电荷
| 电荷 | |
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 正电荷和负电荷的电场
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常见符号 |
q |
| SI单元 | 库仑（C） |
其他单位 |
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| 在SI基础单元中 | c = a是 |
| 广泛的？ | 是的 |
| 保守？ | 是的 |
| 方面 | |
电荷（符号Q ，有时Q ）是物质的物理特性，它将其放置在电磁场时会经历力。电荷可能是正面的或负的。就像冲锋一样，互相击退，与电荷不同，相互吸引。无净电荷的物体称为电中心。现在，关于电荷物质相互作用的早期知识现在称为经典电动力学，并且对于不需要考虑量子效应的问题仍然是准确的。
电荷是保守的财产；隔离系统的净充电，正电荷的数量减去负电荷的量不会改变。电荷由亚原子颗粒携带。在普通物质中，负电荷由电子携带，正电荷由原子核中的质子携带。如果一件物质中的电子多于质子，它将具有负电荷，如果较少的电荷将具有正电荷，并且如果有相等的数字，则将是中性的。量化电荷；它以单个小型单元的整数倍数，称为基本充电E ，关于1.602 × 10 -19 C ，这是可以自由存在的最小电荷。称为夸克的粒子的电荷较小，倍数1/3 E ，但仅在具有e的整数倍数的粒子中发现它们。在标准模型中，电荷是绝对保守的量子数。质子的电荷为 + E ，并且电子的电荷为-e 。
电荷产生电场。移动电荷还会产生磁场。电荷与电磁场（电场和磁场的组合）的相互作用是电磁（或Lorentz）力的来源，这是物理学中四种基本相互作用之一。带电颗粒之间光子介导的相互作用的研究称为量子电动力学。
SI派生的电荷单位是以法国物理学家Charles-Augustin de Coulomb命名的库仑（C）。在电气工程中，使用安培小时（A·H）也很常见。在物理和化学方面，通常使用基本电荷（ E ）作为单位。化学还使用了法拉第常数，这是一摩尔基本电荷的电荷。
概述
电荷是物质的基本特性，在其他物质有电荷的情况下表现出静电吸引或排斥。电荷是许多亚原子颗粒的特性。独立颗粒的电荷是基本电荷e的整数倍数；我们说电荷已量化。迈克尔·法拉迪（Michael Faraday ）在电解实验中是第一个注意到电荷的离散性质的人。罗伯特·米利肯（Robert Millikan）的油滴实验直接证明了这一事实，并测量了基本电荷。已经发现，一种类型的粒子，夸克，具有-1 / 3或 + 2/3的分数电荷，但据信它们始终出现在积分电荷的倍数中。从未观察到独立夸克。
按照惯例，电子的电荷为负-e ，而质子的电荷为正， +e 。带电的带电符号相同的带电颗粒相同，并且电荷的符号不同的粒子吸引了不同的粒子。库仑的定律通过断言该力与电荷的乘积成正比，量化了两个粒子之间的静电力，并且与它们之间的距离正方形成反比。反粒子的电荷等于相应粒子的电荷，但具有相反的符号。
宏观物体的电荷是由其组成的颗粒的电荷的总和。该电荷通常很小，因为物质是由原子制成的，原子通常具有相等数量的质子和电子，在这种情况下，它们的电荷取消，产生零的净电荷，从而使原子中性。
离子是一种原子（或一组原子），它损失了一个或多个电子，给予其净正电荷（阳离子），或者获得了一个或多个电子，从而使其具有净负电荷（阴离子）。美元离子是由单个原子形成的，而多原子离子是由两个或多个已键合在一起的原子形成的，在每种情况下都产生带有正或负净电荷的离子。
在形成宏观物体的过程中，成分原子和离子通常结合形成由中性离子化合物电与中性原子组成的结构。因此，宏观物体倾向于整体中性，但是宏观物体很少完全净中性。
有时，宏观物体包含分布在整个材料中的离子，牢固地绑定到位，从而为物体提供了总净正电荷或负电荷。同样，由导电元件制成的宏观物体或多或少（取决于元素）占据或释放电子，然后无限期保持净负或正电荷。当物体的净电荷为非零且一动不动时，该现像被称为静电。可以通过将两种不同的材料摩擦在一起，例如用琥珀色或用丝绸玻璃擦琥珀来轻松产生。这样，可以在很大程度上或负面的程度上对非导电材料充电。从一种材料中取出的电荷被移至另一种材料，留下了相同大小的相反电荷。电荷保护定律始终适用，从而给出了对物体的负电荷的正电荷，对相同大小的正电荷，反之亦然。
即使物体的净电荷为零，电荷也可以在物体中不均匀分布（例如，由于外部电磁场或结合的极性分子）。在这种情况下，据说对像是两极分化的。由于极化引起的电荷称为绑定电荷，而从物体外部获得或丢失的电子产生的对像上的电荷称为自由电荷。在特定方向上的导电金属中电子的运动称为电流。
单元
电荷数量的SI单位是库仑（符号：c）。库仑定义为穿过带有一个安培的电导体的横截面的电荷量。该单元于1946年提出，并于1948年批准。小写符号Q通常用于表示一定数量的电荷。电荷的数量可以用电表直接测量，也可以通过弹道仪间接测量。
基本电荷（质子的电荷）定义为SI中的基本常数。按SI单位表达时，基本电荷的值正是1.602 176 634 × 10 -19 c 。
在发现了量化的电荷特征后，乔治·斯托尼（George Stoney）于1891年为这个基本电荷单位提出了“电子”单位。 JJ Thomson随后发现了我们现在在1897年称为电子的粒子。今天，该单元被称为基本电荷，基本电荷单位或简称为E ，而电子的电荷为-e 。隔离系统的电荷应该是基本电荷e的倍数，即使在大规模电荷似乎是连续数量的情况下。在某些情况下，谈论基本指控的分数是有意义的。例如，在分数量子厅效应中。
法拉第单元有时用于电化学。一个法拉第是一摩尔的基本电荷的大小，即9.648 533 212 ... × 10 4 C.
历史
从远古时代开始，人们熟悉了今天将使用电荷概念来解释的四种现象：（a）闪电，（b）鱼雷鱼（或电射线），（c）圣埃尔莫的火和（d）用皮毛擦拭的琥珀会吸引小的轻质物体。琥珀色效应的第一个说法通常归因于米利特斯（Miletus）的古希腊数学家泰勒斯（Thales of Miletus）。 624至c。公元前546年，但对Thales是否留下任何著作有疑问。他关于琥珀的帐户从200年代初期的帐户中得知。可以将此说明作为证据，表明该现象至少是至少C。公元前600年，但Thales解释了这一现像是具有灵魂的无生命物体的证据。换句话说，没有任何电荷概念的迹象。更普遍地，古希腊人不了解这四种现象之间的联系。希腊人观察到，带电的琥珀色按钮可能会吸引诸如头发之类的轻质物体。他们还发现，如果他们摩擦了琥珀足够长的时间，甚至可以让电火花跳动，但也有声称直到17世纪后期才提及电动火花。该属性源自底压效应。在1100年代后期，该物质射流是一种压实的煤形式，被发现具有琥珀色的作用，在1500年代中期， Girolamo Fracastoro发现了钻石也显示出这种作用。 Fracastoro和其他努力做出了一些努力，尤其是Gerolamo Cardano，为这种现像开发了解释。
与天文学，力学和光学技术相反，自上古以来已经进行了定量研究，可以通过英国科学家威廉·吉尔伯特（ William Gilbert）在1600年将持续的定性和定量研究开始对电现象进行标记。在本书中。 ，在一个小部分中，吉尔伯特（ Gilbert）回到了琥珀色效应（他所说的），以解决许多较早的理论，并创造了新拉丁语单词electrica （摘自希腊语的ἤλεκτρον （ q。拉丁语单词被翻译成英语为电子。吉尔伯特（Gilbert）也被认为是电气术语，而术语则是在后来的，最初是归因于托马斯·布朗爵士（Thomas Browne）在1646年从他的伪毒性流行中归因于他的伪毒素。（有关更多语言的细节，请参见电力的词源。作用在其他物体上的排出物（从电物体流出的一小部分颗粒流，而不会减小其体积或重量）。在17世纪和18世纪，这种物质电灭亡的想法具有影响力。这是18世纪关于“电流”（Dufay，Nollet，Franklin）和“电荷”的想法的先驱。
1663年左右，奥托·冯·吉里克（Otto Von Guericke）发明了可能是第一个静电发电机的东西，但他并不认为它主要是电气设备，而仅对它进行了最小的电气实验。其他欧洲先驱者是罗伯特·博伊尔（Robert Boyle） ，他于1675年出版了第一本英语书，仅专门用于电气现象。他的工作在很大程度上是对吉尔伯特（Gilbert）研究的重复性，但他还确定了更多的“电气”，并指出了两个尸体之间的相互吸引力。
1729年，斯蒂芬·格雷（Stephen Gray）正在尝试使用玻璃管产生的静电。他注意到用来保护管子免受灰尘和湿气的软木塞也变得电气（充电）。进一步的实验（例如，通过将细棍子放入其中扩展软木塞）首次显示出电气被排出（如灰色所示）可以在远处传输（进行）。灰色设法用麻线（765英尺）和电线（865英尺）传输电荷。通过这些实验，格雷发现了不同材料的重要性，这些材料的重要性促进或阻碍了电脱水的传导。重复了Gray的许多实验的John Theophilus DeSaguliers被认为是指导器和绝缘体术语，以指代不同材料的效果。灰色还发现了电诱导（即，可以将电荷从一个对像传输到另一个物体而无需任何直接物理接触）。例如，他表明，通过将带电的玻璃管靠近但不触摸，螺纹维持的一团铅，可以使铅变得电气化（例如，吸引和排斥黄铜归档）。他试图用电脱水的想法来解释这一现象。
格雷的发现引入了有关电荷知识的历史发展的重要转变。电脱水可以从一个物体转移到另一个对象的事实，这是开放的理论可能性，即该特性与通过摩擦的物体没有密不可分地连接。在1733年，由Gray的工作启发的CharlesFrançoisde Cisternay du Fay进行了一系列实验（在Mémoiresdel'Académieroyale des Sciences中进行了一系列实验），表明或多或少，所有物质都可以通过摩擦来“电气化” ，除了金属外，流体并提出电力有两个相互抵消的品种，他用两种流体理论表示。当玻璃用丝绸摩擦时，Du Fay说，玻璃充满了玻璃电，当琥珀擦除皮毛时，琥珀被控以雷岩的电力。在当代的理解中，现在将正电荷定义为用丝布擦拭后的玻璃棒的电荷，但是这是任意的，哪种电荷称为阳性，被称为否定。从此开始的另一个重要的两流体理论是由Jean-Antoine Nollet （1745）提出的。
直到1745年左右，对电吸引和排斥的主要解释是电气尸体散发出灭绝物的想法。本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）于1746年底开始进行电气实验，到1750年，基于一个实验，它发展了一种单流体的电理论，该实验表明，摩擦玻璃的收费强度与用于摩擦玻璃的布相同但相反的电荷强度。富兰克林认为电力是所有物质中存在的一种无形的液体，并创造了电荷本身（以及电池和其他一些）；例如，他认为那是莱顿罐子里的玻璃，持有累积的指控。他认为将绝缘表面摩擦在一起导致这种液体改变位置，而这种流体的流动构成了电流。他还认为，当物质含有过量的液体时，它被带来了积极的充电，并且当缺陷时，它会受到负电荷。在用他从海外同事彼得·柯林森（Peter Collinson）收到的玻璃管进行实验后，他确定了用玻璃体电的词，并用树脂电力负。该实验使参与者收取玻璃管，而参与者b则收到了带电管的指关节。富兰克林（Franklin）确定参与者B在被管子震惊之后被积极起来。威廉·沃森（William Watson）在同一时间（1747年）是否独立地到达同样的单流体解释是有些歧义的。沃森（Watson）在看到富兰克林（Franklin）给科林森（Collinson）的信后声称，他在1747年春季提出了与富兰克林（Franklin）相同的解释。富兰克林（Franklin）在进行了自己的实验和分析之前研究了沃森（Watson）的一些作品，这对于富兰克林（Franklin）的理论化可能很重要。一位物理学家认为，沃森首先提出了一种单流体理论，富兰克林随后对此进行了进一步的影响。一位科学的历史学家认为，沃森错过了他的思想和富兰克林的微妙差异，因此沃森误解了他的思想与富兰克林的想法相似。无论如何，沃森和富兰克林之间都没有仇恨，而富兰克林的电动动作模型于1747年初制定，最终在当时被广泛接受。富兰克林（Franklin）的工作后，很少提出基于流出的解释。
现在众所周知，富兰克林模型在根本上是正确的。只有一种电荷，只需要一个变量即可跟踪电荷量。
直到1800年，只能通过使用静电放电来研究电荷的传导。 1800年，亚历山德罗·沃尔塔（Alessandro Volta）第一个表明可以通过封闭路径保持电荷的连续运动。
1833年，迈克尔·法拉迪（Michael Faraday）试图消除任何疑问，无论产生如何发电，电力是相同的。他讨论了多种已知形式，他将其表征为常见电力（例如静电，压电，磁性诱导），伏电力（例如，电流来自伏特桩）和动物电（例如，生物电力）。
1838年，法拉第（Faraday）提出了一个问题，即电力是流体还是流体或物质的特性，例如重力。他调查了是否可以独立于另一种指控指控物质。他得出的结论是，电荷是两个或更多尸体之间的关系，因为他不能在另一个身体中没有相反的电荷的情况下为一个身体充电。
1838年，法拉第（Faraday）还对电力进行了理论解释，同时表达了它是起源于一种，两个还是不液体的中立性。他专注于这样的想法，即颗粒的正常状态是非极化的，并且在极化时，他们试图恢复其自然的非极化状态。
在开发野外理论方法的电动力学方法（从1850年代中期开始）时，詹姆斯·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）停止将电荷作为一种累积物体积聚的特殊物质，并因田间能量转换而开始理解电荷。这种量词前的理解认为，即使在微观水平上，电荷的大小也是连续数量。
电荷在静电中的作用
静电是指一个物体的电荷和相关的静电放电，当将两个物体汇集在一起时，它们的电荷不平衡。静电放电会改变两个物体中的每个物体的电荷。
通过滑动电气化
当一块玻璃和一块树脂（其中没有任何电气性能）一起摩擦并与接触式摩擦的表面一起摩擦时，它们仍然没有任何电气性能。分开时，它们互相吸引。
第二块玻璃用第二块树脂摩擦，然后在以前的玻璃和树脂附近分开并悬浮，从而导致这些现象：
- 两块玻璃彼此排斥。
- 每块玻璃都吸引每块树脂。
- 两块树脂彼此排斥。
这种吸引力和排斥是一种电现象，据说表现出它们的物体是电气或电动带电的。身体可以通过许多其他方式以及滑动来电气。两块玻璃的电气特性彼此相似，但与两块树脂的电性能相似：玻璃吸引了树脂排斥并排斥树脂吸引的东西。
如果一个身体以任何方式使玻璃表现出任何行为，也就是说，如果它驱除了玻璃并吸引树脂，则据说人体被玻璃体电气化，如果它吸引了玻璃并排斥树脂，据说激进电气。所有电动物体都是玻璃体或偶然的电气。
科学界建立的公约将玻璃体电气定义为阳性，而树脂电气化为负。两种电气化的完全相反的特性证明了我们通过相反的符号指示它们的合理性，但是必须将正符号应用于一个而不是对另一种符号的应用是任意惯例的问题 - 只是一个问题数学图中的约定，估计右手的正距离。
电荷在电流中的作用
电流是电荷通过对象的流动。最常见的电荷载体是带正电荷的质子和带负电荷的电子。这些带电颗粒的任何一个的运动构成电流。在许多情况下，就足以谈论常规电流而不考虑是否是通过朝着常规电流的方向移动的正电荷或朝相反方向移动的负电荷所携带的。这种宏观观点是一个简化电磁概念和计算的近似值。
在相反的极端情况下，如果人们看着显微镜的情况，人们会发现有许多携带电流的方法，包括：电子流；像正颗粒一样的电子孔的流动；以及在电解溶液或等离子体中以相反方向流动的负颗粒（离子或其他带电颗粒）。
注意，在金属电线的常见和重要情况下，常规电流的方向与实际电荷载体的漂移速度相反。即，电子。对于初学者来说，这是混乱的根源。
电荷保护
无论系统本身内部的变化如何，隔离系统的总电荷保持恒定。该定律是物理已知的所有过程固有的，可以从波函数的量规不变性中以局部形式得出。电荷的保护导致电荷连续性方程。更一般而言，通过封闭的表面s =∂V，电荷密度ρ的变化速率等于在电流密度J上的区域，而净电表面s = ∂V ，又等于净电流i ：
因此，由连续性方程表示的电荷的保护给出了结果：
在时间之间传递的电荷并通过整合双方来获得：
我是通过封闭表面向外的净电流， Q是表面定义的体积中包含的电荷。
相对论不变
除了有关电磁主义文章中描述的属性外，电荷是相对论不变的。这意味着任何具有电荷Q的粒子都具有相同的电荷，无论其行进速度如何。通过证明一个氦核的电荷（两个质子和两个中子在一个核中结合在一起，并以高速移动）与两个氦气（一个质子核（一个质子和一个中子）结合在一起，但在一个核中移动），从而在实验上验证了该特性。移动比在氦核中的速度要慢得多。