Отрицательный и положительный электрический заряд. Электрон и протон

Электрон — это стабильная отрицательно заряженная элементарная частица.

Электроны играют важную роль почти во всех физических эффектах. Поскольку электроны несут заряд, они также генерируют электрическое поле. Если привести электрон в движение, то возникнет магнитное поле. Если электрон проходит через другое внешнее электрическое поле, его путь изменяется под действием силы Лоренца.

Электрон принадлежит к лептонному семейству частиц. Существует несколько различных семейств частиц, перечисленных в стандартной модели физики частиц.

Спин электрона и магнитный момент электрона.

Согласно современному уровню знаний, лептоны являются элементарными частицами. По сравнению с другими лептонами, электрон имеет самую низкую массу среди лептонов, несущих заряд. Он принадлежит к первому поколению лептонов. Второе и третье поколения — мюон и тауон. Эти две частицы имеют одинаковые с электроном заряды и спин, но отличаются от него большей массой.

Лептоны отличаются от других фундаментальных частиц, таких как кварки, отсутствием сильного взаимодействия. Все лептоны принадлежат к семейству фермионов, поэтому электрон имеет собственный вращательный момент ( спин ) s = ½ в единицах ℏ, где ℏ — приведённая постоянная Планка).

« Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причём магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент (добавка примерно 0,116 %). Магнитный момент электрона μe = -9,2847647043(28)⋅10−24 Дж/Тл. »

Википедия

Атомы и молекулы.

Электроны связаны с ядрами атомов «притягивающей» кулоновской силой. Такой состав из атомного ядра и одного или нескольких электронов называется атомом. Электроны движутся вокруг ядра атома. Если число электронов отличается от заряда ядра, то это ион.

Волновая природа связанных электронов описывается атомными орбиталями. Каждая из этих орбиталей имеет ряд квантовых чисел, таких как энергия и момент. Кроме того, у атома может быть только дискретное число орбиталей. В силу принципа Паули на орбитали может находиться максимум два электрона, спин которых имеет разные знаки.

Химическая связь между атомами возникает благодаря электромагнитным взаимодействиям, которые описываются с помощью квантовой физики. Самые прочные связи создаются путем обмена или передачи электронов. Это позволяет образовывать молекулы. В молекулах электроны движутся аналогично атомам и занимают молекулярные орбитали. Однако фундаментальным отличием является образование пар электронов с разными спинами. Это позволяет нескольким электронам занимать одну орбиталь без нарушения принципа Паули.

Электрический заряд

Дать краткое, удовлетворительное во всех отношениях определение заряда невозможно. Мы привыкли находить понятные нам объяснения весьма сложных образований и процессов вроде атома, жидких кристаллов, распределения молекул по скоростям и т.д. А вот самые основные, фундаментальные понятия, нерасчленимые на более простые, лишенные, по данным науки на сегодняшний день, какого-либо внутреннего механизма, кратко удовлетворительным образом уже не пояснить. Особенно если объекты непосредственно не воспринимаются нашими органами чувств. Именно к таким фундаментальным понятиям относится электрический заряд.

Попытаемся вначале выяснить не что такое электрический заряд

, а что скрывается за утверждением
данное тело или частица имеют электрический заряд
.

Вы знаете, что все тела построены из мельчайших, неделимых на более простые (насколько сейчас науке известно) частиц, которые поэтому называют элементарными

. Все элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу. Согласно закону всемирного тяготения сила притяжения сравнительно медленно убывает по мере увеличения расстояния между ними: обратно пропорционально квадрату расстояния. Кроме того, большинство элементарных частиц, хотя и не все, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая также убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила в огромное число раз превосходит силу тяготения. Так, в атоме водорода, схематически изображенном на рисунке 1, электрон притягивается к ядру (протону) с силой, в 1039 раз превышающей силу гравитационного притяжения.

Рис. 1

Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые медленно уменьшаются с увеличением расстояния и во много раз превышают силы всемирного тяготения, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются заряженными

. Бывают частицы без электрического заряда, но
не существует электрического заряда без частицы
.

Взаимодействия между заряженными частицами носят название электромагнитных

. Когда мы говорим, что электроны и протоны электрически заряжены, то это означает, что они способны к взаимодействиям определенного типа (электромагнитным), и ничего более. Отсутствие заряда у частиц означает, что подобных взаимодействий она не обнаруживает. Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий. Электрический заряд – вторая (после массы) важнейшая характеристика элементарных частиц, определяющая их поведение в окружающем мире.

Таким образом

Электрический заряд

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

Электрический заряд обозначается буквами q

или
Q
.

Подобно тому, как в механике часто используется понятие материальной точки, позволяющее значительно упростить решение многих задач, при изучении взаимодействия зарядов эффективным оказывается представление о точечном заряде. Точечный заряд

– это такое заряженное тело, размеры которого значительно меньше расстояния от этого тела до точки наблюдения и других заряженных тел. В частности, если говорят о взаимодействии двух точечных зарядов, то тем самым предполагают, что расстояние между двумя рассматриваемыми заряженными телами значительно больше их линейных размеров.

Введение

С электричеством вы сталкиваетесь постоянно. Вы видели молнию, вы освещаете комнату с помощью электрической лампочки, электрообогреватель выделяет тепло – все эти явления связаны с движением электрического заряда. С неподвижным электрическим зарядом вы тоже сталкивались, когда после расчесывания получали наэлектризованные волосы. Они разлетаются в разные стороны. Электрические заряды находятся без преувеличения везде, из них состоит любое вещество! На этом уроке мы выясним то, что нам известно про заряды. Как известно, в природе встречаются заряды двух типов – положительные и отрицательные. Разноименные заряды притягиваются, одноименные – отталкиваются. Это взаимодействие происходит на любом расстоянии. Как же они тогда взаимодействуют? Для этого существует электрическое поле. Вокруг каждого заряда существует такое поле и если в него попадает еще один заряд, то он начинает «чувствовать» это поле: на него начинают действовать силы притяжения или отталкивания соответственно.

В природе есть много ненаблюдаемого. Например, мы не видим ветер, но видим, как он раскачивает ветви деревьев. Мы не видим температуру, но мы видим, как нагретые тела расширяются. По расширению, например, ртути в термометре, мы можем температуру измерять (см. рис. 1).

Рис. 1. Расширение ртути

Т. е. мы наблюдаем проявление чего-то и на основе этих наблюдений судим о том, чего непосредственно не наблюдаем. Заряд мы тоже изучаем по его проявлению. Мы не видим заряды, но наблюдаем их взаимодействие. Один заряд действует на другой на расстоянии через электрическое поле. Поле заряда – это пространство, где на другие заряды будет действовать сила.

Взаимодействие тел через поле нам уже знакомо. Тело, обладающее массой, создает вокруг себя поле – гравитационное, которое проявляется в действии на другое тело, обладающее массой. Их взаимодействие подчиняется закону всемирного тяготения (см. рис. 2).

Рис. 2. Взаимодействие массивных тел

Закон всемирного тяготения

Вокруг тела, обладающего массой, возникает гравитационное поле. Посредством этого поля массы взаимодействуют, притягиваются. Сила их притяжения пропорциональна величине каждой из масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (см. рис. 3):

– константа, гравитационная постоянная, равна .

Рис. 3. Закон всемирного тяготения

Квадрат расстояния встречается во многих физических формулах, так что это позволяет говорить о законе, связывающем величину эффекта с квадратом расстояния от источника воздействия:

Эта пропорциональность справедлива для гравитационного, электрического, магнитного действия, силы звука, света, радиации, распространяющихся от источника. Связано это, конечно, с тем, что площадь поверхности сферы распространения эффекта увеличивается пропорционально квадрату расстояния (см. рис. 4). Это будет выглядеть естественным, если вспомнить, что площадь сферы пропорциональна квадрату радиуса:

и тогда понятно, что сила действия от источника вдали от него должна распределяться по сфере всё большего радиуса.

Рис. 4. Площадь сферы распространения эффекта увеличивается с увеличением радиуса сферы

Итак, электрические заряды взаимодействуют через электрическое поле, которое они вокруг себя создают.

Электрический заряд элементарной частицы

Электрический заряд элементарной частицы – это не особый «механизм» в частице, который можно было бы снять с нее, разложить на составные части и снова собрать. Наличие электрического заряда у электрона и других частиц означает лишь существование определенных взаимодействий между ними.

В природе имеются частицы с зарядами противоположных знаков. Заряд протона называется положительным

, а электрона –
отрицательным
. Положительный знак заряда у частицы не означает, конечно, наличия у нее особых достоинств. Введение зарядов двух знаков просто выражает тот факт, что заряженные частицы могут как притягиваться, так и отталкиваться. При одинаковых знаках заряда частицы отталкиваются, а при разных – притягиваются.

Никакого объяснения причин существования двух видов электрических зарядов сейчас нет. Во всяком случае, никаких принципиальных различий между положительными и отрицательными зарядами не обнаруживается. Если бы знаки электрических зарядов частиц изменились на противоположные, то характер электромагнитных взаимодействий в природе не изменился бы.

Положительные и отрицательные заряды очень хорошо скомпенсированы во Вселенной. И если Вселенная конечна, то ее полный электрический заряд, по всей вероятности, равен нулю.

Наиболее замечательным является то, что электрический заряд всех элементарных частиц строго одинаков по модулю. Существует минимальный заряд, называемый элементарным

, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Заряд может быть положительным, как у протона, или отрицательным, как у электрона, но модуль заряда во всех случаях один и тот же.

Отделить часть заряда, например, у электрона невозможно. Это, пожалуй, самое удивительное. Никакая современная теория не может объяснить, почему заряды всех частиц одинаковы, и не в состоянии вычислить значение минимального электрического заряда. Оно определяется экспериментально с помощью различных опытов.

В 60-е гг., после того как число вновь открытых элементарных частиц стало угрожающе расти, была выдвинута гипотеза о том, что все сильно взаимодействующие частицы являются составными. Более фундаментальные частицы были названы кварками. Поразительным оказалось то, что кварки должны иметь дробный электрический заряд: 1/3 и 2/3 элементарного заряда. Для построения протонов и нейтронов достаточно двух сортов кварков. А максимальное их число, по-видимому, не превышает шести.

Закон сохранения заряда и калибровочная инвариантность[ | код]

Физическая теория утверждает, что каждый закон сохранения основан на соответствующем фундаментальном принципе симметрии. Со свойствами симметрий пространства-времени связаны законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Законы сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов связаны не со свойствами пространства-времени, а с симметрией физических законов относительно фазовых преобразований в абстрактном пространстве квантовомеханических операторов и векторов состояний. Заряженные поля в квантовой теории поля описываются комплексной волновой функциейϕ(x)=|ϕ(x)|eiψ(x){\displaystyle \phi (x)=|\phi (x)|e^{i\psi (x)}}, где x — пространственно-временная координата. Частицам с противоположными зарядами соответствуют функции поля, различающиеся знаком фазы ψ{\displaystyle \psi }, которую можно считать угловой координатой в некотором фиктивном двумерном «зарядовом пространстве». Закон сохранения заряда является следствием инвариантности лагранжиана относительно глобального калибровочного преобразования типа ϕ′=eiαQϕ{\displaystyle \phi ‘=e^{i\alpha Q}\phi }, где Q — заряд частицы, описываемой полем ϕ{\displaystyle \phi }, а α{\displaystyle \alpha } — произвольное вещественное число, являющееся параметром и не зависящее от пространственно-временных координат частицы. Такие преобразования не меняют модуля функции, поэтому они называются унитарными U(1).

Единица измерения электрического заряда

Создать макроскопический эталон единицы электрического заряда, подобный эталону длины – метру, невозможно из-за неизбежной утечки заряда. Естественно было бы за единицу принять заряд электрона (это сейчас и сделано в атомной физике). Но во времена Кулона еще не было известно о существовании в природе электрона. Кроме того, заряд электрона слишком мал, и поэтому его трудно использовать в качестве эталона.

В Международной системе единиц (СИ) единицу заряда – кулон

устанавливают с помощью единицы силы тока:

1 кулон (Кл) – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 А.

Заряд в 1 Кл очень велик. Два таких заряда на расстоянии 1 км отталкивались бы друг от друга с силой, чуть меньшей силы, с которой земной шар притягивает груз массой в 1 т. Поэтому сообщить небольшому телу (размером порядка нескольких метров) заряд в 1 Кл невозможно. Отталкиваясь друг от друга, заряженные частицы не смогли бы удерживаться на таком теле. Никаких других сил, которые были бы способны в данных условиях компенсировать кулоновское отталкивание, в природе не существует. Но в проводнике, который в целом нейтрален, привести в движение заряд в 1 Кл не составляет большого труда. Ведь в обычной электрической лампочке мощностью 100 Вт при напряжении 127 В устанавливается ток, немного меньший 1 А. При этом за 1 с через поперечное сечение проводника проходит заряд, почти равный 1 Кл.

Свойства статического электричества

Статическое электричество — это комплекс явлений, связанных с электризацией тел.

Основные причины появления статического электричества

1. Контакт между двумя телами и их разделение (включая трение, намотку/размотку и пр.).
2. Быстрый температурный перепад (например, в момент помещения материала в духовой шкаф).
3. Радиация с высокими значениями энергии, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские X-лучи, сильные электрические поля.
4. Резательные операции, то есть трение (например, на раскроечных станках или бумагорезальных машинах).
5. Индукция (статический заряд вызывает возникновение электрического поля).

Контакт между предметами с последующим отделением их друг от друга является самой распространенной причиной возникновения статического электричества на производствах. Статический заряд генерируется при разматывании или наматывании рулонных материалов, при перемещении относительно друг друга их слоев. В быту также наиболее частые причины появления статического электричества — трение и наведение

Электрометр

Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электрометр

. Электрометр состоит из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 2). Стержень со стрелкой закреплен в плексигласовой втулке и помещен в металлический корпус цилиндрической формы, закрытый стеклянными крышками.

Принцип работы электрометра

. Прикоснемся положительно заряженной палочкой к стержню электрометра. Мы увидим, что стрелка электрометра отклоняется на некоторый угол (см. рис. 2). Поворот стрелки объясняется тем, что при соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стрелке и стержню. Силы отталкивания, действующие между одноименными электрическими зарядами на стержне и стрелке, вызывают поворот стрелки. Наэлектризуем эбонитовую палочку еще раз и вновь коснемся ею стержня электрометра. Опыт, показывает, что при увеличении электрического заряда на стержне угол отклонения стрелки от вертикального положения увеличивается. Следовательно, по углу отклонения стрелки электрометра можно судить о значении электрического заряда, переданного стержню электрометра.

Рис. 2

История открытий

Еще в древности было замечено, что если потереть янтарь о шелковую материю, то камень начнет притягивать к себе легкие предметы. Уильям Гильберт изучал эти опыты до конца XVI века. В отчете о проделанной работе предметы, которые могут притягивать другие тела, назвал наэлектризованными.

Следующие открытия в 1729 году сделал Шарль Дюфе, наблюдая за поведением тел при их трении об разные материи. Таким образом он доказал существование двух видов зарядов: первые образуются при трении смолы о шерсть, а вторые – при трении стекла о шелк. Следуя логике, он назвал их «смоляными» и «стеклянными». Бенджамин Франклин также исследовал этот вопрос и ввел понятия положительного и отрицательного заряда. На иллюстрации – Б. Франклин ловит молнию.

Шарлем Кулоном, портрет которого изображен ниже, был открыт закон, который впоследствии был назван Законом Кулона. Он описывал взаимодействие двух точечных зарядов. Также смог измерить величину и изобрел для этого крутильные весы, о которых мы расскажем позже.

И уже в начале прошлого века Роберт Милликен, в результате проведенных опытов, доказал их дискретность. Это значит, что заряд каждого тела равен целому кратному элементарного электрического заряда, а элементарным является электрон.

Свойства электрического заряда

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет выделить следующие свойства 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. Выбор названия «положительный» для зарядов, возникающих на стекле, и «отрицательный» для зарядов на эбоните совершенно случаен.
• 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.
• 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: \(~q = N \cdot e\) , где
  N
  – целое число,
  е
  – величина элементарного заряда. Согласно современным представлениям, этот заряд численно равен заряду электрона
  e
  = 1,6∙10-19 Кл. Поскольку величина элементарного заряда
  весьма
  мала, то для большинства наблюдаемых и
  используемых
  на практике заряженных тел число
  N
  очень велико, и дискретный характер изменения заряда не проявляется. Поэтому считают, что в обычных условиях электрический заряд тел изменяется практически непрерывно.
• Закон сохранения электрического заряда
  .
  Внутри замкнутой системы при любых взаимодействиях алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной:
  \(~q_1 + q_2 + \ldots + q_n = \operatorname{const}\) .
  Изолированной (или замкнутой) системой
  мы будем называть систему тел, в которую не вводятся извне и не выводятся из нее электрические заряды.

Нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением равного по модулю отрицательного заряда. Ни положительный, ни отрицательный заряд не могут исчезнуть в отдельности, они могут лишь взаимно нейтрализовать друг друга, если равны по модулю.

Так элементарные частицы способны превращаться друг в друга. Но всегда при рождении заряженных частиц наблюдается появление пары частиц с зарядами противоположного знака. Может наблюдаться и одновременное рождение нескольких таких пар. Исчезают заряженные частицы, превращаясь в нейтральные, тоже только парами. Все эти факты не оставляют сомнений в строгом выполнении закона сохранения электрического заряда.

Причина сохранения электрического заряда до сих пор пока неизвестна.

Описывается история понятия “электрический заряд”. Рассматривается многолетний и тернистый путь развития представлений об электрическом заряде, который привел к необходимости применения эфиродинамической концепции, на основе которой в данной статье раскрывается физическая сущность электрического заряда.

Введение. В современной теоретической и практической физиках понятие электрического заряда – одно из важнейших. От его представления зависит понимание природы и основных законов электричества, процессов взаимодействия элементарных частиц и, практически, всей картины мира. Минимальное значение электрического заряда – элементарный электрический заряд [1], сегодня это одна из фундаментальных констант физики.

Однако, ни классическая электродинамика, ни квантовая механика, ни физика в целом не могут ответить на вопрос: “какова физическая природа электрического заряда, напрямую связанного с силовыми взаимодействиями между отдельными микрочастицами и макроскопическими телами?” [2].

Отсутствие понимания сущности электрического заряда прослеживается с момента ввода его в научный обиход и по сегодняшний день. Современная академическая и учебно-методическая литература старательно обходят это “темное” понятие в физике. “Можно наугад обратиться к любому академическому изданию, чтобы убедиться в том, что заряд как физическая категория не имеет четкого толкования”[2]. В современной физической энциклопедии [3] отсутствует статья под таким названием, а толкование не выходит за рамки понятий 400 летней давности: “…Заряд наэлектризованной стеклянной палочки назвали положительным, а смоляной (в частности, янтарной) — отрицательным. … ”.

В связи с выше изложенным естественным становится вопрос: в чем причина такого состояния дел в понимании сущности электрического заряда? Очевидно, что ответ надо искать либо в ошибках, допущенных в представлении этого понятия, либо в познании глубин физической материи, которых еще не достигла физика, либо в том и другом вместе взятом.

Впервые в обиход понятия заряд, положительный заряд и отрицательный заряд ввел Б. Франклин [4]. Франклин выдвинул так называемую унитарную теорию электричества, согласно которой вся материя заключает в себе электрическую субстанцию только одного рода – электрического флюида. В обычном состоянии тела содержат нормальное количество электрического флюида и являются электрически нейтральными. Тела, имеющие избыток электрического флюида, Франклин предложил называть положительно, а тела, у которых электрического флюида содержится меньше нормы, — наэлектризованными отрицательно.

В представлении Франклина заряд это мера количества электризации тела, а положительный заряд это избыток, а отрицательный – недостаток от некоторой нормы количества электризации. Впоследствии представления Франклина были трансформированы: положительный заряд приобрел знак “+”, а отрицательный – знак “-“, понятия “избыток” приобрело понятие больше нуля, а “недостаток” – меньше нуля.

Данное обстоятельство стало первой ошибкой в представлении электрического заряда, так как еще никто и никогда не приводил доказательств существования в природе отрицательных электрических зарядов. Отрицательный электрический заряд электрона это миф, созданный в начале ХХ столетия [5]. За ним последовали ошибочные представления о дискретности электрического заряда, об элементарном электрическом заряде, как фундаментальной физической постоянной, о равенстве зарядов электрона и протона, о свободном электроне – переносчике электрического заряда [6] и т.д.

Кроме того, в современной физике сложилась неопределенность понятия электрический заряд [7], в целом обусловленная тем, что понятие «заряд» имеет два неадекватных значения: заряд как физический объект и заряд как физическая величина, т. е. как свойство физического объекта. Например, свободная энциклопедия Википедия дает следующее определение [8]: “Электрический заряд (количество электричества) — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.”

Понятие электрический заряд, как физический объект, часто фигурирует в учебно-методической литературе, например, в [9]: “Несмотря на обилие различных веществ в природе, существуют только два вида электрических зарядов: заряды, подобные возникающим на стекле, потертом о шелк, и заряды, подобные появляющимся на эбоните, потертом о мех. Первые из них получили название положительных зарядов, а вторые – отрицательных зарядов. Следовательно, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.”

Таким образом, выше изложенное представление об электрическом заряде убедительно доказывает необходимость вскрытия физической сущности электрического заряда и толкования электрических процессов и явлений на основе вскрытой сущности электрического заряда, с учетом выявленных ошибок.

Исторические предпосылки. Усилиями современных ученых история развития представлений об электрическом заряде сведена к нескольким фрагментам, связанных с деятельностью западной школы физики, начиная с У. Гильберта (1544 — 1603) и заканчивая Р. Милликеном (1868 — 1953) [10,11]. Труды этих ученых послужили фундаментом современных представлений об электрическом заряде [8,10], однако, из них нельзя сделать вывод о том, какова природа электрического заряда. Например, [12]: ”Милликен: “Я попрошу вас выслушать ответ экспериментатора на основной и часто предлагаемый вопрос: что такое электричество? Ответ этот наивен, но вместе с тем прост и определен. Экспериментатор констатирует прежде всего, что о последней сущности электричества он не знает ничего.””

В целом, оценка состояния представления понятия электрического заряда в исторической ретроспективе приведена в работе [12], на основании чего был сделан следующий вывод: “Таким образом, либо откровенно признается отсутствие понимания природы электрического заряда (Эйнштейн, Эддингтон, Окунь, Милликен, Вайскопф), либо понятие заряда не определяется (Тамм, а также в большинстве учебников по электричеству), либо понятие заряда определяется через понятие электромагнитного поля, образуя логический круг (Максвелл, Ландау, Дирак), либо просто указывается, что электрический заряд – особое, первичное свойство тел (Лоренц, Пахомов, Левич).”

Автором работы [12] (Щипицин Л. А.) на основе обобщенного понятия заряда в гидродинамике было предложено свое представление об электрическом заряде: “Если скорость тела или потока среды меняется со временем (например, периодически), то меняется соответственно и эффективный объем тела. Тогда из соображений размерности для электрического заряда получается следующее выражение:

e = const ρ1/2 ύ (1.6)

где точка над значением эффективного объема ύ обозначает дифференцирование по времени. Величина const ≈ 1.” Т. е. “заряд определяется скоростью изменения объема его носителя, возможно, периодической.”

Данное представление противоречит современным понятиям элементарных частиц, которые являются носителями электрического заряда. В частности, параметры фотона [13] (в том числе и объем) являются функциями длины волны, а для конкретного фотона, определенной длины волны, они постоянны. Т. е. электрический заряд фотона является функцией длины волны и у фотона, определенной длины волны, не зависит от его объема.

Достоинством выше указанного представления является то, что сущность электрического заряда рассматривается из необходимости учета среды, в которой находится носитель электрического заряда: “Исключив из рассмотрения среду, невозможно понять сущность “заряда”.”

Из выше рассмотренного исторического обзора выпала одна работа, имеющая фундаментальное значение во вкрытии сущности электрического заряда. Это доклад Кастерина Н. П. (1869-1947) “Обобщение основных уравнений аэродинамики и электродинамики” на особом совещании при АН СССР. 9.12.1936 г. АН СССР. [14]

“Благодаря” деятельности Группы физики и Группы математики АН СССР [15], подвергших необоснованной и необъективной критике его работы, а его самого обструкции, на 80 лет был закрыт доступ к идеям Кастерина, в частности, в понимании сущности электрического заряда.

Суть работы Кастерина была в следующем: «не изменяя основ классической механики и физики (подчеркнуто Кастериным – А.А.), искать второе приближение как для уравнений электромагнитного поля, так и для аэродинамики, и посмотреть, не смогут ли эти более общие уравнения обнять всю ту совокупность фактов в области электромагнетизма и аэродинамики, которые твердо установлены опытным путем.»

Основные положения теории формулируются следующим образом:

за передачу электромагнитного взаимодействия отвечает особая среда; к этой среде, в то же время, применимы классические уравнения аэро- (гидро-) динамики; при определенных условиях эта среда может не только передавать электромагнитное взаимодействие, но и в буквальном смысле образовать из себя «весомую материю» – все типы элементарных частиц.

Особая среда в представлении Кастерина это “сверхгаз”, состоящий из специфических «длинных палочек», соответствующих «фарадеевским трубкам», и, соответственно, по числу степеней свободы, имеющий адиабатический коэффициент 2.

Рассматривая вихри в «сверхгазе», Кастерин получает следующие основные результаты: напряженности электрического поля у него соответствует угловая скорость вращения вихря, напряженности магнитного поля – центростремительное ускорение движущегося по окружности вихря, скорости света соответствует скорость звука для системы вихрей.

Опираясь на эти результаты Кастерин строит модели элементарных частиц (электрона и протона), рассматривая их как «навернутые на конус вихревые трубки, вращающиеся вокруг оси конуса».

На основе этих представлений, Кастерин обосновывает большое количество реальных физических феноменов, включая электрический заряд:

“В результате мы получаем для элементарного электрического заряда соотношение:

ε = (c02/2πρ0)1/2 ∙ (ρσλ)

т. е. элементарный электрический заряд ε пропорционален массе ρ, распределенной на сечении элементарного вихря σλ. В первый раз теории удается «материализация» электрического заряда, но вместе с тем очевидно, что самое понятие «заряд» теряет свой прежний смысл, и его можно употреблять только как меру элементарного «потока электрической индукции» “.

Физическая сущность электрического заряда. Сарказм и ирония в работе [15], допущенная при анализе идей Кастерина, очередной раз подчеркивает не только их непонимание, но и соответствующее отношение современной физики к теориям и идеям, выходящих за рамки традиционной физики. Результатом этого отношения служит, например, представление элементарных частиц, носителей электрического заряда: электрон это размытое пятно, не имеющее структуры, фотон – частица, не имеющая массы с электрическим зарядом равным нулю, нейтрино – частица, не имеющая электрического заряда и т. д.

Тем не менее, идеи Кастерина живут и развиваются. Свидетельством этому служит современная альтернатива квантово-релятивисткой физике – эфиродинамическая концепция [16], парадигма физики ХХI столетия.

Согласно этой концепции – протон и электрон представляют собой дуэтоны [17], спаренные торообразные вихревые образования, из середины которых истекают (в случае протона) или втекают (в случае электрона) конусообразные потоки эфира. Эти конусообразные потоки эфира называются джетами, которые физически реализуют взаимосвязь и взаимодействие протона и электрона между собой. Это взаимодействие носит характер электрической (кулоновской) силы.

Таким образом, джеты протон-электронной пары (взаимосвязанная и взаимодействующая совокупность протона, электрона и джетов) являются реальным физическим объектом, который обуславливает проявление элементарной электрической силы, который, соответственно, может быть взят за основу представления физической сущности электрического заряда, как меры электрической силы.

Протон-электронная пара как физический объект функционирует в потоке эфира. Радиус наименьшего атома вещества – атома гелия составляет [18] 31∙10-12 м (радиус орбиты первого (внешнего) электрона), а радиус протона – 0,875∙10-15 м [19]. Данные радиусов орбиты электрона и протона показывают, что размеры тел электрона и протона значительно меньше расстояния между протоном и электроном, что указывает на то, что методика вскрытия сущности электрического заряда, примененная в работе [12], к протон-электронной паре не применима. Однако, представления теоретической гидродинамики [20], в частности, представления протон-электронной пары как системы исток – сток, имеют быть место. В этом случае, внутренняя поверхность тела протона (дуэтона) может быть представлена как исток потока эфира, а внутренняя поверхность тела электрона как сток потока эфира. Согласно представлениям газо- (гидро-) динамики внутреннее давление газа в области стока всегда меньше внешнего давления эфира, охватывающего протон-электронную пару. В результате разницы давлений внешнего эфира и потока эфира в области стока образуется сила направленная навстречу потоку газа в области стока. Эта сила смещает электрон в сторону протона и интерпретируется как электрическая.

Для анализа движения эфира в джете примем поток эфира за одномерный [21], т.е. будем пренебрегать изменением величины и направления скорости, а также изменениями других элементов потока (давления, плотности и др.) по сечению, перпендикулярному к оси потока. Отвлечемся от сил трения внутри эфира. Тогда основные уравнения одномерного стационарного движения [21] будут следующие:

а) уравнение Эйлера:

u du/dx = — 1/ρ dp/dx, (1)

б) уравнение неразрывности:

ρ u S = const, (2)

где u – скорость потока эфира, ρ – плотность эфира джета, S – сечение джета.

Давление в потоке может изменяться даже тогда, когда нет сил трения, и поток не выполняет механической работы. Для этого достаточно изменить скорость течения. Это может быть достигнуто, например, втягиванием потока в тело электрона.

С учетом уравнения неразрывности (2), уравнение (1) можно записать в виде

u du = — 1/ρ dp, (3)

или

dp = — ρ u du. (4)

Из уравнения (3) видно, что при отсутствии сил трения ускорение потока возможно только за счет уменьшения статического давления.

Преобразуем выражение (4):

dp S = — ρ S u du,

Fp = — ρ S u2, (5)

где Fp – сила сдвига электрона к протону, знак минус показывает, что сила направлена в направлении противоположном движению потока эфира джета.

Электрическая (кулоновская ) сила согласно закона Кулона может быть выражена как:

Fk = k q2 / r2, (6)

где k = 1 / 2πε0 – коэффициент пропорциональности, q – электрический заряд, переносимый от протона к электрону, т. е. заряд джета, r – длина джета.

Из равенства этих сил следует:

Fk = Fp,

k q2 / r2 = ρ S u2.

q2 = 1/k ρS u2r2 (7)

q = (1/k ρS u2r2)1/2,

q = (1/k)1/2 u r (ρS)1/2. (8)

Выражение (8) раскрывает физическую сущность электрического заряда:

электрический заряд это величина пропорциональная корню квадратному из массы потока эфира ρ распределенном на сечении S, длиной r, движущемуся со скоростью u.

Таким образом, величина электрического заряда определяется как мера потока эфира движущегося со скоростью, эквивалентной второй звуковой скорости эфира [16].

В виду того, что все элементарные частицы, согласно эфиродинамической концепции это вихревые замкнутые кольца потоков эфира, то свойство “электрический заряд” присуще всем элементарным частицам.

Выражение (7) показывает, что с точки зрения математики величина электрического заряда q имеет два решения: (+q) и (-q). Однако, с точки зрения физики решение (-q) не имеет физического смысла. Например, для фотона решение уравнения (7) должно обозначать, что в природе одновременно существуют фотоны, как с положительным знаком величины электрического заряда, так и с отрицательным, что противоречит действительности: доказательств существования фотонов с отрицательным электрическим зарядом не существует.

Данное обстоятельство позволяет сделать вывод: в природе не существует физических объектов с отрицательным электрическим зарядом.

Из физической сущности электрического заряда также следует:

• электрический заряд, как и масса, которой он пропорционален, величина знакоопределенная, т.е. положительная;
• электрический заряд электрона – величина положительная;
• электрический заряд электрона меньше электрического заряда протона (масса протона в 1836 раз больше массы электрона) ;
• электрический заряд как мера потока эфира не может обладать дискретностью;
• электрический заряд это свойство присущее всем, без исключения, элементарным частицам.

Выводы. Понятие электрический заряд это фундаментальное понятие физики. Первое “материализованное” вскрытие физической сущности электрического заряда было сделано русским-советским ученым Кастериным Н. П. Дальнейшее развитие идеи Кастерина Н. П. стало возможным только на базе эфиродинамической концепции, которая позволила уточнить определение сущности электрического заряда, данное Кастериным.

Величина электрического заряда определяется как мера потока эфира движущегося со скоростью, эквивалентной второй звуковой скорости эфира (3∙108 м/с).

Эфиродинамическая сущность электрического заряда позволила определить ряд ошибочных ранних представлений, связанных с сущностью электрического заряда, и определить пути их устранения.

Литература:

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Элементарный электрический заряд
2. Шаляпин А.Л., Стукалов В.И. ВВЕДЕНИЕ В КЛАССИЧЕСКУЮ ЭЛЕКТРОДИНАМИКУ И АТОМНУЮ ФИЗИКУ. Издательство УМЦ УПИ, ЕКАТЕРИНБУРГ 2006, 490 с.
3. https://femto.com.ua/ Энциклопедия физики и техники
4. Франклин В. Опыты и наблюдения над электричеством. Перевод с английского В. А. Алексеева. Редакция, вступительная статья и комментарии Б. С. Сотина, Изд. АН СССР, Москва, 1956 г., 271 с.
5. Лямин В. С., Лямин Д. В. Миф об открытии электроне.
6. https://nauka2000.com/ Лямин В. С., Лямин Д. В. ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ЗАРЯДЕ И ЕГО СВОЙСТВАХ.
7. https://www.kogan.iri-as.org/stat/Charge_of_body.pdf Коган И.Ш. О понятиях «элементарный заряд» и «заряд тела».
8. https://ru.wikipedia.org/wiki Электрический заряд.
9. Калашников С.Г. Электричество: Учебн. пособие. — 6-е изд., стереот. — М.:

ФИЗМАТЛИТ, 2003. — 624 с.

1. Электродинамика: курс лекций и практ. занятий : учеб. пособие для вузов по специальности 010701 «Физика» / С. А. Запрягаев. — Воронеж : Изд-во ВГУ, 2005. — 535 с.
2. Терлецкий Я.П., Рыбаков Ю. П. Электродинамика: Учеб. пособие для студентов университетов — М.: Высш. школа, 1980. — 335 с.
3. Щипицин Л. А. Гидродинамическая интерпретация электродинамики и квантовой механики. М.: Изд-во МПИ, 1990. – 49 с.
4. Лямин В. С., Лямин Д. В. Физическая сущность постоянной Планка.
5. https://sceptic-ratio.narod.ru/po/kasterin-1.htm Кастерин Н. П. Обобщение основных уравнений аэродинамики и электродинамики.
6. https://bourabai.kz/timiryazev/andreev.htm Андреев А.В. Альтернативная физика в СССР: двадцатые-сороковые годы.
7. Ацюковский В.А. Общая эфиродинамика. Моделирование структур вещества и полей на основе представлений о газоподобном эфире. Издание второе. М.: Энергоатомиздат, 2003. 584 с.
8. https://logicphysic.narod.ru/ ЯковлевВ. В. Логика явлений.
9. https://www.fxyz.ru/ Радиусы атомов элементов.
10. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Протон.
11. Милн-Томсон Л. М. Теоретическая гидродинамика. М., «Мир», 1964. 670 с.

Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Учебник для вузов. — 7-е изд., испр. — М.: Дрофа, 2003. — 840 с.

Лямин В.С. , Лямин Д. В. г. Львов

Электризация тела

Макроскопические тела, как правило, электрически нейтральны. Нейтрален атом любого вещества, так как число электронов в нем равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.

Тело больших размеров заряжено в том случае, когда оно содержит избыточное количество элементарных частиц с одним знаком заряда. Отрицательный

заряд тела обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а
положительный
заряд – их недостатком.

Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело или, как говорят, наэлектризовать

его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного.

Проще всего это сделать с помощью трения. Если провести расческой по волосам, то небольшая часть наиболее подвижных заряженных частиц – электронов – перейдет с волос на расческу и зарядит ее отрицательно, а волосы зарядятся положительно. При электризации трением оба тела приобретают противоположные по знаку, но одинаковые по модулю заряды.

Наэлектризовать тела с помощью трения очень просто. А вот объяснить, как это происходит, оказалось очень непростой задачей.

1 версия

. При электризации тел важен тесный контакт между ними. Электрические силы удерживают электроны внутри тела. Но для разных веществ эти силы различны. При тесном контакте небольшая часть электронов того вещества, у которого связь электронов с телом относительно слаба, переходит на другое тело. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний (10-8 см). Но если тела разъединить, то оба они окажутся заряженными. Так как поверхности тел никогда не бывают идеально гладкими, то необходимый для перехода тесный контакт между телами устанавливается только на небольших участках поверхностей. При трении тел друг о друга число участков с тесным контактом увеличивается, и тем самым увеличивается общее число заряженных частиц, переходящих от одного тела к другому. Но не ясно, как в таких не проводящих ток веществах (изоляторах), как эбонит, плексиглас и другие, могут перемещаться электроны. Они ведь связаны в нейтральных молекулах.

2 версия

. На примере ионного кристалла LiF (изолятора) это объяснение выглядит так. При образовании кристалла возникают различного рода дефекты, в частности вакансии – незаполненные места в узлах кристаллической решетки. Если число вакансий для положительных ионов лития и отрицательных – фтора неодинаково, то кристалл окажется при образовании заряженным по объему. Но заряд в целом не может сохраняться у кристалла долго. В воздухе всегда имеется некоторое количество ионов, и кристалл будет их вытягивать из воздуха до тех пор, пока заряд кристалла не нейтрализуется слоем ионов на его поверхности. У разных изоляторов объемные заряды различны, и поэтому различны заряды поверхностных слоев ионов. При трении поверхностные слои ионов перемешиваются, и при разъединении изоляторов каждый из них оказывается заряженным.

А могут ли электризоваться при трении два одинаковых изолятора, например те же кристаллы LiF? Если они имеют одинаковые собственные объемные заряды, то нет. Но они могут иметь и различные собственные заряды, если условия кристаллизации были разными и появилось разное число вакансий. Как показал опыт, электризация при трении одинаковых кристаллов рубина, янтаря и др. действительно может происходить. Однако приведенное объяснение вряд ли правильно во всех случаях. Если тела состоят, к примеру, из молекулярных кристаллов, то появление вакансий у них не должно приводить к заряжению тела.

Еще один способ электризации тел – воздействие на них различных излучений

(в частности, ультрафиолетового, рентгеновского и
γ
-излучения). Этот способ наиболее эффективен для электризации металлов, когда под действием излучений с поверхности металла выбиваются электроны, и проводник приобретает положительный заряд.

Электризация через влияние

. Проводник заряжается не только при контакте с заряженным телом, но и в том случае, когда оно находится на некотором расстоянии. Исследуем подробнее это явление. Подвесим на изолированном проводнике легкие листки бумаги (рис. 3). Если вначале проводник не заряжен, листки будут в неотклоненном положении. Приблизим теперь к проводнику изолированный металлический шар, сильно заряженный, например, при помощи стеклянной палочки. Мы увидим, что листки, подвешенные у концов тела, в точках
а
и
b
, отклоняются, хотя заряженное тело и не касается проводника. Проводник зарядился через влияние, отчего и само явление получило название «
электризация через влияние
» или «
электрическая индукция
». Заряды, полученные посредством электрической индукции, называют
наведенными
или
индуцированными
. Листки, подвешенные у середины тела, в точках
а
’ и
b
’, не отклоняются. Значит, индуцированные заряды возникают только на концах тела, а середина его остается нейтральной, или незаряженной. Поднося к листкам, подвешенным в точках
а
и
b
, наэлектризованную стеклянную палочку, легко убедиться, что листки в точке
b
от нее отталкиваются, а листки в точке
а
притягиваются. Это значит, что на удаленном конце проводника возникает заряд того же знака, что и на шаре, а на близлежащих частях возникают заряды другого знака. Удалив заряженный шар, мы увидим, что листки опустятся. Явление протекает совершенно аналогичным образом, если повторить опыт, зарядив шар отрицательно (например, при помощи сургуча).

Рис. 3

С точки зрения электронной теории эти явления легко объясняются существованием в проводнике свободных электронов. При поднесении к проводнику положительного заряда электроны к нему притягиваются и накапливаются на ближайшем конце проводника. На нем оказывается некоторое число «избыточных» электронов, и эта часть проводника заряжается отрицательно. На удаленном конце образуется недостаток электронов и, следовательно, избыток положительных ионов: здесь появляется положительный заряд.

При поднесении к проводнику отрицательно заряженного тела электроны накапливаются на удаленном конце, а на ближнем конце получается избыток положительных ионов. После удаления заряда, вызывающего перемещение электронов, они вновь распределяются по проводнику, так что все участки его оказываются по-прежнему незаряженными.

Перемещение зарядов по проводнику и их накопление на концах его будут продолжаться до тех пор, пока воздействие избыточных зарядов, образовавшихся на концах проводника, не уравновесит те исходящие из шара электрические силы, под влиянием которых происходит перераспределение электронов. Отсутствие заряда у середины тела показывает, что здесь уравновешены силы, исходящие из шара, и силы, с которыми действуют на свободные электроны избыточные заряды, накопившиеся у концов проводника.

Индуцированные заряды можно разделить, если в присутствии заряженного тела разделить проводник на части. Такой опыт изображен на рис. 4. В этом случае сместившиеся электроны уже не могут вернуться обратно после удаления заряженного шара; так как между обеими частями проводника находится диэлектрик (воздух). Избыточные электроны распределяются по всей левой части; недостаток электронов в точке b

частично пополняется из области точки
b
’, так что каждая часть проводника оказывается заряженной: левая – зарядом, по знаку противоположным заряду шара, правая – зарядом, одноименным с зарядом шара. Расходятся не только листки в точках
а
и
b
, но и остававшиеся прежде неподвижными листки в точках
а
’ и
b
’.

Рис. 4

Крутильные весы Шарля Кулона

Это прибор, разработанный Кулоном в 1777 году, помог вывести зависимость силы, названной в последствии в его честь. С его помощью изучается взаимодействие точечных зарядов, а также магнитных полюсов.

Крутильные весы имеют небольшую шёлковую нить, расположенную в вертикальной плоскости, на которой висит уравновешенный рычаг. На концах рычага расположены точечные заряды.

Под действием внешних сил рычаг начинает совершать движения по горизонтали. Рычаг будет перемещаться в плоскости до тех пор, пока его не уравновесит сила упругости нити.

В процессе перемещений рычаг отклоняется от вертикальной оси на определённый угол. Его принимают за d и называют углом поворота. Зная величину данного параметра, можно найти крутящий момент возникающих сил.

Будет интересно➡ Что такое напряжение?

Крутильные весы Шарля Кулона выглядят следующим образом:

Литература

1. Буров Л.И., Стрельченя В.М. Физика от А до Я: учащимся, абитуриентам, репетиторам. – Мн.: Парадокс, 2000. – 560 с.
2. Мякишев Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 кл.: учеб. Для углубленного изучения физики /Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. – М.Ж Дрофа, 2005. – 476 с.
3. Физика: Учеб. пособие для 10 кл. шк. и классов с углубл. изуч. физики/ О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, Э. Е. Эвенчик и др.; Под ред. А. А. Пинского. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 1995. – 415 с.
4. Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3 т./ Под ред. Г.С. Ландсберга: Т. 2. Электричество и магнетизм. – М: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 480 с.

Накопление электричества и знаний о нём

Зримое накопление электричества происходило и когда надевали на себя поделки из янтаря: янтарные бусы, янтарные заколки для волос. Тут уж объяснений, кроме как явной магии, не могло быть никаких. Ведь, чтобы фокус удавался, перебирать бусы надо было исключительно чистыми сухими руками и сидя в чистой одежде. И чистые волосы, хорошо потёртые заколкой, дают нечто красивое и устрашающее: нимб торчащей кверху шевелюры. Да ещё потрескивание. Да ещё в темноте вспышки. Это же действие духа, требовательного и капризного, равно как и страшного и непонятного. Но настала пора, и электрические явления перестали быть территорией духа.

Стали всё что угодно называть просто — «взаимодействие». Вот уж тогда и начали экспериментировать. Придумали специальную машину для этого (электрофорная машина), и банку для накопления электричества (лейденская банка). И прибор, который уже мог показывать некоторое «равно-больше-меньше» в отношении электричества (электроскоп). Осталось только всё это объяснить с помощью набиравшего силу языка формул.

Так, человечество додумалось до необходимости осознания наличия в природе некоего электрического заряда. Собственно, в названии никакого открытия не содержится. Электрический — значит, связанный с явлениями, изучение которых началось с магии янтаря. Слово «заряд» говорит только о неясных возможностях, заложенных в предмет, как ядро в пушку. Просто ясно, что электричество можно как-то добывать и как-то накапливать. И как-то ого должно измеряться. Равно как и обычное вещество, например, масло.

И, по аналогии с веществами, о мельчайших частицах которых (атомах), говорили уверенно ещё со времён Демокрита, и решили, что заряд должен непременно состоять из аналогичных очень маленьких «корпускул» — телец. Количество которых в большом заряженном теле и даст величину электрического заряда.