Что такое заряд?

Я ученик средней школы. Я люблю компьютеры и электронику. Несколько недель назад я подумал о создании собственного электронного гаджета, но, к сожалению, у меня было мало знаний в области электроники. Итак, я решил учиться. После поисков в Google тут и там я наткнулся на большое количество информации. Ничто, кроме одной вещи, которая меня пугает и пугает, это то, что означает термин « заряд» ? Ни одна из книг не рассказывает, что это значит. Некоторые говорят, что это является основным свойством материи, и только это и не определяют дальше об этом. В то время как некоторые даже не удосужились рассказать об этом. В Википедии это определяется как:

Электрический заряд - это физическое свойство вещества, которое заставляет его испытывать силу, находясь рядом с другим электрически заряженным веществом.

Определение довольно сложное и запутанное. Точно так же из учебников All About Circuits Website я получил другое определение и понимание.

Из книг я узнал, что мы до сих пор мало знаем об обвинениях, даже такие великие ученые, как сэр Стивен Хокинг, мало что знают об этом. Это правильно? Если нет, то почему это было написано в книгах (я имею в виду книги, а не книги), каково его правильное определение? Почему в большинстве книг не указано, какие расходы ?

Как сказал Али, заряд - это свойство (или характеристика, или особенность) частицы. Частица может быть атомом или просто частью атома, такой как электрон или протон.

К сожалению, мы не можем много сказать о том, почему частицы обладают этим свойством или что обусловливает существование этого свойства. Мы можем описать только некоторые вещи, которые мы наблюдаем в отношении этого свойства, которое мы называем зарядом .

• Заряды бывают двух типов, которые мы произвольно обозначаем как «положительные» и «отрицательные».

• Положительные заряды отталкивают друг друга с силой, которую мы можем измерить, отрицательные заряды отталкивают друг друга одинаково, а противоположные заряды притягивают друг друга.

• Мы находим, что есть компоненты атомов, называемые «протонами» и «электронами», которые всегда заряжены положительно и отрицательно, соответственно.

• Заряд сохраняется. Это означает, что во всех экспериментах, которые мы пробовали, разница между количеством положительного и отрицательного заряда в замкнутой системе одинакова в конце эксперимента, как это было в начале эксперимента, и поэтому мы считаем, что это верно для всех замкнутых систем во вселенной.

Несмотря на то, что мы не знаем, что такое заряд или откуда он возник, описания того, что он делает , нам достаточно, чтобы предсказать множество полезных вещей и создать множество полезных инструментов, таких как радио и компьютеры.

Для простоты (когда вы перейдете к физике в колледже, это будет расширено), заряд - это скопившиеся электроны, или отсутствие электронов там, где вы ожидаете, что они будут. Электроны имеют отрицательный заряд и протоны положительный заряд. У нормального атома столько же электронов, сколько у протонов, поэтому нет чистого заряда.

На некоторых атомах несколько внешних электронов несколько «ослаблены». Когда у вас есть целая куча этих атомов рядом друг с другом, как атомы меди в медной проволоке, эти свободные электроны могут прыгать между соседними атомами. Однако, если они прыгают слишком далеко, они оставляют положительный заряд (поскольку отрицательный ушел) там, где они ушли, и отрицательный заряд там, где они находятся. Этот дисбаланс зарядов создает электрическое поле , которое можно рассматривать как силовое поле, которое толкает и тянет электроны. Электроны притягиваются к положительным зарядам и отталкиваются отрицательными. Следовательно, это электрическое поле не позволит электронам покинуть одно место и накапливаться в другом в течение нескольких атомов.

Источник напряжения, такой как батарея, создает электрическое поле. Если вы подключите противоположные концы батареи к противоположным концам этого медного провода со всеми несколько подвижными электронами в нем, вы можете получить в среднем все электроны для перемещения от конца отрицательного напряжения провода к концу положительного напряжения. Чтобы поддерживать электрическое поле, приложенное к проводу, батарея затем качает электроны, которые стекают с + конца провода обратно на - конец провода, где они снова перепрыгивают между атомами меди и снова оказываются на + конце ,

Движение массы электронов называется током , по которому течет заряд. Это очень похоже на течение в реке, где течет множество маленьких молекул воды. Поскольку заряд одного электрона очень мал и малопригоден для человеческого масштаба, мы используем единицу заряда, называемую кулоном . Тем не менее, кулон - это просто калиброванная куча заряда. На самом деле, это стоит около 6,24 х 10 ¹⁸ электронных зарядов. На самом деле это -6,24 x 10 ¹⁸ электронов, так как мы произвольно решили, что электроны имеют отрицательный заряд.

Опять же, чтобы сохранить диапазон чисел лучше в человеческом масштабе, мы измеряем ток в амперах , который представляет собой один кулоновский заряд, протекающий каждую секунду. Таким образом, если в проводе слева направо течет 1 Ампер (иногда «Ампер» или официальная аббревиатура «А»), то на самом деле 6 240 000 000 000 000 000 электронов текут справа налево в секунду за любую точку этого провода.

Теперь, когда у вас есть базовое представление о заряде и токе, забудьте об электронах, движущихся со своими отрицательными зарядами. Вся остальная электроника построена на усилителях и кулонах. Думайте об этом как о концептуальных единицах тока и заряда, которые вы будете использовать с этого момента. Тот факт, что они (как правило) основаны на фактических отрицательных зарядах, не имеет значения и просто вызывает путаницу.

Итак, теперь давайте вернемся к той батарее, которая вызвала ток в нашем проводе. Батарея - это просто насос для зарядки. Другими словами, это может сделать текущий. Тем не менее, есть еще одна метрика, которую важно упомянуть, это то, насколько сильно батарея может толкать. Одна батарея может сильнее давить на зарядку, чем другая, точно так же, как один водяной насос может создавать более высокое давление, чем другой. Именно это давление заставляет двигаться электрическое поле, то есть ток. Это электрическое давление измеряется в вольтах . Чем больше вольт может выдавать батарея, тем больше тока она может протекать через то же сопротивление . Это так же, как водяной насос более высокого давления может пропускать больше воды через сопло того же размера.

Итак, как мы можем связать напряжение, ток и сопротивление? Как вы, вероятно, видите, большее напряжение (давление) создает больший ток (поток), но большее сопротивление (меньшее сопло) создает меньший поток. Чтобы выразить это математически:

  ток = напряжение / сопротивление

Это также дает нам определение сопротивления путем перестановки этого уравнения:

  сопротивление = напряжение / ток

Понятие сопротивления часто встречается в электронике, поэтому у нас есть специальный прибор для измерения, называемый Ом . На самом деле, Ом определяется как:

  Ом = Вольт / Ампер

У нас есть короткие сокращения для всех трех из этих величин, так как почти вся электроника основана на них. Вольт сокращается до «V», Ампер - как «A», а Ом - с греческой буквой «Ω».

Это уравнение, которое связывает сопротивление, напряжение и ток, является краеугольным камнем электроники и называется Законом Ома , в честь парня, который впервые придумал его.

Давайте вернемся к первой форме закона Ома, которую я показал, которая говорит нам, какой ток мы получаем:

  В физических величинах: ток = напряжение / сопротивление.
  В общих единицах: Ампер = Вольт / Ом или А = В / Ом.

Об этом уже много нужно думать. Постарайтесь обдумать это, прежде чем идти дальше. Задайте вопросы здесь, как вам нужно, чтобы понять это. Как только вы получите это, мы можем перейти ко всем видам интересных вещей.

Ответ Олина превосходен. Я бы добавил к этому, что аналогия может помочь.

(В целях этой аналогии давайте проигнорируем все после Ньютона. Общая теория относительности и бозон Хиггса интересны, но не помогут понять заряд.)

Вы, вероятно, обладаете инстинктивным пониманием массы , в частности, гравитационной массы . Но что это?

Гравитационная масса - это свойство вещества, которое заставляет его испытывать силу, называемую гравитацией, когда оно близко к другой материи с массой. Индивидуальное количество массы атома очень, очень мало, но у нас их много, и они действительно могут составить очень большие массы.

Хотя все атомы имеют небольшое количество массы, некоторые имеют гораздо больше, чем другие. Если у вас есть мешок с водородом и мешок со свинцом с одинаковым количеством атомов в каждом, один будет намного массивнее другого.

Числовое описание того, как массивный объект влияет на другой, называется гравитационным полем . Если вы представляете большую массу, скажем, Землю, и представляете крошечную массу, скажем, шарикоподшипник, магически подвешенный в точке над Землей, если вы вдруг волшебным образом позволяете ей двигаться, она будет двигаться в Особое направление - к центру Земли. Представьте, что Земля окружена полем крошечных стрелок, все из которых указывают в направлении падения шарикоподшипника. Длина стрелки - это то, как сильно будет тянуть шарикоподшипник: очень сильно у поверхности земли, почти за пределами орбиты Луны. Это «поле» стрел является гравитационным полем Земли.

Заряд очень похож на гравитационную массу. Как и масса, это фундаментальное свойство материи. Подобно массе, она заставляет два объекта испытывать силу между ними. Как и масса, так же, как некоторые виды материи более массивны, чем другие, так и некоторые виды материи более склонны производить заряд, чем другие. Подобно массе, вы можете взять большой источник заряда и представить себе поле стрел вокруг него, которое говорит вам, в каком направлении и насколько сильна будет сила для небольшого заряда, размещенного там; это электростатическое поле .

Чем же отличаются заряд и масса? Основные различия между зарядом и массой:

(1) Масса существует только в одном виде, а заряд - в двух. Вся масса притягивается ко всей другой массе. Как обвинения отражают, в отличие от обвинения привлекают.

(2) Зарядовые силы чрезвычайно больше, чем гравитационные силы. Потрите воздушный шарик на ваших волосах и приклейте его к потолку. Силы заряда в этом воздушном шаре достаточны для преодоления притяжения объекта размером с Землю! (Хотя по общему признанию, расстояния важны. Ваш воздушный шар находится в тысячах метров от центра Земли и очень близко к потолку.) Сила между массами абсурдно мала по сравнению с силой между зарядами.

(3) Зарядка очень легко перемещается по сравнению с массой. Движение заряда через проводник составляет значительную долю скорости света. (Движение отдельных заряженных частиц может быть медленным; подумайте об этом, как о включении крана, подключенного к очень длинному шлангу, уже наполненному водой. Волна давления, которая выбрасывает воду из рабочего конца шланга, движется по шлангу намного быстрее, чем вода выходит из крана.)

Электрический заряд - это физическое свойство вещества, которое заставляет его испытывать силу, находясь рядом с другим электрически заряженным веществом.

Звучит как довольно хорошее определение для меня. Процитирую Ричарда Фейнмана:

«Мы не можем ничего точно определить! Если мы попытаемся, мы попадем в тот паралич мышления, который приходит к философам, которые сидят друг против друга, один говорит другому:« Вы не знаете, о чем говорите! » Второй говорит: «Что вы подразумеваете под знанием? Что вы подразумеваете под разговором? Что вы подразумеваете под собой?» И так далее ».

Более серьезно, хотя; в классической физике есть две важные силы. Сила гравитации, с которой вы, вероятно, довольно хорошо знакомы. Это причина, по которой Солнце вращается вокруг Галактики, причина, по которой Земля вращается вокруг Солнца, и причина, по которой люди в Китае не падают с Земли. Вы можете рассчитать гравитационную силу между двумя объектами, используя где - постоянная , а - масса двух тел, а

Смотрите симметрию там! Заряд для электрической силы равен весу для гравитационной силы! Существуют некоторые ассиметрии, такие как тот факт, что заряд проявляется как в плюсе, так и в минусе, тогда как масса может быть только положительной, но пока не беспокойтесь об этом.

Удачи с вашим проектом!

одна вещь, которая пугает и пугает меня, это то, что означает термин «заряд»?

Сначала немного фона ...

В настоящее время мы полагаем, что с учетом наблюдений и экспериментальных результатов до сих пор существует четыре " фундаментальных взаимодействия ", и электромагнитное взаимодействие является одним из этих четырех.

Что такое фундаментальное взаимодействие ? Из связанной статьи Википедии:

Фундаментальные взаимодействия, также называемые фундаментальными силами или интерактивными силами, моделируются в фундаментальной физике как паттерны отношений в физических системах, развивающиеся с течением времени, которые кажутся несводимыми к отношениям между сущностями, более базовыми .

Представьте, что вы наблюдаете, что два объекта притягивают или отталкивают друг друга, но указанные объекты не притягивают и не отталкивают другие объекты. В попытке объяснить или смоделировать это, вы можете предположить, что два взаимодействующих объекта имеют свойство, которого нет у других объектов. Вы можете даже назвать это свойство платным . После дополнительных наблюдений вы можете предположить, что существует два типа и что «противоположные заряды притягиваются» и «как заряды отталкиваются».

В некоторых случаях взаимодействие может объясняться другим известным явлением или, может быть, мы определяем, что взаимодействие просто есть - оно является заданным, и лучшее, что мы можем сделать, это смоделировать взаимодействие, не объясняя его в терминах чего-либо ». более фундаментальный ».

Это то, что мы делаем с электрическим зарядом и электромагнитным взаимодействием. Мы наблюдаем это и пытаемся математически смоделировать его и используем такие понятия, как электрический заряд и электрическое поле и т. Д.

В какой-то момент мы можем открыть другой, более фундаментальный «слой» реальности и ответить на вопрос «что такое электрический заряд?». в этих условиях.

Например, некоторые теоретики предполагают, что электрический заряд на самом деле является колебательной модой фундаментальной 1D-сущности - суперсимметричной суперструны - которая каким-то образом «живет» в 10 или 11 измерениях, из которых 3 являются нашими «обычными» пространственными измерениями.

Но это действительно только приводит к вопросу « но что это это более фундаментальный материал?» Что такое суперсимметричная суперструна?

На этом этапе лучше не удивляться, что такое электрический заряд , а, скорее, задаться вопросом, как он работает , например, закон Кулона .

Кроме того, если вы заинтересованы в изучении практической электроники, вам действительно нужно сосредоточиться на теории цепей, которая больше связана с напряжением и током, а не с электрическим зарядом.

Я считаю полезным думать о заряде как о чем- то вроде «один электрон равен одному куску заряда». Я не думаю, что многие понятия в электронике напрямую соответствуют понятию физического объекта, подобного этому.

Если заряд - вещь , то «напряжение» описывает количество энергии, связанной с конкретным зарядом (возможно, аналогично тому, как какой-то объект может быть горячим или холодным), а «ток» - это количество заряда, которое протекает через провод в данном время. Напряжение на конденсаторе пропорционально величине заряда, хранящегося на его пластинах, где константа пропорциональности равна размеру конденсатора. И так далее.

Это очень упрощенно, но вы можете найти полезную мысленную модель для начала.

Добавить в ментальную картину Олина.

Подумайте о батарее или источнике питания, как о чем-то, что может брать электроны с одной стороны и накапливать их с другой, чтобы у вас был голод на одном конце цепи и избыток на другом. Затем голодная сторона начинает вытягивать эти свободные электроны из атомов на этом конце цепи, вызывая эффект ряби или цепочки. как ведерная бригада, свободные электроны переходят от атома к атому в сторону истощенной стороны батареи, и, как вы можете догадаться, когда вы следуете по этой схеме до самого конца батареи, где атомы имеют слишком много электронов, они с удовольствием отдаю их атомам в цепи, которые затем раздают их. чем больше батарея может истощить один конец и перезарядить другой, тем быстрее атомы в цепи попытаются компенсировать это, перемещая эти запасные части вокруг цепи. Поток этих запчастей вокруг цепи является током. Аккумулятор с избытком на одном конце и голоданием на другом - это напряжение.

Теперь, как аккумулятор истощает один конец электронов и передает их другому? Ну, это магия батарей и отдельный вопрос. Иногда это вещь химии, побочный эффект химических реакций. Но это зависит от технологии батареи. Точно так же, что если это не батарея, скажем, вместо настенной бородавки или переменного тока, выходящего из розетки? Еще один хороший вопрос.

Я считаю, что легче всего думать о потоке электронов, как о воде в трубах, что вы можете визуализировать, потому что у вас, скорее всего, были трубы или шланги и вода. Вода перекачивается от одного конца батареи к другому, проталкивая ее через трубу (контур) и приземляясь в истощенный конец насоса, чтобы протолкнуть его снова. В процессе мы теряем немного воды, поэтому со временем в насосе просто не хватает воды, чтобы заставить его работать (батарея разряжена). Резисторы - это просто перегибы в цепи, которые замедляют воду. большие провода похожи на большую трубу, через которую можно пропустить больше воды. Скорость воды - это ток, ммм ... и так далее.

Самый точный ответ будет «никто не знает». Тем не менее, мы все еще можем изучить его свойства.

Мы можем смоделировать весь мир в терминах «полей». Поле похоже на вытянутый резиновый лист. Лист не должен быть плоским; в некоторых местах он может подняться, а в других местах он может опуститься. Эти отклонения действуют как заряд. Конечно, реальный мир - это 3D, но лист - это только 2D-модель.

Существуют различные виды полей, в зависимости от того, как их заряд может вести себя.

Существует поле, в котором заряд может идти только «в одну сторону», например, лист может иметь только выпуклости вверх, а не провалы вниз. Мы называем это поле гравитацией, а этот «односторонний» заряд называется массой. Две массы (шишки) всегда будут притягивать друг друга, но масса довольно слабая: шишки не очень велики. Вот почему крошечный ракетный двигатель способен удаляться от Земли, подавляя массу всей планеты. Тем не менее, поскольку все неровности идут одинаковым образом, они всегда будут накапливаться, в результате чего образуются огромные структуры, такие как галактики. Единственная причина, по которой все не притянулось к одному огромному кому, заключается в том, что Вселенная расширяется, которая распространяет все быстрее, чем гравитация может объединить это.

Существует другое поле, где заряд может идти «двумя путями», например, удары вверх и провалы вниз. Это электромагнитное поле, на котором основана электроника. Заряд в этой области называется «электрическим зарядом», или просто «зарядом», и мы различаем два «направления», называя одно «положительным», а другое «отрицательным». Эти заряды сильнее массы, что мы можем увидеть, если использовать заряженный стержень для сбора кусочков бумаги. Однако, в отличие от массы, подобные заряды будут отталкивать друг друга (положительно-положительный или отрицательно-отрицательный), а противоположные заряды будут притягиваться. Это приводит к тому, что электрический заряд смешивается, например, смешивая белую краску с черной краской, так что результат является «нейтральным» и не оказывает большого влияния на очень большие (галактические) масштабы. Тем не мение, квантовая физика мешает всему смешиваться полностью; когда мы смотрим достаточно близко, появляются небольшие неделимые комки положительного и отрицательного заряда. Обычно это электроны и протоны, но они смешиваются в небольшие нейтральные комочки, называемые атомами. Электроника - это перемещение электронов между атомами (обратите внимание, что отрыв электрона от атома - это не то же самое, что «расщепление атома», что означает нечто иное!).

Есть еще одна область, где заряд может идти в трех «направлениях». Это называется (сильное) ядерное поле и ведет себя очень странным образом. Заряд этого поля известен как «цвет», а «направления» - «красный», «зеленый» и «синий». Обратите внимание, что это просто выдуманные имена, такие как «положительный» и «отрицательный», чтобы все говорили об одном и том же. Сами слова ничего не значат.

Если мы представим эти поля как резиновые листы, мы можем сложить их друг на друга. В заряде будут закономерности: удар обычно выстраивается, так что, например, электрический заряд движется вместе с массой. Мы называем эти паттерны «фермионами» и даем некоторые имена, такие как «электроны», «пионы» и т. Д.

Мы также можем делать волны на листах. Волны на электромагнитном листе соответствуют световым волнам.

Обычно упоминается другое поле, называемое «слабым ядерным», но недавнее открытие бозона Хиггса показывает, что оно может быть частью электромагнитного поля (теория, известная как «электрослабое» поле).

Заряд - это свойство, которое имеют некоторые элементарные частицы. Такие, как электрон (который имеет отрицательный заряд) и протон (который имеет положительный заряд).

Заряды измеряются в кулонах (читай КУЛОН) по французскому ученому. Электрон имеет -1,6 * 10 ^ -19 С (отрицательный заряд), а протон имеет + 1,6 * 10 ^ 19 С.

Заряды (или частицы, которые имеют эти заряды) противоположных полярностей притягиваются, а частицы с одинаковыми полярностями отталкиваются друг от друга. Спрашивать «почему» на этом уровне - это все равно, что спрашивать, почему существует вселенная, чтобы все стало философским. Это просто способ, которым работает вселенная. Так что да ... Мы не знаем, почему существует заряд или как ... или что это такое. Мы просто называем это «собственностью». И мы только опишем, что он делает или как ведет себя. Обратите внимание, что мы могли бы произвольно перевернуть полярность зарядов (электрон будет нести положительный заряд, а протон - отрицательный), и все будет работать как прежде. Потому что это все еще верное описание.

Заряд не является свойством атома. Все атомы (в их неионизированном состоянии) являются нейтральными (у них нет суммарного заряда: число электронов == число протонов). Теперь, если атом потеряет электрон, число положительных зарядов (от протонов) будет больше число отрицательных зарядов, поэтому кажется, что атом (теперь называется ион / был ионизирован) несет положительный заряд!

Ток - это поток зарядов. Вот некоторые примеры:

Поток электронов в металле (отрицательные заряды) - это то, что вы измеряете как ток в медной проволоке.

Поток ионов (вышеупомянутые ионизированные атомы) является тем, что составляет ток в электролитических растворах.

Скажем, у вас есть частица или группа частиц. Создайте замкнутую гауссову поверхность вокруг нее. Тогда заряд можно определить как поверхностный интеграл потока электрического поля через гауссову поверхность, деленный на постоянную диэлектрической проницаемости. Я знаю, что это не то, что вы искали (это явно над вашей головой), но я подумал, что это может быть хорошим дополнением к другим ответам здесь, которые действительно отвечают на ваш вопрос. Или, другими словами, заряд - это степень, в которой что-то существует в не нейтральной постоянной форме.