Элементарный электрический заряд

Экспериментальное определение элементарного электрического заряда

Число Авогадро и постоянная Фарадея

Если известны число Авогадро N

A и постоянная ФарадеяF , величину элементарного электрического заряда можно вычислить, используя формулу e = F N A {\displaystyle e={\frac {F}{N_{\mathrm {A} }}}} (другими словами, заряд одного моля электронов, делённый на число электронов в моле, равен заряду одного электрона.)

По сравнению с другими, более точными методами, этот метод не даёт высокой точности, но всё-таки точность его достаточно высока. Ниже приводятся подробности этого метода.

Значение постоянной Авогадро N

A было впервые приблизительно измерено Иоганном Йозефом Лошмидтом, который в 1865 году определил на газокинетической основе размер молекул воздуха, что эквивалентно расчету числа частиц в заданном объёме газа. Сегодня значениеN A может быть определено с очень высокой точностью с использованием очень чистых кристаллов (как правило — кристаллов кремния) путём измерения расстояния между атомами с использованием дифракции рентгеновских лучей; или другим способом, с точным измерением плотности кристалла. Отсюда можно найти массу (m ) одного атома, а так как молярная масса (M ) известна, число атомов в моле может быть рассчитано так:N A =M /m .

Величина F

может быть измерена непосредственно с помощью законов электролиза Фарадея. Законы электролиза Фарадея определяют количественные соотношения, основанные на электрохимических исследованиях, опубликованных Майклом Фарадеем в 1834 году. В эксперименте электролиза существует взаимно-однозначное соответствие между количеством электронов проходящих между анодом и катодом, и количеством ионов, осевших на пластине электрода. Измеряя изменения массы анода и катода, а также общий заряд, проходящий через электролит (который может быть измерен как интеграл по времени от электрического тока), а также учитывая молярную массу ионов, можно вывестиF .

Ограничения на точность метода заключается в измерении F

. Лучшие экспериментальное значения имеют относительную погрешность 1,6 промилле, что примерно в тридцать раз больше, чем в других современных методах измерения и расчета элементарного заряда.

Опыт Милликена

Основная статья: Опыт Милликена

Известный опыт по измерению заряда электрона e

. Маленькая капля масла в электрическом поле будет двигаться с такой скоростью, что будут скомпенсированы сила тяжести, сила Стокса (производная от вязкости воздуха) и электрическая сила. Сила тяжести и Стокса могут быть рассчитаны исходя из размера и скорости падения капли в отсутствие электрического поля, откуда может быть определена и электрическая сила, действующая на каплю. Поскольку электрическая сила, в свою очередь, пропорциональна произведению электрического заряда и известной, заданной в эксперименте, напряжённости электрического поля, электрический заряд капли масла может быть точно вычислен. В этих опытах измеренные заряды различных капель масла оказались всегда целыми кратными одной небольшой величины, а именноe .

Дробовой шум

Основная статья: Дробовой шум

Любой электрический ток сопровождается электронным шумом от различных источников, одним из которых является дробовой шум. Существование дробового шума связано с тем, что ток является не непрерывным, а состоит из дискретных электронов, которые поочерёдно поступают на электрод. Путём тщательного анализа шума тока может быть вычислен заряд электрона. Этот метод, впервые предложенный Вальтером Шоттки, может давать значение е

с точностью до нескольких процентов. Тем не менее, он был использован в первом прямом наблюдении Лафлином квазичастиц, причастных к дробному квантовому эффекту Холла.

Эффект Джозефсона и константа фон Клитцинга

Другим точным методом измерения элементарного заряда является вычисление его из наблюдения двух эффектов квантовой механики: эффекта Джозефсона, при котором возникают колебания напряжения в определенной сверхпроводящей структуре и квантового эффекта Холла, эффекта квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях и при низких температурах. Постоянная Джозефсона

K J = 2 e h , {\displaystyle K_{\mathrm {J} }={\frac {2e}{h}},}

где h

— постоянная Планка, может быть измерена непосредственно с помощью эффекта Джозефсона.

Постоянная фон Клитцинга

R K = h e 2 {\displaystyle R_{\mathrm {K} }={\frac {h}{e^{2}}}}

может быть измерена непосредственно с помощью квантового эффекта Холла.

Из этих двух констант может быть вычислена величина элементарного заряда:

e = 2 R K K J . {\displaystyle e={\frac {2}{R_{\mathrm {K} }K_{\mathrm {J} }}}.}

Электрон. Что такое электрон, его заряд, масса, спин, энергия покоя

Электрон — это стабильная отрицательно заряженная элементарная частица.

Электроны играют важную роль почти во всех физических эффектах. Поскольку электроны несут заряд, они также генерируют электрическое поле. Если привести электрон в движение, то возникнет магнитное поле. Если электрон проходит через другое внешнее электрическое поле, его путь изменяется под действием силы Лоренца.

Электрон принадлежит к лептонному семейству частиц. Существует несколько различных семейств частиц, перечисленных в стандартной модели физики частиц.

Спин электрона и магнитный момент электрона.

Согласно современному уровню знаний, лептоны являются элементарными частицами. По сравнению с другими лептонами, электрон имеет самую низкую массу среди лептонов, несущих заряд. Он принадлежит к первому поколению лептонов. Второе и третье поколения — мюон и тауон. Эти две частицы имеют одинаковые с электроном заряды и спин, но отличаются от него большей массой.

Лептоны отличаются от других фундаментальных частиц, таких как кварки, отсутствием сильного взаимодействия. Все лептоны принадлежат к семейству фермионов, поэтому электрон имеет собственный вращательный момент ( спин ) s = ½ в единицах ℏ, где ℏ — приведённая постоянная Планка).

Атомы и молекулы.

Электроны связаны с ядрами атомов «притягивающей» кулоновской силой. Такой состав из атомного ядра и одного или нескольких электронов называется атомом. Электроны движутся вокруг ядра атома. Если число электронов отличается от заряда ядра, то это ион.

Волновая природа связанных электронов описывается атомными орбиталями. Каждая из этих орбиталей имеет ряд квантовых чисел, таких как энергия и момент. Кроме того, у атома может быть только дискретное число орбиталей. В силу принципа Паули на орбитали может находиться максимум два электрона, спин которых имеет разные знаки.

Химическая связь между атомами возникает благодаря электромагнитным взаимодействиям, которые описываются с помощью квантовой физики. Самые прочные связи создаются путем обмена или передачи электронов. Это позволяет образовывать молекулы. В молекулах электроны движутся аналогично атомам и занимают молекулярные орбитали. Однако фундаментальным отличием является образование пар электронов с разными спинами. Это позволяет нескольким электронам занимать одну орбиталь без нарушения принципа Паули.

Элементарный электрический заряд

Наука и константы — Физические константы

Элементарный электрический заряд — минимальная порция (квант) электрического заряда. Равен приблизительно 1,602 176 487(40)×10−19 Кл в системе СИ (и 4,803×10−10 ед.СГСЭ в системе СГС). Тесно связан с постоянной тонкой структуры, описывающей электромагнитное взаимодействие.

Квантование электрического заряда

Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен элементарному. Такое предположение было высказано Б. Франклином в 1752 г. и в дальнейшем неоднократно проверялось экспериментально. Впервые заряд был экспериментально измерен Милликеном в 1908 г.

Тот факт, что электрический заряд встречается в природе лишь в виде целого числа элементарных зарядов, можно назвать квантованием электрического заряда. Заметим, что в классической электродинамике вопрос о причинах квантования заряда не обсуждается, поскольку заряд является внешним параметром, а не динамической переменной. Удовлетворительного объяснения, почему заряд обязан квантоваться, пока не найдено, однако уже получен ряд интересных наблюдений.

Если в природе существует магнитный монополь, то, согласно квантовой механике, его магнитный заряд обязан находиться в определённом соотношении с зарядом любой выбранной элементарной частицы. Отсюда автоматически следует, что одно только существование магнитного монополя влечёт за собой квантование заряда. Дело лишь за малым: обнаружить в природе магнитный монополь.

В современной физике элементарных частиц разрабатываются модели наподобие преонной, в которых все известные фундаментальные частицы оказывались бы простыми комбинациями новых, ещё более фундаментальных частиц. В этом случае квантование заряда наблюдаемых частиц не представляется удивительным, поскольку оно возникает «по построению».

Не исключено также, что все параметры наблюдающихся частиц будут описаны в рамках единой теории поля, подходы к которой разрабатываются в настоящее время. В таких теориях величина электрического заряда частиц должна вычисляться из крайне небольшого числа фундаментальных параметров, возможно, связанных со структурой пространства-времени на сверхмалых расстояниях. Если такая теория будет построена, тогда то, что мы наблюдаем как элементарный электрический заряд, окажется некоторым дискретным инвариантом пространства-времени. Однако, конкретных общепринятых результатов в этом направлении пока не получено.

Дробный электрический заряд

С открытием кварков стало понятно, что элементарные частицы могут обладать дробным электрическим зарядом, например, 1/3 и 2/3 элементарного. Однако подобные частицы существуют только в связанных состояниях (конфайнмент), таким образом, все известные свободные частицы имеют электрический заряд, кратный элементарному, хотя рассеяние на частицах с дробным зарядом наблюдалось.

Неоднократные поиски свободных объектов с дробным электрическим зарядом, проводимые различными методиками в течение длительного времени, не дали результата.

Стоит, однако, отметить, что электрический заряд квазичастиц может быть не кратен целому. В частности, именно квазичастицы с дробным электрическим зарядом отвечают за дробный квантовый эффект Холла.

Звук и свет: основы волновой природы

В физике звук и свет являются важными явлениями, которые объясняются с помощью концепции волн и их волновой природы.

Звук — это механическая волна, которая распространяется в среде (например, в воздухе). Она возникает при колебаниях источника звука, в результате чего молекулы среды начинают колебаться и передавать энергию друг другу. Звук имеет определенную частоту, амплитуду и скорость. Человек может воспринимать звуковые волны с частотами от 20 Гц до 20 кГц.

Свет — это электромагнитная волна, которая распространяется в вакууме со скоростью света. Она возникает при колебаниях заряженных частиц (электронов и протонов) в атомах и молекулах источника света. Частота световых волн определяет цвет света, а амплитуда — его яркость. Человек может воспринимать видимую часть электромагнитного спектра, которая варьируется от длин волн около 400 нм (фиолетовый цвет) до 700 нм (красный цвет).

Ключевые отличия между звуком и светом:

• Звук — механическая волна, свет — электромагнитная волна.
• Звук распространяется в среде, свет — в вакууме или среде.
• Звук имеет ниже частоты и скорость распространения по сравнению со светом.
• Человек может воспринимать звук, но не все частоты световых волн.

Оба этих явления имеют волновую природу, что объясняет их распространение и влияние на окружающую среду. Изучение звука и света в физике позволяет лучше понять основы волн и их взаимодействие с окружающим миром.

Электронный дисбаланс

А теперь включаем смекалку математическую. Представим атом, который «потерял» электрон в результате некоторого энергетического взаимодействия или же «притянул» к себе лишний электрон. Мы помним, что отличительная черта природы — это стремление к балансу. Поэтому «не потревоженный» атом нейтрален: количество протонов, носителей положительного заряда, полностью совпадает с количеством электроном, носителями отрицательного заряда.

При появлении дисбаланса в количестве заряженных частиц, следовательно, актуально следующее:

Электрон «улетает» с оболочки	Электрон «прилетает» в атом
Изменилось количество электронов. Оно уменьшилось. Количество протонов осталось тем же. Атом становится положительным ионом.	Вновь изменилось количество электронов, но их стало больше. Все так же количество протонов осталось неизменным. Атом становится отрицательным ионом.

Дисбаланс в количестве электронов в оболочке и есть причина, почему происходят многие невероятные вещи. Во-первых, атом всегда стремится к нейтральности, поэтому «обедневший» атом не прочь «утянуть» откуда-нибудь «плохо закрепленный» электрон. Работает данный принцип и наоборот: «перенасыщенный» электронами атом не прочь куда-нибудь лишнее «скинуть».

Потенциал электрического поля. Разность потенциалов

Дробный электрический заряд[править | править код]

С открытием кварков стало понятно, что элементарные частицы могут обладать дробным электрическим зарядом, например, ±⅓ и ±⅔ элементарного. Однако подобные частицы существуют только в связанных состояниях (конфайнмент), таким образом, почти все известные свободные частицы (и все стабильные и долгоживущие) имеют электрический заряд, кратный элементарному, хотя рассеяние на частицах с дробным зарядом наблюдалось.

Исключением является t-кварк, его время жизни (~5·10⁻²⁵ с) настолько мало́, что он распадается раньше, чем успевает подвергнуться адронизации, и поэтому встречается только в свободном виде. Заряд t-кварка по прямым измерениям равен +⅔𝑒.

Неоднократные поиски долгоживущих свободных объектов с дробным электрическим зарядом, проводимые различными методиками в течение длительного времени, не дали результата.

Стоит, однако, отметить, что электрический заряд квазичастиц также может быть не кратен целому. В частности, именно квазичастицы с дробным электрическим зарядом отвечают за дробный квантовый эффект Холла.

Квантование [ править ]

См. Также: Частичная зарядка

Квантование заряда

— это принцип, согласно которому заряд любого объекта является целым кратным элементарному заряду. Таким образом, заряд объекта может быть ровно 0e или точно 1e , −1e , 2e и т. Д., Но не, скажем,1/2e или −3,8e и т. д. (Могут быть исключения из этого утверждения, в зависимости от того, как определяется «объект»; см. ниже.)

Это причина использования термина «элементарный заряд»: он подразумевает, что это неделимая единица заряда.

Плата меньше, чем элементарная плата

Есть два известных вида исключений из неделимости элементарного заряда: кварки и квазичастицы .

• Кварки , впервые представленные в 1960-х годах, имеют квантованный заряд, но этот заряд квантуется в несколько раз.1/3 е . Однако кварки нельзя рассматривать как изолированные частицы; они существуют только в группах, и все стабильные группы кварков (например, протон , состоящий из трех кварков) имеют заряды, кратныее . По этой причине либо 1e, либо1/3e можно с полным основанием считать « квантом заряда», в зависимости от контекста. Эта соизмеримость зарядов, «квантование зарядов», частично мотивировала Теории Великого Объединения .
• Квазичастицы — это не частицы как таковые, а скорее возникающая сущность в сложной материальной системе, которая ведет себя как частица. В 1982 году Роберт Лафлин объяснил дробный квантовый эффект Холла , постулировав существование дробно заряженных квазичастиц . Эта теория сейчас широко принята, но это не считается нарушением принципа зарядового квантования, поскольку квазичастицы не являются элементарными частицами .

Что такое квант заряда?

Все известные элементарные частицы , включая кварки, имеют заряды, кратные целому числу1/3 е

. Следовательно, можно сказать, что « квант заряда» равен1/3е . В этом случае говорят, что «элементарный заряд» в три раза больше «кванта заряда».

С другой стороны, все изолируемые

частицы имеют заряды, кратныее . (Кварки не могут быть изолированы: они существуют только в коллективных состояниях, таких как протоны, суммарные заряды которых кратные .) Следовательно, можно сказать, что «квант заряда» равене , при условии, что кварки не должны быть включены. В этом случае «элементарный заряд» будет синонимом «кванта заряда».

Фактически используются обе терминологии. По этой причине такие фразы, как «квант заряда» или «неделимая единица заряда» могут быть неоднозначными, если не дано дальнейшее уточнение. С другой стороны, термин «элементарный заряд» недвусмысленен: он относится к количеству заряда, равному заряду протона.

Отсутствие дробных сборов

Поль Дирак в 1931 году утверждал, что если магнитные монополи существуют, то электрический заряд необходимо квантовать; однако неизвестно, существуют ли на самом деле магнитные монополи. В настоящее время неизвестно, почему изолируемые частицы ограничены целыми зарядами; Большая часть теории струн допускает дробные заряды.

См. Также: Аномалия (физика) § Отмена аномалии

Что означает, что физическая величина квантуется?Приведите примеры.

Квантование заряда в физике: объяснение и примеры

Квантовая физика — раздел науки, занимающийся изучением субатомных частиц и их взаимодействий. Одной из фундаментальных особенностей квантовой физики является квантование физических величин, из чего следует, что эти величины могут принимать только дискретные, а не непрерывные значения.

Когда мы говорим, что физическая величина квантуется, это означает, что она может иметь только определенные конкретные значения и не может принимать какое-либо значение в непрерывном диапазоне. Это сильно отличается от того, что происходит в классической физике, где величины могут принимать любые значения в определенном диапазоне.

Примером квантования является электрический заряд. В классической физике считалось, что электрический заряд может принимать любое значение, но в квантовой физике было обнаружено, что заряд квантуется. Это означает, что электрический заряд может существовать только в целых числах, кратных элементарному заряду, который является минимальным зарядом, который может существовать. Этот элементный заряд примерно равен 1.6 х 10^-19 кулонов.

Например, электрон имеет отрицательный элементный заряд, который примерно равен -1.6 х 10^-19 кулонов. Это означает, что заряд электрона может быть только целым кратным этого элементарного заряда. Электрон с зарядом, например, -1.7 х 10^-19 кулонов существовать не может.

Другим примером квантования является энергия. В квантовой физике было обнаружено, что энергия также квантуется. Это означает, что энергия может принимать только определенные дискретные значения, называемые уровнями энергии. Эти энергетические уровни определяются свойствами квантовых систем, таких как атомы и субатомные частицы.

Типичным примером квантования энергии является спектр излучения атома. Когда атом излучает свет, он делает это в определенных цветах, которые соответствуют различным уровням энергии. Это связано с тем, что энергия атома квантована, и он может излучать свет только на разрешенных уровнях энергии.

Что такое квантование и сохранение электрического заряда?

Квантование заряда в физике: объяснение и примеры

Квантование заряда — фундаментальная концепция физики, которая относится к делимости электрического заряда. Согласно квантовой теории, электрический заряд квантуется, а это означает, что он может существовать только в целых числах, кратных элементарному заряду. Это явление наблюдается в природе и подтверждено экспериментально.

Электрический заряд — это внутреннее свойство субатомных частиц, таких как электроны и протоны. Элементарный заряд, обозначаемый буквой «е», представляет собой заряд электрона и имеет величину 1.6 х 10^-19 кулонов. Согласно квантованию заряда, все электрические заряды должны быть целыми кратными этому элементарному заряду.

Квантование заряда имеет важные последствия в физике и химии. Например, закон сохранения электрического заряда гласит, что общий заряд изолированной системы остается постоянным. Это значит, что заряд нельзя создать или уничтожить, его можно только перенести с одного объекта на другой.

Типичным примером квантования заряда является перенос электронов между атомами при образовании химических связей. Например, в ионной связи атомы переносят электроны, чтобы достичь стабильной электронной конфигурации. Этот перенос электрона происходит в целых числах, кратных заряду элементаля, демонстрируя квантование заряда.

Другим примером квантования заряда является наблюдение электрического заряда в субатомных частицах. Эксперименты с ускорителями частиц показали, что заряженные частицы, такие как электроны и протоны, имеют точный и постоянный заряд, кратный элементарному заряду.

И вот так электроны ходят по своим квантованным орбитам по луне! Квантование заряда похоже на ритм физики, никто не может устоять перед движением в ритме электронов! Итак, в следующий раз, когда вас спросят, почему заряд квантуется, вы уже знаете ответ: потому что электроны — очень аккуратные танцоры!

Электрический заряд и его свойства

Электрическим зарядом называют физическую величину, которая характеризует свойство частиц или тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Заряд обозначают, как q или Q, и измеряют в Кл. Свободный заряд в 1 Кл представляет собой гигантскую величину заряда, которую практически невозможно встретить в природе. Обычно, в процессе изучения, можно встретить заряды, исчисляемые в микрокулонах, нанокулонах, пикокулонах. Свойства электрического заряда:

• электрический заряд является видом материи;
• на электрический заряд не влияет движение частицы и ее скорость;
• заряды обладают способностью перемещаться (например, в процессе непосредственного контакта) от одного тела к другому, не являются неотъемлемой характеристикой тела;
• электрические заряды бывают отрицательными и положительными, что соответствует их условным типам;
• заряды взаимодействуют друг с другом, при этом одноименные заряды притягиваются, а разноименные – отталкиваются;
• силы взаимодействия зарядов представляют собой центральные силы, то есть лежат на одной прямой, которая соединяет центры этих зарядов;
• минимально возможный по модулю заряд называют элементарным, \(e= 1,6*10^{-19}.\)

Электрический заряд для любого тела является кратной элементарному заряду величиной:

q=Ne

где N – является целым числом.

Можно отметить, что не существует заряда, который бы составлял, к примеру, 0,5е; 1,7е; 22,7е и так далее. Физические величины, принимающие лишь дискретный ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом, то есть минимальной порцией электрического заряда.

Согласно закону сохранения электрического заряда, в замкнутой системе тел не могут появляться, либо исчезать заряды только с одним знаком. Формула закона сохранения электрического заряда:

\(q_{1}+q_{2}+…+q_{n}=q_{1}^{,}+q_{2}^{,}+…+q_{n}^{,}=const\)

Таким образом, когда тела обладают одинаковыми размерами и формами, содержат в себе заряды \(q_1\) и \(q_2\), независимо от знака этих зарядов, при соприкосновении и обратном разведении каждое тело в итоге будет обладать следующим зарядом:

\(q^{,}=\frac{q_{1}+q_{2}}{2}\)

Современная наука полагает, что носителями зарядов являются элементарные частицы. Известно, что все тела состоят из атомов, которые включают в себя протоны с положительным зарядом, электроны с отрицательным зарядом и нейтральный частицы, называемые нейтронами. Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра. Электронная оболочка атомов образована электронами.

Протон и электрон обладают одинаковыми по модулю электрическими зарядами, которые равны элементарному заряду е. Если атом нейтральный, то количество протонов в ядре соответствует числу электронов в оболочке. Данное число называют атомным номером.

Атом рассматриваемого вещества может лишиться одного или нескольких электронов либо приобрести лишний электрон. В этом случае нейтральный атом трансформируется в положительно или отрицательно заряженный ион.

Следует отметить, что ядро атома состоит из положительных протонов, в связи с этим их количество может увеличиться или уменьшиться только в процессе ядерной реакции. Известно, что электризация тел не сопровождается ядерными реакциями. Таким образом, при любых электрических явлениях количество протонов остается стабильным, может измениться лишь число электронов.

Можно сообщить телу отрицательный заряд, то есть передать ему лишние электроны. Сообщение телу положительного заряда подразумевает отнимание электронов, а не добавление протонов. Передача заряда от одного тела к другому осуществляется порциями, которые включают в себя целое число электронов.

В определенных случаях при решении задач можно встретить примеры распределения электрического заряда по какому-либо телу. Описать такое распределение можно с помощью специальных величин.

Линейная плотность заряда необходима, чтобы описать, каким образом заряд распределен по нити. Величина измеряется в Кл/м. Формула линейной плотности заряда:

\(\lambda =\frac{q}{L}\)

где L – является длиной нити.

Поверхностная плотность заряда позволяет определить, как заряд распределен по поверхности тела. Величина измеряется в кулонах на квадратный метр. Формула поверхностной плотности заряда:

\(\sigma =\frac{q}{S}\)

где S – площадь поверхности тела.

Объемную плотность заряда целесообразно применять для описания распределения заряда по объему тела. Величина измеряется в кулонах на м³. Формула объемной плотности заряда:

\(\rho =\frac{q}{V}\)

где V – это объем тела.