Описывающей электромагнитное взаимодействие .

Квантование электрического заряда

Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен одному элементарному - такое предположение было высказано Б. Франклином в 1752 году и в дальнейшем неоднократно проверялось экспериментально. Впервые элементарный заряд был экспериментально измерен Милликеном в 1910 году .

Тот факт, что электрический заряд встречается в природе лишь в виде целого числа элементарных зарядов, можно назвать квантованием электрического заряда . При этом в классической электродинамике вопрос о причинах квантования заряда не обсуждается, поскольку заряд является внешним параметром, а не динамической переменной. Удовлетворительного объяснения, почему заряд обязан квантоваться, пока не найдено, однако уже получен ряд интересных наблюдений.

Дробный электрический заряд

Неоднократные поиски долгоживущих свободных объектов с дробным электрическим зарядом, проводимые различными методиками в течение длительного времени, не дали результата.

Стоит, однако, отметить, что электрический заряд квазичастиц также может быть не кратен целому. В частности, именно квазичастицы с дробным электрическим зарядом отвечают за дробный квантовый эффект Холла .

Экспериментальное определение элементарного электрического заряда

Число Авогадро и постоянная Фарадея

Эффект Джозефсона и константа фон Клитцинга

Другим точным методом измерения элементарного заряда является вычисление его из наблюдения двух эффектов квантовой механики : эффекта Джозефсона , при котором возникают колебания напряжения в определенной сверхпроводящей структуре и квантового эффекта Холла , эффекта квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях и при низких температурах. Постоянная Джозефсона

где h - постоянная Планка , может быть измерена непосредственно с помощью эффекта Джозефсона .

может быть измерена непосредственно с помощью квантового эффекта Холла .

Из этих двух констант может быть вычислена величина элементарного заряда:

См. также

Примечания

1. Elementary charge (англ.) . The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty . . Проверено 20 мая 2016.
2. Значение в единицах СГСЭ приведено как результат пересчёта значения CODATA в кулонах с учётом того факта, что кулон точно равен 2 997 924 580 единицам электрического заряда СГСЭ (

Длина и расстояние Масса Меры объема сыпучих продуктов и продуктов питания Площадь Объем и единицы измерения в кулинарных рецептах Температура Давление, механическое напряжение, модуль Юнга Энергия и работа Мощность Сила Время Линейная скорость Плоский угол Тепловая эффективность и топливная экономичность Числа Единицы измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Угловая скорость и частота вращения Ускорение Угловое ускорение Плотность Удельный объем Момент инерции Момент силы Вращающий момент Удельная теплота сгорания (по массе) Плотность энергии и удельная теплота сгорания топлива (по объему) Разность температур Коэффициент теплового расширения Термическое сопротивление Удельная теплопроводность Удельная теплоёмкость Энергетическая экспозиция, мощность теплового излучения Плотность теплового потока Коэффициент теплоотдачи Объёмный расход Массовый расход Молярный расход Плотность потока массы Молярная концентрация Массовая концентрация в растворе Динамическая (абсолютная) вязкость Кинематическая вязкость Поверхностное натяжение Паропроницаемость Паропроницаемость, скорость переноса пара Уровень звука Чувствительность микрофонов Уровень звукового давления (SPL) Яркость Сила света Освещённость Разрешение в компьютерной графике Частота и длина волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Электрический заряд Линейная плотность заряда Поверхностная плотность заряда Объемная плотность заряда Электрический ток Линейная плотность тока Поверхностная плотность тока Напряжённость электрического поля Электростатический потенциал и напряжение Электрическое сопротивление Удельное электрическое сопротивление Электрическая проводимость Удельная электрическая проводимость Электрическая емкость Индуктивность Американский калибр проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Магнитодвижущая сила Напряженность магнитного поля Магнитный поток Магнитная индукция Мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Радиоактивный распад Радиация. Экспозиционная доза Радиация. Поглощённая доза Десятичные приставки Передача данных Типографика и обработка изображений Единицы измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

1 элементарный электрический заряд [e] = 1,60217733000001E-20 единица заряда СГСМ

Исходная величина

Преобразованная величина

кулон мегакулон килокулон милликулон микрокулон нанокулон пикокулон абкулон единица заряда СГСМ статкулон СГСЭ-единица заряда франклин ампер-час ампер-минута ампер-секунда фарадей (единица заряда) элементарный электрический заряд

Подробнее об электрическом заряде

Общие сведения

Как ни удивительно, но мы сталкиваемся со статическим электричеством ежедневно - когда гладим любимую кошку, расчесываем волосы или натягиваем свитер из синтетики. Так мы сами поневоле становимся генераторами статического электричества. Мы буквально купаемся в нём, ведь мы живем в сильном электростатическом поле Земли. Это поле возникает из-за того, что её окружает ионосфера, верхний слой атмосферы - электропроводящий слой. Ионосфера образовалась под действием космического излучения и имеет свой заряд. Занимаясь обыденными делами вроде разогрева пищи, мы совершенно не задумываемся о том, что пользуемся статическим электричеством, повернув кран подачи газа на горелке с автоподжигом или поднеся к ней электрозажигалку.

Примеры статического электричества

Мы с детства инстинктивно боимся грома, хотя сам по себе он абсолютно безопасен - просто акустическое следствие грозного удара молнии, которая и вызвана атмосферным статическим электричеством. Моряки времён парусного флота впадали в священный трепет, наблюдая огоньки святого Эльма на своих мачтах, которые тоже являются проявлением атмосферного статического электричества. Люди наделяли верховных богов древних религий неотъемлемым атрибутом в виде молний, будь то греческий Зевс, римский Юпитер, скандинавский Тор или Перун русичей.

С тех пор, как люди впервые начали интересоваться электричеством, прошли века, и мы даже порой не подозреваем, что учёные, сделав из изучения статического электричества глубокомысленные выводы, спасают нас от ужасов пожаров и взрывов. Мы укротили электростатику, нацелив в небо пики громоотводов и снабдив бензовозы заземляющими устройствами, позволяющими электростатическим зарядам безопасно уходить в землю. И, тем не менее, статическое электричество продолжает хулиганить, создавая помехи приёму радиосигналов - ведь на Земле одновременно бушует до 2000 гроз, которые ежесекундно генерируют до 50 разрядов молний.

Исследованием статического электричества люди занимались с незапамятных времён; даже термину «электрон» мы обязаны древним грекам, хотя они подразумевали под этим несколько иное - так они называли янтарь, который прекрасно электризовался при трении (др. - греч. ἤλεκτρον - янтарь). К сожалению, наука о статическом электричестве не обошлась без жертв - российский учёный Георг Вильгельм Рихман во время проведения эксперимента был убит разрядом молнии, которая является наиболее грозным проявлением атмосферного статического электричества.

Статическое электричество и погода

В первом приближении, механизм образования зарядов грозового облака во многом сходен с механизмом электризации расчёски - в нём точно так же происходит электризация трением. Льдинки, образуясь из мелких капелек воды, охлаждённой из-за переноса восходящими потоками воздуха в верхнюю, более холодную, часть облака, сталкиваются между собой. Более крупные льдинки заряжаются при этом отрицательно, а меньшие - положительно. Из-за разницы в весе происходит перераспределение льдинок в облаке: крупные, более тяжёлые, опускаются в нижнюю часть облака, а более лёгкие льдинки меньшего размера собираются в верхней части грозового облака. Хотя всё облако в целом остаётся нейтральным, нижняя часть облака получает отрицательный заряд, а верхняя - положительный.

Подобно наэлектризованной расческе, притягивающей воздушный шарик из-за индуцирования на его ближней к расческе стороне противоположного заряда, грозовое облако индуцирует на поверхности Земли положительный заряд. По мере развития грозового облака, заряды увеличиваются, при этом растёт напряжённость поля между ними, и, когда напряжённость поля превысит критическое значение для данных погодных условий, происходит электрический пробой воздуха - разряд молнии.

Человечество обязано Бенджамину Франклину - впоследствии президенту Высшего исполнительного совета Пенсильвании и первому Генеральному почтмейстеру США - за изобретение громоотвода (точнее было бы назвать его молниеотводом), навсегда избавившего население Земли от пожаров, вызываемых попаданием молний в здания. Кстати, Франклин не стал патентовать своё изобретение, сделав его доступным для всего человечества.

Не всегда молнии несли только разрушения - уральские рудознатцы определяли расположение железных и медных руд именно по частоте ударов молний в определённые точки местности.

В числе учёных, посвятивших своё время исследованию явлений электростатики, необходимо упомянуть англичанина Майкла Фарадея, впоследствии одного из основателей электродинамики, и голландца Питера ван Мушенбрука, изобретателя прототипа электрического конденсатора - знаменитой лейденской банки.

Наблюдая за гонками DTM, IndyCar или Formula 1, мы даже не подозреваем, что механики зазывают пилотов для смены резины на дождевую, опираясь на данные метеорологических РЛС. А эти данные, в свою очередь, основаны именно на электрических характеристиках подступающих грозовых облаков.

Статическое электричество - наш друг и враг одновременно: его недолюбливают радиоинженеры, натягивая заземляющие браслеты при ремонте сгоревших плат в результате удара поблизости молнии - при этом, как правило, выходят из строя входные каскады оборудования. При неисправном заземляющем оборудовании оно может стать причиной тяжёлых техногенных катастроф с трагическими последствиями - пожаров и взрывов целых заводов.

Статическое электричество в медицине

Тем не менее, оно приходит на помощь людям при нарушениях сердечного ритма, вызванных хаотическими судорожными сокращениями сердца больного. Его нормальная работа восстанавливается пропусканием небольшого электростатического разряда при помощи прибора, называемого дефибриллятором. Сцена возвращения пациента с того света с помощью дефибриллятора является своего рода классикой для кино определённого жанра. При этом следует отметить, что в кино традиционно показывают монитор с отсутствующим сигналом сердцебиения и зловещей прямой линией, хотя на самом деле применение дефибриллятора не помогает, если сердце пациента остановилось.

Другие примеры

Нелишне будет вспомнить о необходимости металлизации самолетов для защиты от статического электричества, то есть, соединения всех металлических частей самолета, включая двигатель, в одну электрически целостную конструкцию. На законцовках всего оперения самолета устанавливают статические разрядники для стекания статического электричества, накапливающегося во время полета вследствие трения воздуха о корпус самолета. Эти меры необходимы для защиты от помех, возникающих при разряде статического электричества, и обеспечения надежной работы бортового электронного оборудования.

Электростатика играет определённую роль в знакомстве учеников с разделом «Электричество» - более эффектных опытов, пожалуй, не знает ни один из разделов физики - тут тебе и волосы, вставшие дыбом, и погоня воздушного шарика за расческой, и таинственное свечение люминесцентных ламп безо всякого подключения проводов! А ведь этот эффект свечения газонаполненных приборов спасает жизни электромонтёрам, имеющих дело с высоким напряжением в современных линиях электропередач и распределительных сетях.

И самое главное, учёные пришли к выводу, что статическому электричеству, точнее его разрядам в виде молний, мы, вероятно, обязаны появлению жизни на Земле. В ходе экспериментов в середине прошлого века, с пропусканием электрических разрядов через смесь газов, близкую по составу к первичному составу атмосферы Земли, была получена одна из аминокислот, которая является «кирпичиком» нашей жизни.

Для укрощения электростатики очень важно знать разность потенциалов или электрическое напряжение, для измерения которого придуманы приборы, называемые вольтметрами. Ввел понятие электрического напряжения итальянский учёный 19-го века Алессандро Вольта, по имени которого и названа эта единица. В своё время для измерения электростатического напряжения использовались гальванометры, названные по имени соотечественника Вольта Луиджи Гальвани. К сожалению, эти приборы электродинамического типа вносили искажения в измерения.

Изучение статического электричества

К систематическому изучению природы электростатики учёные приступили со времён работ французского учёного 18-го века Шарля Огюстена де Кулона. В частности, он ввёл понятие электрического заряда и открыл закон взаимодействия зарядов. По его имени названа единица измерения количества электричества - кулон (Кл). Правда, ради исторической справедливости, надо заметить, что годами ранее этим занимался английский учёный лорд Генри Кавендиш; к сожалению, он писал в стол и его работы были опубликованы наследниками лишь спустя 100 лет.

Работы предшественников, посвященные законам электрических взаимодействий, дали возможность физикам Джорджу Грину, Карлу Фридриху Гауссу и Симеону Дени Пуассону создать изящную в математическом отношении теорию, которой мы пользуемся до сих пор. Главным принципом в электростатике является постулат об электроне - элементарной частице, входящей в состав любого атома и легко отделяющейся от него под воздействием внешних сил. Помимо этого, действуют постулаты об отталкивании одноимённых зарядов и притягивании разноимённых.

Измерение электричества

Одним из первых измерительных приборов явился простейший электроскоп, изобретённый английским священником и физиком Абрахамом Беннетом - два листочка золотой электропроводной фольги, помещённые в стеклянную ёмкость. С тех пор измерительные приборы значительно эволюционировали - и теперь они могут измерять разницу в единицы нанокулон. С помощью особо точных физических инструментов, российский учёный Абрам Иоффе и американский физик Роберт Эндрюс Милликен сумели измерить электрический заряд электрона

Ныне, с развитием цифровых технологий, появились сверхчувствительные и высокоточные приборы с уникальными характеристиками, которые, благодаря высокому входному сопротивлению, почти не вносят искажений в измерения. Помимо измерения напряжения такие приборы позволяют измерять и другие важные характеристики электрический цепей, таких, как омическое сопротивление и протекающий ток в широком диапазоне измерений. Самые продвинутые приборы, называемые из-за их многофункциональности мультиметрами, или, на профессиональном жаргоне, тестерами, позволяют измерять также и частоту переменного тока, емкость конденсаторов и осуществлять проверку транзисторов и даже измерять температуру.

Описывающей электромагнитное взаимодействие .

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен 1 элементарному - такое предположение было высказано Б. Франклином в 1752 году и в дальнейшем неоднократно проверялось экспериментально. Впервые элементарный заряд был экспериментально измерен Милликеном в 1910 году .

  Тот факт, что электрический заряд встречается в природе лишь в виде целого числа элементарных зарядов, можно назвать квантованием электрического заряда . При этом в классической электродинамике вопрос о причинах квантования заряда не обсуждается, поскольку заряд является внешним параметром, а не динамической переменной. Удовлетворительного объяснения, почему заряд обязан квантоваться, пока не найдено, однако уже получен ряд интересных наблюдений.

  Дробный электрический заряд

  Неоднократные поиски долгоживущих свободных объектов с дробным электрическим зарядом, проводимые различными методиками в течение длительного времени, не дали результата.

  Стоит, однако, отметить, что электрический заряд квазичастиц также может быть не кратен целому. В частности, именно квазичастицы с дробным электрическим зарядом отвечают за дробный квантовый эффект Холла .

  Экспериментальное определение элементарного электрического заряда

  Посредством числа Авогадро и постоянной Фарадея

  Посредством эффекта Джозефсона и константы фон Клитцинга

  Другим точным методом измерения элементарного заряда является вычисление его из наблюдения двух эффектов квантовой механики : эффекта Джозефсона , при котором возникают колебания напряжения в определенной сверхпроводящей структуре и квантового эффекта Холла , эффекта квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях и при низких температурах. Постоянная Джозефсона

  K J = 2 e h {\displaystyle K_{\mathrm {J} }={\frac {2e}{h}}} (Где h постоянная Планка)

  эффекта Джозефсона .

  R K = h e 2 , {\displaystyle R_{\mathrm {K} }={\frac {h}{e^{2}}},}

  может быть измерена непосредственно с помощью квантового эффекта Холла .

  Из этих двух констант может быть вычислена величина элементарного заряда:

  e = 2 R K K J . {\displaystyle e={\frac {2}{R_{\mathrm {K} }K_{\mathrm {J} }}}.} .

  Элемента́рный электри́ческий заря́д , e , - наименьший электрический заряд, известный в природе. В квантовой механике элементарный заряд рассматривается как минимальная порция (квант) электрического заряда. Величина e элементарного электрического заряда была установлена прямыми измерениями Р. Милликена в 1909-1911 гг. и А. Ф. Иоффе в 1911-1913 гг.

  Современное значение е: e = ≈ 1,6021892 ± 0,0000046 ×10 -19 Кл в системе СИ (и 4,803242±0,000014×10 -10 ед. СГСЭ в системе СГС). Элементарный электрический заряд тесно связан с , описывающей электромагнитное взаимодействие.

  Квантование электрического заряда

  Каждый наблюдаемый в эксперименте электрический заряд постоянно кратен элементарному. Это предположение было высказано Б. Франклином в 1752 г. и неоднократно проверялось экспериментально. Элементарный заряд был вычислен в 1834 г. М. Фарадеем.

  Так как электрический заряд встречается в природе только в виде целого числа элементарных зарядов, можно говорить о квантовании электрического заряда . В классической электродинамике вопрос о причинах квантования заряда не обсуждается, т.к. заряд является внешним параметром, а не динамической переменной. Общепринятого объяснения, почему заряд обязан квантоваться, пока нет, хотя имеются некоторые заключения:

  • Если в природе существует магнитный монополь, то согласно квантовой механике, его магнитный заряд обязан находиться в определённом соотношении с зарядом любой выбранной элементарной частицы . Отсюда автоматически следует, что одно только существование магнитного монополя влечёт за собой квантование заряда. Дело лишь за малым: обнаружить в природе магнитный монополь.
  • В современной физике элементарных частиц идут поиски модели наподобие , в которой все известные фундаментальные частицы оказывались бы простыми комбинациями новых, ещё более фундаментальных частиц. В этом случае квантование заряда наблюдаемых частиц было бы следствием свойств этих фундаментальных частиц.
  • Не исключено также, что все параметры наблюдающихся частиц будут описаны в рамках единой теории поля, подходы к которой разрабатываются в настоящее время. В такой теории величина электрического заряда частиц должна вычисляться из малого числа фундаментальных параметров, возможно связанных со структурой пространства-времени на сверхмалых расстояниях. Если такая теория будет построена, тогда то, что мы наблюдаем как элементарный электрический заряд, окажется некоторым дискретным инвариантом пространства-времени. Тем не менее, конкретных общепринятых результатов в этом направлении пока не получено.
  • В постоянство заряда электрона связывается с происхождением электронов при бета-распаде нейтронов, когда одновременно возникают протоны и электроны с одинаковым по модулю электрическим зарядом. В таком случае значение заряда электрона вытекает из квантованности свойств нейтрона и обусловлено закономерностями бета-распада.

  Дробный электрический заряд

  С открытием стало понятно, что элементарные частицы могут обладать дробным электрическим зарядом, например, 1/3 и 2/3 от значения элементарного заряда. Однако частицы, подобные кваркам, существуют только в связанных состояниях (конфайнмент). Таким образом, все известные свободные частицы имеют электрический заряд, кратный элементарному, хотя в некоторых экспериментах наблюдалось рассеяние на частицах с появлением дробного заряда.

  Неоднократные поиски свободных объектов с дробным электрическим зарядом, проводимые различными методиками в течение длительного времени, не дали результата.

  Раздел очень прост в использовании. В предложенное поле достаточно ввести нужное слово, и мы вам выдадим список его значений. Хочется отметить, что наш сайт предоставляет данные из разных источников – энциклопедического, толкового, словообразовательного словарей. Также здесь можно познакомиться с примерами употребления введенного вами слова.

  Найти

  Что значит "элементарный электрический заряд"

  Энциклопедический словарь, 1998 г.

  элементарный электрический заряд

  ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД (е) минимальный электрический заряд, положительный или отрицательный, величина которого е ~ 4,8·10-10 единиц СГСЭ, или 1,6·10-19 Кл. Почти все заряженные элементарные частицы имеют заряд е или -е (исключение некоторые резонансы с зарядом, кратным е); частицы с дробными электрическими зарядами не наблюдались, однако в современной теории сильного взаимодействия - квантовой хромодинамике предполагается существование частиц с зарядами, кратными 1/3 е (кварков).

  Элементарный электрический заряд

  е, наименьший электрический заряд , известный в природе. На существование Э. э. з. впервые с определённостью указал в 1874 английский учёный Дж. Стони. Его гипотеза вытекала из установленных М. Фарадеем (1833≈34) законов электролиза (см. Фарадея законы). В 1881 Стони впервые вычислил величину электрич. заряда одновалентного иона, равную е = F/NA, где F ≈ Фарадея число, NA ≈ Авогадро число. В 1911 величина Э. э. з. была установлена прямыми измерениями Р. Милликена. Современное значение е:

  е = (4,803242╠0,000014) 10-10 ед. СГСЭ = (1,6021892 ╠ 0,0000046) 10-19к.

  Величина Э. э. з. является константой электромагнитных взаимодействий и входит во все уравнения микроскопической электродинамики. Э. э. з. в точности равен величине электрического заряда электрона, протона и почти всех других заряженных элементарных частиц, которые тем самым являются материальными носителями наименьшего заряда в природе. Э. э. з. не может быть уничтожен; этот факт составляет содержание закона сохранения электрического заряда на микроскопическом уровне. Существует положительный и отрицательный Э. э. з., причём элементарная частица и её античастица имеют заряды противоположных знаков. Электрический заряд любой микросистемы и макроскопических тел всегда равен целому кратному от величины е (или нулю). Причина такого «квантования» заряда не установлена. Одна из гипотез основана на существовании монополей Дирака (см. Магнитный монополь). С 60-х гг. широко обсуждается гипотеза о существовании частиц с дробными электрическими зарядами ≈ кварков (см. Элементарные частицы).