Свойства электрического заряда

1. Двузначность электрического заряда.

Электрический заряд может быть положительным и отрицательным. Принято считать, что протон заряжен положительно - р ⁺, q_р > 0, а электрон– отрицательно - е ^–, q_e < 0).

Эти названия условны. Они могли бы быть и другими. По существу, это два проявления одного и того же качества. Различаются эти виды зарядов характером взаимодействия: одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются (см. ниже рис.11.2). Во всех формулах и уравнениях принято считать заряд величиной алгебраической: положительный заряд q >0 и отрицательный заряд q <0.[2]

Других видов электрического заряда в природе не обнаружено. Любая заряженная частица ведет себя в электрическом отношении либо как электрон - тогда ее заряд считается тоже отрицательным, либо как протон - тогда ее заряд считается положительным. Частица, не являющаяся носителем заряда, называется нейтральной.

Положительные и отрицательные заряды способны компенсировать действие друг друга. Если в каком-либо теле находится одинаковое число частиц с зарядами того и другого знака, то тело ведет себя как электрически нейтральное. Большинство тел в обычных условиях электрически нейтральны как раз в силу очень высокой степени баланса между зарядом ядер и электронов, из которых все тела состоят. Вообще в природе существует глубокая симметрия между положительным и отрицательным электричеством.

Среди элементарных частиц одинаково часто встречаются заряды обоего знака.

2. Величина заряда зависит от плотности распределения заряда и от объема заряженного тела:

В формулах (9.5.) - объемная, поверхностная и линейная плотности распределения заряда в объеме V, по поверхности S и на длине , соответственно.

3. Квантованность электрического заряда.

Абсолютная величина заряда у всех элементарных частиц одинакова. Этот заряд называется элементарным. Равенство зарядов выполняется с поразительной точностью, и причина этого до сих пор непонятна. Частицы, резко отличающиеся друг от друга по всем остальным свойствам, имеют в точности одинаковый заряд. Поскольку элементарные частицы суть неделимые объекты (в свободном состоянии никогда не встречаются, например, половины электрона), то и электрический заряд у тел может изменяться не непрерывно, а лишь дискретно, конечными порциями. Минимальная возможная порция равна элементарному заряду. Это свойство заряда называют квантованностью. Квант электрического заряда – элементарный электрический заряд –

= 1,6 × 10^–19 Кл.

Квант заряда, т.е. элементарный заряд, представляет собой естественную единицу заряда. Однако она слишком мала для практических целей. В системе СИ используют в качестве единицы 1 кулон (Кл) = 6,25.10¹⁸• . Несмотря на столь малую величину кванта заряда, сам факт его существования и свойство универсальности имеют огромное принципиальное значение. С далеко идущими следствиями этого важнейшего закона природы мы еще не раз столкнемся.

В свободном состоянии все заряды кратны целому числу элементарных электрических зарядов:

q = ± N· . (9.6.)

Элементарные частицы – кварки " u " и " d ", существующие только в связанном состоянии в составе адронов, обладают дробными зарядами:

и ,

соответственно, и тогда, например, структуру протона р⁺ можно представить как , а структуру нейтрона n⁰ – как .

4.Закон сохранения заряда.

Со свойством квантованности заряда тесно связан закон сохранения заряда. Если состав частиц какой-либо системы со временем не изменяется, то сохранение неизменным полного заряда этой системы есть просто следствие неизменности самого кванта. Однако, как показывает опыт, полный заряд сохраняется и тогда, когда внутри изолированной система происходят взаимные превращения частиц, так что состав системы изменяется. Закон сохранения заряда накладывает определенные ограничения на возможные типы превращений. А именно - могут совершаться только такие превращения, при которых суммарный алгебраический заряд исходных частиц равен суммарному заряду продуктов реакции. В частности, рождение и уничтожение заряженных частиц может осуществляться только парами. Разумеется, если система не является изолированной, то есть в неё могут проникать посторонние частицы или, наоборот, из нее могут вылетать "свои" частицы, то закон сохранения заряда не выполняется.

5. Инвариантность электрического заряда.

Электрический заряд принадлежит к числу тех физических величин, которые обладают релятивистской инвариантностью. Это значит, что во всех инерциальных системах отсчета (ИСО) величина заряда любой частицы или теле одинакова. Другими словами, заряд движущейся и покоящейся частиц одинаков. Сохраняемость и инвариантность - это равные по своему содержанию законы. Инвариантность заряда так же, как и все предыдущие его свойства, есть опытный факт. Если бы заряд зависел от скорости, то атомы и молекулы тел не могли бы сохранять свою нейтральность при изменении движения орбитальных электронов.