У цій статті на основі ефіродинамічної сутності електричного заряду та структур елементарних частинок наводиться розрахунок величин електричних зарядів протона, електрона та фотона.

Хибне знання небезпечніше за невігластво
Дж. Б. Шоу

Вступ.У сучасній фізиці електричний заряд є однією з найважливіших характеристик та невід'ємною властивістю елементарних частинок. З фізичної сутності електричного заряду, визначеної на основі ефіродинамічної концепції, випливає ряд властивостей, таких як пропорційність величини електричного заряду масі його носія; електричний заряд не квантується, а переноситься квантами (частинками); величина електричного заряду знаковизначена, тобто завжди позитивна; які накладають суттєві обмеження на природу елементарних частинок. А саме: у природі не існує елементарних частинок, які не мають електричного заряду; величина електричного заряду елементарних частинок величина позитивна і більша за нуль. З фізичної сутності величина електричного заряду визначається масою, швидкістю потоку ефіру, що становить структуру елементарної частки та його геометричними параметрами. Фізична сутність електричного заряду ( електричний заряд це міра потоку ефіру) однозначно визначає ефіродинамічну модель елементарних частинок, тим самим знімаючи питання структури елементарних частинок з одного боку і вказує на неспроможність стандартної, кваркової та інших моделей елементарних частинок з іншого.

Розмір електричного заряду також визначає інтенсивність електромагнітної взаємодії елементарних частинок. За допомогою електромагнітної взаємодії здійснюється взаємодія протонів та електронів в атомах та молекулах. Тим самим електромагнітна взаємодія визначає можливість сталого стану таких мікроскопічних систем. Розміри їх істотно визначаються величиною електричних зарядів електрона і протона.

Помилкове трактування сучасною фізикою властивостей, таких як існування позитивного і негативного, елементарного, дискретного, квантованого електричного заряду і т. д., некоректна інтерпретація експериментів з вимірювання величини електричного заряду привели до низки грубих помилок у фізиці елементарних частинок заряд фотона, існування нейтрино, рівність за абсолютною величиною електричних зарядів протона та елементарного електрона).

З вище викладеного випливає, що електричний заряд елементарних частинок у сучасній фізиці має визначальне значення у розумінні основ мікросвіту та вимагає виваженої та обґрунтованої оцінки їх величин.

У природних умовах протони та електрони знаходяться у зв'язаному стані, утворюючи протон-електронні пари. Нерозуміння цієї обставини, і навіть хибне уявлення, що заряди електрона і протона рівні по абсолютній величині елементарному, залишили сучасну фізику без відповіді питання: яка реальна величина електричних зарядів протона, електрона і фотона?

Електричний заряд протона та електрона.У природному стані протон-електронна пара існує як хімічного елемента атома водню. Відповідно до теорії: “Атом водню є структурною одиницею речовини, що не зводиться, очолює періодичну таблицю Менделєєва. У цьому плані радіус атома водню слід зарахувати до категорії фундаментальних констант. …Радіус Бора, що розраховується, дорівнює = 0,529 Å. Це важливо, оскільки прямих методів виміру радіусу атома водню немає. …радіус по Бору – це радіус кола кругової орбіти електрона, і його визначено у повній відповідності до загальноприйнятим розумінням терміну «радіус».”

Відомо також, що вимірювання радіусу протона здійснювалися за допомогою атомів звичайного водню, які призвели (CODATA -2014) до результату 0,8751 ± 0,0061 фемтометра (1 фм = 10 -15 м).

Для оцінки величини електричного заряду протона (електрона) використовуємо загальний вираз електричного заряду:

q = (1/ k) 1/2 u r (ρ S) 1/2 , (1)

де k = 1 / 4πε 0 – коефіцієнт пропорційності виразу закону Кулона,

ε0 ≈ 8,85418781762039·10 −12 Ф·м −1 – електрична постійна; u – швидкість, ρ – щільність потоку ефіру; S – перетин тіла протону (електрону).

Перетворимо вираз (1) наступним чином

q = (1/ k) 1/2 u r (mS/ V) 1/2 ,

де V = r S – об'єм тіла, m — маса елементарної частки.

Протон і електрон – це дуетони: — структура, що складається з двох тороподібних тіл, з'єднаних бічними поверхнями торів, симетрична щодо площини поділу, тому

q = (1/ k) 1/2 u r (m2 S T/2 V T) 1/2 ,

де S T- переріз, r- Довжина, V T = r SТ- Обсяг тора.

q = (1/ k) 1/2 u r (mS T/ V T) 1/2 ,

q = (1/k) 1/2 u r (mS T /rS T) 1/2 ,

q = (1/ k) 1/2 u (mr) 1/2 . (2)

Вираз (2) є модифікацією виразу (1) для електричного заряду протона (електрона).

Нехай R 2 = 0.2 R 1 , де R 1 - Зовнішній, а R 2 - Внутрішній радіуси тора.

r= 2π 0.6 R 1 ,

відповідно електричний заряд протона та електрона

q = ( 1/ k) 1/2 u (m 2π 0.6 R 1 ) 1/2 ,

q= (2π 0.6 / k) 1/2 u (m R 1 ) 1/2 ,

q= 2π ( 1.2 ε 0 ) 1/2 u (m R 1 ) 1/2

q = 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u (m R 1 ) 1/2 (3)

Вираз (3) є формою вираження величини електричного заряду для протона і електрона.

При u = 3∙10 8 м / с – друга звукова швидкість ефіру, вираз 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u = 2.19 π( 8,85418781762·10 −12 Ф/м ) 1/2 3∙10 8 м / з = 0,6142∙ 10 4 м 1/2 Ф 1/2 з -1.

Припустимо, що радіус протона (електрона) у наведеній вище структурі це радіус R 1 .

Для протона відомо, що m р = 1,672 10 -27 кг, R 1 = r р = 0,8751 10 -15 м, тоді

qр = 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u (m R 1 ) 1/2 = 0,6142∙10 4 [м 1/2 Ф 1/2 з -1] ∙ (1,672∙10 -27 [кг] ∙

0,8751∙10 -15 [м]) 1/2 = 0,743∙10 -17 Кл.

Таким чином, електричний заряд протону qр= 0,743 ∙10 -17 Кл.

Для електрона відомо, що m е = 0,911∙10 -31 кг. Для визначення радіусу електрона, при припущенні, що структура електрона подібна до структури протона, а щільність потоку ефіру в тілі електрона також дорівнює щільності потоку ефіру в тілі протона, використовуємо відоме співвідношення між масами протона і електрона, яке дорівнює

m р / m е = 1836,15.

Тоді r р / r е = (m р / m е) 1/3 = 1836,15 1/3 = 12,245, тобто r е = r р / 12,245.

Підставляючи дані для електрона у вираз (3) отримаємо

q е = 0,6142∙10 4 [м 1/2 Ф 1/2 /c] ∙ (0,911∙10 -31 [ кг] 0,8751∙10 -15 [м]/12,245) 1/2 =

0,157∙10 -19 Кл.

Таким чином, електричний заряд електрона qе = 0,157∙10 -19 Кл.

Питомий заряд протону

q р / m р = 0,743 · 10 -17 [Кл] / 1,672 · 10 -27 [кг] = 0,444 · 10 10 Кл / кг.

Питомий заряд електрона

q е/m е = 0,157∙10 -19 [Кл] /0,911∙10 -31 [кг] = 0,172∙10 12 Кл/кг.

Отримані значення електричних зарядів протона та електрона є оцінними та не мають фундаментального статусу. Це зумовлено тим, що геометричні та фізичні параметри протону та електрона у протон-електронній парі взаємозалежні та визначаються місцем розташування протон-електронної пари в атомі речовини та регулюються законом збереження моменту кількості обертання. При зміні радіусу орбіти руху електрона змінюються відповідно маса протона і електрона і, відповідно, швидкості обертання навколо осі обертання. Оскільки електричний заряд пропорційний масі, зміна маси протона чи електрона, відповідно, призведе до зміни їх електричних зарядів.

Таким чином, у всіх атомах речовини, електричні заряди протонів та електронів відрізняються один від одного і мають своє конкретне значення, однак у першому наближенні їх значення можна оцінювати як значення електричного заряду протона та електрона атома водню, визначеного вище. Крім того, ця обставина вказує на те, що електричний заряд атома речовини є його унікальною характеристикою, яка може бути використана для його ідентифікації.

Знаючи величини електричних зарядів протона та електрона для атома водню, можна оцінити електромагнітні сили, що забезпечують стійкість атома водню.

Відповідно до модифікованого закону Кулона електрична сила тяжіння Fпрбуде рівна

Fпр = k (q 1 - q 2) 2 / r 2 ,при q 1 ≠ q 2 ,

де q1 – електричний заряд протона, q2 – електричний заряд електрона, r – радіус атома.

Fпр =(1/4πε 0)(q 1 — q 2) 2 / r 2 = (1/4π 8,85418781762039·10 −12 Ф·м −1) ·

• (0,743∙10 -17 Кл - 0,157∙10 -19 Кл) 2 /(5,2917720859·10 −11 ) 2 = 0,1763·10 -3 Н.

В атомі водню на електрон діє електрична (кулонівська) сила тяжіння рівна 0,1763·10 -3 Н. Оскільки атом водню перебуває у стійкому стані, то магнітна сила відштовхування також дорівнює 0,1763·10 -3 Н. Для порівняння вся наукова і навчально-методична література наводять розрахунок сили електричної взаємодії, наприклад, що дає результат 0,923 · 10 -7 Н. Наведений у літературі розрахунок некоректний, оскільки ґрунтується на помилках, розглянутих вище.

Сучасна фізика стверджує, що мінімальна енергія, необхідна для виривання електрона з атома, називається енергією іонізації або енергією зв'язку, яка для атома водню дорівнює 136 еВ. Оцінимо енергію зв'язку протона та електрона в атомі водню на основі отриманих значень електричного заряду протона та електрона.

Є св. = F пр?

Енергія зв'язку протона та електрона в атомі водню дорівнює 58,271 КэВ.

Отриманий результат вказує на некоректність поняття енергії іонізації та помилковість другого постулату Бора: випромінювання світла відбувається при переході електрона із стаціонарного стану з більшою енергією в стаціонарний стан із меншою енергією. Енергія випромінюваного фотона дорівнює різниці енергій стаціонарних станів”.У процесі збудження протон-електронної пари під впливом зовнішніх факторів електрон зміщується (видаляється) від протона на деяку величину, максимальне значення якої визначається енергією іонізації. Після генерації фотонів протон-електронною парою електрон повертається на колишню орбіту.

Оцінимо величину максимального усунення електрона при збудженні атома водню деяким зовнішнім фактором енергією 13,6 еВ.

Радіус атома водню дорівнюватиме 5,29523·10 −11 , т. е. збільшиться орієнтовно на 0,065%.

Електричний заряд фотона.Відповідно до ефіродинамічної концепції фотон це : елементарна частка, що являє собою замкнутий тороїдальний вихор ущільненого ефіру з кільцевим рухом тора (як колеса) і гвинтовим рухом всередині нього, що здійснює поступально-циклоїдальний рух (по гвинтовій траєкторії), обумовлений гіроскопічними моментами власного обертання та обертання по круговій траєкторії .

Виходячи зі структури фотона, як тороїдального вихрового тіла, що рухається по гвинтовій траєкторії, де r γ λ зовнішній радіус, m γ λ - маса, ω γ λ - власна частота обертання, електричний заряд фотона може бути представлений наступним чином.

Для спрощення розрахунків приймемо довжину потоку ефіру в тілі фотона r =2π r γ λ ,

u = ω γ r γ λ , r 0 λ = 0.2 r γ λ — радіус перерізу тіла фотона.

q γ λ = (1/k) 1/2 ω γ r γ 2πr γ λ (m λ /V · V/2πr γ λ) 1/2 = (1/k) 1/2 ω γ r r γ λ (m λ 2πr γ λ) 1/2 =

= (4πε 0) 1/2 ω γ λ r γ λ (m λ 2πr γ λ) 1/2 = 2π(2ε 0) 1/2 ω γ λ (m λ r 3 γ λ) 1/2 ,

q γ λ = 2 π (2 ε 0 ) 1/2 ω γ λ (m λ r 3 γ λ ) 1/2 . (4)

Вираз (4) представляє власний електричний заряд фотона без урахування руху кругової траєкторії. Параметри ε 0 m λ r γ λ це квазіпостійні, тобто. змінні, значення яких змінюються незначно (частки %) у всій галузі існування фотону (від інфрачервоного до гамма). Це означає, що власний електричний заряд фотона це функція від частоти обертання навколо осі. Як показано в роботі відношення частот гамма фотона γ λ Г до фотону інфрачервоного діапазону ω γ І становить порядку ω γ λ Г /ω γ λ І ≈ 1000, відповідно змінюється і величина власного електричного заряду фотона. У сучасних умовах ця величина не може бути виміряна, тому має лише теоретичне значення.

Згідно з визначенням фотона, він має складний гвинтовий рух, який можна розкласти на рух по круговій траєкторії та прямолінійний. Для оцінки повної величини електричного заряду фотона необхідно враховувати рух кругової траєкторії. В цьому випадку власний електричний заряд фотона виявляється розподіленим за цією круговою траєкторією. Враховуючи періодичність руху, у якого крок гвинтової траєкторії трактується як довжина хвилі фотона, можна говорити про залежність величини повного заряду електричного фотона від його довжини хвилі.

З фізичної сутності електричного заряду випливає пропорційність величини електричного заряду його масі, отже його обсягу. Таким чином, власний електричний заряд фотона пропорційний власному об'єму тіла фотона (V γ λ). Аналогічно, повний електричний заряд фотона з урахуванням руху кругової траєкторії буде пропорційний обсягу (V λ), який сформує фотон, що рухається кругової траєкторії.

q λ = q ?

q λ = q γ λ R λ / L 2 r γ λ . (5)

де L = r 0γλ /r γλ — параметр структури фотона, рівний відношенню радіуса перерізу до зовнішнього радіусу тіла фотона (≈ 0,2), V Т = 2π 2 R r 2 – об'єм тора , R - радіус кола обертання утворює кола тора; r - радіус утворює кола тора.

q λ = q γ λ R λ / L 2 r γ λ = 2π(2ε 0) 1/2 ω γ λ (m λ r 3 γ λ) 1/2 R λ / L 2 r γ λ ,

q λ = 2 π (2 ε 0 ) 1/2 ω γ λ (m λ r γ λ ) 1/2 R λ / L 2 . (6)

Вираз (6) є повним електричним зарядом фотона. Зважаючи на залежність повного електричного заряду від геометричних параметрів фотона, значення яких в даний час відомі з великою похибкою, отримати точне значення величини електричного заряду розрахунковим шляхом неможливо. Однак його оцінка дозволяє зробити низку суттєвих теоретичних та практичних висновків.

Для даних із роботи, тобто. при λ = 225 нм, ω γ λ ≈ 6,6641·10 30 об/с,

m λ≈ 10 -40 кг, r γ λ ≈ 10 -20 м, R λ ≈ 0,179·10 -16 м, L≈ 0,2, отримаємо величину повного електричного заряду фотона:

q λ = 0, 786137 · 10 -19 Кл.

Отримане значення повного електричного заряду фотона довжиною хвилі 225 нм добре узгоджується з величиною виміряної Р. Міллікеном (1,592 · 10 -19 Кл) , яка стала фундаментальною постійною, з урахуванням того, що його значення відповідає електричному заряду двох фотонів. Подвоєне значення розрахованого електричного заряду фотона:

2q λ = 1,57227 · 10 -19 Кл,

у Міжнародній системі одиниць (СІ) елементарний електричний заряд дорівнює 1,602 176 6208(98)·10 −19 Кл . Подвоєне значення елементарного електричного заряду обумовлено тим, що протон-електронна пара, через свою симетрію, завжди генерує два фотони. Ця обставина експериментально підтверджується існуванням такого процесу, як анігіляція електрон – позитронної пари, тобто. в процесі взаємознищення електрона та позитрону встигають згенеруватися два фотони, а також існуванням таких відомих приладів, як фотоелектронні помножувачі та лазери.

Висновки.Отже, у цій роботі показано, що електричний заряд є фундаментальною властивістю природи, яка відіграє важливу роль у розумінні сутності елементарних частинок, атомів та інших структур мікросвіту.

Ефіродинамічна сутність електричного заряду дозволяє дати обґрунтування інтерпретації структур, властивостей та параметрів елементарних частинок, що відрізняються від відомих сучасній фізиці.

На основі ефіродинамічної моделі атома водню та фізичної сутності електричного заряду дано розрахункові оцінки електричних зарядів протона, електрона та фотона.

Дані для протона і електрона, через відсутність експериментального підтвердження на даний момент, мають теоретичний характер, проте з урахуванням похибки можуть бути використані як у теорії, так і на практиці.

Дані для фотона добре узгоджуються з результатами відомих експериментів вимірювання величини електричного заряду і обґрунтовують помилкове представлення елементарного електричного заряду.

Література:

1. Лямін Ст С., Лямін Д. Ст Фізична сутність електричного заряду.
2. Кастерін Н. П. Узагальнення основних рівнянь аеродинаміки та електродинаміки
   (Аеродинамічна частина). Проблеми фізичної гідродинаміки/Збірник статей за ред. академіка АН БРСР О.В. Ликова. – Мінськ: Інститут тепло- та масообміну АН БРСР, 1971, с. 268 - 308.
3. Ацюковський В.А. Загальна ефіродинаміка. Моделювання структур речовини та полів на основі уявлень про газоподібний ефір. Видання друге. М.: Вища школа, 2003. 584 с.
4. Ємельянов В. М. Стандартна модель та її розширення. – К.: Фізматліт, 2007. – 584 с.
5. Клоуз Ф. Введення в кварки та партони. - М: Світ, 1982. - 438 с.
6. Ахієзер А І, Рекало М П «Електричний заряд елементарних частинок» УФН 114487-508 (1974).
.
7. Фізична енциклопедія. У 5-ти томах. - М: Радянська енциклопедія. Головний редактор А. М. Прохоров. 1988.

Лямін В.С. , Лямін Д. В. м. Львів

Розділ 9. Елементарні заряди. Електрон та протон

§ 9.1. Електромагнітна маса та заряд. Питання про сутність заряду

У розділі 5 ми з'ясували механізм виникнення інерції, пояснили, що таке «інерційна маса» і які електричні явища та властивості елементарних зарядів визначають її. У розділі 7 ми проробили те саме для явища тяжіння і «гравітаційної маси». З'ясувалося, як і інерцію і тяжіння тіл визначають геометричний розмір елементарних частинок та його заряд . Оскільки геометричний розмір є поняття звичне, то в основі таких фундаментальних явищ, як інерція та гравітація, виявляється лише одна маловивчена сутність - «заряд». Досі поняття «заряд» є загадковим та майже містичним. Спочатку вчені мали справу з макроскопічними зарядами, тобто. зарядами макроскопічних тіл. На початку вивчення електрики в науці використовувалися уявлення про незримі «електричні рідини», надлишок або недолік яких і призводить до електризації тіл. Довгий час суперечки йшли лише про те, чи це одна рідина або їх дві: позитивна і негативна. Потім з'ясували, що є «елементарні» носії заряду електрони і іонізовані атоми, тобто. атоми з надлишковим електроном, або недостатнім електроном. Ще пізніше були виявлені «найпростіші» носії позитивного заряду - протони. Потім з'ясувалося, що «елементарних» часток багато і багато з них мають електричний заряд, причому за величиною цей заряд завжди

кратний деякої мінімальної виявляється порції заряду q 0 ≈ 1.602 10-19 Кл. Ця

порція і названа була "елементарним зарядом". Заряд визначає міру участі тіла в електричних взаємодіях і, зокрема, електростатичних взаємодіях. На сьогоднішній день зрозумілих пояснень, що таке елементарний заряд немає. Будь-які міркування щодо того, що заряд складається з інших зарядів (наприклад, кварків з дробовими величинами зарядів), це пояснення, а схоластичне «замилювання» питання.

Спробуймо подумати про заряди самі, користуючись тим, що ми вже встановили раніше. Згадаймо, що головний закон, встановлений для зарядів, є закон Кулона: сила взаємодії між двома зарядженими тілами прямо пропорційна добутку величин їх зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Виходить, що якщо ми виведемо закон Кулона з якихось конкретних вже вивчених фізичних механізмів, то зробимо крок у розумінні сутності зарядів. Ми вже говорили про те, що елементарні заряди щодо взаємодії із зовнішнім світом цілком визначаються своїм електричним полем: його структурою і його рухом. І казали, що після пояснення інерції та гравітації в елементарних зарядах нічого, крім електричного поля, що рухається, і не залишилося. А електричне поле є не що інше, як обурені стани вакууму, ефіру, пленуму. Ну, так будемо ж послідовні і спробуємо звести електрон і його заряд до поля, що рухається! Ми вже здогадалися в розділі 5, що протон повністю подібний до електрона, за винятком знака заряду і геометричного розміру. Якщо, звівши електрон до поля, що рухається, ми побачимо, що ми можемо пояснити і знак заряду і незалежність кількості заряду частинок від розміру, то наше завдання буде виконано, хоча б у першому наближенні.

§ 9.2. Дивні струми та дивні хвилі. Плоский електрон

Для початку розглянемо вкрай спрощену модельну ситуацію (рис. 9.1) кільцевого заряду, що рухається круговою траєкторією радіуса r 0 . І нехай він загалом

електронейтральний, тобто. у його центрі розміщено протилежний за знаком заряд. Це так званий "плоский електрон". Ми не стверджуємо, що реальний електрон саме такий, ми лише намагаємося поки зрозуміти, чи можна отримати електрично нейтральний об'єкт, еквівалентний вільному елементарному заряду в плоскому двовимірному випадку. Спробуємо створити наш заряд із зв'язаних зарядів ефіру (вакууму, пленуму). Нехай, для певності, заряд кільця негативний, а рух кільця відбувається за годинниковою стрілкою (рис. 9.1). І тут струм I t тече проти годинникової стрілки. Виділимо малий

елемент кільцевого заряду dq і припишемо йому малу довжину dl. Очевидно, що кожен момент часу елемент dq рухається з тангенціальною швидкістю v t і нормальним прискоренням a n . З таким рухом ми можемо порівнювати повний струм елемента dI –

Векторну величину. Цю величину можна уявити як постійний за величиною тангенціальний струм dI t , що постійно «повертає» свій напрямок з плином

часу, тобто прискорений. Тобто має нормальне прискорення dI& n. Труднощі

подальшого розгляду пов'язана з тим, що досі у фізиці розглядалися переважно такі змінні струми, чиє прискорення лежало на одній прямій із напрямком самого струму. У цьому випадку ситуація інша: струм перпендикулярнийсвого прискорення. І що ж? Хіба це скасовує твердо встановлені раніше закони фізики?

Мал. 9.1. Кільцевий струм та його силова дія на пробний заряд

Так само як із самим елементарним струмом пов'язане його магнітне поле (відповідно до закону Біо-Савара-Лапласа), так і з прискоренням елементарного струму пов'язане електричне поле індукції, як показано нами в попередніх розділах. Ці поля мають силову дію F на зовнішній заряд q (рис. 9.1). Оскільки радіус r 0 кінцевий, то дії

елементарних струмів правої (за малюнком) половини кільця не можуть бути повністю компенсовані протилежною дією елементарних струмів лівої половини.

Таким чином, між кільцевим струмом I та зовнішнім пробним зарядом q повинно

виникати силова взаємодія.

В результаті ми отримали, що ми можемо умоглядно створити об'єкт, який загалом буде повністю електронейтральний за побудовою, але містити в собі кільцевий струм. Що ж таке кільцевий струм у вакуумі? Це струм усунення. Можна уявити його як круговий рух пов'язаних негативних (або навпаки - позитивних) зарядів вакууму при повному спокої оппозитних зарядів, розташованих

в центр. Можна уявити як спільний круговий рух позитивних і негативних пов'язаних зарядів, але з різними швидкостями, або з різних радіусів або

в різні сторони ... Зрештою як би ми не розглядали ситуацію, вона буде

зводитися до електричного поля E , що обертається, замкненого в колі . При цьому виникає магнітне поле B, пов'язане з тим, що течуть струми і додаткове, не обмежене кру гом електричне поле Eінд пов'язане з тим, що ці струмиприскорено.

Саме це ми спостерігаємо поблизу реальних елементарних зарядів (наприклад, електронів)! Ось наша феноменологія так званої електростатичної взаємодії. Не потрібно вільних зарядів (з дрібними або ще якимись величинами заряду), щоб побудувати електрон. Достатньо лише пов'язаних зарядів вакууму! Згадайте, що за сучасними уявленнями фотон також складається з електричного поля, що рухається, і в цілому електронейтральний. Якщо фотон «загнути» кільцем, то він з'явиться заряд, оскільки його електричне поле тепер рухатиметься не прямолінійно і рівномірно, а прискорено. Тепер зрозуміло, як утворюються заряди різних знаків: якщо поле E у «кільцевій моделі» (рис. 9.1) спрямоване від центру до периферії частки, то заряд одного знака, якщо навпаки – іншого. Якщо розімкнути електрон (або позитрон), то створимо фотон. Насправді через необхідність збереження моменту обертання, щоб перетворити заряд на фотон, треба взяти два протилежні заряди, звести докупи і отримати в результаті два електронейтральні фотони. Таке явище (реакція анігіляції) справді спостерігається в експериментах. Так ось що таке заряд – це момент обертання електричного поля! Далі ми спробуємо зайнятися формулами та розрахунками та отримати закон Кулона із законів індукції, доданих до випадку змінного струму усунення.

§ 9.3. Закон Кулона як наслідок закону індукції Фарадея

Покажемо, що у двовимірному (плоському) наближенні електрон в електростатичному сенсі еквівалентний круговому руху струму, який за величиною дорівнює струму заряду q 0 , що рухається радіусом r 0 зі швидкістю, що дорівнює швидкості світла c .

Для цього розіб'ємо повний круговий струм I (рис. 9.1) на елементарні струми Idl , обчислимо dE інд , що діють у точці знаходження пробного заряду q і проінтегруємо по кільцю.

Отже, струм, що тече в нашому випадку по кільцю, дорівнює:

(9.1) I = q0 v = q0c. 2 π r 0 2 π r 0

Оскільки цей струм є криволінійним, тобто прискореним, то він є

змінним:

де a - доцентрове прискорення, яке відчуває кожен елемент струму при русі по колу зі швидкістю c .

Підставляючи відоме з кінематики вираз для прискорення a = c 2 отримаємо: r 0

Зрозуміло, що похідна елемента струму виражатиметься формулою:

Як випливає із закону Біо-Савара-Лапласа, кожен елемент струму Idl створює в точці знаходження пробного заряду «елементарне» магнітне поле:

З глави 4 відомо, що змінне магнітне поле елементарного струму породжує електричне:

Тепер підставимо в цей вираз значення похідної елементарного кругового струму (9.4):

Залишається проінтегрувати ці елементарні напруженості електричного поля по контуру струму, тобто по dl , які ми виділили на колі:

Неважко бачити (рис. 9.1), що інтегрування по кутах дасть:

Відповідно, повне значення напруженості електричного поля індукції E інд від нашого криволінійного струму в точці знаходження пробного заряду буде рівним.

Якщо потерти скляну паличку об аркуш паперу, то паличка набуде здатності притягувати до себе листочки «султана» (див. рис. 1.1), пушинки, тонкі цівки води. При розчісуванні сухого волосся пластикової гребінцем волосся притягується до гребінця. У цих простих прикладах ми зустрічаємося з проявом сил, які отримали назву електричних.

Мал. 1.1. Притягування листочків «султана» наелектризованою скляною паличкою.

Тіла або частинки, що діють на навколишні предмети електричними силами, називають зарядженимиабо наелектризованими. Наприклад, згадана вище скляна паличка після того, як її потерти об аркуш паперу, стає наелектризованою.

Частинки мають електричний заряд, якщо вони взаємодіють один з одним за допомогою електричних сил. Електричні сили зменшуються із збільшенням відстані між частинками. Електричні сили багато разів перевищують сили всесвітнього тяжіння.

Електричний заряд– це фізична величина, що визначає інтенсивність електромагнітних взаємодій. Електромагнітні взаємодії – це взаємодії між зарядженими частинками чи тілами.

Електричні заряди поділяються на позитивні та негативні. Позитивним зарядом мають стабільні елементарні частинки - протониі позитрониа також іони атомів металів і т.д. Стабільними носіями негативного заряду є електроні антипротон.

Існують електрично незаряджені частинки, тобто нейтральні: нейтрон, нейтрино. У електричних взаємодіях ці частинки не беруть участь, оскільки їхній електричний заряд дорівнює нулю. Бувають частинки без заряду, але електричний заряд не існує без частки.

На склі, потертому об шовк, виникають позитивні заряди. На ебоніті, потертому про хутро – негативні заряди. Частинки відштовхуються при зарядах однакових знаків ( однойменні заряди), а при різних знаках ( різноіменні заряди) частинки притягуються.

Усі тіла складаються з атомів. Атоми складаються з позитивно зарядженого атомного ядра та негативно заряджених електронів, що рухаються довкола ядра атома. Атомне ядро ​​складається з позитивно заряджених протонів та нейтральних частинок – нейтронів. Заряди в атомі розподілені таким чином, що атом загалом є нейтральним, тобто сума позитивних та негативних зарядів в атомі дорівнює нулю.

Електрони та протони входять до складу будь-якої речовини та є найменшими стійкими елементарними частинками. Ці частки можуть необмежено довго існувати у вільному стані. Електричний заряд електрона та протона називається елементарним зарядом.

Елементарний заряд- Це мінімальний заряд, яким володіють усі заряджені елементарні частинки. Електричний заряд протона дорівнює по абсолютній величині заряду електрона:

Е = 1,6021892 (46) * 10 -19 Кл Величина будь-якого заряду кратна по абсолютній величині елементарного заряду, тобто заряд електрона. Електрон у перекладі з грецької electron – бурштин, протон – від грецької protos – перший, нейтрон від латинського neutrum – ні те, ні інше.

Провідники та діелектрики

Електричні заряди можуть рухатися. Речовини, в яких електричні заряди можуть вільно переміщатися, називаються провідниками. Хорошими провідниками є всі метали (провідники I роду), водні розчини солей та кислот – електроліти(провідники ІІ роду), а також розжарені гази та інші речовини. Тіло людини також є провідником. Провідники мають високу електропровідність, тобто добре проводять електричний струм.

Речовини, в яких електричні заряди не можуть вільно переміщатися, називаються діелектриками(Від англійської dielectric, від грецької dia – через, крізь та англійської electric – електричний). Ці речовини також називають ізоляторами. Електропровідність діелектриків дуже мала порівняно з металами. Хорошими ізоляторами є порцеляна, скло, бурштин, ебоніт, гума, шовк, гази при кімнатних температурах та інші речовини.

Поділ на провідники та ізолятори умовний, оскільки провідність залежить від різних факторів, у тому числі від температури. Наприклад, скло добре ізолює тільки в сухому повітрі і стає поганим ізолятором за великої вологості повітря.

Провідники та діелектрики відіграють величезну роль у сучасному застосуванні електрики.

Якщо ви знайомі з будовою атома, то, напевно, знаєте, що атом будь-якого елемента складається з трьох видів елементарних частинок: протонів, електронів, нейтронів. Протони у поєднанні з нейтронами утворюють атомне ядро ​​Оскільки заряд протона позитивний, атомне ядро ​​завжди заряджено позитивно. атомного ядра компенсується навколишнім хмарою інших елементарних частинок. Негативно заряджений електрон - це складова атома, яка стабілізує заряд протона. Залежно від того, яке оточує атомне ядро, елемент може бути електрично нейтральним (у разі рівності кількості протонів і електронів в атомі), або мати позитивний або негативний заряд (у разі нестачі або надлишку електронів, відповідно). Атом елемента, що несе на собі певний заряд, називається іоном.

Важливо пам'ятати, що числом протонів визначаються властивості елементів та його становище у періодичної таблиці їм. Д. І. Менделєєва. Нейтрони, що містяться в атомному ядрі, не мають заряду. Через те, що і протона співвідносні і практично рівні один одному, а маса електрона мізерно мала в порівнянні з ними (у 1836 разів менше то число нейтронів в ядрі атома відіграє дуже важливу роль, а саме: визначає стабільність системи та швидкість ядер.) нейтронів визначається ізотоп (різновид) елемента.

Однак через невідповідність мас заряджених частинок протони та електрони мають різні питомі заряди (ця величина визначається ставленням заряду елементарної частки до її маси). Внаслідок цього питомий заряд протона дорівнює 9,578756 (27) · 107 Кл / кг проти -1,758820088 (39) · 1011 у електрона. Через високе значення питомого заряду вільні протони що неспроможні існувати рідких середовищах: вони піддаються гідратації.

Маса та заряд протона - це конкретні величини, які вдалося встановити ще на початку минулого сторіччя. Хто ж із вчених зробив це - одне з найбільших - відкриття двадцятого століття? Ще в 1913 році Резерфорд, ґрунтуючись на тому, що маси всіх відомих хімічних елементів більші за масу атома водню в ціле число разів, припустив, що ядро ​​атома водню входить до ядра атома будь-якого елемента. Дещо пізніше Резерфорд провів досвід, в якому вивчав взаємодію ядер атома азоту з альфа-частинками. В результаті проведеного експерименту з ядра атома вилетіла частка, яку Резерфорд назвав "протон" (від грецького слова "протос" - перший) і припустив, що вона є ядром атома водню. Припущення було підтверджено експериментально в ході повторного проведення цього наукового досвіду в камері Вільсона.

Тим же Резерфордом у 1920 році було висловлено гіпотезу про існування в атомному ядрі частинки, маса якої дорівнює масі протона, але не несе на собі жодного електричного заряду. Однак самому Резерфорду виявити цю частинку не вдалося. Натомість у 1932 році його учень Чедвік експериментально довів існування в атомному ядрі нейтрону - частки, як і передбачав Резерфорд, що приблизно дорівнює масі протону. Виявити нейтрони було складніше, оскільки вони не мають електричного заряду і, відповідно, не вступають у взаємодію Космосу з іншими ядрами. Відсутністю заряду пояснюється така властивість нейтронів як дуже висока здатність, що проникає.

Протони та нейтрони пов'язані в атомному ядрі дуже сильною взаємодією. Зараз фізики сходяться на думці, що ці дві елементарні ядерні частинки дуже схожі одна на одну. Так, вони мають рівні спини і ядерні сили діють на них абсолютно однаково. Єдина відмінність - заряд протона позитивний, нейтрон взагалі немає заряду. Але оскільки електричний заряд у ядерних взаємодіях немає жодного значення, може розглядатися лише як якась мітка протона. Якщо ж позбавити протон електричного заряду, він втратить свою індивідуальність.

До початку 20 століття вчені вважали атом найдрібнішою неподільною часткою речовини, але це виявилося не так. Насправді, в центрі атома розташовується його ядро ​​з позитивно зарядженими протонами і нейтральними нейтронами, навколо ядра по орбіталям обертаються негативно заряджені електрони (дана модель атома була в 1911 році запропонована Е. Резерфордом). Примітно, що маси протонів і нейтронів практично рівні, а ось маса електрона приблизно в 2000 разів менша.

Хоча атом містить як позитивно заряджені частинки, і негативно, його заряд нейтральний, т.к., в атомі однакова кількість протонів і електронів, а різнозаряджені частинки нейтралізують одна одну.

Пізніше вчені з'ясували, що електрони і протони мають однакову величину заряду, що дорівнює 1,6 · 10 -19 Кл (Кл - кулон, одиниця електричного заряду в системі СІ).

Ніколи не замислювалися над питанням - яка кількість електронів відповідає заряду в 1 Кл?

1/(1,6·10 -19) = 6,25·10 18 електронів

Електрична сила

Електричні заряди впливають один на одного, що проявляється у вигляді електричної сили.

Якщо якесь тіло має надлишок електронів, воно матиме сумарний негативний електричний заряд, і навпаки - при дефіциті електронів, тіло матиме сумарний позитивний заряд.

За аналогією з магнітними силами, коли однойменно заряджені полюси відштовхуються, а різноіменно притягуються, електричні заряди поводяться аналогічним чином. Однак, у фізиці недостатньо говорити просто про полюсність електричного заряду, важливо його числове значення.

Щоб дізнатися про величину сили, що діє між зарядженими тілами, необхідно знати не тільки величину зарядів, а й відстань між ними. Раніше вже розглядалася сила всесвітнього тяжіння: F = (Gm 1 m 2)/R 2

• m 1 , m 2- Маси тіл;
• R- Відстань між центрами тіл;
• G = 6,67 · 10 -11 Нм 2 / кг- Універсальна гравітаційна постійна.

В результаті проведених лабораторних дослідів, фізики вивели аналогічну формулу для сили взаємодії електричних зарядів, яка отримала назву закон Кулону:

F = kq 1 q 2 /r 2

• q 1 , q 2 - заряди, що взаємодіють, виміряні в Кл;
• r – відстань між зарядами;
• k - коефіцієнт пропорційності ( СІ: k = 8,99 · 10 9 Нм 2 Кл 2; СДСЕ: k = 1).

• k=1/(4πε 0).
• ε 0 ≈8,85·10 -12 Кл 2 Н -1 м -2 - Постійна електрична.

Відповідно до закону Кулона, якщо два заряди мають однаковий знак, то діюча між ними сила F позитивна (заряди відштовхуються один від одного); якщо заряди мають протилежні знаки, сила, що діє, негативна (заряди притягуються один до одного).

Про те, наскільки величезним за силою є заряд 1 Кл, можна судити, використовуючи закон Кулона. Наприклад, якщо припустити, що два заряди, кожен в 1Кл рознести на відстань один від одного в 10 метрів, то вони будуть відштовхуватися один від одного з силою:

F = kq 1 q 2 /r 2 F = (8,99 · 10 9) · 1 · 1 / (10 2) = -8,99 · 10 7 Н

Це досить велика сила, приблизно співставна з масою 5600 тонн.

Давайте тепер за допомогою закону Кулона дізнаємося, з якою лінійною швидкістю обертається електрон в атомі водню, вважаючи, що він рухається круговою орбітою.

Електростатичну силу, що діє на електрон, за законом Кулона можна прирівняти до доцентрової сили:

F = kq 1 q 2 /r 2 = mv 2 /r

Враховуючи той факт, що маса електрона дорівнює 9,1 10 -31 кг, а радіус його орбіти = 5,29 10 -11 м, отримуємо значення 8,22 10 -8 Н.

Тепер можна знайти лінійну швидкість електрона:

8,22 · 10 -8 = (9,1 · 10 -31) v 2 / (5,29 · 10 -11) v = 2,19 · 10 6 м / с

Таким чином, електрон атома водню обертається навколо його центру зі швидкістю, що дорівнює приблизно 7,88 млн км/год.