Что означает дискретность электрического заряда
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
§8. Электростатические взаимодействия. Электрический заряд. Закон Кулона
8.5. Дискретность электрического заряда. Объемная плотность заряда
Чрезвычайно точные измерения показали, что заряд протона по модулю в точности равен заряду электрона. Более того, другие заряженные элементарные частицы также имеют электрические заряд в точности равный заряду электрона. Таким образом, заряд электрона является минимально возможным электрическим зарядом, минимальной «порцией» электрического заряда, поэтому его называют элементарным зарядом. Многочисленные попытки, продолжающиеся и в настоящее время, обнаружить частицы, имеющие заряд, меньший элементарного, закончились неудачей. Так как заряды тел обусловлены избытком или недостатком электронов, то их заряд оказывается кратным элементарному заряду.
Первые теории электричества строились на представлении о заряде, как некоторой особой электрической жидкости (о молекулярной структуре настоящих жидкостей тогда тоже не было известно). Долгие споры велись о том, сколько электрических жидкостей существует, одна или две. Отголоски этих жидкостных представлений дошли до нас в многочисленных терминах – заряд перетекает (отсюда электрический ток), конденсатор обладает электрической емкостью (показывающий сколько электрической жидкости он может вместить), и др. Электрон, а следовательно и элементарный заряд, был открыт только в 1897 году английским физиком Дж. Дж. Томсоном.
Дискретность электрического заряда проявляется только в том случае, когда заряды тел малы, сравнимы с элементарным зарядом. Не случайно Р. Милликен в своих экспериментах использовал микроскопические капельки, заряды которых составляли несколько элементарных зарядов. Во многих случаях нет необходимости учитывать дискретность электрического заряда. То есть в математическом описании перейти к непрерывному описанию распределения зарядов. В этом случае можно ввести понятие объемной плотности заряда как функции координат ρ(x, y, z), как отношение величины заряда Δq, содержащегося в малом объеме ΔV вокруг точки с координатами (x, y, z), к величине этого объема
\(\rho \left(x,y,z \right) = \frac< \Delta q>< \Delta V>\) при \(\Delta V \rightarrow 0\)
Это определение полностью совпадает с обсуждавшимся ранее понятием плотности «в точке».
Электрический заряд. Дискретность заряда. Закон сохранения электрического заряда Закон Кулона
ЭЛЕКТРОСТАТИКА
Электрический заряд. Дискретность заряда. Закон сохранения электрического заряда Закон Кулона.
По современным представлениям, электрический заряд является скалярной физической величиной, которая характеризует способность тел вступать в электромагнитные взаимодействия и его величина определяет интенсивность этих взаимодействий.
Что же представляет собой электрический заряд? Для того, чтобы составить себе представление об этом понятии, можно перечислить свойства, которыми обладают электрические заряды.
2) Электрический заряд величина релятивистски инвариантная, т.е. он не изменяется при движении с любыми скоростями и не зависит от выбора системы отсчета.
3) Заряд обладает свойством аддитивности, т.е. заряд любой системы равняется алгебраической сумме зарядов частиц, составляющих эту систему.
4) Электрический заряд – дискретен, т.е. заряды всех тел и частиц, вступающих в электрические взаимодействия, состоят из целого числа элементарных зарядов. В природе в свободном состоянии существуют частицы, имеющие минимальный по модулю заряд, равный 
. Поэтому
, (1.1)
5) М. Фарадеем был сформулирован закон сохранения заряда: в любой электроизолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается величиной постоянной
Замкнутая система: 
const. (1.2)
В 1785 году Ш Кулоном с помощью изобретенных им крутильных весов экспериментально был установлен закон взаимодействия неподвижных точечных зарядов. «Точечным» называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстояниями до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует. Закон Кулона:силы, с которыми взаимодействуют два неподвижных точечных заряда в вакууме, прямо пропорциональны произведению этих зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними; силы направлены вдоль прямой, соединяющей эти заряды:
, (1.3)
где 
— сила, с которой первый заряд действует на второй заряд, а 
— радиус – вектор, проведенный от первого заряда ко второму заряду.
Входящая в формулу (1.3) величина 
Ф/м называется электрической постоянной, она возникает при записи формулы закона в международной системе единиц СИ, а коэффициент k пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц в системе СИ равен
.
Если взаимодействующие заряды находятся в однородной и изотропной диэлектрической среде, то в знаменателе формулы (1.3) появляется безразмерная величина 
— диэлектрическая проницаемость среды, которая показывает во сколько раз сила взаимодействия зарядов в данной 
среде меньше, чем их сила взаимодействия 
в вакууме.
Для вакуума ε = 1, для всех сред ε>1, но с достаточной степенью точности при проведении многих расчетов можно принять 
для газов ( и для воздуха).
Электризация и ее виды. Электрический заряд. Дискретность заряда. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда.
Абешова Саягул Сериковна
Тема: Электризация и ее виды. Электрический заряд. Дискретность заряда. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда.
Образовательная: направить учащихся на изучение истории открытия закона Кулона и основного закон электростатики;
Воспитательная: воспитывать аккуратность, точность и настойчивость при достижении цели.
Тип урока: комбинированный.
Вид урока: изучение новых знаний
Оборудование: Интерактивная доска, презентация, листы оценивания, оборудование для выполнения демонстрации.
Прогнозируемый результат: Учащиеся знают правила применения закона сохранения электрического заряда, а также что между двумя заряженными телами возникают Кулоновские силы притяжения или отталкивания.
I Организационный момент
2. Сообщение темы и постановка целей урока
II Изучение нового материала.
1. Деление на группы методом геометрических фигур.
2. Работа в группах
III. Подведение итогов, комментирование оценок.
1. Подведение итогов
2. Разноуровневые тесты
4. Комментирование оценок с использованием листов оценивания
IV. Домашнее задание
I Организационный момент:
Здравствуйте! Присаживайтесь. Прежде чем мы начнем наш урок я бы хотела вам рассказать небольшую притчу. « Маленький полевой цветок встретил вызов скал и камней на своем пути к свету дня. Окруженный ореолом яркого золотого света, он раскрывает величие своего крохотного существа. Лишенный стыда, он подобен ярчайшему солнцу»
Когда мы сталкиваемся с очень трудной ситуацией, у нас есть выбор: мы можем либо обижаться и стараться найти кого-либо или что-либо, чтобы обвинить в своих трудностях, либо встретить вызов и расти.
Цветок показывает нам путь, по которому страсть к жизни выводит его из темноты к свету. Не нужно бороться с вызовами жизни или стараться избегать или отрицать их. Они есть, и мы должны пройти через них подобно семени, которое должно стать цветком. Будьте храбры, чтобы вырасти в цветок, которым вам суждено быть…Пожалуйста сейчас опустити цветок в стакан.
2.Сообщение темы и постановка целей урока:
Ребята посмотрите, пожалуйста, на доску, как вы думаете, какую тему мы начнем сегодня изучать. И какая цель стоит перед нами.
II. Изучение нового материала.
2. Работа в группах.
Задание группе №1 Электризация и ее виды.
Электризация тел т. е. возникновение в них электрического состояния происходит при чрезвычайно разнообразных процессах, совершаемых с этими телами. Почти всякое механическое действие, производимое с твердым телом, как, напр., трение об это тело или надавливание на него другого тела, скобление, раскалывание, сопровождается развитием электричества. Во всех приведенных случаях причиной электризации тел является одно и то же, а именно прикосновение, контакт разнородных тел. Первый Александр Вольта своими опытами, произведенными в самые последние годы XVIII в., доказал, что при прикосновении друг с другом двух каких-либо проводящих электричество тел, но непременно отличающихся одно от другого по химическому составу, происходит электризация обоих этих тел, причем одно из них заряжается положительным электричеством, другое — отрицательным.
Электризация трением. Основной причиной явления, которое мы называем «электризация трением», является то, что при тесном соприкосновении двух различных тел часть электронов переходит с одного тела на другое (рис. 11). В результате этого на поверхности первого тела оказывается положительный заряд (недостаток электронов), а на поверхности второго тела — отрицательный заряд (избыток электронов). Смещение электронов при этом очень мало, оно бывает порядка межатомных расстояний (
Задание группе №2 : Электрический заряд. Дискретность заряда. 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.
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.
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.
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. Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электрометр. Электрометр состоит из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Стержень со стрелкой закреплен в плексигласовой втулке и помещен в металлический корпус цилиндрической формы, закрытый стеклянными крышками.
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:
где N – целое число, е – величина элементарного заряда. Согласно современным представлениям, этот заряд численно равен заряду электрона e = 1,6∙10-19 Кл.
Задание группе №3 Закон Кулона. Закон Кулона количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Он является фундаментальным законом, то есть установлен при помощи эксперимента и не следует ни из какого другого закона природы. Он сформулирован для неподвижных точечных зарядов в вакууме. В реальности точечных зарядов не существует, но такими можно считать заряды, размеры которых значительно меньше расстояния между ними. Сила взаимодействия в воздухе почти не отличается от силы взаимодействия в вакууме (она слабее менее чем на одну тысячную).
Закон Кулона: сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
|q 1 ||q 2 |
F=k —————.
r 2
где k коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. В СИ коэффициент пропорциональности равен
Тогда закон Кулона запишется в окончательном виде:
Величина называется электрической постоянной; она относится к числу фундаментальных физических постоянных и равна
q – электрический заряд.
Вычисления при помощи закона Кулона требуют определения единицы заряда. Но создать эталон заряда невозможно, так как утечка заряда с тела неизбежна. Наиболее разумно было бы принять за единицу измерения заряд электрона, что и сделано в атомной физике, но во времена появления электростатики об элементарных частицах ещё не знали.
Задание группе №4 Применение в технике явлений электризации и взаимодействия наэлектризованных тел.
1. Для покраски автомобилей: движущиеся на конвейере детали, например, корпусы автомобиля, заряжают положительно, а частичкам краски придают отрицательный заряд, и они устремляются к положительно заряженному автомобилю. Слой краски получается тонкий, равномерный и плотный. Отрицательно заряженные частички краски отталкиваются друг от друга — отсюда равномерность окрашиваемого слоя. Расход краски снижается — ведь она оседает только на автомобиле. Такой метод окраски в электрическом поле широко применяется и дает большую экономию.
2. Для копчения. Копчение — это пропитывание продукта древесным дымом. Частички дыма не только придают продуктам вкус, но и предохраняют их от порчи. Этот процесс происходит по аналогии с электроокраской, только здесь не краска, а заряженные положительные частички дыма оседают на отрицательно заряженной тушке рыбы, мяса. Копчение занимает всего несколько минут. А ведь простое копчение длится долго.
3. Таким же способом электризация помогает изготовлять искусственный мех, бархат, замшу, ковры, одеяла. Делается это так: материал, на котором надо получить ворс, намазывают слоем клея и помещают в электрическое поле, например между двумя заряженными пластинами. Затем через металлическую сетку, помещенную над тканью, пропускают ворс. В электрическом поле ворсинки движутся в определенном направлении и оседают на ткань плотным слоем строго перпендикулярно поверхности.
4. Очистка воздуха. Чистый воздух нужен не только людям, но и машинам. Из-за пыли они быстрее изнашиваются, засоряются. Кроме того, часто вместе с пылью, газами улетает и ценное сырье. Очистка промышленных газов стала необходимостью. Действие электрофильтра можно наблюдать на такой установке. В стеклянной трубке вдоль стенки проходит станиолевая лента, соединенная с положительным полюсом электрофорной машины, а по оси — подвешенная на изолированном стержне проволока с тяжелым грузом (проволока соединяется с отрицательным полюсом машины). «Труба» ставится над кристаллизатором, наполненным небольшим количеством концентрированной соляной кислоты. Если палочку с ваткой, смоченной в нашатырном спирте, поднести к кислоте, то последняя начинает дымиться, и из «трубы» идет густой белый дым. Приводим в действие электрофорную машину, дым почти сразу исчезает.
Частички дыма в «трубе» приобретают заряд. Под действием электрического поля они движутся к стенкам «трубы» и оседают на них. Так работают дымо- и пылеуловители. Такие электрические фильтры на тепловых электростанциях улавливают 99 % золы, содержащейся в выходных газах.
5. В медицине. При лечении некоторых болезней специально носят носки или чулки, которые хорошо электризуются. Маленькими искрами, разрядами, возникающими при электризации, лечат много болезней. Электроаэрозолями (заряженным раствором лекарств) делают глубокие ингаляции.
6. На хлебозаводе, чтобы быстро замесить тесто, крупинки муки заряжают положительно, а частички воды — отрицательно. Крупинки и капельки воды притягиваются друг к другу, образуя однородное тесто. В сельском хозяйстве Электризация помогает очищать и сортировать зерно и семена.
Отрицательное влияние электризации.
На одном из целлюлозно-бумажных комбинатов некоторое время не могли установить причину частых обрывов быстро движущейся бумажной ленты. Были приглашены учёные. Они выяснили, что причина заключалась в электризации ленты при трении её о валки. При трении о воздух электризуется самолёт. Поэтому после посадки к самолёту нельзя сразу приставлять металлический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолёт “разряжают”: опускают на землю металлический трос, соединённый с обшивкой самолёта, и разряд происходит между землёй и концом троса. Бывали случаи, что быстро поднимающийся в воздухе воздушный шар загорался. Воздушные шары часто наполняют водородом, который легко воспламеняется. Причиной воспламенения может быть электризация трением прорезиненной оболочки о воздух при быстром подъёме.
В любом процессе, где участвуют движущиеся части вещества или движется зерно или жидкость, происходит разделение зарядов. Одна из опасностей при транспортировке зерна в элеватор связана с тем, что в результате разделения зарядов в атмосфере, заполненной горячей пылью, может проскочить искра и произойти возгорание.
Разряды электричества возникают и тогда, когда человек ходит по полимерным покрытиям полов современной квартиры, синтетическим коврам или снимает с себя нейлоновую одежду.
Если способы и средства для борьбы с накоплением электрических зарядов? Безусловно, есть. На производстве – это тщательное заземление станков, машин применение токопроводящих пластиков для полов, увлажнение воздуха, использование различного рода “нейтрализаторов”, ионизаторы воздуха.
В домашних условиях устранить заряды статического электричества довольно легко, повышая относительную влажность воздуха квартиры до 60-70 %. Электризация устраняется, если к воде, которой протирают пластиковые полы, добавить гидрофильные вещества, например хлорид кальция, а также протирать электризующие поверхности глицерином. Химическая промышленность выпускает препарат “Антистатик”, который снимает электрический заряд с синтетической одежды
IV. Подведение итогов, комментирование оценок.
1. Подведение итогов
2. Разноуровневые тесты
а) заряд б) частица в) молекула г) материя
а) убывает б) возрастает в) остается неизменной г) изменяется
3. Как изменится сила взаимодействия двух точечных зарядов, если расстояние между ними увеличить в 2 раза?
а) увеличится в 2 раза б) уменьшится в 2 раза
в) увеличится в 4 раза г) уменьшится в 4 раза
а) напряжением б) напряженностью в) работой г) электроемкостью
а) диэлектрики б) полупроводники
в) проводники г) таких веществ не существует
6. Частицы, имеющие одноименные заряды
а) отталкиваются б) притягиваются
в) не взаимодействуют г) остаются неподвижными
а) кулоновская б) гравитационная в) притяжения г) отталкивания
а) увеличится в 2раза б) уменьшится в 2 раза
в) увеличится в 4 раза г) уменьшится в 4 раза
9. Палочка, потертая о сукно, получила отрицательный заряд. Масса палочки
A) увеличилась в 2 раза.
B) уменьшилась в 3 раза. C ) уменьшилась.
D) незначительно увеличилась. E ) уменьшилась в 2 раза.
11. Минимальный заряд, существующий в природе
A ) изменится в зависимости от размеров шаров.
B) не изменится. C ) уменьшится. D ) увеличится. E ) будет равен 0.
С.13. Сила взаимодействия зарядов, находящихся на одинаковом расстоянии, будет наибольшая (ε воды = 81; ε кер = 2,1; ε глицер = 39,1; ε воз = 1,0006; ε вак = 1)
A) в вакууме. B ) в воздухе. C ) в воде. D )в керосине. E ) в глицерине.
14. Два одинаковых точечных заряда взаимодействуют в вакууме с силой 0,1 Н. Расстояние между зарядами 6 м. Величина этих зарядов ( k = 9·10 9 )
15. Заряды 1 и 16 нКл расположены на расстоянии 10 мм друг от друга. Сила взаимодействия этих зарядов ( k = 9·10 9 )
4. Комментирование оценок с использованием листов оценивания
V. Домашнее задание. Исследуйте в домашних условиях синтетическую и натуральную одежду. Какая электризуется сильнее. Напишите отчёт.