. В результаті фізик спостерігав їх взаємодію з прообразом плоского конденсатора. Під дією електричного поля і ультрафіолетового випромінювання, з цинку вилітали електрони, і швидкість пилинок змінювалася.
Вимірюючи цю швидкість, Іоффе побачив, що заряд цинкових пилинок змінювався на певну величину. Але виміряти її він не зміг через складну форму пилу.
Це найменше значення, яке можна отримати в природі. Решта величини утворюються квантуванням, тобто загальний заряд завжди дорівнює цілому числу елементарних.
Закон збереження зарядів
Мабуть, одним з найважливіших принципів у фізиці вважається закон збереження зарядів. З його проявом можна зіткнутися, наприклад, натираючи ебонітову паличку об шерсть. В цьому випадку заряд як би з’являється на двох предметах одночасно. Але це не означає, як здається, що народжуються зовсім нові частинки.
Насправді заряд був і раніше в тілах, але при цьому зосереджений в рівних кількостях. При контакті ж відбувається поділ елементарних носіїв. З вовни електрони переходять на ебоніт, тому він заряджається негативно, а тканина — позитивно. Відбувається електризація. Сумарний же заряд залишається незмінним. Він дорівнює нулю. Це і є прояв електромережі.
Нехай є 2 фізичних тіла. Вони володіють пробними зарядами q1 і q2. Якщо їх привести в зіткнення, а потім розвести, отриману кожним об’єктом енергію можна знайти за формулою:
q = (q1 + q2)/2
Як виявилося, правило проявляє себе не тільки в макроосвіті, але і в мікросвіті. На підтвердження сказаного можна розглянути 2 приклади:
- Скляна паличка і шовк. Загальний заряд, а його позначають буквою q, дорівнює нулю. Якщо потерти шовк об скляну паличку, тканина зарядиться негативно, а скло — позитивно. Прояв закону можна описати: q-шовк + q + скляна паличка = 0.
- Ядро. Воно складається з позитивного зарядженого протона і не має знака нейтрона. Якщо останній покине ядро, наприклад, при атомній реакції, він розпадеться на 3 види частинок: протон (p), електрон (е) і нейтрино (ν): n → p + e + ν. Оскільки заряди протона і нейтрона компенсують один одного, а нейтрина дорівнює нулю, то q = qe + qp + qv = 0.
А отримання позитивного заряду тілом, всупереч частій помилці, означає не збільшення протонів, а відхід електронів, тобто енергія передається порціями, що складаються з цілого числа негативних частинок.
