Электр заряды. Зарядтың беттік және көлемдік тығыздығы. Зарядтың сақталу заңы. Кулон заңы. Физика, 10 сынып, қосымша материал 2.

Электростатика

Электр заряды – бөлшектер мен денелердің сыртқы электромагниттік өріспен өзара әсерін, сондай-ақ олардың электрмагниттік өрістерінің өзара байланысын анықтайтын негізгі сипаттамалардың бірі.

Электр заряды 2 түрге ажыратылады және ол шартты түрде оң заряд және теріс заряд деп аталады. Аттас зарядтар бірін-бірі тебеді, ал әр аттас зарядтар бірін-бірі тартады. Дененің электр заряды оның құрамына енетін барлық бөлшектің Электр зарядының алгебр. қосындысына тең. Электр заряды дискретті, яғни барлық бөлшектер мен денелердің электр заряды еселі болып келетін ең кіші элементар электр заряды болады. Оқшауланған электр жүйесінде зарядтың сақталу заңы орындалады. Қозғалмайтын электр зарядының арасындағы өзара әсер Кулон заңымен, ал электр заряды және оның эл.-магн. өрісінің арасындағы байланыс Максвелл теңдеуімен сипатталады. Заттағы өрісті қарастырған кезде электр заряды еркін заряд және байланысқан заряд болып ажыратылады. Электр зарядының бірліктердің халықаралық жүйесіндегі (СИ) өлшеу бірлігі – кулон (к).

Кулон заңы — екі нүктелік электрикалық зарядтардың өзара әсерін сиппаттайтын заң. Тыныштықтағы екі нүктелік зарядталған денелердің өзара әсерлесу заңы бүкіл әлемдік заңға ұқсас деген пікірлер ХVIII-ғасырдың ортасында туа бастады. Осы пікірдің дұрыстығын 1785 жылы француз ғалымы Ш.Кулон дәлелдеді. Кулон заңы бойынша

Кулон заңы вакуумде

Кулон заңы белгілі бір ортада

Зарядтардың беттік тығыздығы

Электр зарядының сақталу заңы

Зарядтың сақталу заңы – кез келген тұйық жүйенің (электрлік оқшауланған) электр зарядтарының алгебралық қосындысының өзгермейтіндігі (сол жүйе ішінде қандай да бір процестер жүрсе де) туралы табиғаттың іргелі дәл заңдарының бірі. Ол 18 ғ-да дәлелденген. Теріс электр зарядын тасушы электронның және электр зарядының шамасы электрон зарядына тең оң электр зарядты протонның ашылуы, электр зарядтарының өздігінше емес, бөлшектермен байланыста өмір сүретіндігін дәлелдеді (заряд бөлшектердің ішкі қасиеті болып саналады). Кейінірек электр заряды шамасы жөнінен электрон зарядына тең оң не теріс зарядты элементар бөлшектер ашылды. Сонымен, электр заряды дискретті: кез келген дененің заряды элементар электр зарядына еселі болып келеді. Әрбір бөлшектің өзіне тән белгілі бір электр заряды болатындықтан, бөлшектердің бір-біріне түрлену процесі болмаған жағдайда, зарядтың сақталу заңын бөлшектер саны сақталуының салдары ретінде қарастыруға болады. Мысалы, макроскопиялық дене зарядталған кезде зарядты бөлшектер саны өзгермейді, тек зарядтардың кеңістікте қайтадан тарала орналасуы өзгереді: зарядтар бір денеден басқа бір денеге ауысады.

Бөлшектерге бір-біріне түрлену процесі тән – элементар бөлшектер физикасында бір бөлшек жоғалады, бір бөлшек жаңадан пайда болады. Бұл жағдайда да зарядтың сақталу заңы қатаң сақталады, яғни бөлшектердің өзара әсерлесуі және түрленуі кезінде қосынды заряд өзгермейді. “Жаңа” зарядты бөлшектің пайда болуы не сондай заряды бар “ескі” бөлшектің жоғалуымен, не заряды оған қарама-қарсы зарядтар жұбының пайда болуымен (мысалы, бөлшек-антибөлшек жұбының пайда болу процесі) бір мезгілде өтеді. Оның үстіне, мұндай түрленулер кезінде зарядтың сақталу заңынан басқа да сақталу заңдары (энергияның сақталу заңы, қозғалыс мөлшерінің сақталу заңы, т.б.) орындалады.

Зарядтың сақталу заңы энергияның сақталу заңымен бірге электронның орнықтылығын “түсіндіреді”. Электрон (және позитрон) – зарядталған бөлшектердің ең жеңілі. Сондықтан да ол ешуақытта ыдырамауға тиіс. Электронның өзінен гөрі ауыр зарядталған бөлшектерге (мысалы, мюонға, -мезонға) ыдырауына энергияның сақталу заңы, ал оның өзінен гөрі жеңіл бейтарап (нейтрал) бөлшектерге (мысалы, фотонға, нейтриноға) ыдырауына зарядтың сақталу заңы кедергі болады. Зарядтың сақталу заңының дәл орындалатындығын электронның өз зарядын 51021 жыл бойы жоғалтпайтындығынан көруге болады.

g = g₁ + g₂ + ... + g_n