§83 Явище електризації. Електричний заряд. Елементарний електричний заряд. Дискретність заряду. Закон збереження електричного заряду [5,16]

 

 

1. З явищем електризації дозволяє ознайомитись такий експеримент. Підвісимо на шовковій нитці легкий вантаж, наприклад, паперову гільзу. Потремо об шовкову матерію скляну паличку й піднесемо її до вантажу. Ми побачимо, що гільза спочатку притягнеться до палички, але потім, після дотику зі склом, від нього відштовхнеться (рис. 83.1).

До дотику з натертою скляною паличкою паперова гільза під дією сили тяжіння й сили натягу нитки знаходилась у рівновазі у вертикальному положенні. Тепер її положення рівноваги інше. Отже, крім уже згаданих вище сил, на гільзу діє ще якась сила. Ця сила відмінна від сил тяжіння, від сил, що виникають при деформації тіл, від сил тертя й інших сил, що вивчалися нами в механіці. У тільки що описаному досліді ми зустрілись із проявом сил, які отримали назву електричних.

Тіла, які діють на навколишні предмети електричними силами, називають електризованими або зарядженими й говоримо, що на цих тілах знаходяться електричні заряди. Явище виникнення на тілах електричних зарядів називають електризацією тіл.

В описаних дослідах ми заряджали скло за допомогою тертя об шовк. Ми могли б замість скла вибрати сургуч, ебоніт, плексиглас, янтар і замінити шовкову матерію шкірою, гумою й іншими предметами. Дослід показує, що за допомогою тертя можна зарядити будь-яке тіло.

2. Зарядимо за допомогою скляної палички, потертої об шовк, легку гільзу, яка підвішена на шовковій нитці, і піднесемо до неї кусочок сургучу, зарядженого тертям об вовну. Гільза буде притягатися до сургучу (рис. 83.2). Однак ми бачили (рис. 83.1), що ця ж підвішена гільза відштовхується від скла, що зарядила її. Це показує, що заряди, які виникають на склі й сургучі, є якісно різними.

Якби в цих дослідах ми використовували інші заряджені тіла, то знайшли б, що частина з них діє як заряджене скло, тобто вони відштовхуються від зарядів стекла й притягаються до зарядів сургучу, а частина – як заряджений сургуч, тобто вони притягаються до зарядів стекла й відштовхуються від зарядів сургучу. Незважаючи на велику кількість різних речовин у природі, існує тільки два різних види електричних зарядів.

Також з дослідів випливає, що заряди скла й сургучу можуть компенсувати один одного. Величинам, які при додаванні зменшують одна одну, прийнято приписувати різні знаки. Тому домовилися приписувати й електричним зарядам знаки, розділяючи заряди на додатні та від’ємні.

Додатно зарядженими називають тіла, які діють на інші заряджені тіла так само як стекло, що наелектризоване тертям об шовк. Від’ємно зарядженими називають тіла, які діють так само, як сургуч, що наелектризований тертям об вовну. З дослідів випливає, що однойменні заряди відштовхуються, різнойменні – притягаються.

3. З точки зору будови речовини носіями електричних зарядів є елементарні частинки (елементарними частинками є найменші неподільні частинки матерії). Так елементарними частинками є електрон, протон, нейтрон. Було з’ясовано, що електричний заряд майже усіх елементарних частинок (якщо він не дорівнює нулю) є однаковим за абсолютною величиною і є найменшим електричним зарядом, що зустрічається в природі. Цей заряд називають елементарним зарядом. Експериментально знайдено, що він дорівнює

            1,602176487(40)10–19 Кл.            (83.1)

Зокрема, елементарними частинками є електрон (має заряд ), протон (має заряд ) і нейтрон (заряд дорівнює нулю). Із цих частинок побудовані атоми будь-якої речовини, тому електричні заряди входять до складу всіх тіл. Зазвичай електрони й протони знаходяться в речовині в рівних кількостях і розподілені в тілі з однаковою густиною. У цьому випадку алгебраїчна сума зарядів у будь-якому елементарному об'ємі тіла дорівнює нулю, внаслідок чого кожний такий об'єм (і тіло в цілому) є нейтральним. Якщо створити в тілі надлишок частинок будь-якого знака, тіло виявиться зарядженим. Так електризація речовини пояснюється переходом, як правило, електронів від одного тіла до іншого. Можна також створити перерозподіл частинок таким чином, що в одній частині тіла виникне надлишок зарядів одного знака, в іншій – іншого. Це можна здійснити, наприклад, піднесенням до незарядженого тіла іншого, зарядженого тіла.

Усякий заряд  утворюється сукупністю елементарних зарядів, тому він є цілим кратним :

            .           (83.2)

Якщо фізична величина може мати тільки дискретні (тобто розділені скінченними проміжками) значення, то говорять, що ця величина кантується. Експериментальний факт, що виражається формулою (83.2), означає, що електричний заряд кантується.

Похибки, з якою можуть бути виміряні макроскопічні заряди (тобто заряди, утворені величезною сукупністю елементарних зарядів), зазвичай значно перевищують величину елементарного заряду. Тому дискретність макроскопічних зарядів не проявляється й вони сприймаються практично як неперервними.

Експериментально встановлено, що величина заряду не залежить від швидкості, з якої він рухається. Отже, електричний заряд є релятивістські інваріантним. Це означає, що величина заряду, що вимірюється у різних інерціальних системах відліку, виявляється однаковою.

Електричні заряди можуть виникати й зникати. Однак завжди виникають або зникають одночасно два елементарних заряди різних знаків. Наприклад, електрон і позитрон (додатній електрон) при зустрічі анігілюють, тобто перетворюються в нейтральні частинки, що називаються гамма-фотонами. При цьому зникають заряди  й .

Таким чином, в природі виконується закон збереження електричного заряду, що стверджує, що сумарний заряд електрично ізольованої системи не може змінюватися.

Відзначимо, що закон збереження електричного заряду не міг би виконуватись, якби електричні заряди не були релятивістські інваріантними. Дійсно, якби величина заряду залежала від його швидкості, то, надавши руху зарядам одного якогось знака, ми змінили б сумарний заряд електроізольованої системи.