что такое заряд в физике

Заряд — это фундаментальная физическая величина, которая характеризует способность тела или частицы взаимодействовать с электромагнитными полями. В электродинамике заряд играет центральную роль, определяя силы взаимодействия между частицами, которые обладают этим свойством. Заряд является одной из основных характеристик материи и лежит в основе электрических явлений. Чтобы понять, что такое заряд, нужно рассмотреть несколько аспектов этого понятия, начиная с его определения и заканчивая его фундаментальной ролью в природе.

1. Определение электрического заряда

Электрический заряд — это свойство вещества, благодаря которому оно испытывает силу в электрическом или магнитном поле. Заряд бывает двух типов: положительный и отрицательный. Одни частицы (например, протоны) обладают положительным зарядом, другие (например, электроны) — отрицательным. Взаимодействие между этими зарядами подчиняется закону Кулона:

• Одноименные заряды отталкиваются.

• Разноименные заряды притягиваются.

2. Единицы измерения заряда

Единицей измерения заряда в Международной системе единиц (СИ) является кулон (C). Один кулон — это такой заряд, который переносится током силой в один ампер за одну секунду.

1 кулон = 1 ампер × 1 секунда.

Однако на практике часто используется гораздо меньшая единица, например, кулон можно представить как величину, соответствующую заряду, который есть у одного электрона или протона:

• Заряд электрона: $e=-1.602\times 10^{-19}C$

• Заряд протона: $+1.602\times 10^{-19}C$

Эти величины называют элементарным зарядом.

3. Свойства и законы, связанные с зарядом

Закон сохранения заряда

Один из важнейших законов электродинамики — закон сохранения заряда. Он утверждает, что в замкнутой системе суммарный заряд сохраняется. Это означает, что заряд не может исчезнуть или появиться сам по себе. Он может только перераспределяться между частями системы.

Закон Кулона

Сила взаимодействия между двумя точечными зарядами описывается законом Кулона. Закон Кулона гласит, что сила $F$, с которой два заряда взаимодействуют, пропорциональна произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

$$F=k_e\frac{|q_1{q}_2|}{r^2}$$

где:

• $F$ — сила взаимодействия,

• $q_1,q_2$ — величины зарядов,

• $r$ — расстояние между зарядами,

• $k_e$ — электрическая постоянная (приблизительно $8.99\times 10^9\text{Н}\cdot {\text{м}}^2/{\text{Кл}}^2$).

Этот закон описывает взаимодействие только электрических зарядов в вакууме или в воздухе, но в других средах учитывается влияние диэлектрической проницаемости.

Электрическое поле

Каждый заряд создает вокруг себя электрическое поле, которое воздействует на другие заряды. Электрическое поле — это векторная величина, которая характеризует силу, действующую на единичный положительный заряд, помещенный в это поле. Электрическое поле можно описать через линии силы поля, которые исходят из положительных зарядов и сходятся в отрицательные.

Поле создается не только точечными зарядами, но и распределенными зарядами (например, на проводниках).

Электрический потенциал

Связан с понятием работы, которую необходимо совершить, чтобы переместить заряд в электростатическом поле. Электрический потенциал (или просто потенциал) — это энергия, которую может иметь единичный положительный заряд в данной точке пространства.

4. Историческая справка

Идея электрического заряда появилась еще в XVIII веке. Французский ученый Шарль Кулон в 1785 году экспериментально установил закон, который сейчас носит его имя (закон Кулона). Он основывался на том, что сила взаимодействия между зарядами пропорциональна произведению их величин и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

5. Виды зарядов

1. Элементарный заряд — заряд, который несут элементарные частицы, такие как электроны или протоны.

2. Составные заряды — заряды, которые могут быть у объектов, состоящих из множества частиц (например, у атомов или молекул).

Заряд может быть локализован на разных уровнях:

• Точка заряда — объект, обладающий зарядом, который можно считать сосредоточенным в одной точке.

• Распределенные заряды — заряд может распределяться по поверхности или объему (например, на поверхности проводника).

6. Электрические взаимодействия

Электрические взаимодействия, вызванные зарядом, являются основой электростатики и важной частью электродинамики. Эти взаимодействия играют ключевую роль в:

• Формировании атомных структур (например, связь между ядром атома и электронами),

• Работе электрических устройств (моторы, генераторы, электрические цепи),

• Электрических и магнитных полях, которые описываются с помощью теории Максвелла.

7. Применение в жизни

Заряд широко используется в технике и науке. Вот некоторые примеры:

• Электрические цепи: тока в проводах и устройствах.

• Электростатические устройства: такие как копировальные аппараты, лазеры, устройства для ионной очистки.

• Магнитные поля и электроника: заряд движущихся частиц формирует магнитные поля, что имеет ключевое значение в работе двигателей, трансформаторов и радиопередающих устройств.

8. Роль заряда в других областях физики

Заряд также имеет важное значение в более глубоких областях физики, таких как:

• Квантовая механика: заряд частицы имеет значительный эффект на ее взаимодействие с другими частицами и полями.

• Теория поля: взаимодействия заряженных частиц описываются через электромагнитные поля, которые также имеют квантовую природу.

9. Взаимосвязь с другими фундаментальными силами

Заряд играет важную роль и в других фундаментальных силах:

• Гравитационное взаимодействие — хотя гравитация действует на все объекты, заряд не влияет на гравитационные силы. Гравитационные силы крайне малы по сравнению с электрическими.

• Сильное и слабое взаимодействие — эти взаимодействия также важны на уровне элементарных частиц, но в их рамках заряд не играет роли.

Заключение

Заряд — это фундаментальное свойство материи, которое определяет взаимодействие частиц через электромагнитные силы. Он играет центральную роль в электростатике, электронике, квантовой механике и в других областях науки и техники. Закон сохранения заряда, закон Кулона и взаимодействие зарядов — это базовые принципы, которые лежат в основе множества явлений и технологий в нашем мире.