Что значит отрицательный заряд электрона
III. Основы электродинамики
Тестирование онлайн
Электрический заряд
Нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи, или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы. А кто не пробовал подвесить воздушный шарик к потолку, после трения его о голову? Подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества. Подобные действия называются электризацией.
Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и, летающих вокруг него, электронов (на рисунке синие частицы). Ядро состоит из протонов (красные) и нейтронов (черные).
.
Для того, чтобы имелся свободный протон, необходимо, чтобы разрушилось ядро, а это означает разрушение атома целиком. Такие способы получения электрического заряды мы рассматривать не будем.
Тело становится заряженным, когда оно содержит избыток одних или иных заряженных частиц (электронов, положительных или отрицательных ионов).
Закон сохранения электрического заряда
Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц остается постоянной при любых процессах, происходящих в электрически замкнутой системе.
На рисунке пример закона сохранения электрического заряда. На первой картинке два тела разноименного заряда. На втором рисунке те же тела после соприкосновения. На третьем рисунке в электрически замкнутую систему внесли третье нейтральное тело и тела привели во взаимодействие друг с другом.
В каждой ситуации алгебраическая сумма заряда (с учетом знака заряда) остается постоянной.
Главное запомнить
Имеется много устоявшихся понятий, которые стали настолько привычными, что совершенно не подвергаются сомнению. Каждый читатель знает или, по крайней мере, слышал, что электрон имеет отрицательный заряд. Эта информация как раз из числа таких устоявшихся понятий, которые кажутся всем незыблемыми.
Перейдём к краткому рассмотрению одного из самых эпохальных изобретений человечества – к радиолампе, которую Эдисон изобрёл относительно случайно. Он хотел исследовать работу электрической лампы и впаял в неё кусочек металла. Сразу же выяснилась удивительная вещь: через пустоту между нитью накала (волоском) и впаянным металлическим кусочком можно было пустить ток.
И вслед за тем выяснилась вторая вещь, ещё более неожиданная: ток можно было пустить только в одном направлении, только тогда, когда плюс подавался на впаянный кусочек, а минус — на нить накала. При обратном включении ничего не получалось.
Воздух из электрической лампы выкачан почти весь; лампа почти пуста. Как же может пустота проводить ток, и почему она проводит его только в одном направлении?
Ответ на эти вопросы скоро нашли: пустота оказалась ни при чём. Когда лампу гасили (отключали накал нити), протекавший между нитью и кусочком металла ток сразу прекращался. Стало очевидным, что разгадка явления сокрыта в нити накала.
Оказалось, что когда нить нагрета, мельчайшие частицы – «электроны» — вылетают из неё в пустоту, точно рой пчел. Эти электроны заряжены отрицательно.
Вот здесь и начинается самое интересное. Рассмотрим версию, представленную в любом учебнике по электровакуумным приборам.
Пока на кусочек металла не подают положительное напряжение электроны «толпятся» около нити накала. Если же к впаянному в лампу кусочку металла приложить положительный потенциал, они полетят к нему совсем так же, как клочки бумаги летят к натёртой о волосы гребёнке.
Прилетая к нему, они своим отрицательным зарядом будут «уничтожать» положительное электричество, находящееся на этом кусочке металла, и поэтому требуются всё новые и новые заряды с батареи.
 |  |
| |
А это значит, что по цепи батареи через кажущуюся пустоту лампы потечёт постоянный ток. Если же металлическому кусочку дать отрицательный потенциал, то ничего не случится. Он не только не будет притягивать отрицательно заряженные электроны, а, наоборот, будет их отталкивать. Никакого мостика между ним и нитью накала не получится, и ток сквозь лампу не пойдёт.
Явлению дали название «эффекта Эдисона» и впаянный в лампу кусочек металла назвали «анодом», но на этом пока всё кончилось, поскольку практического применения лампе с анодом найти не могли.
Много лет спустя появилось радио. При его создании не сразу вспомнили об эдисоновской лампе, а когда вспомнили, применили вместо кристаллического детектора. Лампа исправно пропускала ток только в одну сторону, но была не лучше самого простого кристаллика. Поэтому особым успехом она не пользовалась.
Всё изменилось благодаря работам другого американца — Флемминга. Он ввёл «сетку» между анодом и нитью накала и сразу произвёл переворот в радиотехнике. Его лампа позволяла слушать радио на огромных расстояниях и с любой громкостью. Его лампа была той самой радиолампой, что стоит в наших ламповых приёмниках.
|  |
| |
Возьмите её в руки и взгляните. Вот нить накала. Вокруг неё – сетка (спираль из тонкой проволоки), а вокруг сетки — металлический цилиндр — анод. От концов нити накала идут два провода, от сетки и анода — по одному. Все эти четыре провода выведены к ножкам на цоколе радиолампы. Та ножка, которая соединена с анодом, отставлена чуть назад. Это сделано для того, чтобы лампу нельзя было неправильно вставить в её панельку.
При создании радиолампы Флемминг действовал совершенно сознательно. Чем дальше находится принимаемая станция, тем слабее её сигнал и тем меньше размах переменного тока в антенне приёмника.
Когда они слишком малы, детектор их вовсе не принимает. Что же нужно сделать, чтобы увеличить дальность приёма? Очевидно, нужно усилить колебания приходящего с антенны тока высокой частоты. А что нужно сделать, чтобы увеличить громкость работы приёмника? Конечно, усилить колебания звукового тока после детектора. Откуда же взять эту недостающую колебаниям мощность? Из батареи питающей анод лампы. А как это сделать? Очень просто.
 | |
| |
Если мы на сетку лампы подадим отрицательный заряд, то отрицательно заряженным электронам станет труднее протискиваться сквозь неё. Она будет отталкивать их обратно к нити накала. От этого на анод попадёт меньше электронов, аноду меньше потребуется положительных зарядов с «анодной батареи», и сила «анодного тока» сразу упадёт.
Если же сетку зарядить положительно, то она начнёт притягивать электроны, и будет помогать аноду отрывать их от нити накала. На ней самой останется только немного электронов. Анод всегда имеет более высокий потенциал. Значит, от положительного заряда сетки электронный поток усилится, а заодно усилит и анодный ток.
Но если вместо постоянных потенциалов на сетку радиолампы подать колебания переменного тока, сетка будет всё время менять свой потенциал. Следовательно, анодный ток в лампе начнёт колебаться. Пришедшие на её сетку колебания она мгновенно передаёт в свою анодную цепь, сохраняя их частоту и добавляя им необходимую мощность. Таким образом, сетка даёт возможность создавать «усилители» колебаний переменного тока.
На этом я закончу экскурс в теорию работы радиолампы, поскольку уже совершенно ясно, что это описание работы построено на одном единственном постулате – электроны имеют отрицательный заряд, что и подтверждает практика использования, в частности, тех же радиоламп. Можно сказать даже больше. Всё дальнейшее развитие радиотехники, а затем и систем автоматики, вычислительной техники началось с принятия в качестве определённого постулата положения об отрицательном заряде электрона.
Ещё немного истории из «жизни» электрона.
Если в атоме есть электроны в некотором количестве, то должен быть и равный положительный заряд, поскольку атом электронейтрален. Последнее следует отдельно прокомментировать.
Электронейтральность атома означает, что число протонов и число электронов в атоме всегда одинаково, или, что одно и то же — в атоме нет, и не может быть никаких лишних электронов.
|  |
| |
Теперь, когда все данные у нас имеются, мы можем перейти к рассмотрению парадоксов, связанных непосредственно с электроном. Для этого мы рассмотрим картину «электронного облака», существующего около катода до момента подачи положительного напряжения на анод.
Эта картинка представлена на цветном рисунке, причём светло-жёлтый цвет здесь соответствует низкой концентрации электронов, а апельсиновый цвет – высокой концентрации электронов непосредственно около нагретого катода (представлено сечение облака).
Если все свойства электрона таковы, как об этом написано во всех учебниках, то той картинки, как это представлено на рисунке, не может быть, поскольку такая картина соответствует полному отсутствию какого-либо заряда у электрона. Это следует из того, что кулоновские силы при наличии заряда у электрона заставили бы их разлетаться от катода с огромной скоростью, и облако этих электронов исчезло бы полностью.
Самое парадоксальное в этой ситуации то, что в тот же момент, как мы подадим положительный потенциал на анод, у электрона, как будто, появляется отрицательный заряд, поскольку его поведение становится именно таким, как об этом и пишут в учебниках.
Но чудес подобного рода не бывает, а это означает, что у электрона, как у индивидуальной и самостоятельной частицы (в том числе и в радиолампе), нет, и не может быть какого-либо заряда. Зарядовые эффекты возникают, по-видимому, совершенно по другой причине.
Второй парадокс электрона связан с тем, что из катода излучаются материальные частицы, которые как будто имеют массу. К чему могло бы приводить такое излучение? Если бы мы поместили на точные весы радиолампу с разогретым катодом и при отсутствующем напряжении на аноде, мы должны были бы заметить уменьшение массы радиолампы. Это происходило бы потому, что излученные электроны оказываются в другой системе измерения, не связанной с системой катода радиолампы, что и должно было бы обнаруживать изменение (уменьшение) массы радиолампы.
Однако как бы мы ни старались, как бы мы ни повышали точность взвешивания, изменения массы радиолампы нам не удалось бы обнаружить совершенно.
Следовательно, парадоксальность вывода огромна. У электрона нет, и не может быть массы. Во всяком случае, у электрона нет никакой массы покоя. Термоэмиссия электронов вынуждает иначе взглянуть на существо материи как таковой.
Наконец, рассмотрим третий парадокс электрона, который также необходимо рассмотреть при отсутствующем на аноде напряжении. Дело в том, что химическая наука построена на том основании, что в молекуле (и атоме) нет ни одного лишнего электрона, поскольку при отсутствии хоть одного электрона у вещества будут меняться химические и физические свойства (валентность, кислотные или щелочные свойства). Физика, напротив, почему-то может предполагать, что эти лишние электроны в катоде радиолампы имеются в избытке.
Но этого не может быть хотя бы по той же модели атома Резерфорда-Бора, поскольку каждый электрон в атоме должен занимать вполне определённую орбиту и не может ни «упасть» на ядро атома, ни «уйти» со своей орбиты. Следовательно, избытка электронов в атоме и выхода каких-то «освобождающихся» от атомных структур электронов нет, и не может быть.
Можно высказать предположение, что «избыточные» электроны как-то порождены подведённой тепловой энергией, но тогда становится сомнительной знаменитая формула Эйнштейна, связывающая массу и энергию.
Разрешение этих парадоксов электрона связано с пересмотром многих современных основ физики и химии. Осмысление указанных парадоксов существенно влияет и на многие философские концепции. И всё сводится к тому, что изменять существующую систему взглядов придётся. Но для этого философам, физикам и химикам потребуется определённое мужество для признания факта столетних и устойчивых заблуждений.
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.
Электроны находятся в оболочке атома, протоны — в атомном ядре
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.
Делимость электрического заряда
Хорошо известно, что молекулы и атомы в их нормальном состоянии не имеют электрического заряда. Поэтому мы не можем объяснить электризацию их движением. Однако если мы предположим, что частицы с электрическим зарядом существуют в природе, то мы должны обнаружить, что существует предел деления электрического заряда.
Согласно различным экспериментам, проведенным советским ученым Абрамом Федоровичем Иоффе и американским ученым Робертом Милликеном, было обнаружено, что существует заряженная частица с минимальным зарядом, который невозможно разделить.
В своих экспериментах они электризовали маленькие частицы цинковой пыли. Заряд пылинок меняли и вычисляли. Это было проделано несколько раз. При этом заряд оказывался каждый раз другим. Однако все изменения были кратны целому числу, большему, чем некоторый минимальный заряд (т.е. 2, 3, 4 и т.д.). Этот результат можно интерпретировать только следующим образом. Только наименьший заряд (или целое число таких зарядов) присоединяется к пылинке цинка или отсоединяется от нее. Этот заряд дальше уже не делится. Частица с наименьшим зарядом называется электроном.
Также в ходе опытов было установлено, что любая частица вещества либо электрически нейтральна, либо имеет заряд, кратный по модулю заряду электрона.
Свойства электрона
Электрон характеризуется и другими важными свойствами, помимо спина и магнитного момента. Рассмотрим их.
Масса электрона
Отношение массы протона к массе электрона равно 1836, то есть протон в 1836 раз «тяжелее» электрона.
Заряд электрона
Электрический заряд — одно из основных свойств электрона. Невозможно представить, что с электронов можно снять заряд. Они неотделимы друг от друга.
Модуль заряда электрона назвали элементарным электрическим зарядом. Его обозначают е. Измерения показали, что e = 1,6 • 10 19 Кл.
Обратите внимание, что любой, даже самый малый, заряд тела содержит целое число элементарных зарядов. Так как заряд тела обозначается буквой q, то получаем: q = eN, где N — целое число (N = 1, 2, 3, … ).
Элементарный заряд может показаться очень малым, однако вспомним: в любом теле, видимом невооружённым глазом, содержится невообразимо большое число заряженных частиц. Так, суммарный заряд электронов в одной столовой ложке воды равен по модулю примерно миллиону кулонов (а вы уже знаете, как велик заряд всего в 1 Кл).
Важно! Термин элементарный заряд был придуман, когда предположили, что этот заряд является наименьшим электрическим зарядом в природе. Сегодня мы знаем, что 1/3 элементарного заряда также приходится на кварки.
Энергия покоя электрона
Список литературы
Список литературы
Элементарный заряд и частица электрон
Электрический заряд тела можно делить на части до тех пор, пока не получим самый маленький – элементарный заряд. Он равен заряду частицы, названной электроном.
Электрический заряд можно делить
Если в природе существуют заряженные частицы, значит, заряд, полученный телом при электризации, состоит из суммы зарядов этих частиц.
Обнаружить простейший и самый маленький заряд в природе, можно с помощью деления общего заряда тела на части.
Метод половинного деления
Этот метод заключается в делении какой-либо величины на две равные части. После этого, выбирают одну из частей и опять делят на две равные части.
Каждый раз выбирают половину и делят ее пополам, до тех пор, пока не получат самую маленькую часть, заряда которую разделить не получится.
Этот метод можно продемонстрировать на опыте.
Демонстрация деления заряда с помощью электрометров
Для проведения эксперимента потребуется два электрометра. Зарядим один из электрометров, а второй оставим незаряженным (рис. 1).
После соединим электрометры металлическим предметом – линейкой, проволокой и т. п. Мы увидим, что первоначальный заряд распределится между двумя электрометрами поровну (рис. 2).
Избыточный заряд между телами распределяется поровну.
Теперь уберем заряд одного из электрометров. А половинный заряд, оставшийся на втором приборе, опять разделим пополам, соединив измерительные приборы – заряженный и незаряженный, металлическим предметом. Этот остаточный заряд распределится между приборами поровну.
Проделав такой опыт некоторое количество раз, получим на одном из электрометров малый остаточный заряд, который разделить на части не получится. Такой заряд называют элементарным.
Опыты Иоффе и Милликена
На самом деле, чувствительности школьного электрометра не хватит, чтобы определить элементарный заряд. Физики определили величину элементарного заряда несколько другим способом.
Опыты по определению элементарного заряда проводили ученые Абрам Иоффе (СССР) и Роберт Милликен.
Они электризовали маленькие крупинки цинка и измеряли их заряд. От опыта к опыту заряд крупинок отличался в целое число раз.
Это натолкнуло на мысль, что в природе существует частица, обладающая таким самым маленьким — элементарным зарядом, который не делится на части.
Заряд и масса электрона
Элементарный заряд – это очень малый заряд. Таким зарядом обладает элементарная частица — электрон. Равный ему заряд, но имеющий противоположный знак, имеет элементарная частица протон. Заряд электрона отрицательный, а заряд протона – положительный.
\[ \large \boxed
Заряд – это одно из главных свойств электрона. Отделить от электрона его заряд не получится.
\[ \large \boxed
Это очень маленькая масса, она почти в 2000 раз меньше массы самого легкого и маленького атома – атома водорода.
Единица измерения заряда
Электрический заряд измеряют в Кулонах в честь французского физика Шарля Огюстена Кулона. Он изучал электричество и механику, жил с 1736 по 1806 год. В те времена, когда Кулон проводил свои опыты, связанные с электричеством, еще не существовало единиц для измерения заряда.
Заряд в системе СИ
Примечание: Как правило, для измерения какой-либо физической величины можно выбрать любую удобную единицу. Именно так ранее и поступали. Поэтому, например, для измерения длин применялись такие единицы, как аршин, локоть, сажень и т. п.
Со временем в различных странах накопилось большое количество различных единиц измерений для одних и тех же величин. При переводе одних единиц в другие возникали разногласия и путаница. Чтобы исключить разногласия, ввели единую международную систему единиц, сокращенно СИ. В современной физике эта система измерения величин получила широкое применение.
Как единицу для измерения заряда логично было бы выбрать заряд электрона. Но заряд электрона – это очень малая величина. И для зарядов, с которыми мы сталкиваемся при решении большинства технических задач, такой малый заряд в качестве единицы измерения выбирать неудобно.
В системе СИ нет эталона для единицы измерения заряда. И заряд выражается через другие величины, для которых эталон есть.
Основной единицей для измерения электрических величин в СИ служит Ампер. Это единица силы тока (ссылка). Численно эталон 1-го Ампера определяют по магнитному взаимодействию двух токов.
Единица заряда – 1 Кулон, связана с одним Ампером.
\[\large \boxed < 1 \text<Кл>= 1 A \cdot 1 c > \]
Если ток в проводнике равен 1 Амперу, то за 1 секунду через его поперечное сечение проходит заряд, равный 1 Кулону.
Кратность любого заряда элементарному заряду
Заряд, который мы сообщаем телу, всегда кратен элементарному заряду:
\(q \left( \text<Кл>\right) \) – заряд тела;
\( e \left( \text<Кл>\right) \) – элементарный заряд;
\( N \left( \text<шт>\right) \) – количество элементарных зарядов, это целое число;
Заряд можно распределить по телу, для описания распределенных зарядов используют термин — плотность заряда.
Любой заряд в пространстве вокруг себя создает электрическое поле.
Один кулон — много ли это
Заряд в 1 Кулон – это очень большой заряд. Если шар, диаметром в 110 метров, расположить в сухом воздухе достаточно далеко от других тел (рис. 3), тогда этот шар сможет содержать избыточный заряд в 1 Кулон (Кл).
Однако, не следует думать, что такие большие заряды не используются. К примеру, через провод работающего бытового электрического чайника мощностью 1000 Ватт каждую секунду проходит заряд в 4,55 Кл.