Материал электрического заряда
Пожалуйста, понаблюдайте за одним из окружающих вас предметов. Если вы разобьете какой-либо предмет, например, камень, он расколется на несколько более мелких частей. Если камень снова раздробить, он превратится в еще более мелкие кусочки. А что, если эти кусочки камня раздробить еще раз? Конечно, они раздробятся и превратятся в еще более мелкие кусочки. Можно ли разделить камни на еще более мелкие части до бесконечности? Этот факт показывает, что любой объект, если его разделить на более мелкие части, достигнет точки, где наименьшая часть объекта не может быть разделена на более мелкие части. Наименьшая часть объекта, которую нельзя разделить дальше, называется атомом. Таким образом, атом — это наименьшая часть любой материи во Вселенной.
Электрический заряд в атомах
Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны образуют атомное ядро, размер которого составляет приблизительно 10⁻¹⁵ метров . Электроны расположены вне ядра и вращаются вокруг него, подобно тому как планеты вращаются вокруг Солнца. Предполагая, что диаметр атома составляет несколько километров, ядро примерно размером с бильярдный шар, а электроны расположены внутри ядра на расстоянии приблизительно 10⁻¹⁰ метров . Между ядром и электроном находится пустое пространство.
Отрицательно заряженные электроны расположены на краях атома, а положительно заряженные протоны — в ядре. Чтобы электроны продолжали вращаться вокруг ядра и не покидали атом, положительно заряженное ядро должно оказывать на них притягивающую силу. Эта сила, которая удерживает электроны на орбите вокруг ядра и предотвращает их побег, называется электрической силой.
Напротив, внутри атомного ядра находятся положительно заряженные протоны, поэтому они естественным образом отталкиваются друг от друга, поскольку имеют одинаковый заряд. Чтобы удерживать протоны вместе в атомном ядре и предотвратить их отделение от атома, должна существовать сила, которая их удерживает. Сила, удерживающая протоны вместе в атомном ядре, называется ядерной силой.
Масса протона почти такая же, как масса нейтрона. Приблизительно 99,9% массы атома сосредоточено в ядре, в то время как электроны имеют очень малую массу. Масса электрона (m e ) = 9,1093897 x 10 -31 кг, масса нейтрона (m n ) = 1,6749286 x 10 -27 кг, а масса протона (m p ) = 1,6726231 x 10 -27 кг.
Количество электрического заряда
Электроны имеют отрицательный заряд, протоны — положительный, а нейтроны — электрически нейтральны. Протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро, состоят из кварков, заряд которых примерно в 1/3 и примерно в 2/3 раза больше заряда электронов. Кварки — это мельчайшие частицы, из которых состоят атомы, но до сих пор не было обнаружено, чтобы кварки существовали поодиночке в виде отдельных частиц.
Величина заряда электрона или протона — это основная единица заряда. Величина электрического заряда объекта — это кратное значение заряда электрона или протона. Это называется квантованным зарядом . Например, если наименьшая используемая нами денежная единица — 100 рупий, то сумма денег, которой располагает человек, выражается в кратных значениях этой кратной валюты, а именно 100 рупий. Например, сумма моих денег — 100 000, и эти 100 000 можно разделить на 100. Было бы странно, если бы сумма моих денег составляла 100 002, потому что нет купюр номиналом 2 рупии. Аналогично, величина заряда объекта. Величина заряда электрона равна -e, а величина заряда протона — +e. Величина заряда объекта кратна e или 1,60 × 10⁻¹⁹ Кулона и может быть выражена через Q = ±Ne. Q = величина заряда, ± обозначает тип заряда, N = целое число, e = 1,60 x 10⁻¹⁹ Кулон.
Электрический заряд в объектах
Если атом имеет одинаковое количество электронов и протонов, то суммарный электрический заряд атома равен нулю, и атом нейтрален, то есть не имеет электрического заряда. Количество протонов или электронов в нейтральном атоме называется атомным номером (Z) . Если электронов больше, чем протонов, атом имеет отрицательный заряд. И наоборот, если электронов меньше, чем протонов, атом имеет положительный заряд. Отрицательно заряженные атомы называются отрицательными ионами , а положительно заряженные — положительными ионами . Процесс поглощения или высвобождения электронов из атома называется ионизацией . Когда мы говорим, что атом заряжен, мы имеем в виду суммарный заряд или чистый заряд. Например, атом имеет 10 электронов и 7 протонов. Этот атом имеет отрицательный заряд, потому что у него есть 3 лишних отрицательно заряженных электрона. Таким образом, чистый заряд этого атома равен 3, и тип атомного заряда — отрицательный. Числа 3, 7, 10 — это просто примеры для облегчения понимания. В действительности величина электрического заряда объекта кратна заряду электрона или протона.
Если в объекте столько же электронов, сколько протонов, то объект нейтрален, то есть не имеет электрического заряда. Если в объекте больше электронов, чем протонов, то объект имеет отрицательный заряд; наоборот, если в объекте меньше электронов, чем протонов, то объект имеет положительный заряд. Объект, изначально нейтральный, может стать отрицательно заряженным путем добавления к нему электронов, тогда как объект может стать положительно заряженным путем уменьшения количества электронов в нем.
