что такое разноименные заряды
Что такое разноименные заряды
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.
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.
В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:
|
Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.
Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:
 |
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.
Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.
На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:
Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:
|
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).
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 утверждает, что при заданном (фиксированном) распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.
Взаимодействие электрических зарядов
Два одноименных заряда, будь то два протона либо два электрона сопротивляются сближению и пытаются удалиться друг от друга. Этот процесс обычно называют отталкиванием. Первый закон описывающий взаимодействие электрических зарядов говорит: заряды с одинаковым знаком (т. е. одноименные) отталкиваются друг от друга (рис.2.1.). Второй закон взаимодействия электрических зарядов гласит: разноименные (заряды с разным знаком) притягиваются друг к другу.
Отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженным протонам в ядре атома. Почему же электрон остается на орбите и не падает на ядро? Это происходит в результате того, что сила притяжения электрона уравновешивается центростремительной силой, возникающей за счет вращения электрона вокруг ядра.
Значение величины сил отталкивания и притяжения, существующих между двумя заряженными телами, зависит от следующих факторов: расстояния между телами и их зарядов.
Заряд отдельного электрона очень мал, поэтому в практике не используется. Принятой в мире единицей измерения заряда является кулон (Кл). Она названа в честь французского ученого Шарля Кулона, обозначается буквой Q. Один кулон это 6,28*10 18 зарядов электронов.
Электрические заряды возникают за счет смещения электронов. Когда имеется дефицит электронов в одной точке и избыток в другой, как мы уже говорили, возникает разность потенциалов. Если две точки, между которыми существует разность потенциалов, соединить проводником, то по проводнику потекут электроны. Тогда этот поток электронов называется электрическим током.
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
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 q или Q.
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.
В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:
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 e.
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 e 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 (или электроскоп) – 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.
Перенос заряда с заряженного тела на электрометр
Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Шарлем 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 10 –9 Н.
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.
Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов
На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:
Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:
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 k 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.
Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:
Где 
– электрическая постоянная.
В системе СИ элементарный заряд e 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 электростатических сил
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.
Что такое разноименные заряды
Институт метрологии времени и пространства, ГП ВНИИФТРИ
141570 Московская обл., Менделеево
Введение. По прошествии нескольких столетий активного изучения электрических явлений, официальная физика не может сказать о сущности электрического заряда ничего сверх того, что заряды бывают двух типов, причём разноимённые заряды притягиваются, а одноимённые – отталкиваются. Такой уровень понимания имелся уже в самом начале эпохи изучения электричества, и до сих пор серьёзного продвижения в этом вопросе не произошло.
Более того, по всем канонам электродинамики, как классической, так и квантовой, у каждой заряженной частицы имеется индивидуальная энергия, обусловленная наличием заряда: ведь считается, что этот заряд в частице как-то распределён, и его “кусочки” – хоть классически, хоть квантово – взаимодействуют друг с другом. Выходит, что и эта индивидуальная зарядовая энергия частиц (со всеми её недорезанными бесконечностями) бесследно исчезает при аннигиляции.
Вышеназванные, а также другие электрические парадоксы можно разрешить без противоречий с законом сохранения энергии – в предположении, что, в отличие от массы, электрический заряд не является энергетической характеристикой. В настоящей статье мы изложим представления об электрическом заряде, которые позволяют существенно прояснить картину электромагнитных взаимодействий.
Уместен вопрос: имеет ли значение текущая фаза квантовых пульсаций на электронной частоте? Мы отвечаем на этот вопрос утвердительно: на наш взгляд, именно с этой текущей фазой связана сущность электрического заряда. Мы полагаем, что в каждой точке иерархии частотных склонов однозначно задана не только электронная частота, но и две противоположные фазы пульсаций на этой частоте, которые и ответственны за электрические заряды: меандры квантовых пульсаций положительного и отрицательного зарядов сдвинуты друг относительно друга на полпериода. Важно подчеркнуть, что все свободные заряды, находящиеся в одном и том же гравитационном потенциале, пульсируют синхронно: когда отрицательные заряды пребывают “на верхней полочке меандра”, то положительные – на его “нижней полочке”, и наоборот.
Итак, разгадка двуполярности электричества заключается, на наш взгляд, в противофазности квантовых пульсаций на электронной частоте. Электрический заряд, действительно, оказывается не энергетической характеристикой, т.к. он определяется не частотой, а фазой. Тем не менее, электрическая энергия является объективной реальностью, и следует остановиться на физическом смысле этой энергии.
Физический смысл электрической энергии. Уточним, что под электрической энергией мы понимаем работу, которую требуется совершить для пространственного разделения разноимённых зарядов (заметим, что концентрация зарядов одного знака тоже представляет собой, в сущности, такое разделение). Попытаемся ответить на вопрос – почему для разделения противофазных квантовых пульсаторов требуется совершить работу.
, (2)
. (4)
Соответственно, сила электрического притяжения, действующая между парой разноимённых зарядов, есть
. (5)
Подчеркнём, что, в согласии с вышеизложенным, электрическая энергия присуща парам элементарных зарядов лишь противоположного знака, порождая силу их притяжения (5). Пары одноимённых зарядов не имеют электрической энергии; соответственно, они не отталкиваются друг от друга. Видимое же их “отталкивание”, если оно имеет место, обусловлено, по-видимому, притяжением к противоположным зарядам. Вот лишь одно из следствий этой избирательности действия электрических сил: для обеспечения стабильности атомных ядер не требуется ядерных сил, чтобы сдерживать “кулоновское отталкивание” ядерных протонов.
Связанные электрические заряды. При формировании устойчивых структур из элементарных частиц, характерной чертой является уменьшение собственной энергии этих частиц; так, даже атомарному электрону требуется сообщить энергию, чтобы он покинул атом. Таким образом, частоты связанных квантовых пульсаторов понижены по сравнению с частотами свободных квантовых пульсаторов, о которых говорилось выше.
Логично допустить, что, для обеспечения этого понижения частот, в объёме атома задано соответствующее ямко-подобное распределение частот квантовых пульсаторов (“частотное гнездо”, по терминологии Николаевского [8] ). Для обобщения нашей модели электрического заряда на случай связанных квантовых пульсаторов, следует принять, что в объёме атома эта модель работает качественно так же, как и в случае свободных зарядов, а именно: для каждого пониженного значения электронной частоты заданы две противоположные фазы пульсаций, одна из которых обеспечивает наличие отрицательного заряда, а другая – положительного.
Следует пояснить – согласованы ли эти фазы пульсаций у совокупности атомов. Ответ на этот вопрос неоднозначен. Если атомы слабо взаимодействуют друг с другом, так что каждый из них можно рассматривать как автономную крупицу вещества, то фазы квантовых пульсаций, задающие электрические заряды, могут “плавать” от атома к атому. Если же атомы взаимодействуют сильно, например, образуют структуру твёрдого тела, то эти фазы имеют тенденцию к синхронизации – что при определённых условиях и происходит, создавая условия для проявления экзотических эффектов, вроде сверхпроводимости (см. ниже).
Такая точка зрения позволяет просто и наглядно объяснить результаты атомной спектроскопии, которые традиционно интерпретируются, как следствие наличия у электрона такой характеристики, как спин. Если верно вышеизложенное, то “спином”, во-первых, обладают не свободные, но только связанные электроны, и, во-вторых, “спин” не имеет ничего общего ни с собственным механическим моментом количества движения электрона, ни с его собственным магнитным моментом.
Природа металлической проводимости. Современные концепции металлической проводимости базируются на допущении о газе свободных электронов, движущихся в промежутках между атомами. При этом омическое сопротивление обусловлено, якобы, тем, что атомы мешают направленному движению этих электронов, если к проводнику приложена разность потенциалов: электроны соударяются с атомами и отдают им часть своей кинетической энергии.
10 7 см / с. Метаясь с такими скоростями между атомами, электроны должны находиться в тепловом равновесии с ними, ведь нагрев куска металла при этом не происходит. Стоит, однако, приложить к нему разность потенциалов, и коллективный дрейф электронов с ничтожной скоростью, от которого практически не изменяется распределение их скоростей, приводит к тому, что проводник начинает заметно греться. Это настолько странно, что наглядная модель омического сопротивления металлов – в рамках концепции газа свободных электронов – до сих пор отсутствует.
Мы полагаем, что сильные различия в электропроводности у металлов, полупроводников и диэлектриков проистекают отнюдь не из особенностей расположения разрешённых и запрещённых энергетических зон: зонная теория по существу ничего не объясняет, а лишь подгоняет расположение этих зон для согласия с экспериментальными фактами. Высокая электропроводность металлов обусловлена, на наш взгляд, самым малым числом электронов на внешних электронных оболочках, которое у атомов ярко выраженных металлов равно одному или двум. Этого числа внешних электронов, приходящихся на один атом, недостаточно для того, чтобы сформировать с их помощью структуру твёрдого тела – с учётом того, что часть этих электронов должна иметь возможность отрабатывать температурные возмущения. Поэтому внешние атомарные электроны в металлах, вообще говоря, не являются валентными, поскольку атомы в металлической структуре соединяются через взаимодействие не внешних электронных оболочек, а ближайших к ним внутренних – которые имеют существенно меньший радиус (этим, кстати, можно качественно объяснить более высокую плотность металлов по сравнению с неметаллами). Отсюда вытекает высокая мобильность внешних атомарных электронов в металлах: входя в состав некоторого атома, такой электрон зачастую находится ближе к ядру соседнего атома, чем своего, что способствует лёгкому “переключению” этого электрона в состав соседнего атома.
Что же касается омического сопротивления металлов, то его можно объяснить следующим образом. Как отмечалось выше, у связанных электронов попарно синхронизируются переключения собственных энергий. В условиях теплового разброса этих энергий, при продвижении по проводнику электроны многократно испытывают процедуру такой синхронизации. Её алгоритм заключается в том, что тот электрон из вновь формирующейся пары, чья энергия больше, избавляется от этого излишка, который переходит в другую форму – в джоулево тепло.
Чем выше температура, тем больше тепловой разброс собственных энергий электронов и, соответственно, тем больше потери на джоулево тепло, что интерпретируется, как рост сопротивления. Если учесть, что в различных металлах и сплавах внешние электроны имеют различные тепловые разбросы даже при одинаковой температуре, то естественное объяснение, по крайней мере, качественное, находят термоэлектрические явления – эффекты Пельтье, Зеебека, Томсона.
Соответственно, по мере понижения температуры становится всё меньше тепловой разброс собственных энергий электронов, и всё более благоприятными оказываются условия для “беспошлинного” продвижения электронов по проводнику. Переход в сверхпроводящее состояние происходит, если оказываются скоррелированными электронные частоты у достаточного количества внешних атомарных электронов в объёмах, соответствующих линиям тока.
Магнитное взаимодействие свободных зарядов. Магнитное взаимодействие – это привилегия движущихся зарядов: магнитно взаимодействуют только те заряды, локально-абсолютные скорости которых не равны нулю. Используя известные соотношения, получим аналитическое выражение для магнитной силы – в терминах нашей модели электрического заряда.
F 2 = m 0 q 2 [ v 2 H 1 ], (6)
, (7)
. (8)
При выводе этого выражения мы намеренно рассматривали случай взаимодействия одноимённых зарядов, и вот почему. Если электрические силы стремятся устранить неоднородности в статическом распределении заряда, то от магнитных сил можно было бы ожидать, что они стремятся устранить неоднородности в кинематике заряда. Иными словами, магнитное взаимодействие должно так поворачивать векторы скоростей свободных заряженных частиц, чтобы результирующая сумма электрических токов уменьшалась бы и в пределе стремилась к нулю. Однако, анализ математических выражений, описывающих действие магнитных сил, показывает, что эти силы уменьшают сумму токов при взаимодействии лишь одноимённых зарядов; в противоположном случае сумма токов не уменьшалась бы, а возрастала. Можно было бы разрешить этот парадокс радикальным образом – если допустить, что магнитно взаимодействуют только одноимённые заряды. Это допущение гармонично дополняло бы сделанный выше вывод о том, что электрически взаимодействуют только разноимённые заряды.
Магнитное воздействие на быстро движущийся электрон. Известно, что при увеличении скорости электрона до значений, сравнимых со скоростью света, эффективность магнитного воздействия на электрон уменьшается по релятивистскому закону. Многие поколения исследователей пытались объяснить этот феномен на основе допущений о релятивистских изменениях каких-либо физических характеристик, присущих самому электрону. Так, в теории относительности считается, что у электрона происходит релятивистский рост массы (что представляется нам абсурдом).
, (9)
т.е. D v max равно произведению c – максимально возможному приращению скорости – на релятивистский радикал. Поделив обе части (9) на промежуток времени, в течение которого происходит поперечное приращение скорости, и устремив этот промежуток времени к нулю, мы сразу получаем выражение, связывающее максимальные поперечные ускорения для случаев быстро и медленно движущегося электрона:
, (10)
Таким образом, “ослабление” магнитного воздействия на быстро движущийся электрон является, на наш взгляд, эффектом не энергетическим и не силовым: по мере приближения скорости электрона к скорости света, соответствующее уменьшение максимального поперечного приращения скорости обусловлено всего лишь запретом на преодоление электроном “светового барьера”.
Заключение. Итак, традиционный подход к электричеству приводит к противоречиям с законом сохранения энергии. Эти противоречия устраняются в предположении, что физическим смыслом электрического заряда является определённость фазы квантовых пульсаций на электронной частоте.
Тогда, как показано выше, естественно объясняется происхождение электрической энергии и электрических сил, а также проясняются некоторые вопросы устойчивости атомов, структуры твёрдого тела, металлической проводимости, магнитного взаимодействия. По-видимому, можно построить всю электродинамику, не используя таких мистических понятий, каковыми являются элементарный заряд (в традиционном понимании), напряжённости электрического и магнитного полей, диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума, и т.п. Ведь в полученные выше выражения (5) и (8) для электрических и магнитных сил входят, помимо постоянной Планка и скорости света, лишь скорость Козырева и метрические параметры.
С учётом вышеизложенного, мы можем говорить уже не о частотных склонах, а о частотно-фазовых, которыми тяготение и электромагнетизм “сцеплены” друг с другом.
Автор благодарит А.А.Гришаева (старшего) и А.Н.Малимона за весьма полезное обсуждение.