Электрический заряд

Определение и общие сведения об электрическом заряде

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Электрическим зарядом называют физическую величину, которая определяет электромагнитное взаимодействие.

Обозначается электрический заряд буквой q. Существует всего два типа электрических зарядов: положительные и отрицательные. Заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а разноименные заряды притягиваются.

Американский ученый Р. Милликен экспериментально показал, что электрический заряд является дискретной величиной. Это означает, что заряд любого тела является, целым кратным элементарному заряду. Элементарным электрическим зарядом считают заряд электрона ( $\left|q_e\right|=1,6\cdot {10}^{-19}$ Кл).

Все тела в природе могут приобретать электрический заряд. Это происходит разными способами: соприкосновением, при помощи электростатической индукции и другими способами. Любой процесс получения заряда можно свести к разделению зарядов. При этом на одном из тел возникает избыток положительных зарядов, на другом образуется избыток отрицательного заряда. Общая сумма зарядов, которую имеют при этом тела, не изменяется, заряды просто перераспределяются.

Единицей измерения электрического заряда в международной системе единиц (СИ) является кулон (Кл). Это неосновная единица системы СИ. Кулон определен через единицу силы тока. Одним кулоном называют электрический заряд, который проходит сквозь поперечное сечение проводника, при наличии в нем силы тока, равной одному амперу за одну секунду:

$\left[q\right]=\frac{1 A}{1C}=1\ Kl$

Электрический заряд. Закон сохранения заряда

Закон сохранения заряда является фундаментальным законом природы. Его смысл заключается в том, что в любой замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов не изменяется при прохождении любых процессов внутри этой системы.

Электрический заряд не зависит от выбора системы отсчета, не зависит от того покоится ли он или движется. То есть говорят, что электрический заряд является релятивистски инвариантной величиной.

Концентрация свободных зарядов в веществе определяет, к какому виду вещество относят: к проводникам, диэлектрикам или полупроводникам.

Закон Кулона

Законом Кулона в электростатике называют закон взаимодействия неподвижных точечных зарядов. Закон установлен Ш. Кулоном в 1785 г.

Точечным называют заряд, который имеется на теле, размерами которого можно пренебречь, в сравнении с расстояниями до других тел, обладающих зарядом, и с которыми он взаимодействует. Точечный заряд – это физическая абстракция.

Формулировка закона Кулона:

${\overrightarrow{F}}_{12}=\frac{1}{4\pi \varepsilon {\varepsilon}_0}\frac{q_1q_2}{r^3}{\overrightarrow{r}}_{12} \qquad (1)$

${\overrightarrow{F}}_{12}$ – сила, с которой заряд $q_2$ действует на заряд $q_1;\ {\overrightarrow{r}}_{12}$ – радиус-вектор, который соединяет $q_2$ и $q_1$ ; r- расстояние между рассматриваемыми зарядами (модуль вектора ${\overrightarrow{r}}_{12}$ ). При этом на заряд $q_2$ со стороны заряда $q_1$ действует сила равная по модулю силе $F_{12}$ , но противоположная по направлению; ${\varepsilon}_0=8,85\cdot {10}^{-12}\frac{{Kl}^2}{N\cdot m^2}=8,85\cdot {10}^{-12}\frac{\Phi}{m}$ – электрическая постоянная; $\varepsilon$ – диэлектрическая проницаемость вещества в котором находятся рассматриваемые заряды. Закон в виде (1) записан для системы СИ.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Каково количество «избыточных» электронов, которые несет точечное отрицательно заряженное тело, если сила взаимодействия его с таким же телом, обладающим таким же зарядом равна F? Заряды находятся на расстоянии r друг от друга в вакууме.

Решение

За основу решения задачи примем закон Кулона. Точечные заряды взаимодействуют с силами, равными по величине:

$F=\frac{1}{4\pi \varepsilon {\varepsilon}_0}\frac{q_1q_2}{r^2}=\frac{1}{4\pi {\varepsilon}_0}\frac{q^2}{r^2} \qquad (1.1)$

по условию задачи $q_1=q_2=q;\ \varepsilon =1$ (вакуум). Выразим величину заряда, который несет одно из рассматриваемых тел:

$q=r\sqrt{4\pi {\varepsilon}_0F} \qquad (1.2)$

Заряд электрона равен: $\left|q_e\right|=1,6\cdot {10}^{-19}$ Кл, значит, чтобы найти искомое число избыточных электронов (N) найдем следующее отношение:

$N=\frac{q}{q_e}=\frac{r\sqrt{4\pi {\varepsilon}_0F}}{q_e}$

Ответ

$N=\frac{r\sqrt{4\pi {\varepsilon}_0F}}{q_e}$

ПРИМЕР 2

Задание

Каким должен быть заряд шарика плотностью $\rho$ , имеющего радиус r для того, чтобы в глицерине, плотность которого равна $\rho '$ , этот шарик в однородном электростатическом поле оказался во взвешенном состоянии. Вектор напряженности поля направлен вверх, его величина равна E.

Решение

Сделаем рисунок.

На заряженный шарик, взвешенный в глицерине и находящийся в электрическом поле действуют следующие силы: сила тяжести ( $m\overrightarrow{g}$ ); сила Архимеда ( ${\overrightarrow{F}}_A$ ); электростатическая сила ( $\overrightarrow{F}$ ). Их направления указаны на рис.1. Запишем второй закон Ньютона для сил, действующих на наш шарик: