Электрический заряд. Электроскоп

В начале XX века английский физик Джозеф Джон Томсон делает важное для мира науки открытие. Он находит в экспериментах с катодными лучами элементарную частицу атома — электрон. Учитывая свойства данной частицы, было логично сразу предположить, что именно электрон является носителем элементарного, то есть более не делимого, заряда. Оставалось одно: измерить заряд количественно.

Во время наших исследований электростатических явлений нам нередко приходилось прибегать к использованию термина «заряд». Заряды, как мы говорили, скапливаются на поверхности, перераспределяются, перемещаются, вроде как притягиваются или отталкиваются — вот и выходит, что заряд, а не что-либо еще, является причиной каждого электрического явления.

Именно заряд, не следствия из его свойств вроде статического электричества. Раз заряд — причина, почему вообще изучение электричества имеет место быть, нам стоит сделать последний рывок перед тем, как статика превратится в динамику. Сегодня мы побываем в экспериментальной лаборатории человека, который получил Нобелевскую премию в 1923 году за капельку масла, наконец перейдем к формулам и тем самым ответим на финальный и, пожалуй, наиболее важный вопрос введения в электрические процессы: что же такое заряд?

Опыт Милликена

Раз в составе атома есть мобильные частицы, способные взаимодействовать с себе подобными частицами внутри прочих атомов, они, вероятнее всего, являются базисом электрических процессов, если последние рассматривать на атомном уровне. Следовательно, частицы эти обладают неким свойством, что позволяют им при взаимодействии и перераспределении «переносить» вместе с собой электричество — можно грубо сказать, что электричество как бы в них «вшито».

Попробуем же посчитать это количество. Пусть снизу у нас имеется тело с переизбытком электронов, а сверху тело с недостатком электронов. Если тела объединить в единую систему, они создадут зону взаимного притяжения — атомы с переизбытком электронов будут стремиться «скинуть» лишнее в сторону, где преобладает недостаток.

Капельки масла — что может быть лучше. На капельку, падающую в обычных условиях, действует две силы — сила гравитации $m\vec{g}$ и сила сопротивления среды $F_{С}$. Движение при этом под действием силы гравитации происходит вниз. С помощью специального устройства можно зафиксировать предельную скорость падения, когда сила сопротивления сравнивается с гравитационной.

Равнодействующая сил в таком случае равна нулю, и тело, как следствие, падает равномерно, не в ускоренном состоянии. Это позволит рассчитать вес и массу.

Электрическая сила

Когда капелька начинает движение под действием электрической силы, интересно, что направление движения меняется: электрическая сила в нашем эксперименте превосходит гравитационную и аэродинамическую. Можно также дождаться нуля равнодействующей, за счет этого определить предельную скорость подъема, что позволит нам в свою очередь вычислить, сколько электрической силы действует на капельку.

{"questions":[{"content":"Посмотрите на капельку масла на последнем изображении. Выберите и отметьте все силы, которые на нее действуют.[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Аэродинамическое сопротивление","Электрическая сила","Гравитационная сила","Сила реакции опоры","Скоростная сила"],"answer":[0,1,2]}},"hints":["На капельку действуют <b>три</b> разных силы."]}]}

Электрическая сила отличается по своему «нутру» от механических сил: к примеру, и гравитационная сила, и электрическая обе действуют на объект без прямого контакта, условно на расстоянии, однако при этом электрическая сила явно действует не на массу, а как раз обуславливается количеством в теле «электрического свойства». Чем больше количество «электрического свойства», тем больше электрическая сила, — по аналогии, чем больше масса, тем быстрее тело притягивается к Земле.

В общей сложности, «электрическое свойство» — такая же фундаментальная единица, как и масса. Простой итог: «электрическое свойство» субатомных частиц было принято наречь электрическом зарядом.

Милликен, измеряя показатели электрической силы для множества масляных капель в описанном нами выше эксперименте, увидел потрясающую закономерность. Численное значение заряда капелек все время выходило кратным одному и тому же числу. Это полностью вписывалось в понимание на тот момент атомного строения вещества: в капельке ну никак не может быть $4.54$ электрона — их либо $4$, либо $5$.

Примерно число по расчетам было следующее:

$$1.6\cdot10^{-19}$$

Определение электрического заряда

Милликену подобным элегантным опытом удалось приблизительно подсчитать, каким количеством заряда обладает один электрон. Заодно продемонстрировать, что «электрическое свойство», то есть заряд — реальная физическая величина и абсолютно конкретное явление.  

Перейдем от абстракций к определениям:

Электрический заряд — фундаментальная величина, определяющая способность частицы вступать в электрические взаимодействия.

Повторимся, что заряд отдаленно напоминает массу — его наличие в природе так же фундаментально, и именно поэтому это слово и было использовано нами в определении выше. Заряд просто существует, являясь свойством субатомных частиц. Его источник — частички, протоны и нейтроны, которые его «переносят».

Элементарное значение заряда, более не делимое, мы с вами уже вывели. Давайте еще раз его запишем, чуть точнее, и дадим ему единицу измерения:

Элементарное значение заряда $e$ равняется $1,602 176 634\cdot10^{−19}$. Заряд измеряется в кулонах — $Кл$.

В кулонах — в честь французского физика Шарля Кулона, что подарил миру науки один безумно важный закон взаимодействия зарядов. Его нам еще предстоит изучить. Пока что нам бы разобраться с зарядом в общем, а о том, как они меж собой взаимодействуют, хорошо говорить, когда определены основы.

На заметку. В типовых задачах, конечно, использование точного значения осложняет решение, поэтому обычно его округляют до записанного выше $1.6\cdot10^{-19}\,Кл$.

Заряд: протон, нейтрон, электрон

Впрочем, ничего нового, всего лишь иными словами. Несмотря на то, что преимущественно электрон сидит во главе электрического стола и обуславливает своим числом общий заряд тела, аналогичный заряд, с количественной точки зрения, присутствует и у протона, положительной частицы. Ровно сколько элементарного заряда переносит один электрон, ровно столько же — протон. С противоположным знаком. Нейтрон, как мы помним, зарядом не обладает. Его задача — «образовывать» массу атома. Поэтому его заряд принимают за ноль. Ну, о том, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются, думаем, говорить вновь не нужно.

{"questions":[{"content":"Итого, вместо громоздкой постоянной в виде $1,602 176 634\\cdot10^{−19}$ в физике принято обозначать элементарный заряд литерой $e$: к ней можно добавить знак, чтобы показать отрицательный заряд $\\text{-}e$, можно добавить множитель $3e$, и так далее. Главное, не забывать об этом буквенном сокращении. <br /><br />В качестве закрепления расположите частицы напротив их заряда, выраженного как $e$.  [[matcher-1]]","widgets":{"matcher-1":{"type":"matcher","labels":["Электрон","Протон","Нейтрон"],"items":["$\\text{-}e$","$e$","0"]}}}]}

Однако кое-что поясним. Когда произносят слово «заряд», обычно имеют в виду заряд тела, никак не частиц. Набить атом лишними протонами или изъять их — задача чрезмерно трудоемкая, поэтому не забывайте, что положительный заряд тела чаще всего образуется за счет недостатка электронов: когда протонов в атоме становится больше электронов, общий заряд смещается в положительную сторону.

С переизбытком электронов то же самое. В обычном атоме количество протонов и электронов совпадает, и стоит электронам изменить свое количество, меняется заряд атома. Как следствие — всего тела.

Устройство для определения заряда — электроскоп

Простейшее устройство, с помощью которого можно обнаружить наличие заряда, называется электроскоп. В стеклянный сосуд, с предварительно откачанным воздухом, помещают металлический стержень — он выполняет роль проводника электричества. На концах стержня снизу подвешиваются тонкие листочки фольги.

Если прикоснуться к концу стержня сверху заряженным предметом, электроны, от стержня до листочков, начнут перераспределяться.

Подумайте, а каким образом перераспределяются электроны? Зачем нужен проводник? Что произойдет с листочками, когда к ним прикоснуться заряженным предметом?

Свойства электрического заряда

Свойства зарядов не ограничиваются наличием разнородности в характере взаимодействия. И тем, что разнородное притягивается. Даже по этим двум положениям очевидно, что заряд — прямое следствие электронной структуры атома, поэтому ряд прочих свойств так же обуславливается фактом, что внутри атома располагается фиксированное количество электронов и протонов. На основе этого мы можем, как минимум, выделить еще три свойства-следствия.

Именно:

— исчисляемость заряда;
— сложение заряда;
— закон сохранения заряда.

Заряд складывается и вычитается

Заряды по своей природе похожи на слагаемые в математике, и все благодаря исчисляемости электронов. Дабы это проиллюстрировать, представим атом, к которому присоединилось два лишних электрона.

Вместе с собой они принесли «двойную порцию» отрицательного элементарного заряда. Для наглядности вновь обратимся к углероду, под порядковым номером 6. Следовательно, атом углерода содержит 6 протонов и столько же электронов. Пусть два электрона присоединились к углероду, что изменило его состав частиц до 8 электронов и 6 протонов.

Общий заряд атома до присоединения: $-6e+6e=0$.

Заряд после присоединения: $-6e+6e-2e=-2e$.

Правда… тело состоит из огромного количества атомов, и выражать его суммарный заряд суммой элементарных зарядов — труд титанический. Вспомним, что заряд одного электрона выражается значением $-0.00000000000000000016\,Кл$. Поэтому обычно дается заряд для всего тела и обозначается отдельной литерой $q$. Однако алгебраического подхода к суммированию заряда это не меняет.

Так что можно записать следующую формулу в общем для системы тел:

$$\sum{Q_{общ}}=q_1+q_2+q_3+…+q_n,$$

где $Q_{общ}$ — общий заряд системы, $q_n$ — значение заряда тела, $n$ — количество тел в системе.

Заряд сохраняется

Электроны из ниоткуда не возникают и никуда бесследно не исчезают. Звучит знакомо, согласитесь? Вот почему, говоря о распределении заряда в замкнутой системе, упоминают закон сохранения заряда. Заряд переходит от одного тела к другому и сохраняется, подобно энергии. Безусловно, если систему разомкнуть, к примеру, от вакуума перейти к наличию в среде воздуха, электроны могут присоединяться к атомам элементов, содержащихся в воздухе, или «умыкнуть» парочку электронов. После кто-то откроет окно, воздушные массы придут в движение и электроны, некогда входящие в состав заряда системы, улетят путешествовать дальше. Тем не менее, заряд не исчез. Всего лишь передислоцировался.   

Выразить данное свойство формулой можно так:

$$\sum{Q_{общ}}=q_1+q_2+q_3+…+q_n=const$$

Закон сохранения электрического заряда. Алгебраическая сумма зарядов замкнутой системы остается постоянной величиной.

{"questions":[{"content":"В замкнутой системе находятся <b>три</b> тела. $\\sum{Q_{общ}}$ системы положителен и равняется $15\\,Кл$. Известно, что одно заряжено положительно и имеет величину заряда $3\\,Кл$, второе заряжено отрицательно и имеет величину заряда $5\\,Кл$. Чему равняется заряд третьего тела? <br />[[input-1]]<br />Третье тело заряжено [[fill_choice-6]].","widgets":{"input-1":{"type":"input","unit":"Кл","answer":"17"},"fill_choice-6":{"type":"fill_choice","options":["положительно","отрицательно"],"answer":0}},"step":1,"hints":["Если система замкнута, суммарное значение заряда постоянно и считается по формуле: $$\\sum{Q_{общ}}=q_1+q_2+q_3+…+q_n$$","У нас есть $\\sum{Q_{общ}}$ и значение двух имеющихся в системе зарядов.","Следовательно, можем записать следующее уравнение: $$q_1+q_2+q_3=\\sum{Q_{общ}}$$","В задаче даются <i>величины</i> зарядов, то есть значения по модулю. Нужно учесть знак зарядов.","Подставляем данные из задачи в уравнение: <br />$$q_1+q_2+q_3=\\sum{Q_{общ}}=3-5+q_3=15$$","Ответ: $q_3=17$"]}]}

Заряд исчисляется

Один электрон обладает зарядом примерно величиной в $-0.00000000000000000016\,Кл$. Тогда, в $1\,Кл$ заряда содержится где-то квинтиллион электронов. Вернее, $6.28\cdot10^{18}$ электронов. Сообщает нам это о том, что заряд всегда поддается исчислению с точки зрения элементарных частиц. Скажем, если некое тело обладает зарядом $q$, то связь его с количеством электронов и протонов может быть выражена следующим образом:

$$q=n_2\cdot{e}-n_1\cdot{e},$$

где $q$ — заряд тела, $e$ — постоянная элементарного заряда, $n_2$ — количество протонов в теле, $n_1$ — количество электронов.

Поскольку протоны располагаются в ядре и редко имеют отношение к общему заряду тела, формулу можно упростить, оставив в ней только компоненту с количеством электронов. Все-таки электронный дисбаланс в подавляющем большинстве случаев приводит к тому, что тело обладает неким показателем заряда.

Отсюда имеем следующее:

$$q=n_E\cdot{e}$$

где $q$ — заряд тела, $e$ — постоянная элементарного заряда, $n_E$ — показатель электронного дисбаланса (значение переизбытка или недостатка электронов).

{"questions":[{"content":"Образавр экспериментировал с трибоэлектричеством в лаборатории. После серии трения с различными предметами, он замеряет заряд кусочка янтаря. Прибор показывает заряд в $-3,6\\cdot10^{-11}\\,Кл$. <br /><br />Заряд отрицательный. Следовательно, янтарь имеет переизбыток электронов. Определите, <b>сколько электронов</b> было передано кусочку в результате трибо-взаимодействия. [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$5\\cdot10^3$","$2,25\\cdot10^8$","$25\\cdot10^{-19}$","$5,7\\cdot10^{10}$"],"answer":[1]}},"step":1,"calc":1,"hints":["Заряд тела обычно равняется элементарному заряду, умноженному на показатель электронного дисбаланса:<br />$$q=n_E\\cdot{e}$$","У нас по условию имеется отрицательный заряд $q$, который сообщает о переизбытке электронов. Следовательно, $n_E>0$","Остается вычислить:<br />$$n_e=\\frac{q}{e}=\\frac{-3,6\\cdot10^{-11}}{-1,6\\cdot10^{-19}}$$","Вычисляйте. 🤗"]}]}

Итоги раздела

Поздравляем!

Где-то было сложно, где-то было много, но вы справились и полностью завершили раздел введения в электрические процессы. Теперь вы отличаете трибоэлектричество от пироэлектричества, умеете показывать фокусы с турмалином, владеете необычными терминами вроде «валентность» и знаете, что такое заряд. Ни много ни мало, но это отличная база, чтобы следовать дальше.

Пока что электричество для нас — это сосредоточение заряда. Его движение практически не описывалось, в особенности на длинные дистанции. Однако самые восхитительные вещи, должны вам доложить, все же происходят, когда заряд путешествует не локально от тела к телу, а охватывает огромные расстояния. Например, от вашей розетки до электростанции. Как «накопить» столь существенный заряд? Как заставить электроны перемещаться на дистанции в сотни километров? Перемещаются ли электроны вовсе?

Ответы на эти и многие другие вопросы вас удивят. И их мы охватим уже в следующем разделе.

А сейчас — «повторение — мать учения». Приглашаем пройти тестирование по разделу, закрепить изученное, а также ознакомиться с рубрикой «Занимательное дополнение» и приоткрыть завесу тайны над одним из самых загадочных электростатических явлений природы — молнией.