Слободянюк А.И. Физика 10/8.5
§8. Электростатические взаимодействия. Электрический заряд. Закон Кулона
8.5. Дискретность электрического заряда. Объемная плотность заряда
Чрезвычайно точные измерения показали, что заряд протона по модулю в точности равен заряду электрона. Более того, другие заряженные элементарные частицы также имеют электрические заряд в точности равный заряду электрона. Таким образом, заряд электрона является минимально возможным электрическим зарядом, минимальной «порцией» электрического заряда, поэтому его называют элементарным зарядом. Многочисленные попытки, продолжающиеся и в настоящее время, обнаружить частицы, имеющие заряд, меньший элементарного, закончились неудачей. Так как заряды тел обусловлены избытком или недостатком электронов, то их заряд оказывается кратным элементарному заряду.
Первые измерения величины заряда электрона провел в 1909–1913 году американский физик Р. Милликен. Идея его экспериментов очень проста – он наблюдал движение микроскопических капелек масла в электрическом поле. Ему удалось показать, что заряды капелек кратны элементарному заряду, и измерить величину этого заряда. В настоящее время заряд электрона измерен с очень высокой точностью, относительная погрешность измерений меньше чем 10-8. По современным данным величина этого заряда равна e ≈ 1,60·10-19 Кл. Малость этой величины объясняет, почему в течение длительного времени дискретность[1] электрического заряда не наблюдалась.
Первые теории электричества строились на представлении о заряде, как некоторой особой электрической жидкости (о молекулярной структуре настоящих жидкостей тогда тоже не было известно). Долгие споры велись о том, сколько электрических жидкостей существует, одна или две. Отголоски этих жидкостных представлений дошли до нас в многочисленных терминах – заряд перетекает (отсюда электрический ток), конденсатор обладает электрической емкостью (показывающий сколько электрической жидкости он может вместить), и др. Электрон, а следовательно и элементарный заряд, был открыт только в 1897 году английским физиком Дж. Дж. Томсоном.
Дискретность электрического заряда проявляется только в том случае, когда заряды тел малы, сравнимы с элементарным зарядом. Не случайно Р. Милликен в своих экспериментах использовал микроскопические капельки, заряды которых составляли несколько элементарных зарядов. Во многих случаях нет необходимости учитывать дискретность электрического заряда. То есть в математическом описании перейти к непрерывному описанию распределения зарядов. В этом случае можно ввести понятие объемной плотности заряда как функции координат ρ(x, y, z), как отношение величины заряда Δq, содержащегося в малом объеме ΔV вокруг точки с координатами (x, y, z), к величине этого объема
Это определение полностью совпадает с обсуждавшимся ранее понятием плотности «в точке».
Примечания
- ↑ Дискретность означает «прерывность, раздельность», существование только в виде отдельных порций.
