Электрические заряды и электрические силы

Весь макромир «держится» на электрическом взаимодействии. Электроны притягиваются к ядру, поэтому существует атом. Взаимодействие нейтральных молекул друг с другом — тоже электрическое, все предметы существуют и не распадаются на части благодаря этому взаимодействию.

Все силы, с которыми мы встречаемся в механике, кроме гравитационных, имеют электрическую природу. Механические, химические, оптические свойства вещества связаны с электрическим (точнее говоря, электромагнитным) взаимодействием.

Сейчас трудно поверить, что 3 — 4 столетия назад мы ничего не знали об электричестве и магнетизме, кроме двух простых фактов, известных с глубокой древности:

1. Если янтарь натереть шерстью, он притягивает легкие предметы (это явление называют электризацией трением, и оно описано Фалесом Милетским в VI веке до н.э.);
2. Свободно подвешенная магнитная стрелка указывает одним концом на север, другим — на юг (факт упоминается в китайских рукописях XI века до н.э.).

Если механика к концу XVII века уже сформировалась как целостная теория, то знания об электричестве в XVII веке обогатились лишь одним фактом: существует не только электрическое притяжение, но и отталкивание. В 1733 году Шарль Франсуа Дюфэ ввел понятие электрического заряда, характеризующего взаимодействие наэлектризованных тел. Он предположил, что есть два вида электрических зарядов. Дюфэ назвал эти два вида стеклянным и смоляным электричеством и показал, что одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно зараженные притягиваются (см. рис. 1).

Следующий важный шаг сделал в 1750 году Бенджамин Франклин: он присвоил разным сортам зарядов разные знаки. Янтарь, наэлектризованный мехом, по его выбору стал отрицательным (поэтому и по сей день заряд электрона мы считаем отрицательным).

Рисунок 1. Взаимодействие одноименно и разноименно заряженных тел

Что же такое электрический заряд? Это некое особое свойство, благодаря которому частицы вещества участвуют в электромагнитном взаимодействии. Электрический заряд, как и масса, является одной из основных, первичных характеристик субатомных частиц. Конкретнее на данном этапе мы определить заряд не можем. Он присущ не всем элементарным частицам вещества (что касается массы, то также существуют безмассовые частицы, например, фотон). Кстати, наличие или отсутствие заряда на массу элементарных частиц совершенно не влияет.

Постепенно накапливались знания о свойствах заряда. Так, в начале ХХ века окончательно подтвердилась догадка Франклина и Фарадея о том, что существует минимальная порция заряда. Эта порция равна заряду электрона.

Официально электрон был открыт Дж. Дж. Томсоном в 1897 году. Но измерить величину его заряда не удавалось еще более 10 лет. Лишь Роберт Милликен в серии опытов 1909-1913 годов смог сделать это настолько точно, что полученное им значение продержалось более 70 лет.

Эпоха количественных исследований взаимодействия электрических зарядов началась в 1785 году — через 100 лет после публикации книг по механике Ньютона. Шарль Кулон доказал, что закон взаимодействия зарядов по форме повторяет закон всемирного тяготения: электрическая сила убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между зарядами (поэтому эти законы называют «законами обратных квадратов»).

Закон Кулона (1785 г.): сила взаимодействия двух зарядов (q₁ и q₂) пропорциональна величине обоих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния (r) между ними: F = q₁q₂/r²

 

Нужен или нет в этой формуле постоянный размерный множитель, зависит от выбора единиц измерения заряда. Так, у физиков популярна система единиц СГС (сантиметр-грамм-секунда), в которой в законе Кулона просто стоит знак равенства, и этот закон является основой для определения единицы заряда в этой системе единиц.

Электрические силы — гигантские по сравнению с гравитационными. Если бы в наших телах отрицательных электронов оказалось бы на 1% меньше или больше, чем положительных протонов, то сила нашего электрического взаимодействия была бы равной весу Земного шара! При электризации трением лишь ничтожная доля электронов переходит с одного тела на другое.