Какой прибор измеряет электрический заряд?

Какой прибор измеряет электрический заряд?

Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. Эти силы называют электромагнитными силами .

О существовании электромагнитных сил знали еще древние греки. Но систематическое, количественное изучение физических явлений, в которых проявляется электромагнитное взаимодействие тел, началось только в конце XVIII века. Трудами многих ученых в XIX веке завершилось создание стройной науки, изучающей электрические и магнитные явления. Эта наука, которая является одним из важнейших разделов физики, получила название электродинамики .

Основными объектами изучения в электродинамике являются электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами и токами.

Электрическое поле

1.1. Электрический заряд. Закон Кулона

Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Электрический заряд обычно обозначается буквами или .

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

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.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда .

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду .

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером . Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:

Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными . Элементарный заряд является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков – частиц с дробным зарядом и Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.

В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.

Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка .

Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами .

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой .

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.

Коэффициент пропорциональности в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).

Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения .

В системе СИ элементарный заряд равен:

Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Рис. 1.1.4 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел.

Принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы. Однако, его применение требует определенной осторожности, в том случае, когда речь идет о взаимодействии заряженных тел конечных размеров (например, двух проводящих заряженных шаров 1 и 2). Если к системе из двух заряженных шаров поднсти третий заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 изменится из-за перераспределения зарядов .

Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном) распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.

Электрометр и электроскоп — приборы для измерения заряда

Для измерения заряда используют электроскоп и электрометр. Эти приборы позволяют определить знак заряда, а, так же, оценить величину заряда.

Электроскоп

Электроскоп позволяет обнаружить электрический заряд и оценить его величину приблизительно.

Устроен прибор так. Металлический стержень вертикально входит в металлический корпус (рис. 1).

К стержню с одной стороны присоединена чаша, изготовленная из металла. Чаша находится в верхней части стержня, за пределами корпуса электроскопа.

А к другому концу стержня, находящемся внутри корпуса, присоединены две тонкие полоски бумаги.

Между стержнем и корпусом находится пробка из пластмассы. Она не дает заряду со стержня стекать на корпус.

В корпусе с двух сторон присутствуют стеклянные окошки, чтобы можно было наблюдать за поведением бумажных полосок.

Читайте также  Как выбрать варочную поверхность электрическую или индукционную?

Так же, в корпус встроена шкала с делениями. Она помогает оценивать углы, на которые бумажные полоски расходятся.

Некоторые электроскопы имеют боле простую конструкцию (рис. 2). В них стержень с листочками помещается в стеклянную колбу. Шкала в таких простейших приборах не предусмотрена.

Как пользоваться электроскопом

Рассмотрим незаряженный электроскоп. Поднесем к его чаше натертый шерстью кусочек эбонита. Листочки при этом разойдутся в стороны (рис. 3). Первоначальное положение листочков обозначено на рисунке пунктирными линиями.

Чем больше заряд поднесенного наэлектризованного тела, тем на большие углы расходятся полоски бумаги.

Зарядим теперь электроскоп положительным зарядом. Для этого прикоснемся к его чаше кусочком стекла, натертого о шелк.

Прикоснувшись к чаше электроскопа, можно передать ему заряд. Чем больше заряд, тем сильнее отклоняются листочки.

Поднесем теперь к чаше положительно заряженного прибора тело, имеющее такой же — положительный знак заряда. Прикасаться телом к чаше не будем.

Мы увидим, что листочки разойдутся в стороны еще больше (рис. 4).

Если же к чаше заряженного прибора поднести заряд противоположного знака, угол между его листочками уменьшится (рис. 5).

Зная знак заряда электроскопа, можно определить знак заряда тела.

По углу отклонения бумажных полосок можно судить о том, уменьшился или увеличился заряд электроскопа.

Чем больше угол, тем больше наэлектризован прибор, тем больший заряд находится на нем.

Электрометр

Еще один прибор, с помощью которого можно оценить заряд, называется электрометром.

Его устройство отличается от электроскопа тем, что вместо полосок бумаги содержит легкую металлическую стрелку (рис. 6). Она хорошо сбалансирована и может вращаться, отклоняясь от стержня на различные углы. Ось вращения стрелки проходит через ее центр, а максимальный угол отклонения составляет около 90 градусов.

Когда мы сообщаем электрометру заряд, стрелка от стержня заряжается, отталкивается от него и отклоняется на некоторый угол.

Электрометр обладает несколько большей чувствительностью по сравнению с электроскопом. Во всех конструкциях электрометров обязательно присутствует шкала.

Электроскоп — описание и принцип действия устройства

Общие сведения

Электроскоп нужен, чтобы измерять электрические заряды в рядом находящихся предметах. А также его использование позволяет определить полярность: положительная или отрицательная. Схема физического устройства проста, прибор состоит из металлического стержня, который заключен в стеклянную колбу.

На окончаниях находятся две тонкие алюминиевые или золотые пластины, снизу они соединяются. При этом конструкция закрывается изоляционной крышкой, а сверху торца находится специальная сфера, которая называется «коллектор».

Во время приближения электрически заряженного предмета к электроскопу находящиеся снизу устройства ламели имеют две реакции:

  1. Если ламели отдаляются, это обозначает, что тело имеет такой же заряд, как электрометр.
  2. Если они соединяются, это обозначает, что предмет имеет противоположный заряд.

Электроскопы позволяют определять, каково накопление электрического заряда, при этом они указывают знак полярности и ее интенсивности.

История создания

Впервые доклад об изобретении электроскопа написал физик и врач Вильям Гилберт, работавший в Великобритании при правлении Елизаветы Первой. Этот ученый также является «отцом» электромагнетизма за счет большого вклада в науку в XVII столетии. Он создал первое устройство в 1601 г. для углубления опытов с электричеством.

Первый прибор, который назывался версориум, представлял собой конструкцию, где металлическая иголка свободно вращалась на специальном пьедестале.

Конфигурация этого устройства сильно напоминала обычный компас, однако здесь была не намагниченная игла. Ее концы зрительно отличались между собой. Помимо этого, одно окончание имело отрицательный заряд, а второе — положительный.

Принцип работы был основан на импульсах, которые возникали на концах благодаря электромагнитной индукции. То есть с учетом того, какой стороной иголка располагалась максимально близко к предмету, реакция конца заключалась в том, чтобы отталкиваться или притягиваться к объекту.

В начале 1783 г. знаменитый физик из Италии Алессандро Вольта создал конденсационный электрометр, обладающий повышенной чувствительностью для определения электрозарядов.

Но самых больших успехов добился астроном и математик из Германии Иоганн Готтлиба, он изобрел золотой листовой прибор. Рисунок этого устройства напоминает конструкцию, которая используется в наше время. Оборудование имело стеклянный колокол со стальной сферой сверху. При этом последняя соединялась проводником с двумя тонкими золотыми листами. Пластины соединялись или расходились с учетом приближения электрического заряженного предмета.

Принцип работы

Электрометр — это прибор, который используется для выявления статического электричества около находящихся предметов, использует эффект соединения внутренних тонких металлических листов из-за электростатического притяжения. Статическое поле появляется на внешней части объекта за счет трения или происходящей нагрузки.

Устройство предназначается для определения наличия типа заряда с помощью переноса электронов с сильно заряженных участков на разряженные поверхности. Помимо этого, с учетом реакции пластин это позволяет определить величину электрического импульса предмета. Сфера, которая находится сверху прибора, является приемником заряда предмета изучения.

При приближении электростатически заряженного объекта ближе к устройству оно получит такой же электрозаряд от предмета. То есть, если подойти к объекту, который положительно заряжен, прибору передастся такой же заряд.

Если электрометр уже имел известный электрический импульс, можно увидеть следующее:

  1. Если объект одинаково нагружен, металлические листы, находящиеся в устройстве, разойдутся.
  2. И наоборот, если тело противоположно заряжено, стальные пластины будут между собой прочно соединены.

Металлические листы в приборе должны иметь легкий вес, чтобы их масса могла сбалансировать воздействие электрических сил отторжения. Так, если отодвигать предмет изучения от устройства, в пластинах снижается поляризация и они становятся в естественное положение («закрываются»).

Зарядка электроскопа

Наличие электрической зарядки прибора требуется для определения природы импульса исследуемого предмета, куда подносят оборудование. Если заряд электрометра предварительно не узнать, то не получится определить, является ли нагрузка на теле такой же либо она противоположна.

Перед зарядом оборудования оно должно находиться в нейтральном состоянии — быть внутри с одинаковым количеством электронов и протонов. Поэтому, перед тем как заряжать, необходимо установить устройство на пол и подключить электрометр к заземлению, так можно обеспечить нейтральность нагрузки прибора. Разрядку оборудования можно произвести, если прикоснуться к нему металлическим предметом.

Существует несколько способов зарядки прибора перед проведением испытаний:

  1. По контакту. За счет прикосновения к принимающей сфере оборудования непосредственно предмета, заряд которого известен.
  2. По индукции. Этот способ подразумевает зарядку электрометра без установления непосредственного контакта с прибором, то есть лишь во время приближения к предмету.

Сфера использования

Электрометры применяются, чтобы узнать, заряжен ли предмет электрически, и определить, какой у него заряд: положительный или отрицательный. Сегодня эти приборы используются в экспериментальной сфере, так можно наглядно показать обнаружение электрических импульсов.

Основные функции оборудования следующие:

  1. Отличие типа заряда, который находится в заряженном предмете, с помощью оценки разъединения или соединения металлических листов с учетом изначального показателя в приборе.
  2. Выявление заряда в близ находящихся предметах. Если устройство реагирует на приближение объекта, то это происходит из-за того, что тело заряжено.
  3. Оборудование используется для определения количества ионов, которые находятся в воздухе. Это происходит за счет оценки быстроты зарядки и разрядки электрометра в изучаемом электрическом поле.
  4. Оборудование применяется для определения излучения внешней среды при наличии радиоактивных веществ из-за этого же принципа электроиндукции.

Сейчас электрометры широко применяют в лабораториях в школах и институтах, чтобы показать ученикам разные уровни использования этого прибора в качестве устройства, которое контролирует электрический заряд.

Изготовление своими руками

Изготовить самостоятельно простейший электроскоп довольно просто. Требуемые детали легко купить, а сборка производится очень быстро.

Читайте также  Как быстро вымыть окна без разводов?

Необходимые материалы:

  • герметичная пробка для закрытия банки;
  • непосредственно банка (сухая и чистая);
  • пассатижи;
  • медная проволока сечением 1,5 мм;
  • обычная фольга;
  • ножницы;
  • кусок шерстяного материала;
  • воздушный шарик.

Вначале нужно отрезать медную проволоку длиной около 25 см. Один ее конец сгибается в форме спирали. Он будет играть роль сферы приемника электрического заряда. Этот этап важен, поскольку спираль способствует передаче электронов от изучаемого объекта к электрометру из-за своей большой площади. Проделайте в пробке отверстие и проденьте проволоку. Сделайте L-образный изгиб снизу.

Обрежьте две пластины из фольги в виде треугольника длиной приблизительно 4 см. Главное, чтобы эти ламели были одинаковые. Удостоверьтесь, что они достаточного размера, чтобы не касаться внутренней поверхности банки. На проволоку крепят пластины через предварительно проделанные два отверстия в фольге.

Нужно постараться сделать скольжение ламелей максимально плавным. Закройте осторожно пробкой банку, чтобы треугольники не повредились и не испортили сборку.

Обе пластины должны находиться в контакте друг с другом при герметизации емкости. Если соединение отсутствует, то нужно изменить изгиб проволоки, пока ламели не будут соприкасаться между собой.

Особенности проверки работоспособности

Чтобы проверить работоспособность, можно использовать теоретические понятия, которые уже были описаны. Для этого необходимо выполнить следующее:

  1. Удостовериться, что электрометр разряжен: для этого нужно коснуться его железным стержнем, чтобы устранить находящийся в приборе заряд.
  2. Далее необходимо зарядить устройство, для этого нужно потереть воздушный шар о кусок шерстяной материи.
  3. Поднесите шарик к медной спирали, так начнет происходить индукционная зарядка.
  4. Смотрите за реакцией треугольников из фольги, они начнут отходить друг от друга, поскольку обе ламели имеют одинаковый заряд.

Не забывайте, что немаловажное значение для проводимости определенных предметов является состояние внешней среды. К примеру, если воздушная влажность увеличивается, то в этом случае некоторые объекты играют роль проводников.

Наглядно продемонстрировать это может молния. Поскольку она, как правило, наблюдается только в то время, когда льет дождь, то есть при повышенной влажности, соответственно, воздух может пропускать электрический заряд, хоть при солнечной погоде этого не происходит. Воздух является проводником только в том случае, если меняется влажность. Если это влияет на измерение, можно попробовать протестировать прибор в сухие дни.

Что измеряет электрометр и каким он бывает?

Электрометр – что это такое? Существует множество различных типов, начиная от раритетных механических инструментов ручной работы и заканчивая высокоточными устройствами. Современные электрометры и другие измерительные устройства собраны на основе вакуумной трубки или твердотельной технологии. Они могут использоваться для измерения напряжения и заряда с очень малыми токами утечки, вплоть до 1 фемтоампера. Электроскоп является более простым устройством. Он работает по схожим принципам, но показывает только относительные величины напряжений. А что измеряет электрометр и другие приборы?

История этого устройства

Вам будет интересно: Что нам известно о французском прононсе

Самым первым измерителем потенциала можно назвать «Ранний квадратный» или просто «Квадратный». Хотя этот термин в конечном итоге относился к версии Кельвина, он впервые был использован для описания более простого устройства. А что измеряет электрометр и из чего состоит?

Он изготовлен из вертикального ствола дерева, к которому прикреплен полукруг из слоновой кости. Из центра на шарнире висит легкий пробковый шар. Когда инструмент помещается на заряженное тело, стебель участвует и отталкивает пробковый шар. Величина отталкивания может быть считана с градуированного полукруга, хотя измеренный угол не прямо пропорционален заряду. Среди первых изобретателей были Уильям Хенли и Гораций-Бенедикт де Соссюр.

А кто же был «первопроходцем» у электроскопов?

А электроскоп и электрометр – это что такое и кто из них был лучше? Самый первый электроскоп с золотым листом был однозначно самым первым. Такое устройство можно встретить в реальном мире на некоторых научных конференциях, но в основном он был повсеместно заменен на более технологичную версию. В отличие от электрометра, он чаще исполнял роль датчика, чем измерительного прибора.

Сам инструмент состоит из двух тонких листов золотой фольги, подвешенных к электроду. Когда он заряжается индукцией или контактом, листья приобретают одинаковые электрические заряды и отталкивают друг друга благодаря кулоновской силе. Их разделение является прямым показателем накопленной чистой энергии. На стекло напротив листьев можно наклеить кусочки оловянной фольги, чтобы, когда листья полностью расходятся, они могли попасть в землю. Лепестки могут быть заключены в стеклянный «конверт», что защитить их от сквозняков. Для минимизации утечку заряда данный конверт изолируют. Еще одной причиной утечки является ионизирующее излучение, поэтому для предотвращения ее электрометр должен быть окружен свинцовым экраном.

Инструмент был разработан в XVIII веке несколькими исследователями, среди которых Авраам Беннет и Алессандро Вольта.

Модели от Пельтье и Боненбергера

Измерительное устройство Боненберга состоит из одного золотого листа, подвешенного вертикально между анодом и катодом сухого ворса. Любой заряд, передаваемый сусальному золоту, заставляет его двигаться к одному или другому полюсу. Что измеряет электрометр Боненберга? Знак заряжаемой частицы, а также ее приблизительную величину.

Электрометр Пельтье использует форму магнитного компаса для измерения отклонения, уравновешивая статическую силу с помощью магнитной иглы.

Современные устройства

Современный электрометр – это высокочувствительный вольтметр, входной импеданс которого настолько велик, что ток, протекающий в него, можно считать равным нулю для большинства бытовых задач.

Что измеряет электрометр, и какое у него сопротивление? Фактическое значение входного сопротивления для современных устройств составляет около 1014 Ом, по сравнению с 1010 Ом для нановольтметров. Из-за чрезвычайно высокого входного сопротивления, необходимо применять особые конструктивные решения, чтобы избежать утечки тока.

Среди других применений, электрометры используются в экспериментах по ядерной физике, поскольку они способны измерять крошечные заряды, оставленные в веществе при прохождении ионизирующего излучения. Наиболее распространенным применением современных устройств, является измерение излучения с помощью ионизационных камер в таких приборах, как счетчики Гейгера.

Клапанный электрометр

Клапанные версии используют специализированную вакуумную трубку с очень высоким коэффициентом усиления и входным сопротивлением. Входной ток может течь в импедансную сетку, и генерируемое таким образом напряжение значительно усиливается в анодной (пластинчатой) цепи. Клапаны, предназначенные для использования с электрометрами, имеют токи утечки всего несколько фемтоампер (10-15 ампер). К таким клапанам следует прикасаться руками в перчатках, так как соли, оставшиеся на стеклянной оболочке, могут создать пути утечки для этих крошечных токов.

В специализированной схеме, называемой «инвертированным триодом», роли анода и сетки меняются местами. Это размещает управляющий элемент на максимальном расстоянии от области пространственного заряда, окружающей нить накала, минимизируя количество электронов, собранных управляющей цепью, и, таким образом, снижая до наименьшего значения входной ток.

Самые современные электрометры

Самые современные измерительные приборы состоят из твердотельного усилителя, использующего один или несколько полевых транзисторов, соединений для подключения внешних измерительных устройств и, как правило, подсоединения. Для твердотельного электрометра фото приведено выше.

Читайте также  Почему отпотевает входная дверь?

Усилитель увеличивает небольшой ток для упрощения процедуры его измерения. Внешние соединения обычно имеют коаксиальную или трехосную конструкцию и позволяют устанавливать диоды или ионизационные камеры для измерения ионизирующего излучения. Подключения к дисплею или аппаратуре для регистрации данных позволяют пользователю просматривать данные или записывать их для последующего анализа.

Электрометры, предназначенные для использования с ионизационными камерами, могут включать в себя высоковольтный источник питания, который также применяются для смещения ионизационной камеры.

Электрический заряд: что это такое и как он измеряется

В природе не все можно объяснить с точки зрения механики, МКТ и термодинамики, есть и электромагнитные явления, которые воздействуют на тело, при этом не зависят от их массы. Способность тел быть источником электромагнитных полей характеризуется физической скалярной величиной – электрическим зарядом. Его впервые вывели в законе Кулона в 1785 году, но обратили внимание на его существование еще до нашей эры. В этой статье мы простыми словами расскажем о том, что такое электрический заряд и как он измеряется.

История открытий

Еще в древности было замечено, что если потереть янтарь о шелковую материю, то камень начнет притягивать к себе легкие предметы. Уильям Гильберт изучал эти опыты до конца XVI века. В отчете о проделанной работе предметы, которые могут притягивать другие тела, назвал наэлектризованными.

Следующие открытия в 1729 году сделал Шарль Дюфе, наблюдая за поведением тел при их трении об разные материи. Таким образом он доказал существование двух видов зарядов: первые образуются при трении смолы о шерсть, а вторые – при трении стекла о шелк. Следуя логике, он назвал их «смоляными» и «стеклянными». Бенджамин Франклин также исследовал этот вопрос и ввел понятия положительного и отрицательного заряда. На иллюстрации – Б. Франклин ловит молнию.

Шарлем Кулоном, портрет которого изображен ниже, был открыт закон, который впоследствии был назван Законом Кулона. Он описывал взаимодействие двух точечных зарядов. Также смог измерить величину и изобрел для этого крутильные весы, о которых мы расскажем позже.

И уже в начале прошлого века Роберт Милликен, в результате проведенных опытов, доказал их дискретность. Это значит, что заряд каждого тела равен целому кратному элементарного электрического заряда, а элементарным является электрон.

Теоретические сведения

Электрическим зарядом называется способность тел создавать электромагнитное поле. В физике раздел электростатики изучает взаимодействия неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отчета зарядов.

В чем измеряется

Единица измерения в системе СИ называется «Кулон» – это электрический заряд, проходящий через сечение проводника 1 Ампер за 1 секунду.

Буквенное обозначение – Q или q. Может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Название носит в честь физика Шарля Кулона, он вывел формулу для нахождения сил взаимодействия между ними, она называется «Закон Кулона»:

В ней q1, q2 – модули зарядов, r – расстояние между ними, k – коэф-т пропорциональности.

Формула похожа на закон притяжения, в принципе она и описывает подобное взаимодействие. Он имеет наименьшую массу. Его электрический заряд отрицателен и он равен:

-1.6*10^(-19) Кл

Позитрон – это противоположная величина электрону, также состоит из одного положительного элементарного заряда.

Кроме того, что он дискретен, квантуется или измеряется порциями, для него еще и справедлив Закон сохранения зарядов, который говорит о том, что в замкнутой системе могут возникать только одновременно заряды обоих знаков. Простым языком – алгебраическая (с учетом знаков) сумма зарядов частиц и тел, в замкнутой (изолированной) системе всегда остается неизменной. Он не изменяется со временем или при движении частицы, он постоянен в течение её времени жизни. Простейшие заряженные частицы условно сравнивают с электрическими зарядами.

Закон сохранения электрических зарядов впервые подтвердил Майкл Фарадей в 1843 году. Это один из фундаментальных законов физики.

Проводники, полупроводники и диэлектрики

В проводниках есть много свободных зарядов. Они свободно перемещаются по всему объему тела. В полупроводниках свободных носителей почти нет, но если передать телу небольшую энергию они образуются, в результате чего тело начинает проводить электрический ток, т.е. электрические заряды начинают движение. Диэлектриками называют вещества, где число свободных носителей минимально, поэтому ток через них протекать не может или может при определенных условиях, например, очень высокое напряжение.

В чем выражается взаимодействие

Электрические заряды притягиваются и отталкиваются друг от друга. Это похоже на взаимодействие магнитов. Всем знакомо, что если потереть линейку или шариковую ручку о волосы – она наэлектризуется. Если в этом состоянии поднести её к бумаге, то она прилипнет к наэлектризованному пластику. При электризации происходит перераспределение зарядов, так что на одной части тела их становится больше, а на другой меньше.

По этой же причине вас иногда бьёт током шерстяной свитер или другие люди, когда вы их касаетесь.

Вывод: электрические заряды с одним знаком стремятся друг к другу, а с разными – отталкиваются. Они перетекают с одного тела на другое, когда касаются друг друга.

Способы измерения

Существует ряд способов измерения электрического заряда, давайте рассмотрим некоторые из них. Измерительный прибор называется крутильными весами.

Весы Кулона – это крутильные весы его изобретения. Смысл заключается, в том, что в сосуде на кварцевой нити подвешена легкая штанга с двумя шариками на концах, и один неподвижный заряженный шарик. Вторым концом нить закреплена за колпак. Неподвижный шарик вынимается, для того чтобы сообщить ему заряд, после этого нужно установить его обратно в сосуд. После этого подвешенная на нити часть начнет движение. На сосуде нанесена проградуированная шкала. Принцип его действия отражен на видео.

Другой прибор для измерения электрического заряда – электроскоп. Он, как и предыдущие, представляет собой стеклянный сосуд с электродом, на котором закреплено два металлических листочка из фольги. Заряженное тело подносят к верхнему концу электрода, по которому заряд стекает на фольгу, в результате оба листочка окажутся одноименно заряженными и начнут отталкиваться. Величину заряда определяют по тому, насколько сильно они отклонятся.

Электрометр – еще один измерительный прибор. Состоит из металлического стержня и вращающейся стрелки. При прикосновении к электрометру заряженным телом, заряды стекают по стержню к стрелке, стрелка отклоняется и указывает на шкале определенную величину.

Напоследок рекомендуем просмотреть еще одно полезное видео по теме:

Мы рассмотрели важную физическую величину. Учения о ней позволили значительно расширить знания об электричестве в целом. Вклад в науку и технику достаточно весомый, а область применения этих знаний связана и с медициной. Ионизаторы воздуха положительно воздействуют на организм человека: ускоряют процесс доставки кислорода из воздуха к клеткам. Примером такого прибора является люстра Чижевского. Теперь вы знаете, что такое электрический заряд и как его измеряют.