3. Единица электрического заряда. Элементарный электрический заряд

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел и частиц участвовать в электрическом взаимодействии; его обозначают q или Q. По знаку заряда можно сравнивать взаимодействие частиц и записывать результаты расчётов. Заряд бывает положительным, отрицательным или равным нулю.

Кулон — единица электрического заряда в СИ. 1 Кл равен заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока 1 А. Эта единица удобна для измерения зарядов макроскопических тел.

Элементарный электрический заряд — наименьшая по модулю величина свободного электрического заряда: e = 1,602176634·10⁻¹⁹ Кл. Буква e обозначает именно модуль, то есть величину без знака. Через него выражают заряды всех свободных тел и частиц.

Заряд электрона равен −e, а заряд протона — +e. Одинаковый модуль и противоположные знаки объясняют, почему эти частицы притягиваются. Знание знака необходимо при записи формул и определении направления электрического взаимодействия.

Как это устроено

Электрический заряд считают физической величиной, потому что его можно измерять и сравнивать, а также связывать с наблюдаемым действием электрических сил. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются. Поэтому знак заряда не просто условная отметка: он показывает характер взаимодействия тел.

Опыт показывает, что свободный заряд изменяется не произвольно, а порциями. Заряд любого свободного тела можно представить как q = Ne, где N — целое число, а e — элементарный заряд. Такая дискретность означает, что нельзя получить отдельную долю элементарного заряда у изолированного тела.

В формуле q = Ne число N показывает, сколько элементарных зарядов составляет заряд тела. Если заряд задан с учётом знака, знак q сразу указывает, какого типа заряд преобладает. Для подсчёта количества частиц часто используют N = |q|/e, потому что число частиц не может быть отрицательным.

При электризации электроны переходят с одного тела на другое, а положительно заряженные протоны обычно остаются в ядрах атомов. Избыток электронов даёт отрицательный заряд, а их недостаток — положительный. Поэтому электризация не создаёт заряд из ничего, а перераспределяет уже имеющиеся заряды.

Кулон выбран единицей заряда, потому что он удобен для измерений в электрических цепях и связан с ампером и секундой. Элементарный заряд очень мал, поэтому в одном кулоне содержится огромное число таких зарядов. Приближённо 1 Кл ≈ 6,24·10¹⁸e, что позволяет связать микромир с наблюдаемыми величинами.

Электрический заряд и его единица

Таблица помогает не путать модуль элементарного заряда со знаком заряда конкретной частицы. Сначала найдите нужный объект, затем проверьте его обозначение и знак. Для тела дополнительно определите, есть ли избыток или недостаток электронов.

Разбор задач

Задача 1

Выразим заряд 3,2 нКл через число элементарных зарядов. Приставка нано означает 10⁻⁹, поэтому сначала переведём заряд в кулоны. Так как в условии знак не указан, найдём число зарядов по модулю.

1. Переводим единицы: q = 3,2 нКл = 3,2·10⁻⁹ Кл.
2. Используем формулу N = |q|/e.
3. Подставляем значения: N = 3,2·10⁻⁹/(1,602176634·10⁻¹⁹) ≈ 2,0·10¹⁰.

Ответ: заряд 3,2 нКл соответствует примерно 2,0·10¹⁰ элементарных зарядов.

Задача 2

Тело получило 5·10¹² лишних электронов. Лишние электроны увеличивают отрицательный заряд, поэтому знак результата заранее известен. Для вычисления умножим число электронов на модуль заряда одного электрона.

1. Записываем число электронов: N = 5·10¹².
2. Учитываем избыток электронов: q = −Ne.
3. Подставляем: q = −5·10¹²·1,602176634·10⁻¹⁹ Кл ≈ −8,01·10⁻⁷ Кл.

Ответ: q ≈ −8,01·10⁻⁷ Кл, или примерно −0,801 мкКл.

Задача 3

Заряд проводника изменился с +8e до +3e. Изменение заряда равно конечному значению минус начальному, поэтому оно будет отрицательным. Отрицательное изменение означает, что проводник получил электроны.

1. Находим изменение: Δq = q₂ − q₁ = 3e − 8e = −5e.
2. Число переданных элементарных зарядов равно N = |Δq|/e = 5.
3. Так как заряд уменьшился в положительную сторону, на проводник перешли 5 электронов.

Ответ: Δq = −5e; передано 5 электронов на этот проводник.

Типичные ошибки

Считать элементарный заряд равным заряду электрона без учёта знака — ошибка. Величина e является модулем, а заряд электрона равен −e. Проверяйте, не требуется ли в задаче указать направление или знак.

Запись q = Ne без проверки знака приводит к неверному ответу при избытке электронов. Избыток даёт отрицательный заряд, недостаток — положительный. Перед вычислением выясните, электроны получили или отдали.

Кулон нельзя путать с элементарным зарядом. Кулон — крупная единица СИ, а e — микроскопическая порция заряда. Сверяйте порядок величины: e имеет значение около 10⁻¹⁹ Кл.

Не следует принимать нецелое N за допустимый результат для свободного тела. Заряд должен быть целым числом элементарных зарядов. Если N получилось дробным, проверьте перевод единиц, округление и исходные данные.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления об электризации, проводниках и диэлектриках, а также навыки работы со степенями десяти и приставками единиц. Знание заряда понадобится при изучении закона Кулона и вычислении сил электрического взаимодействия. Перенос электронов связывает эту тему с электрическим током, силой тока и законом сохранения электрического заряда.

Что запомнить

• Электрический заряд обозначают q или Q и измеряют в кулонах.
• Элементарный заряд e = 1,602176634·10⁻¹⁹ Кл.
• Заряд электрона равен −e, заряд протона — +e.
• Заряд тела выражается формулой q = Ne.
• Число N элементарных зарядов для свободного тела — целое.
• При электризации обычно перемещаются электроны, а не протоны.
• Полный электрический заряд замкнутой системы сохраняется.