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電荷electric charge ,帶正負電的基本粒子,稱為電荷,帶正電的粒子叫正電荷(表示符號為「+」),帶負電的粒子叫負電荷(表示符號為「﹣」)。也是某些基本粒子(如電子和質子)的屬性,它使基本粒子互相吸引或排斥。

1 電荷 -簡介

電荷電荷料位開關

電荷electric charge ,帶正負電的基本粒子,稱為電荷,帶正電的粒子叫正電荷(表示符號為「+」),帶負電的粒子叫負電荷(表示符號為「﹣」)。也是某些基本粒子(如電子和質子)的屬性,它使基本粒子互相吸引或排斥。

電荷是物質、原子或電子等所帶的電的量。單位是庫侖(記號為C)簡稱庫。 常將「帶電粒子」稱為電荷,但電荷本身並非「粒子」,只是我們常將它想像成粒子以方便描述。因此帶電量多者我們稱之為具有較多電荷,而電量的多寡決定了力場(庫侖力)的大小。此外,根據電場作用力的方向性,電荷可分為正電荷與負電荷,電子則帶有負電。根據庫侖定律,帶有同種電荷的物體之間會互相排斥,帶有異種電荷的物體之間會互相吸引。排斥或吸引的力與電荷的乘積成正比。 庫侖定律(Coulomb's law),法國物理學家庫侖(Coulomb,Charles-Augustin de,1736年-1806年)於1785年發現,並後來用自己的名字命名的一條物理學定律。庫侖定律是電學發展史上的第一個定量規律,它使電學的研究從定性進入定量階段,是電學史中的一塊重要的里程碑。 它指出,在真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力與距離平方成反比,與電量乘積成正比,作用力的方向沿連線,同號電荷相斥,異號電荷相吸。

電荷帶電荷之電子-內部結構模型圖

在粒子物理學中,許多粒子都帶有電荷。電荷在粒子物理學中是一個相加性量子數,電荷守恆定律也適用於粒子,反應前粒子的電荷之和等於反應后粒子的電荷之和,這對於強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用都是嚴格成立的。

2 電荷 -原理

   電荷的多少叫電荷量即物質、原子或電子等所帶的電的量。電荷的符號是Q,單位是庫侖(記號為C)簡稱庫。

   我們常將「帶電粒子」稱為電荷,但電荷本身並非「粒子」,只是我們常將它想像成粒子以方便描述。因此帶電量多者我們稱之為具有較多電荷,而電量的多寡決定了力場(庫侖力)的大小。此外,根據電場作用力的方向性,電荷可分為正電荷與負電荷,電子則帶有負電(人們規定用絲綢摩擦過的玻璃棒帶的是正電荷,用毛皮摩擦過的橡膠棒帶的是負電荷)。 

  根據庫侖定律,帶有同種電荷的物體之間會互相排斥,帶有異種電荷的物體之間會互相吸引。排斥或吸引的力與電荷的乘積成正比。

3 電荷 -點電荷

   點電荷是帶電粒子的理想模型。真正的點電荷並不存在,只有當帶電粒子之間的距離遠大於粒子的尺寸,或是帶電粒子的形狀與大小對於相互作用力的影響足以忽略時,此帶電體就能稱為「點電荷」。 帶電是物質的一種固有屬性。電荷有兩種:正電荷和負電荷.物體由於摩擦、加熱、射線照射、化學變化等塬因,失去部分電子時物體帶正電,獲得部分電子時物體帶負電.帶有多餘正電荷或負電荷的物體叫做帶電體,習慣上有時把帶電體叫做電荷。

  電荷間存在相互作用。靜止電荷在周圍空間產生靜電場,運動電荷除產生電場外還產生磁場。因此靜止或運動的電荷都會受到電場力作用,只有運動電荷才能受磁場力作用。

  一個實際帶電體能否看作點電荷,不僅與帶電體本身有關,還取決於問題的性質和精度的要求。點電荷是建立基本規律時必要的抽象概念,也是把分析複雜問題時不可少的分析手段。例如,庫侖定律、洛倫茲定律的建立,帶電體的電場以及帶電體之間相互作用的定量研究,試驗電荷的引入等等,都應用了點電荷的觀念。

4 電荷 -特徵

電荷測試電荷
自然界中的電荷只有兩種,即正電荷和負電荷。由絲綢摩擦的玻璃棒所帶的電荷叫做正電荷,由毛皮摩擦的橡膠棒所帶的電荷叫負電荷。 電荷的最基本的性質是:同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引。物質的固有屬性之一。琥珀經摩擦后能夠吸引輕小物體的現象是物體帶電的最早發現。繼而發現雷擊、感應、加熱、照射等等都能使物體帶電。電分正、負,同號排斥,異號吸引,正負結合,彼此中和,電可以轉移,此增彼減,而總量不變。

構成物質的基本單元是原子,原子由電子和原子核構成,核又由質子和中子構成 ,電子帶負電,質子帶正電,是正、負電荷的基本單元,中子不帶電。所謂物體不帶電就是電子數與質子數相等,物體帶電則是這種平衡的破壞。在自然界中不存在脫離物質而單獨存在的電荷 。 在一個孤立系統中,不管發生了什麼變化,電子、質子的總數不變,只是組合方式或所在位置有所變化,因而電荷必定守恆。

為了說明電荷的特徵,不妨與質量作一些類比。電荷有正、負之分,於是電力有排斥力和吸引力的區別,質量只有一種,其間總是相互吸引,正是這種區別,使電力可以屏蔽,引力則無從屏蔽。A.愛因斯坦描述了質量有隨運動變化的相對論效應;而電子、質子以及一切帶電體的電量都不因運動變化,電量是相對論性的不變數。電荷具有量子性,任何電荷都是電子電荷e的整數倍 ,e的精確值(1986年推薦值)為: e=1.60217733×10-19庫質子與電子電量(絕對值)之差小於 10-20e,通常認為兩者的絕對值完全相等。電子十分穩定 ,估計其壽命超過1010年,比迄今推測的宇宙年齡還要長得多。

5 電荷 -實驗

電荷高壓產生的電荷
兩種電荷學生實驗:將學生分組。

實驗器材有:

(1)、玻璃棒、橡膠棒各兩根;

(2)、毛皮、綢子各兩塊;

(3)、支架;為了避免實驗中電荷的流失,最好兩名同學同時進行操作;

實驗過程:

(1)、兩位同學同時都用綢子摩擦玻璃棒,使它帶電,將一根放在支座上,注意:要記住哪端帶電,不要用手摸帶電的一端,用另一根玻璃棒的帶電端靠近這根玻璃棒的帶電端,觀察發生的現象

(2)、用毛皮摩擦橡膠棒,重做剛才的實驗;

(3)、用綢子摩擦過的玻璃棒和用毛皮摩擦過的橡膠棒,做剛才的實驗。

實驗總結:人們用各種各樣的材料做了大量的實驗,人們發現帶電物體凡是跟綢子摩擦過的玻璃棒互相吸引的,必定跟毛皮摩擦過的橡膠棒互相排斥;凡是跟毛皮摩擦過的橡膠棒互相吸引的,必定跟綢子摩擦過的玻璃棒互相排斥。就是說物體帶的電荷要麼跟綢子摩擦過的玻璃棒所帶電荷相同,要麼跟毛皮摩擦過的橡膠棒所帶電荷相同,沒有第三種可能,自然界中只有這樣兩種電荷,美國科學家富蘭克林對這兩種電荷做出規定:綢子摩擦過的玻璃棒所帶電荷叫做正電荷,毛皮摩擦過的橡膠棒所帶電荷叫做負電荷。1、電荷之間相互作用規律:同性相斥,異性相吸,大小用庫侖定律來計算。2、點電荷作用力為一對相互作用力,遵循牛頓第三定律。3、庫侖定律的適用條件:真空中靜止點電荷間的相互作用力(均勻帶電體間、均勻帶電球殼間也可)。

6 電荷 -歷史

  本為古代對電的一種稱呼。

   古代人類很早就觀察到「摩擦起電」現象,並認識到電只有正負二種,同種相斥,異種相吸,但是,無論是正電荷還是負電荷,都有著吸引輕小物體的能力。當時因不明白電的本質,認為電是附著在物體上的,因而稱其為「電荷」,並把顯示出這種斥力或引力的物體稱帶電體。有時也稱帶電體為「電荷」,如「自由電荷」。

   後來人類對電的認識發展,但電荷的名稱卻被沿用下來。摩擦起電不是創造了電,而是核外電子發生了轉移   在電磁學里,電荷(Electric charge)是物質的一種物理性質。稱帶有電荷的物質為「帶電物質」。兩個帶電物質之間會互相施加作用力於對方,也會感受到對方施加的作用力,所涉及的作用力遵守庫侖定律。電荷分為兩種,「正電荷」與「負電荷」。帶有正電荷的物質稱為「帶正電」;帶有負電荷的物質稱為「帶負電」。假若兩個物質都帶有正電或都帶有負電,則稱這兩個物質「同電性」,否則稱這兩個物質「異電性」。兩個同電性物質會相互感受到對方施加的排斥力;兩個異電性物質會相互感受到對方施加的吸引力。

   電荷是許多次原子粒子所擁有的一種基本守恆性質。稱帶有電荷的粒子為「帶電粒子」。電荷決定了帶電粒子在電磁方面的物理行為。靜止的帶電粒子會產生電場,移動中的帶電粒子會產生電磁場,帶電粒子也會被電磁場所影響。一個帶電粒子與電磁場之間的相互作用稱為電磁力或電磁相互作用。這是四種基本相互作用中的一種。

電荷瀝青電荷
1785年,庫侖(C.A.Coulomb,1736-1806)以他的扭秤實驗得出靜電作用定律.人類從此對電磁現象 進入了定量研究。

1820年,奧斯特(H.C.Oersted,1771-1851)發現電流的磁效應。

1820年,安培(A.M.Ampère,1775-1836)發現電流之間的互作用定律。

1831年,法拉第(M.Faraday,1791-1867)發現電磁感應定律。

1864年,麥克斯韋(J.C.Maxwell,1831-1879)在總結前人實驗定律的基礎上提出電磁場方程組,並從他的方程組預言電磁波的存在,進而指出光的電磁本質。

1887年,赫茲(H.Hertz,1857-1894)以實驗證實了電磁波的存在,並對麥克斯韋方程組進行了整理和簡化。

1895年,洛倫茲(H.A.Lorentz,1853-1928)發表「電子論」並給出電荷在電磁場中受力的公式.至此,經典電磁理論的基礎已經確立。

1897年,湯姆遜(J.J.Thomson,1856-1940)在陰極射線管中發現了電子(e-),這是人類歷史上發現的第一個基本粒子。物理學家們陸續發現了一大批帶電的或電中性的粒子,其中包括質子(p)、正電子(e+)和中子(n)。

電荷納米發出電荷
1897 J.J.Thomson 在陰極射線實驗中發現了電子,這是人類發現的第一個基本粒子,1905-1913年, R.A. Millikan 多次以「油滴」實驗測量了電子的電荷質量比。

1911 E.Rutherford 跟據 a 粒子碰撞金屬箔的散射實驗,提出原子的有核模型;1920年,又猜測原子核內除存在帶正電的「質子」外,還應當含有一種中性粒子。

1930 A.M.Dirac 將相對論引進量子力學,提出相對論電子理論,預言存在電子的反粒子——正電子(同時預言存在磁單極) 。

1932 C.D.Anderson 在宇宙線中發現正電子,證實了Dirac 的預言J.Chadwick 發現中子,證實了Rutherford 的猜測W.K.Heisenborg 和伊萬年科各自建立原子核由質子和中子組成的假說 。

1935 湯川秀樹(H.Yukawa)提出強作用的介子理論;1950年C.F.Powell 在宇宙線中發現 p介子 。

1937 C.D.Anderson 在宇宙線中發現 m子 。

1947-- 陸續在宇宙線和加速器中先後發現了一批奇異粒子:L超子、K介子、X超子、W- 超子 1955 O.Chamberlain和 E. G. Segre在加速器中發現反質子 。

1964 M.Gell-Mann和 G.Zweig 提出強子結構的夸克模型自1980年代起在加速器的電子—質子碰撞實驗中,先後發現了理論預言的3色 6味、以束縛態存在的夸克和反夸克(最重的t夸克直到 1995年才被發現)。

1964 一組科學家在歐洲核子中心(CERN)的加速器中發現反質子和反 中子組成的反氘核  。

1983 C.Rubbia等在歐洲核子中心發現電弱統一理論預言的 W±和 Z0 粒子 。

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