Электрический заряд – это характеристика элементарной частицы, определяющая ее электромагнитные взаимодействия.

Заряд всех элементарных частиц, если он "+" или "-", одинаков по абсолютной величине и называется элементарным зарядом.

Электрон (-е)

Протон (+е)

Нейтрон (0)

Важным свойством электрического заряда является факт, что его величина не зависит от того, движется этот заряд или покоится. Он носит название релятивистской инвариантности заряда.

Для макроскопически заряженных тел возможны два типа распределения зарядов:

1. Заряды являются точечными, или дискретными. Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями от этого тела до других тел, несущих электрический заряд.

2. Заряд непрерывно распределен в некотором объеме, на поверхности или вдоль линии. В этом случае вводятся понятия объемной, поверхностной и линейной плотности заряда. Объемная плотность электрического заряда:

где dV – физически бесконечно малый объем (плотность постоянна, но еще не проявляется дискретность заряда).

Поверхностная плотность электрического заряда (для случая тонкой поверхности):

Закон Кулона (в 1785)

Он гласит, что сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов пропорциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

 - единичный векторный орт, имеющий поправку от q₁, на который действует сила F₁₂

ε₀=8,85 · 10^-12 Ф/м

Опыт Милликена

Заряд электрона был определен с большой точностью Милликеном в 1909 г. В закрытое пространство между горизонтально расположенными пластинами конденсатора (рис) Милликен вводил мельчайшие капельки масла. При разбрызгивании капельки электризовались, и их можно было устанавливать неподвижно, подбирая величину и знак напряжения на конденсаторе. Равновесие наступало при условии

P’=e’E   (1)

Здесь e’ – заряд капельки, P’ – результирующая силы тяжести и архимедовой силы, равная

 (2)

ρ – плотность капельки, r – ее радиус, ρ₀ – плотность воздуха).

Из формул (1) и (2), зная r, можно было найти e. Для определения радиуса измерялась скорость равномерного падения капельки в отсутствие поля. Равномерное движение капельки устанавливается при условии, что сила P’ уравновешивается силой сопротивления  (η – вязкость воздуха):

(3)

Движение капельки наблюдалось с помощью микроскопа. Для измерения υ₀ определялось время, за которое капелька проходила расстояние между двумя нитями, видимыми в поле зрения микроскопа.

Точно зафиксировать равновесие капельки очень трудно. Поэтому вместо поля, отвечающего условию (1), включалось такое поле, под действием которого капелька начинала двигаться с небольшой скоростью вверх. Установившаяся скорость подъема υ_Е определяется из условия, что сила P’ и сила  в сумме уравновешивают силу e’E:

(4)

Исключив из уравнения (2), (3) и (4) P’ и r, получим выражение для e’:

(в эту формулу Милликен вносил поправку, учитывающую, что размеры капелек были сравнимы с длиной свободного пробега молекул воздуха).

Итак, измерив скорость свободного падения капельки υ₀ и скорость ее подъема υ_Е в известном электрическом поле Е, можно было найти заряд капельки e’. Произведя измерение скорости υ_Е при некотором значении заряда e’, Милликен вызывал ионизацию воздуха, облучая пространство между пластинами рентгеновскими лучами. Отдельные ионы, прилипая к капельке, изменяли ее заряд, в результате чего скорость υ_Е также менялась. После измерения нового значения скорости снова облучалось пространство между пластинами и т. д.

Измеренные Милликеном изменения заряда капельки Δe’ и сам заряд e’ каждый раз получались целыми кратными одной и той же величины e. Тем самым, была экспериментально доказана дискретность электрического заряда, т. е. тот факт, что всякий заряд слагается из элементарных зарядов одинаковой величины.

Значение элементарного заряда, установленное с учетом измерений Милликена и данных, полученных другими методами, равно

e = 1,6 · 10^-19 Кл

Опыт Томсона

Удельный заряд электрона (отношение e/m) был впервые измерен Томсоном в 1897 г. с помощью разрядной трубки, изображенной на рисунке. Выходящий из отверстия в аноде А электронный пучок проходил между пластинами плоского конденсатора и попадал на флуоресцирующий экран, создавая на нем светящееся пятно. Подавая напряжение на пластины конденсатора, можно было воздействовать на пучок практически однородным электрическим полем. Трубка помещалась между полюсами электромагнита, с помощью которого можно было создавать на том же участке пути электронов перпендикулярное к электрическому однородное магнитное поле (пунктирная окружность на рисунке). При выключенных полях пучок попадал на экран в точке О. Каждое из полей в отдельности вызывало смещение пучка в вертикальном направлении.

Включив магнитное поле и измерив вызванное им смещение следа пучка,

      (1)

Томсон включал также электрическое поле и подбирал его значение так, чтобы пучок снова попадал в точку О. В этом случае электрическое и магнитное поля действовали на электроны пучка одновременно с одинаковыми по величине, но противоположно направленными силами. При этом выполнялось условие

eE= eυ₀B (2)

Решая совместно уравнения (1) и (2), Томсон вычислил e/m и υ₀.