4. Элементарный электрический заряд

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел и частиц участвовать в электрическом взаимодействии; его обозначают q. Заряженные объекты могут притягиваться или отталкиваться. Понятие заряда нужно, чтобы описывать и сравнивать электрические явления количественно.

Элементарный электрический заряд — наименьшая порция заряда, равная по модулю заряду электрона; его обозначают e, и e ≈ 1,6·10⁻¹⁹ Кл. Это очень малая величина, поэтому в обычных телах встречается огромное число элементарных зарядов. Она служит основной единицей для подсчёта зарядов частиц и тел.

Положительный и отрицательный электрические заряды — два вида заряда. Протон имеет положительный заряд, а электрон — отрицательный; нейтрон электрического заряда не имеет. Противоположные знаки помогают определить характер взаимодействия: одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.

Кулон — единица измерения электрического заряда в Международной системе единиц. Его обозначают Кл. Значение заряда частицы обычно записывают через e, а заряд заметного тела — в кулонах.

Как это устроено

Электрические свойства тел связаны со строением атома. В ядре находятся положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны, а вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. В обычном атоме число протонов равно числу электронов, поэтому их заряды компенсируют друг друга.

Заряд электрона принимают за элементарный, потому что заряд протона и электрона одинаков по модулю и противоположен по знаку. При соприкосновении или трении тел обычно перемещаются именно электроны, а протоны остаются в ядрах атомов. Поэтому большинство наблюдаемых зарядов возникает из перераспределения электронов, а не из появления новых частиц.

Электрический заряд дискретен, то есть изменяется отдельными порциями. Заряд тела можно представить как целое число элементарных зарядов: q = Ne, где N — целое число, показывающее, сколько таких порций составляет заряд. Если электронов не хватает, q положителен, а если их избыток, q отрицателен.

Знак заряда можно определить по движению электронов. Когда электроны уходят с тела, положительные протоны остаются, и тело становится положительно заряженным. Когда электроны переходят на тело, их становится больше, поэтому тело получает отрицательный заряд.

При электризации заряд не возникает из ничего. Электроны переходят с одного тела на другое, так что потерявшее их тело заряжается положительно, а получившее — отрицательно. В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов сохраняется: сколько заряда убыло у одного тела, столько же прибавилось у другого.

Заряды частиц и тел

Сначала найдите объект в первом столбце, затем сравните знак и запись через e. В последнем столбце указана причина появления заряда или особенность частицы. Для тела число N означает количество лишних или недостающих электронов.

Разбор задач

Задача 1. Определить заряд, который имеют три электрона. Каждый электрон имеет заряд −e, поэтому нужно сложить три одинаковых отрицательных заряда.

1. Запишем заряд одной частицы: q₁ = −e.
2. Умножим его на число электронов: q = 3q₁ = −3e.
3. Подставим e ≈ 1,6·10⁻¹⁹ Кл: q ≈ −4,8·10⁻¹⁹ Кл.

Ответ: заряд трёх электронов равен −3e, или примерно −4,8·10⁻¹⁹ Кл. Минус означает, что речь идёт об отрицательном заряде.

Задача 2. Тело имеет заряд −4,8·10⁻¹⁹ Кл. Нужно определить число лишних электронов. Отрицательный знак сразу показывает, что электроны не ушли, а добавились.

1. Возьмём модуль заряда: |q| = 4,8·10⁻¹⁹ Кл.
2. Разделим его на элементарный заряд: N = |q|/e.
3. Получим N = (4,8·10⁻¹⁹)/(1,6·10⁻¹⁹) = 3.

Ответ: на теле находятся 3 лишних электрона. Модуль заряда использовали для подсчёта частиц, а знак − сохранили для вывода об их избытке.

Задача 3. Нейтральное тело потеряло 2·10¹² электронов. Требуется найти его заряд и объяснить знак результата. Потеря отрицательных частиц оставляет в теле относительный избыток положительного заряда.

1. Запишем число потерянных электронов: N = 2·10¹².
2. Найдём модуль заряда: |q| = Ne = 2·10¹² · 1,6·10⁻¹⁹ Кл.
3. Выполним вычисление: |q| = 3,2·10⁻⁷ Кл, и поставим знак «+».

Ответ: q = +3,2·10⁻⁷ Кл. Тело стало положительным, потому что вместе с электронами потеряло отрицательный заряд.

Типичные ошибки

Элементарный заряд иногда считают положительным всегда. Ошибка возникает из-за того, что буквой e обозначают модуль заряда, тогда как электрон имеет заряд −e, а протон — +e. Проверяйте не только число, но и знак частицы.

Некоторые записывают заряд тела только числом, без знака. Так теряется информация об избытке или недостатке электронов. Спросите себя: электроны пришли на тело или ушли с него?

Число электронов путают с величиной заряда. Число N безразмерно, а q измеряется в кулонах и находится по формуле q = Ne. Проверьте единицу ответа: если указаны электроны, это ещё не заряд в Кл.

При электризации иногда считают, что заряд создаётся. В обычном процессе электроны лишь переходят между телами, поэтому общий заряд системы не меняется. Для проверки сравните заряд до и после и учтите оба тела.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно понимать строение атома, состав ядра и смысл положительного и отрицательного знаков. Эти знания объясняют, откуда берётся заряд тела.

В задачах понадобятся научная запись чисел, действия со степенями десяти и умение пользоваться кулоном как единицей заряда. Особенно полезно уверенно умножать и делить числа вида 10ⁿ.

Понятие заряда используется при изучении электризации тел, взаимодействия зарядов, электрического поля и электрического тока. Формула q = Ne помогает связывать наблюдаемое явление с числом частиц.

Что запомнить

• Электрический заряд обозначают q и измеряют в кулонах.
• Существуют положительные и отрицательные заряды.
• Модуль элементарного заряда e примерно равен 1,6·10⁻¹⁹ Кл.
• Заряд электрона равен −e, а заряд протона — +e.
• Заряд тела кратен элементарному заряду: q = Ne.
• При избытке электронов тело заряжено отрицательно, при недостатке — положительно.
• В замкнутой системе полный электрический заряд сохраняется.