Электрический заряд

Модуль заряда электрона равен 1.602176634 × 10⁻¹⁹ кулона, поэтому один кулон соответствует модулю заряда примерно 6.24 миллиарда миллиардов электронов.

Почему натёртый шарик прилипает к стене

Потри воздушный шарик о шерстяной свитер, и он будет держаться на стене сам. Пищевая плёнка липнет к миске, носок после сушки цепляется к рубашке, а расчёска, которой провели по сухим волосам, притягивает клочки бумаги. Тысячи лет назад люди заметили такое же свойство у янтаря, ископаемой древесной смолы: натёртый янтарь притягивает соломинки. Слово «электрический» происходит от греческого названия янтаря, elektron. Во всех этих случаях действует электрический заряд, который появляется при трении двух материалов.

Два рода зарядов

Опыты с натёртыми палочками показывают, что существует ровно два рода зарядов. Натри две стеклянные палочки шёлком и подвесь их рядом: они отталкиваются. Два шёлковых лоскута тоже отталкиваются. А стеклянная палочка и шёлк притягиваются. Бенджамин Франклин назвал заряды положительными и отрицательными. Правило короткое: одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются. При увеличении расстояния сила ослабевает, поэтому шарик должен касаться стены или находиться совсем близко к ней.

Откуда берётся заряд? В атоме есть ядро из положительных протонов и, в большинстве атомов, незаряженных нейтронов, а вокруг него находятся отрицательные электроны. В обычном атоме электронов столько же, сколько протонов, поэтому суммарный заряд равен нулю. Такой атом называют нейтральным. Протоны прочно связаны в ядре, но некоторые электроны удерживаются слабо. При трении электроны переходят с одной поверхности на другую. Когда янтарь трут шёлком, он получает электроны и заряжается отрицательно, а шёлк теряет их и заряжается положительно. Заряд не возникает из ничего, а только переходит с одного тела на другое.

Как измерить заряд: кулон

Заряд измеряют в кулонах, обозначаемых C. Наименьший свободный заряд в обычном веществе равен заряду протона. Его называют элементарным зарядом e. С 2019 года его значение зафиксировано точно: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C. Заряд электрона равен −e, протона +e. Заряд электрона составляет крошечную долю кулона, поэтому одному кулону соответствует огромное число электронов: 1 ÷ (1.602176634 × 10⁻¹⁹) ≈ 6.24 × 10¹⁸. Заряд тела всегда кратен e. Он может равняться 3e или 1 000 000e, но не 2.5e. Физики говорят, что заряд квантован.

Второе правило: закон сохранения заряда. Суммарный заряд изолированной системы не меняется. Когда ты трёшь шарик о волосы, он получает ровно столько отрицательного заряда, сколько положительного получают волосы. В сумме по-прежнему ноль. Нарушений этого закона не наблюдали ни в опытах с шариками, ни при столкновениях частиц.

Проводники и диэлектрики

В металлах часть электронов не связана с каким-либо одним атомом. Эти свободные электроны могут перемещаться по всему куску металла, поэтому заряд легко проходит через него. Такие материалы называют проводниками. Хорошо проводят заряд медь, алюминий, серебро и золото. В пластмассе, резине, стекле и сухом воздухе почти все электроны остаются при своих атомах, и заряд почти не перемещается. Это диэлектрики. В бытовом кабеле есть оба вида материалов: медь внутри проводит заряд, а пластмасса снаружи не даёт ему попасть на руку. Трением удобнее заряжать диэлектрики: перенесённый заряд остаётся на месте, а не растекается.

От неподвижного заряда к движущемуся

Натёртый шарик удерживает заряд, пока не коснётся чего-нибудь. Батарея действует иначе: она постоянно перемещает заряд по замкнутой цепи. В лаборатории ниже синие точки изображают электроны в проводе. Индикатор показывает, сколько кулонов проходит через батарею каждую секунду, и пересчитывает эту величину в число электронов.