Электрический заряд — это величина или частица, и в чем он измеряется
Электричество нас окружает со всех сторон. Но когда-то это было не так. Потому что само слово произошло от греческого названия конкретного материала: «электрон», по-гречески, «янтарь». С ним проводили занятные эксперименты, похожие на фокусы. Люди всегда любили чудеса, а тут — всякие пылинки, ворсинки, ниточки, волосинки, начинали притягиваться к кусочку янтаря, стоило только его потереть лоскутком ткани. То есть вот у камушка этого золотистого никаких «ручек» маленьких нет, а ворсинки поднимать может.
Оглавление:
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.
Электрический заряд — закон сохранения заряда
Разумеется, тогда и приблизительно не могли представить, сколько таких электрических «корпускул» может оказаться хотя бы в совсем небольшом заряженном теле. Но практическая единица электрического заряда была всё-таки нужна. И её стали придумывать. Кулон, в честь кого такую единицу потом назвали, видимо измерял величины зарядов с помощью металлических шариков, с которыми проводил опыты, но как-то относительно. Открыл свой знаменитый закон Кулона, в котором алгебраически записал, что сила, действующая между двумя, разнесёнными на расстояние R зарядами q1 и q2, пропорциональна их произведению и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Коэффициент k зависит от среды, в которой происходит взаимодействие, в вакууме же он равен единице.
Вероятно, после Кеплера и Ньютона такие вещи делать было не так уж и сложно. Расстояние измерить легко. Заряды он делил физически, прикасаясь одними шариками к другим. Получалось, что на двух одинаковых шариках, если один заряжен, а другой нет, при соприкосновении заряд делится пополам — разбегается по обоим шарикам. Так, он получал дробные значения исходной неизвестной величины q.
Изучая взаимодействие электрических зарядов, он делал замеры при разных расстояниях между шариками, фиксировал отклонения на своих крутильных весах, которое при этом получаются, когда заряженные шарики отталкиваются друг от друга. Видимо, его закон — то была чистая победа алгебры, так как единицы измерения заряда «кулон» сам Кулон не знал и знать просто не мог.
Другой победой было открытие того факта, что общее количество этой самой величины q в шариках, которые он сумел зарядить таким способом, оставалось всегда неизменным. За что открытый закон он и назвал законом сохранения заряда.
Q = q 1 + q 2 + q 3 + … + q n
Надо отдать должное аккуратности и терпению учёного, а также отваге, с которой он провозгласил свои законы, не имея единицы количества того, что изучал.
Частица электричества — минимальный заряд
Это уже потом догадались, что элементарным, то есть самым маленьким, электрическим зарядом является… электрон. Только не маленький кусочек янтаря, а невыразимо малая частица даже уже не вещества (почти), но которая обязательно есть в любом вещественном теле. И даже в каждом атоме любого вещества. И не только в атомах, но и вокруг них. И те:
- что находятся в атомах, называются связанные электроны.
- а которые вокруг — свободные электроны.
Связанными в атоме электроны бывают потому, что атомное ядро тоже содержит частицы заряда — протоны, и каждый протон обязательно притянет к себе электрон. Как раз по закону Кулона.
А заряд, который вы можем видеть или чувствовать получается в результате:
- трения,
- накопления,
- химической реакции,
- электромагнитной индукции,
составляют только свободные электроны, которые были выброшены из атомов по причине разных недоразумений:
- от удара другого атома (тепловая эмиссия)
- кванта ли света (фотоэмиссия) и по другим причинам
и бродящие внутри огромных макроскопических тел (например, волосинок).
Для электронов тела наших предметов действительно огромны. В одной единице заряда (кулоне) — электронов содержится примерно вот сколько: 624 150 912 514 351 000 с небольшим. Звучит это так: 624 квадриллиона 150 триллионов 912 миллиардов 514 миллионов 351 тысяча электронов в одном кулоне электрического заряда.
А кулон, это величина совсем простая и нам близкая. Кулон, это тот самый заряд, который протекает в одну секунду через сечение проводника, если ток в нём имеет силу в один ампер. То есть при 1 ампере за каждую секунду через поперечное сечение проволочки будут мелькать как раз вот эти 624 квадриллиона … электронов.
Электроны настолько подвижны, и так быстро передвигаются внутри физических тел, что включают нам электрическую лампочку в одно мгновение, как только мы нажмём на выключатель. И поэтому электрическое взаимодействие у нас такое быстрое, что каждую секунду происходят события, называемые «рекомбинация». Сбежавший электрон находит атом, из которого электрон как раз убежал, и занимает в нём свободное место.
Количество таких событий в секунду тоже порядка…, ну, все это себе уже представляют. И эти события непрерывно повторяются, когда электроны покидают атомы, потом в атомы возвращаются. Убегают — возвращаются. Такова их жизнь, без этого они просто не могут существовать. И только благодаря этому существует электричество — та система, которая стала частью нашей жизни, нашего комфорта, нашего питания и сохранения.
Направление тока. Кто у нас в заряде главный?
Только так и остался один небольшой курьёз, который все знают, но никто из физиков так и не желает исправить.
Когда Кулон фокусничал со своими шариками, видели, что заряды бывают двух видов. И заряды одного вида отталкиваются друг от друга, а заряды разных притягиваются. Естественно было назвать одни из них положительными, а другие отрицательными. И предположить, что электрический ток течёт оттуда, где больше, туда, где меньше. То есть от плюса к минусу. Так оно и закрепилось в головах физиков на многие поколения.
Но обнаружить потом удалось первыми не электроны, а ионы. Это как раз те самые безутешные атомы, потерявшие свой электрон. В ядре которых имеется «лишний» протон, и потому они заряжены. Ну а как это обнаружили, так сразу и вздохнули, и сказали — вот он, заряд ты наш положительный. И за протоном так закрепилась слава положительно заряженной частицы.
А потом догадались, что атомы чаще всего бывают нейтральными потому, что электрический заряд ядра уравновешивается зарядом электронных оболочек, вращающихся вокруг ядра. То есть построили планетарную модель атома. И только тогда поняли, что атомы составляют всё (почти) вещество, его твёрдую кристаллическую решётку, или всю массу его жидкого тела. То есть протоны с нейтронами солидно сидят в ядрах атомов. А не на побегушках, как лёгкие и подвижные электроны. Следовательно, ток бежит не от плюса к минусу, а наоборот, от минуса к плюсу.
