§ 1.2 Дискретность электричества

ЗАКОНЫ ФАРАДЕЯ (для электролиза) позволили сделать заключение, что электрические заряды состоят из целого числа элементарных зарядов. Для выделения на электроде 1 моля одновалентного вещества необходимо, чтобы через электролит прошел заряд, равный: q = F = 9,65×10⁴ Кл, где F - число Фарадея. Если учесть валентность вещества (Z), то для выделения 1 моля потребуется электрический заряд, равный Z×F. Так как при этом переносится одно и тоже число N_А частиц (ионов) вещества (число Авогадро), то на каждую частицу Z-валентного вещества приходится заряд, равный:

q = Z×F/N_A.

Несмотря на то, что каждый ион несет свой заряд, заряды ионов могут отличаться только на величину, равную е = F/N_A = 1,6×10^-19 Кл. Это говорит о дискретности заряда.

ОПЫТЫ ИОФФЕ, проведенные в 1912 г., полностью подтвердили этот вывод. Между обкладками плоского конденсатора помещалась заряженная металлическая пылинка, которая удерживалась в равновесии электрическим полем. Меняя заряд на пылинке (при освещении ультрафиолетовыми лучами), меняли величину силы, действующей на частицу (F= q_i E). Чтобы частица находилась в равновесии, необходимо каждый раз должным образом изменять величину напряженности электрического поля

mg = Соnst = q₁E₁ = q₂E₂ = q₃E₃ = ... = q_n E_n

Из последнего равенства следовало, что:

q₁ : q₂ : q₃ : ...: q_n = E₁ : E₂ : E₃ : ...: E_n

Проведенный расчет показал, что заряд пылинки может принимать только ряд дискретных значений.

ОПЫТ МИЛЛИКЕНА. Этот опыт похож на опыт Иоффе. Капелька масла падает в воздухе в вертикальном электрическом поле, на капельку масла действуют четыре силы: сила тяжести, сила Архимеда, сила со стороны электрического поля и сила трения. В случае равномерного движения капельки равнодействующая всех сил равна нулю

mg - F_арх - qE - 6phur = 0.

Все величины, входящие в формулу, поддаются измерению. Можно вычислить заряд различных капель. Милликен определил, что заряд капельки пропорционален элементарному заряду равному: е = 1,6×10^-19 Кл.

§ 1.3 Напряженность электрического поля

Пространство, в котором находится электрический заряд, обладает определенными свойствами. На всякий другой заряд, внесенный в это пространство, действуют электростатические силы. Если в пространстве действуют какие-либо силы, то принято говорить, что в нем существует силовое поле. Электростатическое поле - особая форма материи, неразрывно связанная с электрическим зарядом, существующая вокруг него и характеризующаяся наличием силы в каждой точке пространства. Материя может существовать в двух формах; в форме вещества и в форме поля, причем эти две формы существования материи могут переходить друг в друга.

Для характеристики силового действия электрического поля вводится физическая величина, называемая напряженностью этого поля. Напряженностью в какой-либо точке электрического поля называется вектор , численно равный силе, с которой это поле действует на положительный единичный заряд, помещенный в данную точку и направленный в сторону действия силы

.

Единичный заряд, который вносится в поле, предполагается точечным и часто называется пробным, этим подчеркивается то обстоятельство, что он не участвует в создании поля, которое с его помощью измеряют. Кроме того, предполагается, что этот заряд не искажает исследуемого поля и не вызывает перераспределения зарядов на телах, создающих поле.

За единицу напряженности электрического поля принимают напряженность такой точки поля, в которой на заряд, равный единице, действует сила, численно равная единице силы.

В системе СИ напряженность измеряется в (Н/Кл) или (В/м).

Напряженность поля точечного заряда в системе СИ вычисляется по формуле

, . (1.5)