Делимость электрического заряда

Электрический заряд — это физическая величина, характеризующая возможности тел быть источниками электромагнитного поля и участвовать в электромагнитных взаимодействиях (притяжениях и отталкиваниях). Закономерности взаимодействия атомов и молекул удалось понять и объяснить на основе представления о том, что в природе действительно существуют электрические заряды. Экспериментально было доказано, что минимальным отрицательным электрическим зарядом обладает электрон и заряд электрона не делится на меньшие части.

Как развивалось знание о существовании электрического заряда

К понятию электрического заряда исследователи пришли не сразу. Понадобилось несколько столетий, чтобы дать четкое определение этой краеугольной физической величины:

  • Слово электрон (от греческого слова “янтарь”) появилось еще в Древней Греции, когда была замечена таинственная способность янтаря притягивать легкие предметы после того, как натирали куском шерсти;
  • Англичанин Уильям Гилберт в конце XVI века назвал предметы, получившие способность притягивать небольшие предметы, наэлектризованными;
  • Французский физик Шарль Дюфе в 1729 г. открыл существование двух типов зарядов. Один образовывался от трения стекла о шелк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому он назвал их “смоляным” и “стеклянным”;
  • Американский ученый Бенджамин Франклин первым в 1747 г. ввел понятие об отрицательном “—” и положительном зарядах “+”;
  • Французский физик Шарль Кулон в 1785 г. открыл закон, согласно которому сила взаимодействия F двух точечных неподвижных заряженных тел прямо пропорциональна произведению абсолютных значений зарядов q1 и q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между телами:
$$ F=k*{q_1*q_2\over r^2} $$

Понимание делимости электрического заряда пришло значительно позже.

Вместо коэффициента k в законе Кулона чаще используется так называемая электрическая постоянная ε0 :

$ k ={1\over 4*π*ε_0} $

где:

π = 3,14;

$ε_0 = 8,85*10^{-12} {Кл^2\over Н*м^2} $.

Минимальный заряд

Принципиальную возможность деления электрического заряда ученые поняли и даже научились это делать до некоторого предела. Эта задача была решена после изобретения электроскопа англичанином Уильямом Гилбертом в 1600 г. Заряд от стеклянного или смоляного предмета переносился на первый электроскоп. Затем брался второй, точно такой же электроскоп, и на него с помощью проводящего стержня переносилась половина изначального заряда. После этого один из электроскопов полностью разряжался, например, с помощью руки. Далее процедура с зарядкой от электроскопа с остатками заряда повторялась снова и снова.

Эксперимент с двумя электроскопами по делению электрического заряда:

Рис. 1. Эксперимент с двумя электроскопами по делению электрического заряда

После очередного деления точности электроскопа переставало хватать для ответа на вопрос: до какого значения дальше можно уменьшать заряд, какой заряд считать минимальным? Есть ли предел деления заряда? Появилось предположение, что если существуют частицы, имеющие электрический заряд, то должен быть и предел деления электрического заряда.

Оказалось, что действительно существует такой минимальный заряд, неподдающийся дальнейшему делению. Практически одновременно в 1910-1911 г.г. это экспериментально доказали американский ученый Роберт Милликен и российский физик Абрам Иоффе.

Опыт Милликена-Иоффе

Исследователи электризовали очень мелкие металлические крупинки цинка (Иоффе) или капельки масла (Милликикен). Эти мелкие частицы помещались в электрическое поле между двух заряженных пластин. Под действием силы тяжести частицы стремились упасть на нижнюю пластину. Но изменяя величину электрического поля, ученые могли регулировать скорость их падения или вообще удерживать в равновесии, компенсируя силу тяжести электрическим воздействием.

Заряд пылинок и капель варьировали (изменяли) с помощью подсветки ультрафиолетовым светом. Результаты наблюдений и измерений физических величин показали, что заряды капель и пылинок всегда изменялись скачкообразно, но всегда в целое число раз (в 2, 3, 4, 5 и т.д. раз) больше некоторого минимального заряда.

Результаты удалось объяснить только следующим образом: пылинке (капле) каждый раз сообщается или отбирается только наименьший заряд или целое число таких зарядов.

Этот заряд далее становится неделимым. Частица с наименьшим электрическим зарядом была названа электроном. Минимальный (элементарный) электрический заряд qe равен:

$$ q_e = 1,602*10^{-19} Кл $$

Схема опыта Милликена-Иоффе:

Рис. 2. Схема опыта Милликена-Иоффе

Электрический заряд — это одно из краеугольных свойств электрона. Заряд неотделим от электрона.

В 1928 г. французский физик Поль Дирак теоретически предсказал возможность существования античастицы, которую он назвал позитроном. Эта частица должна обладать точно такими же параметрами, которые имеет электрон, кроме одного — у нее положительный электрический заряд. В 1932 г. эту частицу экспериментально обнаружил американский физик Андерсон при изучении космического излучения. В исследовательских целях позитроны получают, сталкивая высокоэнергетичные частицы в ускорителях (синхрофазотронах, коллайдерах).

Ускоритель частиц, коллайдер:

Рис. 3. Ускоритель частиц, коллайдер

Что мы узнали?

Итак, из этой статьи мы узнали кратко о делимости электрического заряда. Минимальным пределом делимости заряда является заряд электрона. Все остальные заряды, существующие в природе, кратны заряду электрона.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.4. Всего получено оценок: 294.

Предметы