Электростатика.

Электростатика – это учение о свойствах и взаимодействии электрических зарядов, неподвижных по отношению к избранной инерциальной системе отсчёта.

Закон сохранения электрического заряда. Проводники, диэлектрики, полупроводники.

Существуют два типа заряда: положительный и отрицательный. Опытным путём было установлено, что элементарный заряд дискретен, то есть заряд любого тела составляет целое, кратное от некоторого электрического заряда. Электрон и протон являются носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов. Из обобщённых опытных данных был установлен фундаментальный закон природы, впервые сформулированный английским физиком Фарадеем.

Закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы остаётся неизменной, какие бы процессы не проходили внутри этой системы.

Система называется замкнутой , если она не обменивается электрическими зарядами с внешними телами.

Электрический заряд – величина релятивистская, инвариантная, то есть не зависит от выбранной системы отсчёта. А значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится.

Наличие носителя заряда (электронов и ионов) является условием того, что тело проводит электрический ток. В зависимости от способности проводить электрический ток, тела делятся на:

Проводники

Диэлектрики

Полупроводники.

Проводники – тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму. Проводники делятся на две группы:

1) проводники первого рода (металлы) – перенос в них электрических зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями;

2) проводники второго рода (расплавы солей, растворы солей и кислот и другие) – перенос в них зарядов (положительно и отрицательно заряженных ионов) ведёт к химическим изменениям.

Диэлектрики (стекло, пластмасса) – тела, которые не проводят электрический ток, если к этим телам не приложено сильное внешнее электрическое поле; в них практически отсутствуют свободные заряды.

Полупроводники (германий, кремний) – занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их проводимость сильно зависит от внешних условий (температура, ионизирующее излучение и т.д.).

Единица электрического заряда – Кулон (Кл) – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при токе в 1 ампер за время 1 секунда.

Электрический заряд и его свойства. Электрическое поле и его характеристики. Закон Кулона. Электрическое поле точечного заряда. Принцип суперпозиции.

Электрическим зарядом называется величина, характеризующая взаимодействия между частицами и телами посредством электрических и магнитных полей (электромагнитное взаимодействие).

Особенностью электромагнитных взаимодействий является то, что они являются более интенсивными, чем гравитационные. Они занимают второе место (после ядерных сил) по взаимодействию.

1 – ядерные взаимодействия 1

2 – электромагнитные взаимодействия 0,1

3 – слабо ядерные взаимодействия

4 – гравитационные взаимодействия

Электрический заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Все элементарные частицы являются носителями положительного или отрицательного электрических зарядов. Кл. Заряд любого тела обусловлен суммой электрических зарядов, входящих в него.

Появление зарядов у тел происходит в результате взаимодействия тел между собой или со средой (передача электрических зарядов от заряженных тел – электризация; передача электрических зарядов между разнородными телами, при этом они заряжаются положительно или отрицательно; передача электрических зарядов на расстояние – электрическая индукция).

В замкнутой системе суммарный заряд не изменяется входе любых химических и физических процессов.

Электрический заряд – инвариантная физическая характеристика (не зависит от выбора системы отсчёта).

Взаимодействие электрических зарядов осуществляется посредством электромагнитных полей. Движущиеся электрические заряды создают в пространстве электрические и магнитные поля, что приводит к возникновению электрических и магнитных сил и взаимодействий (Кулоновские силы и силы Лоренца). Наиболее простое взаимодействие осуществляется для неподвижных по отношению друг к другу – статическое взаимодействие.

Поля, которые создают заряды – электростатические. Характеристиками электростатических полей являются напряжённость и потенциал.

Напряжённость электростатического поля – величина, равная отношению силы, действующей на пробный заряд, помещённый в другую точку поля к величине этого заряда.

Где - пробный заряд.

Потенциалом называется величина, равная отношению потенциальной энергии пробного заряда, помещённого в данную точку поля к величине этого заряда.

На тему Електростатистика

Підготовив Учень

Групи ТМ-11

Перевірила; Данку Габріела С

Электрический заряд
q , Q
Размерность	T I
Единицы измерения
СИ	кулон
СГСЭ	статкулон (франклин)
СГСМ	абкулон
Другие единицы	ампер-час , фарадей , элементарный заряд
Примечания
скалярная величина , Квантуется

Электростатика

Электростатикой называют раздел учения об электричестве , в котором изучаются взаимодействия и свойства систем электрических зарядов, неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчета .

Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) может принимать и положительные, и отрицательные значения; она является численной характеристикой носителей заряда и заряженных тел. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов, взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля , зависят от знака зарядов.

Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, равных примерно 1,6⋅10 −19 Кл в системе СИ или 4,8⋅10 −10 ед. СГСЭ . Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы . Наименьшей по массе устойчивой в свободном состоянии частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд , является электрон (его масса равна 9,11⋅10 −31 кг ). Наименьшая по массе устойчивая в свободном состоянии античастица с положительным элементарным зарядом - позитрон , имеющая такую же массу, как и электрон . Также существует устойчивая частица с одним положительным элементарным зарядом - протон (масса равна 1,67⋅10 −27 кг ) и другие, менее распространённые частицы. Выдвинута гипотеза (1964 г.), что существуют также частицы с меньшим зарядом (±⅓ и ±⅔ элементарного заряда) - кварки ; однако они не выделены в свободном состоянии (и, по-видимому, могут существовать лишь в составе других частиц - адронов), в результате любая свободная частица несёт лишь целое число элементарных зарядов.

Электрический заряд любой элементарной частицы - величина релятивистски инвариантная. Он не зависит от системы отсчёта, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится, он присущ этой частице в течение всего времени её жизни, поэтому элементарные заряженные частицы зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решеток твёрдых тел скомпенсированы.

Взаимодействие зарядов

Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, - электризация тел при соприкосновении . Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух различных видов зарядов . Один вид электрического заряда называют положительным, а другой - отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные - отталкиваются друг от друга.

При соприкосновении двух электрически нейтральных тел в результате трения заряды переходят от одного тела к другому. В каждом из них нарушается равенство суммы положительных и отрицательных зарядов, и тела заряжаются разноимённо.

При электризации тела через влияние в нём нарушается равномерное распределение зарядов. Они перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток положительных зарядов, а в другой - отрицательных. Если две эти части разъединить, то они будут заряжены разноимённо.

Симметрия в физике
Преобразование	Соответствующая инвариантность	Соответствующий закон сохранения
↕ Трансляции времени	Однородность времени	…энергии
⊠ , , и -симметрии	Изотропность времени	…чётности
↔ Трансляции пространства	Однородность пространства	…импульса
↺ Вращения пространства	Изотропность пространства	…момента импульса
⇆ Группа Лоренца (бусты)	Относительность Лоренц-ковариантность	…движения центра масс
~ Калибровочное преобразование	Калибровочная инвариантность	…заряда

Закон сохранения электрического заряда

Электрический заряд замкнутой системы сохраняется во времени и квантуется - изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду , то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.

В рассматриваемой системе могут образовываться новые электрически заряженные частицы, например, электроны - вследствие явления ионизации атомов или молекул, ионы - за счёт явления электролитической диссоциации и др. Однако, если система электрически изолирована, то алгебраическая сумма зарядов всех частиц, в том числе и вновь появившихся в такой системе, всегда сохраняется.

Темы кодификатора ЕГЭ : электризация тел, взаимодействие зарядов, два вида заряда, закон сохранения электрического заряда.

Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.

Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение - гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.

1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные тела (имеющие электрический заряд ).

2. Гравитационное взаимодействие - это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.

3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.

Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда . Электрический заряд - это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы . Единицей измерения заряда является кулон (Кл).

Два вида заряда

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия - притяжение и отталкивание - удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные .

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды разных знаков друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1 ; подвешенным на нитях шарикам сообщены заряды того или иного знака.

Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации ) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен Кл. Величина

называется элементарным зарядом . Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:

Если , то тело имеет избыточное количество электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же , то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на больше.

Электризация тел

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация - это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.

Один из способов электризовать тело - сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк - отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть - положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением . С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову;-)

Другой тип электризации называется электростатической индукцией , или электризацией через влияние . В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других - отрицательные.

Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис. 2 . На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд . Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая - положительно.

Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3 (изображение с сайта en.wikipedia.org).

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.

Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней - положительный.

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд - хорошо известная вам молния.

Закон сохранения заряда

Вернёмся к примеру электризации трением - натирании палочки тканью. В этом случае палочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после взаимодействия.

Мы видим здесь закон сохранения заряда , который гласит: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими телами :

Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.

При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряженных частиц ушло с палочки - столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элементарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно сохраняется!

Например, на рис. 5 показан процесс , при котором порция электромагнитного излучения (так называемый фотон ) превращается в две заряженные частицы - электрон и позитрон . Такой процесс оказывается возможным при некоторых условиях - например, в электрическом поле атомного ядра.

Рис. 5. Рождение пары электрон–позитрон

Заряд позитрона равен по модулю заряду электрона и противоположен ему по знаку. Закон сохранения заряда выполнен! Действительно, в начале процесса у нас был фотон, заряд которого равен нулю, а в конце мы получили две частицы с нулевым суммарным зарядом.

Закон сохранения заряда (наряду с существованием наименьшего элементарного заряда) является на сегодняшний день первичным научным фактом. Объяснить, почему природа ведёт себя именно так, а не иначе, физикам пока не удаётся. Мы можем лишь констатировать, что эти факты подтверждаются многочисленными физическими экспериментами.

Описывается история понятия “электрический заряд”. Рассматривается многолетний и тернистый путь развития представлений об электрическом заряде, который привел к необходимости применения эфиродинамической концепции, на основе которой в данной статье раскрывается физическая сущность электрического заряда.

Введение. В современной теоретической и практической физиках понятие электрического заряда – одно из важнейших. От его представления зависит понимание природы и основных законов электричества, процессов взаимодействия элементарных частиц и, практически, всей картины мира. Минимальное значение электрического заряда – элементарный электрический заряд , сегодня это одна из фундаментальных констант физики.

Однако, ни классическая электродинамика, ни квантовая механика, ни физика в целом не могут ответить на вопрос: “какова физическая природа электрического заряда, напрямую связанного с силовыми взаимодействиями между отдельными микрочастицами и макроскопическими телами?” .

Отсутствие понимания сущности электрического заряда прослеживается с момента ввода его в научный обиход и по сегодняшний день. Современная академическая и учебно-методическая литература старательно обходят это “темное” понятие в физике. “Можно наугад обратиться к любому академическому изданию, чтобы убедиться в том, что заряд как физическая категория не имеет четкого толкования”. В современной физической энциклопедии отсутствует статья под таким названием, а толкование не выходит за рамки понятий 400 летней давности: “…Заряд наэлектризованной стеклянной палочки назвали положительным, а смоляной (в частности, янтарной) - отрицательным. … ”.

В связи с выше изложенным естественным становится вопрос: в чем причина такого состояния дел в понимании сущности электрического заряда? Очевидно, что ответ надо искать либо в ошибках, допущенных в представлении этого понятия, либо в познании глубин физической материи, которых еще не достигла физика, либо в том и другом вместе взятом.

Впервые в обиход понятия заряд, положительный заряд и отрицательный заряд ввел Б. Франклин . Франклин выдвинул так называемую унитарную теорию электричества, согласно которой вся материя заключает в себе электрическую субстанцию только одного рода – электрического флюида. В обычном состоянии тела содержат нормальное количество электрического флюида и являются электрически нейтральными. Тела, имеющие избыток электрического флюида, Франклин предложил называть положительно, а тела, у которых электрического флюида содержится меньше нормы, — наэлектризованными отрицательно.

В представлении Франклина заряд это мера количества электризации тела, а положительный заряд это избыток, а отрицательный – недостаток от некоторой нормы количества электризации. Впоследствии представления Франклина были трансформированы: положительный заряд приобрел знак “+”, а отрицательный – знак “-“, понятия “избыток” приобрело понятие больше нуля, а “недостаток” – меньше нуля.

Данное обстоятельство стало первой ошибкой в представлении электрического заряда, так как еще никто и никогда не приводил доказательств существования в природе отрицательных электрических зарядов. Отрицательный электрический заряд электрона это миф, созданный в начале ХХ столетия . За ним последовали ошибочные представления о дискретности электрического заряда, об элементарном электрическом заряде, как фундаментальной физической постоянной, о равенстве зарядов электрона и протона, о свободном электроне – переносчике электрического заряда и т.д.

Кроме того, в современной физике сложилась неопределенность понятия электрический заряд , в целом обусловленная тем, что понятие «заряд» имеет два неадекватных значения: заряд как физический объект и заряд как физическая величина, т. е. как свойство физического объекта. Например, свободная энциклопедия Википедия дает следующее определение : “Электрический заряд (количество электричества) - это физическая скалярная величина , определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии .”

Понятие электрический заряд, как физический объект, часто фигурирует в учебно-методической литературе, например, в : “Несмотря на обилие различных веществ в природе, существуют только два вида электрических зарядов: заряды, подобные возникающим на стекле, потертом о шелк, и заряды, подобные появляющимся на эбоните, потертом о мех. Первые из них получили название положительных зарядов, а вторые – отрицательных зарядов. Следовательно, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.”

Таким образом, выше изложенное представление об электрическом заряде убедительно доказывает необходимость вскрытия физической сущности электрического заряда и толкования электрических процессов и явлений на основе вскрытой сущности электрического заряда, с учетом выявленных ошибок.

Исторические предпосылки . Усилиями современных ученых история развития представлений об электрическом заряде сведена к нескольким фрагментам, связанных с деятельностью западной школы физики, начиная с У. Гильберта (1544 — 1603) и заканчивая Р. Милликеном (1868 — 1953) . Труды этих ученых послужили фундаментом современных представлений об электрическом заряде , однако, из них нельзя сделать вывод о том, какова природа электрического заряда. Например, : ”Милликен: “Я попрошу вас выслушать ответ экспериментатора на основной и часто предлагаемый вопрос: что такое электричество? Ответ этот наивен, но вместе с тем прост и определен. Экспериментатор констатирует прежде всего, что о последней сущности электричества он не знает ничего.””

В целом, оценка состояния представления понятия электрического заряда в исторической ретроспективе приведена в работе , на основании чего был сделан следующий вывод: “Таким образом, либо откровенно признается отсутствие понимания природы электрического заряда (Эйнштейн, Эддингтон, Окунь, Милликен, Вайскопф), либо понятие заряда не определяется (Тамм, а также в большинстве учебников по электричеству), либо понятие заряда определяется через понятие электромагнитного поля, образуя логический круг (Максвелл, Ландау, Дирак), либо просто указывается, что электрический заряд – особое, первичное свойство тел (Лоренц, Пахомов, Левич).”

Автором работы (Щипицин Л . А.) на основе обобщенного понятия заряда в гидродинамике было предложено свое представление об электрическом заряде: “Если скорость тела или потока среды меняется со временем (например, периодически), то меняется соответственно и эффективный объем тела. Тогда из соображений размерности для электрического заряда получается следующее выражение:

e = const ρ 1/2 ύ (1.6)

где точка над значением эффективного объема ύ обозначает дифференцирование по времени. Величина const ≈ 1. ” Т. е. “заряд определяется скоростью изменения объема его носителя, возможно, периодической.”

Данное представление противоречит современным понятиям элементарных частиц, которые являются носителями электрического заряда. В частности, параметры фотона (в том числе и объем) являются функциями длины волны, а для конкретного фотона, определенной длины волны, они постоянны. Т. е. электрический заряд фотона является функцией длины волны и у фотона, определенной длины волны, не зависит от его объема.

Достоинством выше указанного представления является то, что сущность электрического заряда рассматривается из необходимости учета среды, в которой находится носитель электрического заряда: “Исключив из рассмотрения среду, невозможно понять сущность “заряда”.”

Из выше рассмотренного исторического обзора выпала одна работа, имеющая фундаментальное значение во вкрытии сущности электрического заряда. Это доклад Кастерина Н. П. (1869-1947) “Обобщение основных уравнений аэродинамики и электродинамики ” на особом совещании при АН СССР. 9.12.1936 г. АН СССР.

“Благодаря” деятельности Группы физики и Группы математики АН СССР , подвергших необоснованной и необъективной критике его работы, а его самого обструкции, на 80 лет был закрыт доступ к идеям Кастерина, в частности, в понимании сущности электрического заряда.

Суть работы Кастерина была в следующем: «не изменяя основ классической механики и физики (подчеркнуто Кастериным – А.А.), искать второе приближение как для уравнений электромагнитного поля, так и для аэродинамики, и посмотреть, не смогут ли эти более общие уравнения обнять всю ту совокупность фактов в области электромагнетизма и аэродинамики, которые твердо установлены опытным путем.»

Основные положения теории формулируются следующим образом:

за передачу электромагнитного взаимодействия отвечает особая среда ; к этой среде , в то же время, применимы классические уравнения аэро- (гидро-) динамики; при определенных условиях эта среда может не только передавать электромагнитное взаимодействие, но и в буквальном смысле образовать из себя «весомую материю» – все типы элементарных частиц .

Особая среда в представлении Кастерина это “сверхгаз”, состоящий из специфических «длинных палочек», соответствующих «фарадеевским трубкам», и, соответственно, по числу степеней свободы, имеющий адиабатический коэффициент 2.

Рассматривая вихри в «сверхгазе», Кастерин получает следующие основные результаты: напряженности электрического поля у него соответствует угловая скорость вращения вихря, напряженности магнитного поля – центростремительное ускорение движущегося по окружности вихря, скорости света соответствует скорость звука для системы вихрей.

Опираясь на эти результаты Кастерин строит модели элементарных частиц (электрона и протона), рассматривая их как «навернутые на конус вихревые трубки, вращающиеся вокруг оси конуса» .

На основе этих представлений, Кастерин обосновывает большое количество реальных физических феноменов, включая электрический заряд:

“В результате мы получаем для элементарного электрического заряда соотношение:

ε = (c 0 2 /2 πρ 0 ) 1/2 ∙ (ρσ λ )

т. е. элементарный электрический заряд ε пропорционален массе ρ , распределенной на сечении элементарного вихря σ λ . В первый раз теории удается «материализация» электрического заряда, но вместе с тем очевидно, что самое понятие «заряд» теряет свой прежний смысл, и его можно употреблять только как меру элементарного «потока электрической индукции» “.

Физическая сущность электрического заряда . Сарказм и ирония в работе , допущенная при анализе идей Кастерина, очередной раз подчеркивает не только их непонимание, но и соответствующее отношение современной физики к теориям и идеям, выходящих за рамки традиционной физики. Результатом этого отношения служит, например, представление элементарных частиц, носителей электрического заряда: электрон это размытое пятно, не имеющее структуры, фотон – частица, не имеющая массы с электрическим зарядом равным нулю, нейтрино – частица, не имеющая электрического заряда и т. д.

Тем не менее, идеи Кастерина живут и развиваются. Свидетельством этому служит современная альтернатива квантово-релятивисткой физике – эфиродинамическая концепция , парадигма физики ХХI столетия.

Согласно этой концепции – протон и электрон представляют собой дуэтоны , спаренные торообразные вихревые образования, из середины которых истекают (в случае протона) или втекают (в случае электрона) конусообразные потоки эфира. Эти конусообразные потоки эфира называются джетами, которые физически реализуют взаимосвязь и взаимодействие протона и электрона между собой. Это взаимодействие носит характер электрической (кулоновской) силы.

Таким образом, джеты протон-электронной пары (взаимосвязанная и взаимодействующая совокупность протона, электрона и джетов ) являются реальным физическим объектом, который обуславливает проявление элементарной электрической силы, который, соответственно, может быть взят за основу представления физической сущности электрического заряда, как меры электрической силы.

Протон-электронная пара как физический объект функционирует в потоке эфира. Радиус наименьшего атома вещества – атома гелия составляет 31∙10 -12 м (радиус орбиты первого (внешнего) электрона), а радиус протона – 0,875∙10 -15 м . Данные радиусов орбиты электрона и протона показывают, что размеры тел электрона и протона значительно меньше расстояния между протоном и электроном, что указывает на то, что методика вскрытия сущности электрического заряда, примененная в работе , к протон-электронной паре не применима. Однако, представления теоретической гидродинамики , в частности, представления протон-электронной пары как системы исток – сток, имеют быть место. В этом случае, внутренняя поверхность тела протона (дуэтона) может быть представлена как исток потока эфира, а внутренняя поверхность тела электрона как сток потока эфира. Согласно представлениям газо- (гидро-) динамики внутреннее давление газа в области стока всегда меньше внешнего давления эфира, охватывающего протон-электронную пару. В результате разницы давлений внешнего эфира и потока эфира в области стока образуется сила направленная навстречу потоку газа в области стока. Эта сила смещает электрон в сторону протона и интерпретируется как электрическая.

Для анализа движения эфира в джете примем поток эфира за одномерный , т.е. будем пренебрегать изменением величины и направления скорости, а также изменениями других элементов потока (давления, плотности и др.) по сечению, перпендикулярному к оси потока. Отвлечемся от сил трения внутри эфира. Тогда основные уравнения одномерного стационарного движения будут следующие:

а) уравнение Эйлера:

u du/dx = — 1/ρ dp/dx, (1)

б) уравнение неразрывности:

ρ u S = const, (2)

где u – скорость потока эфира, ρ – плотность эфира джета, S – сечение джета.

Давление в потоке может изменяться даже тогда, когда нет сил трения, и поток не выполняет механической работы. Для этого достаточно изменить скорость течения. Это может быть достигнуто, например, втягиванием потока в тело электрона.

С учетом уравнения неразрывности (2), уравнение (1) можно записать в виде

u du = — 1/ρ dp, (3)

dp = — ρ u du. (4)

Из уравнения (3) видно, что при отсутствии сил трения ускорение потока возможно только за счет уменьшения статического давления.

Преобразуем выражение (4):

dp S = — ρ S u du,

F p = — ρ S u 2 , (5)

где F p – сила сдвига электрона к протону, знак минус показывает, что сила направлена в направлении противоположном движению потока эфира джета.

Электрическая (кулоновская) сила согласно закона Кулона может быть выражена как:

F k = k q 2 / r 2 , (6)

где k = 1 / 2πε 0 – коэффициент пропорциональности, q – электрический заряд, переносимый от протона к электрону, т. е. заряд джета, r – длина джета.

Из равенства этих сил следует:

k q 2 / r 2 = ρ S u 2 .

q 2 = 1/k ρS u 2 r 2 (7)

q = (1/k ρS u 2 r 2) 1/2 ,

q = (1/ k ) 1/2 u r (ρ S ) 1/2 . (8)

Выражение (8) раскрывает физическую сущность электрического заряда:

электрический заряд это величина пропорциональная корню квадратному из массы потока эфира ρ распределенном на сечении S , длиной r , движущемуся со скоростью u .

Таким образом, величина электрического заряда определяется как мера потока эфира движущегося со скоростью, эквивалентной второй звуковой скорости эфира .

В виду того, что все элементарные частицы, согласно эфиродинамической концепции это вихревые замкнутые кольца потоков эфира, то свойство “электрический заряд” присуще всем элементарным частицам.

Выражение (7) показывает, что с точки зрения математики величина электрического заряда q имеет два решения: (+q ) и (- q ). Однако, с точки зрения физики решение (- q ) не имеет физического смысла. Например, для фотона решение уравнения (7) должно обозначать, что в природе одновременно существуют фотоны, как с положительным знаком величины электрического заряда, так и с отрицательным, что противоречит действительности: доказательств существования фотонов с отрицательным электрическим зарядом не существует.

Данное обстоятельство позволяет сделать вывод: в природе не существует физических объектов с отрицательным электрическим зарядом .

Из физической сущности электрического заряда также следует:

• электрический заряд, как и масса, которой он пропорционален, величина знакоопределенная, т.е. положительная;
• электрический заряд электрона – величина положительная;
• электрический заряд электрона меньше электрического заряда протона (масса протона в 1836 раз больше массы электрона) ;
• электрический заряд как мера потока эфира не может обладать дискретностью;
• электрический заряд это свойство присущее всем, без исключения, элементарным частицам.

Выводы. Понятие электрический заряд это фундаментальное понятие физики. Первое “материализованное” вскрытие физической сущности электрического заряда было сделано русским-советским ученым Кастериным Н. П. Дальнейшее развитие идеи Кастерина Н. П. стало возможным только на базе эфиродинамической концепции, которая позволила уточнить определение сущности электрического заряда, данное Кастериным.

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

q 1 + q 2 + q 3 + ... +q n = const.

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 – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси.

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 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.

Еще бывают: линейный заряд т(тау)=dq/dl, l-длина, dq-заряд нити

Поверхностный заряд: σ =dq/ds s-площадь поверхности(кл/м 2)

Объемный заряд p(ро)=dq/dv (кл/м 3)

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:

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.

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.