电荷的性质

什么是静电？

• 当一个物体获得净负电荷或正电荷时，就会产生一种需要纠正的不平衡，从而产生静电。
• 然而，它的影响很少像闪电那样严重。
• 取两段胶带，将其固定在桌子上。
  • 如果你尝试将它们都从桌子上撕下来然后粘在一起，应该会发现它们似乎互相排斥。
  • 但是，如果我们把一条胶带叠在另一条上面，然后把它们都从桌子上撕下来，我们会发现它们现在互相吸引，而不是互相排斥。
  • 第一个情况是两段胶带都从桌子上带走了负电荷。由于同种电荷相斥，胶带碎片分开。
  • 前一种情况涉及两段胶带互相吸引，因为其中一段从第二段胶带上带走了负电荷，使得两段胶带带有了相反的净电荷。
• 我们对电荷和电的探索就从这里开始，从关于电荷的基本发现开始，这些发现数百年前就激发了创造力和独创性，永远改变了人类历史的进程。

什么是电荷？

• 英语单词“electric”来源于希腊语“Electron”，意思是“琥珀”。
• 当通过摩擦（由于摩擦）使合适的物质带电时，就知道了电荷的存在。
• 演示这一点最简单的方法是把一个气球在头发上蹭来蹭去，然后观察它如何神奇地吸引你的头发（情况 1）。
• 两只气球在头发上摩擦（情况 2）时，会奇怪地互相推开。
  • 这就是电荷的作用。
  • 气球带负电，而头发带正电。
  • 头发之所以能粘在气球上，是因为异种电荷相互吸引。
  • 两只气球之所以会互相推开，是因为带电物体会相互排斥。
• 一些亚原子粒子具有这种电荷的特性。
• 质子带正电，电子带负电，是其中最常见的。
• 这构成了宇宙中的所有原子，以及中子。

在这一点之后，我们将研究正电荷和负电荷。

物质还可以根据其输送电荷的能力进行分类。

导体是能够有效输送电荷的材料。而绝缘体则不能。

电荷是如何产生的？

• 要理解电荷的产生，首先必须了解原子的结构。
• 质子和中子存在于原子的原子核中。
  • 质子带正电，而中子不带电。
  • 因此，原子核带净正电荷。
• 带负电的粒子，称为电子，围绕着原子核运动。
• 一个质子所带的正电荷量和一个电子所带的负电荷量是相等的。
• 本杰明·富兰克林创造了“正电荷”和“负电荷”这两个术语。
• 电荷的转移，也就是电的基本单位电子，就像在这种情况下，从头发转移到气球，导致之前中性的物质获得电荷。
• 每个电子携带的基本电荷为 1.6×10^-19（1.6 乘以 10 的负 19 次方）库仑。
• 这个幅度对电子是负的，对质子是正的。因此，每种物质的电荷都是这个数值的整数倍。因此，电荷是量子化的。
• 当两个物体接触时，会发生电子转移。
  • 当物体失去电子时产生正电荷，当物体获得电子时产生负电荷。

根据我们所学的知识，让我们来评估下一个例子。当玻璃棒在丝绸布料上摩擦时，会发生电子转移。玻璃棒失去电子后带正电。带正电的玻璃棒和带正电的轻质球可以交换它们的部分正电荷。此外，轻质球也带上了正电荷，并被玻璃棒排斥。因为玻璃棒和轻质球都带正电，所以它们互相排斥。

电荷的赋予是一个物体获得电荷的过程。古希腊人是第一个认识到这个过程的人。

电荷的性质

电荷有三个基本性质。让我们来详细了解一下。

1. 电荷的可加性

• 可以使用代数方法来相加电荷。
• 系统中的两个点电荷，例如 p₁ 和 p₂，可以通过代数相加得到系统的总电荷，即 p₁+p₂。
• 换句话说，电荷是标量值；就像物体的质量一样，它们像实数或数字一样相加。
• 对于具有无限数量电荷的物体，可以使用类似的思想。如果一个系统有无限多个电荷，例如 p₁、p₂、p₃，依此类推，直到 p_n，那么 p 定义为 p₁+p₂+p₃+.... +p_n。这里，p 是物体的净电荷。
• 在相加电荷时（电荷可以是负的或正的），注意系统的符号非常重要。
• 与质量类似，电荷没有方向，但具有大小（因此是标量）。
• 然而，电荷和质量之间存在许多区别。
  • 物体的质量总是正的，而其电荷可以是正的也可以是负的。
• 在相加系统电荷时必须使用正确的符号。

为了进一步理解这一点，让我们看一个例子。

确定一个物体总电荷，该物体包含以下五个电荷：+2、+5、-3、+10 和 -5。

解答：电荷可加性公式为：p = p₁+p₂+p₃+.... +p_n。

在这种情况下，P₁ = +2、P₂ = +5、P₃ = -3、P₄ = +10 和 P₅ = -5。

总共是 (+2) + (+5) + (-3) + (+10) + (-5) = +9。

请注意，9 应该以与系统中其他单位相同的单位表示。（例如，如果电荷的单位是库仑，那么 9 也读作 9C）。

此外，请注意这里的电荷如何像实数一样相加。

2. 电荷守恒

• 电荷可以像能量和质量一样被守恒。
• 根据守恒定律，电荷既不能被创造也不能被消灭，因此孤立系统的总电荷保持不变。

3. 量子化特性（电荷量子化）

• 根据电荷量子化的原理，存在最小的电荷单位，其他此类电荷是该最小单位的整数倍。
• 换句话说，如果 e 是最小/最低的电荷，那么“ae”，其中 a 是某个整数值，代表物体上的总电荷。
• 数学上，这可以表示为：q=ae。
• 法拉第最初发现的电解实验定律，以及后来米利根发现的定律，提供了电荷量子化概念的最初线索。
• 由于电荷量子 e 非常小，在磁学和化学电学中，电荷量子化完全被忽略。
• 在微观层面，当电荷的数量级为几十或几百个 e 的量级时，不能忽略电荷量子化。