電荷

電荷

電荷electric charge ,帶正負電的基本粒子,稱為電荷,帶正電的粒子叫正電荷(表示符號為“+”),帶負電的粒子叫負電荷(表示符號為“﹣”)。也是某些基本粒子(如電子和質子)的屬性,它使基本粒子互相吸引或排斥。
  • 中文名稱
    電荷
  • 外文名稱
    electric charge
  • 電子電荷
    e
  • 套用範圍
    物理學
  • 讀音
    diàn hè

度量

主條目:電荷量

電荷的量稱為"電荷量"。在國際單位製裏,電荷量的符號以Q為表示,單位是庫侖(C)。研究帶電物質相互作用的經典學術領域稱為經典電動力學。假若量子效應可以被忽略,則經典電動力學能夠很正確地描述出帶電物質在電磁方面的物理行為。

電荷

二十世紀初,著名的油滴實驗證實電荷具有量子性質[1],也就是說,電荷是由一堆稱為基本電荷的單獨小單位組成的。基本電荷以符號e標記,大約帶有電荷量(電量)1.602× 10^-19庫侖。誇克是個例外,所帶有的電量為e/3的倍數。質子帶有電荷量e;電子帶有電荷量-e。研究帶電粒子與它們之間由光子媒介的相互作用的學術領域稱為量子電動力學。

歷史

公元前600年左右,希臘的哲學家泰勒斯(Thales, 640-546B.C.)記錄,在摩擦貓毛于琥珀以後,琥珀會吸引像羽毛一類的輕微物體,假若摩擦時間夠久,甚至會有火花出現[2]。

1600年,英國人吉爾伯特首先發明的靜電驗電器(versorium)是一種可以偵測靜電電荷的驗電器。當帶電物體接近金屬指針的尖端時,因為靜電感應,異性電荷會移動至指針的尖端,指針與帶電物體會互相吸引,從而使得指針轉向帶電物體。

1600年,英國醫生威廉·吉爾伯特,對于電磁現象做了一個很仔細的研究。他指出琥珀不是唯一可以經過摩擦而產生靜電的物質,並且區分出電與磁不同的屬性[3]。他撰寫了第一本闡述電和磁的科學著作《論磁石》。吉爾伯特建立了新拉丁語的術語"electricus"(類似琥珀,從"ήλεκτρον","elektron",希臘文的"琥珀"),意指摩擦後吸引小物體的性質[4]。這聯結給出了英文字"electric"和"electricity",最先出現于1646年,湯瑪斯·布朗(Thomas Browne)的著作《Pseudodoxia Epidemica》(英文書名《Enquries into very many received tenets and commonly presumed truths》)[5]。隨後,于1660年,科學家奧托·馮·格裏克發明了可能是史上第一部靜電發電機(electrostatic generator)。他將一個硫磺球固定于一根鐵軸的一端,然後一邊旋轉硫磺球,一邊用幹手摩擦硫磺球,使硫磺球產生電荷,能夠吸引微小物質[6]。

電荷量是物質、原子或電子等所帶的電的量。單位是庫侖(記號為C)簡稱庫。 常將"帶電粒子"稱為電荷,但電荷本身並非"粒子",隻是我們常將它想像成粒子以方便描述。因此帶電量多者我們稱之為具有較多電荷,而電量的多寡決定了力場(庫侖力)的大小。此外,根據電場作用的力的方向性,電荷分為正電荷與負電荷,電子帶有負電。根據庫侖定律,帶有同種電荷的物體之間會互相排斥,帶有異種電荷的物體之間會互相吸引。排斥或吸引的力與電荷的乘積成正比。庫侖定律(Coulomb's law),法國物理學家庫侖(Coulomb,Charles-Augustin de,1736年-1806年)于1785年發現,並後來用自己的名字命名的一條物理學定律。庫侖定律電學發展史上的第一個定量規律,它使電學的研究從定性進入定量階段,是電學史中的一塊重要的裏程碑。 它指出,在真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力與距離平方成反比,與電量乘積成正比,作用力的方向沿連線,同號電荷相斥,異號電荷相吸。

原理

電荷的多少叫電荷量即物質、原子或電子等所帶的電的量。電荷的符號是Q,單位是庫侖(記號為C)簡稱庫。

電荷

我們常將"帶電粒子"稱為電荷,此外,根據電場作用力的方向性,電荷可分為正電荷與負電荷,電子則帶有負電。

正電荷:人們規定用絲綢摩擦過的玻璃棒帶的是正電荷。

負電荷:人們規定用毛皮摩擦過的橡膠棒帶的是負電荷。

電荷守恆定律

表述一:

電荷既不能創造,也不能消滅,它隻能從一個物體轉移到另一個物體,或從物體的一部分轉移到另一部分,在轉移的過程中,系統的電荷總數保持不變.

表述二:

一個與外界沒有電荷交換的系統,電荷的代數和總是保持不變。

電荷量:電荷的多少。單位:庫侖 C

最小電荷量:電子所帶的電荷量。

元電荷:最小電荷量,用e表示,e=1.60x10-19C。所有帶電體的電荷量或者等于e,或者是e的整數倍。故電荷量不能連續變化。

比荷:帶電體的電荷量與質量的比。

物體帶電方式

電荷亦稱電,有實物的屬性.不能離開電子和質子而存在。使物體帶電的實質是獲得或失去電子的過程。

起電的本質:都是將正、負電荷分開,使電荷發生轉移,實質是電子的轉移,並不是創造電荷。

1、摩擦起電

實質:電子在不同物體間的轉移.

電子從一個物體轉移到另一個物體。用毛皮摩擦過的橡膠棒帶負電;用絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電。

自由電子:

例如:金屬中離原子核最遠的電子往往會脫離原子核的束縛而在金屬中自由活動,這種電子叫做自由電子。失去這種電子的原子便成為帶正電的離子,它們在金屬內部排列起來,每個正離子都在自己的平衡位置振動而不移動,隻有自由電子移動,這就使金屬成為導體。

2、感應起電

當一個帶電體靠近導體時,由于電荷間相互吸引或排斥,導體中的自由電荷便會趨向或遠離帶電體,使導體靠近帶電體的一端帶異號電荷,遠離帶電體的一端帶同號電荷。這種現象叫做靜電感應。利用靜電感應使金屬導體帶電的過程叫做感應起電。

實質:將金屬導體中的電子從物體的一部分轉移到另一部分。

對象:金屬導體

3、接觸起電

電荷從一個物體轉移到另一個物體

電荷的種類

點電荷

電荷

點電荷是帶電粒子的理想模型。真正的點電荷並不存在,隻有當帶電粒子之間的距離遠大于粒子的尺寸,或是帶電粒子的形狀與大小對于相互作用力的影響足以忽略時,此帶電體就能稱為"點電荷"。 帶電是物質的一種固有屬性。電荷有兩種:正電荷和負電荷。物體由于摩擦、加熱、射線照射、化學變化等原因,失去部分電子時物體帶正電,獲得部分電子時物體帶負電。帶有多餘正電荷或負電荷的物體叫做帶電體,習慣上有時把帶電體叫做電荷。

電荷間存在相互作用。靜止電荷在周圍空間產生靜電場,運動電荷除產生電場外還產生磁場。因此靜止或運動的電荷都會受到電場力作用,隻有運動電荷才能受磁場力作用。

一個實際帶電體能否看作點電荷,不僅與帶電體本身有關,還取決于問題的性質和精度的要求。點電荷是建立基本規律時必要的抽象概念,也是把分析復雜問題時不可少的分析手段。例如,庫侖定律、洛倫茲定律的建立,帶電體的電場以及帶電體之間相互作用的定量研究,試驗電荷的引入等等,都套用了點電荷的觀念。

粒子的電荷

在粒子物理學中,許多粒子都帶有電荷。電荷在粒子物理學中是一個相加性量子數,電荷守恆定律也適用于粒子,反應前粒子的電荷之和等于反應後粒子的電荷之和,這對于強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用都是嚴格成立的。

電荷

特征

自然界中的電荷隻有兩種,即正電荷和負電荷。由絲綢摩擦的玻璃棒所帶的電荷叫做正電荷,由毛皮摩擦的橡膠棒所帶的電荷叫負電荷。 電荷的最基本的性質是:同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引。物質的固有屬性之一。琥珀經摩擦後能夠吸引輕小物體的現象是物體帶電的最早發現。繼而發現雷擊、感應、加熱、照射等等都能使物體帶電。電分正、負,同號排斥,異號吸引,正負結合,彼此中和,電可以轉移,此增彼減,而總量不變。

構成物質的基本單元是原子,原子由電子和原子核構成,核又由質子和中子構成 ,電子帶負電 , 質子帶正電,是正、負電荷的基本單元,中子不帶電。所謂物體不帶電就是電子數與質子數相等,物體帶電則是這種平衡的破壞。在自然界中不存在脫離物質而單獨存在的電荷 。 在一個孤立系統中,不管發生了什麽變化,電子、質子的總數不變,隻是組合方式或所在位置有所變化,因而電荷必定守恆。

電荷

為了說明電荷的特征,不妨與質量作一些類比。電荷有正、負之分,于是電力有排斥力和吸引力的區別,質量隻有一種,其間總是相互吸引,正是這種區別,使電力可以禁止,引力則無從禁止。愛因斯坦描述了質量有隨運動變化的相對論效應;而電子、質子以及一切帶電體的電量都不因運動變化,電量是相對論性的不變數。電荷具有量子性,任何電荷都是電子電荷e的整數倍 ,e的精確值(1986年推薦值)為: e=1.60217733×10^-19庫質子與電子電量(絕對值)之差小于 (10-20)e,通常認為兩者的絕對值完全相等。電子十分穩定 ,估計其壽命超過1010億年,比迄今推測的宇宙年齡還要長得多。

分數電荷

所謂分數電荷是指比電子電量小的電荷,如果存在,將動搖電子、質子作為電荷基元的地位,具有重要的理論意義。1964年,M.蓋耳-曼提出強子由誇克組成的理論,預言誇克有多種,其電荷有6種。但尚沒有關于分數電荷存在的該項目屬于粒子物理理論研究領域。電荷共軛-宇稱(CP)對稱性涉及到空間和物質的基本對稱性,一直是粒子物理研究的前沿領域。Cronin和Fitch因發現CP破壞而榮獲諾貝爾獎。但他們發現的隻是間接CP破壞,既可由弱作用引起,也可由超弱作用來解釋。要區分它們,必須研究直接CP破壞。這不僅對探索自然界新的作用力和理論有著重要意義,而且對弄清CP破壞的起源起著關鍵性的作用。自1964年起物理學家一直致力于對直接CP破壞的研究。

探索了近四十年的直接CP破壞給出更精確和自洽的理論預言,得到歐洲核子中心NA48和美國費米實驗室KTeV兩個重要實驗的證實。由此實驗和理論首次確立了自然界中直接CP破壞的存在,成功地檢驗了標準模型的CP破壞機製,排除了超弱作用理論。該項目同時解釋了困擾粒子物理學界近五十年的所謂ΔI=1/2規則。被國際同行公認為"北京組"工作,得到國際上實驗和理論主要專家的認可和引用。該項目對CP對稱性自發破缺的雙黑格斯二重態模型(S2HDM)中一些重要的物理唯象進行系統研究,指出S2HDM可以成為CP破壞起源的一種新物理模型。在電荷-宇稱對稱性破壞和誇克-輕子味物理理論研究方面,吳岳良作為主要完成人在國際核心刊物上發表了幾十篇論文,總引用率達1000餘次。發表在美國《物理評論快報》(PRL)上的論文單篇引用達90餘次。

實驗

高壓產生的電荷兩種電荷學生實驗:將學生分組。

實驗器材有:

(1) 玻璃棒、橡膠棒各兩根

電荷電荷

(2) 毛皮、絲綢各兩塊

(3) 支架;為了避免實驗中電荷的流失,最好兩名同學同時進行操作。

實驗過程:

(1) 兩位同學同時都用絲綢摩擦玻璃棒,使它帶電,將一根放在支座上,註意:要記住哪端帶電,不要用手摸帶電的一端,用另一根玻璃棒的帶電端靠近這根玻璃棒的帶電端,觀察發生的現象

(2) 用毛皮摩擦橡膠棒,重做剛才的實驗

(3) 用絲綢摩擦過的玻璃棒和用毛皮摩擦過的橡膠棒,做剛才的實驗。

實驗總結;人們用各種各樣的材料做了大量的實驗,人們發現帶電物體凡是跟絲綢摩擦過的玻璃棒互相吸引的,必定跟毛皮摩擦過的橡膠棒互相排斥;凡是跟毛皮摩擦過的橡膠棒互相吸引的,必定跟絲綢摩擦過的玻璃棒互相排斥。就是說物體帶的電荷要麽跟絲綢摩擦過的玻璃棒所帶電荷相同,要麽跟毛皮摩擦過的橡膠棒所帶電荷相同,沒有第三種可能,自然界中隻有這樣兩種電荷,美國科學家富蘭克林對這兩種電荷做出規定:絲綢摩擦過的玻璃棒所帶電荷叫做正電荷,毛皮摩擦過的橡膠棒所帶電荷叫做負電荷。1.電荷之間相互作用規律:同性相斥,異性相吸,大小用庫侖定律來計算。2.點電荷作用力為一對相互作用力,遵循牛頓第三定律。3.庫侖定律的適用條件:真空中靜止點電荷間的相互作用力(均勻帶電體間、均勻帶電球殼間也可)。

歷史

理清電荷

1785年,法國物理學家庫侖(C.A.Coulomb,1736-1806)以他的扭秤實驗得出靜電作用定律.人類從此對電磁現象進入了定量研究。

1820年,奧斯特(H.C.Oersted,1771-1851)發現電流的磁效應。

1820年,安培(A.M.Ampère,1775-1836)發現電流之間的互作用定律。

1831年,法拉第(M.Faraday,1791-1867)發現電磁感應定律

1865年,麥克斯韋(J.C.Maxwell,1831-1879)在總結前人實驗定律的基礎上提出電磁場方程組,並從他的方程組預言電磁波的存在,進而指出光的電磁本質

1887年,赫茲(H.Hertz,1857-1894)以實驗證實了電磁波的存在,並對麥克斯韋方程組進行了整理和簡化。

1895年,洛倫茲(H.A.Lorentz,1853-1928)發表"電子論"並給出電荷在電磁場中受力的公式.至此,經典電磁理論的基礎已經確立。

1897年,湯姆遜(J.J.Thomson,1856-1940)在陰極射線管中發現了電子(e-),這是人類歷史上發現的第一個基本粒子。物理學家們陸續發現了一大批帶電的或電中性的粒子,其中包括質子(p)、正電子(e+)和中子(n)。

電荷的發現

納米發出電荷

1897 J.J.Thomson 在陰極射線實驗中發現了電子,這是人類發現的第一個基本粒子,1905-1913年, R.A. Millikan 多次以"油滴"實驗測量了電子的電荷質量比。

1911 E.Rutherford 跟據 a 粒子碰撞金屬箔的散射實驗,提出原子的有核模型;1920年,又猜測原子核內除存在帶正電的"質子"外,還應當含有一種中性粒子。

1930 A.M.Dirac 將相對論引進量子力學,提出相對論電子理論,預言存在電子的反粒子--正電子(同時預言存在磁單極) 。

1932 C.D.Anderson 在宇宙線中發現正電子,證實了Dirac 的預言J.Chadwick 發現中子,證實了Rutherford 的猜測W.K.Heisenborg 和伊萬年科各自建立原子核由質子和中子組成的假說 。

1935湯川秀樹(H.Yukawa)提出強作用的介子理論;1950年C.F.Powell 在宇宙線中發現 p介子 。

1937 C.D.Anderson 在宇宙線中發現 m子 。

1947-- 陸續在宇宙線和加速器中先後發現了一批奇異粒子:L超子、K介子、X超子、W- 超子 1955 O.Chamberlain和 E. G. Segre在加速器中發現反質子。

1964 M.Gell-Mann和 G.Zweig 提出強子結構的誇克模型自1980年代起在加速器的電子-質子碰撞實驗中,先後發現了理論預言的3色 6味、以束縛態存在的誇克和反誇克(最重的t誇克直到 1995年才被發現)。

1964 一組科學家在歐洲核子中心(CERN)的加速器中發現反質子和反 中子組成的反氘核。

1983 C.Rubbia等在歐洲核子中心發現電弱統一理論預言的 W±和 Z0 粒子 。

在各種帶電微粒中,電子電荷量的大小是最小的。人們把最小電荷叫做元電荷,常用符號e表示。

-19

e=1.6×10^-19C

與生活聯系

你可能聽說過,有的人觸電時被電吸住,而有的人觸電時卻被電開啟了,這是怎麽一回事呢?

原來,觸電就是人體的某一部位接觸到帶電體,有電流從人體中通過。人觸電後,主要反應是神經受到強烈刺激,引起肌肉收縮。大家知道,手部的動作主要依靠手指的活動,而手指隻能向手心方向活動。當電流不大時如果用手指內側或手心部位接觸帶電體,隻是手部肌肉的收縮會使人牢牢握住帶電體,這就是電吸。如果用指尖或手指外側(手背部位)接觸帶電體,肌肉的強烈收縮反而會使手很快脫離帶電體,這就是電打。另外,當接觸到高電壓的帶電體時,通過人體的電流很大,有可能是人體全身或局部的神經麻痹,這時人體無法擺脫帶電體,看上去像被電吸住了,在電吸情況下,如不及時切斷電源,觸電人很快就會出現皮膚灼焦,呼吸窒息、心髒停跳,造成假死狀態。如不及時搶救,就會死亡。

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