Электричество. 
Электромагнетизм, оптика, квантовая физика

ПОСТОЯННОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

Закон сохранения заряда

Одной из характеристик элементарных частиц служит электрический заряд. Существуют два вида электрических зарядов. Принято одни заряды называть положительными, а другие — отрицательными. Заряд элементарной частицы может быть равен 0, + е или — е. Величина е = 1,602 • 10″ ¹⁹ Кл есть так называемый элементарный электрический заряд. Если заряд частицы равен нулю, то ее называют нейтральной. В противном случае частицу называют заряженной. Например, электрон е" считается отрицательно заряженной элементарной частицей: его заряд равен —е. В состав атомного ядра входят элементарные частицы, называемые нуклонами. К нуклонам относятся протоны и нейтроны. Протон р имеет заряд + е. Нейтрон п является нейтральной частицей. Таким образом, ядро атома имеет положительный заряд +Ze, где Z — число содержащихся в нем протонов.

Атом состоит из одного ядра и нескольких вращающихся вокруг него электронов. Число электронов в атоме равно числу Z протонов в ядре. По определению заряд системы частиц равен алгебраической сумме электрических зарядов этих частиц. Поэтому атом в целом является нейтральным.

В некоторых случаях при столкновении атома А с какой-либо другой частицей В (это может быть, например, электрон, фотон или другой атом) от атома могут отделиться один или несколько (п) электронов. Этот процесс называется ионизацией атома. Образовавшуюся при этом частицу называют положительным ионом, или n-кратно ионизованным атомом. Заряд положительного иона равенf пе. Например, при отрыве от атома А одного электрона е" образуется ион А⁺ с зарядом +е:

А + Д^А⁺ + е- + Я.

При столкновении иона Л⁺ с электроном е" может вновь образоваться нейтральный атом:

Этот процесс называется рекомбинацией.

Иногда нейтральный атом может захватить электрон. При этом образуется частица А~, называемая отрицательным ионом:

Любое тело (система частиц вещества) состоит в основном из атомов, ионов и отдельных электронов. Поэтому электрический заряд тела равен сумме зарядов ионов и электронов. Если в этой сумме будет преобладать заряд положительных ионов, то заряд тела будет положительным. Если же суммарный заряд отрицательных ионов и отдельных электронов будет по величине больше заряда положительных ионов, то тело будет заряжено отрицательно.

Входящие в состав рассматриваемой системы частицы могут активно взаимодействовать между собой. Следствием этих взаимодействий могут быть химические реакции, ионизация, рекомбинация и другие процессы, в результате которых изменяется состав частиц. Элементарные частицы участвуют в процессах взаимного превращения одних частиц в другие. Например, фотон высокой энергии (7-квант) в электрическом поле атомного ядра или электрона может превратиться сразу в две заряженные частицы: электрон е~ и позитрон е⁺ (заряд позитрона равен + е). Этот процесс называют рождением электронно-позитронной пары и условно записывают так:

При столкновении электрона и позитрона происходит их взаимное уничтожение (аннигиляция) и образование двух 7-квантов:

При ионизации, рекомбинации, рождении и аннигиляции электроннопозитронной пары, а также, как показывает опыт, и в любых других элементарных процессах выполняется закон сохранения электрического заряда, согласно которому полный (суммарный) заряд частиц, вступающих во взаимодействие, равен заряду частиц, образовавшихся в результате этого взаимодействия.

Система называется электрически изолированной, если через поверхность, которая ее ограничивает, не переносятся заряженные частицы.

Следствием закона сохранения заряда в элементарных процессах является закон сохранения заряда электрически изолированной системы: полный заряд Q электрически изолированной системы со временем не изменяется. В системе могут протекать различные процессы с участием заряженных частиц. Эти частицы могут перемещаться в пространстве под действием различных сил. Но, если система является электрически изолированной, то ее заряд со временем не изменяется:

где Qi и Qj — заряды частиц, входящих в состав системы в различные моменты времени t и <2;

Единицей заряда в СИ служит кулон (Кл). Эта единица выражается через единицу силы тока ампер и секунду, которые являются основными в СИ: [Q] = Кл = А с.

Заряженные частицы создают в пространстве вокруг себя особый вид материи — электрическое поле. Посредством этого поля заряды взаимодействуют друг с другом. Электрическое поле, создаваемое одним зарядом или системой зарядов, можно обнаружить по его действию на другой заряд, который называют пробным.

Раздел физики, в котором предметом изучения является создаваемое неподвижными зарядами постоянное электрическое поле, называется электростатикой.