Электрический заряд и свойства материи

Введение

Электромагнитные свойства материи

Электрический заряд (символ q, иногда Q) — физическое свойство материи, которое обусловливает её взаимодействие с электромагнитным полем, то есть возникновение силы при помещении в это поле. Электрический заряд может быть положительным или отрицательным. Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые — притягиваются. Объект, не имеющий результирующего заряда, называется электрически нейтральным. Первоначальные знания о взаимодействии заряженных тел теперь известны как классическая электродинамика и остаются точными для задач, не требующих учёта квантовых эффектов. Электрический заряд — сохраняющаяся величина: суммарный заряд изолированной системы, равный разности между количеством положительного и отрицательного зарядов, не может изменяться. Электрический заряд переносится субатомными частицами. В обычной материи отрицательный заряд переносится электронами, а положительный — протонами, находящимися в ядрах атомов. Если в веществе электронов больше, чем протонов, оно будет иметь отрицательный заряд, если меньше — положительный, а при равном количестве — нейтральный. Заряд квантуется, то есть существует в виде целых кратных наименьшей неделимой единицы, называемой элементарным зарядом (e), приблизительное значение которого является минимальным зарядом, способным существовать в свободном состоянии. Частицы, называемые кварками, несут меньшие заряды, кратные e, но они встречаются только в составе частиц, имеющих заряд, кратный e целому числу раз. В Стандартной модели заряд является абсолютно сохраняющимся квантовым числом. Протон имеет заряд +e, а электрон — -e. Электрические заряды создают электрические поля. Движущийся заряд также создаёт магнитное поле. Взаимодействие электрических зарядов с электромагнитным полем (состоящим из электрического и магнитного полей) является источником электромагнитной (или силы Лоренца), одной из четырёх фундаментальных сил в физике. Изучение взаимодействий между заряженными частицами, опосредованных фотонами, называется квантовой электродинамикой. Производной единицей СИ для электрического заряда является кулон (C), названный в честь французского физика Шарля Огюстена де Кулона. В электротехнике также часто используется ампер-час (А⋅ч). В физике и химии обычно используют элементарный заряд (e) в качестве единицы измерения. В химии также применяется постоянная Фарадея, равная заряду одного моля элементарных зарядов.

Electric charge (symbol q, sometimes Q) is the physical property of matter that causes it to experience a force when placed in an electromagnetic field. Electric charge can be positive or negative. Like charges repel each other and unlike charges attract each other. An object with no net charge is referred to as electrically neutral. Early knowledge of how charged substances interact is now called classical electrodynamics, and is still accurate for problems that do not require consideration of quantum effects. Electric charge is a conserved property: the net charge of an isolated system, the quantity of positive charge minus the amount of negative charge, cannot change. Electric charge is carried by subatomic particles. In ordinary matter, negative charge is carried by electrons, and positive charge is carried by the protons in the nuclei of atoms. If there are more electrons than protons in a piece of matter, it will have a negative charge, if there are fewer it will have a positive charge, and if there are equal numbers it will be neutral. Charge is quantized: it comes in integer multiples of individual small units called the elementary charge, e, about which is the smallest charge that can exist freely. Particles called quarks have smaller charges, multiples of e, but they are found only combined in particles that have a charge that is an integer multiple of e. In the Standard Model, charge is an absolutely conserved quantum number. The proton has a charge of +e, and the electron has a charge of −e. Electric charges produce electric fields. A moving charge also produces a magnetic field. The interaction of electric charges with an electromagnetic field (a combination of an electric and a magnetic field) is the source of the electromagnetic (or Lorentz) force, which is one of the four fundamental interactions in physics. The study of photon mediated interactions among charged particles is called quantum electrodynamics. The SI derived unit of electric charge is the coulomb (C) named after French physicist Charles Augustin de Coulomb. In electrical engineering it is also common to use the ampere hour (A⋅h). In physics and chemistry it is common to use the elementary charge (e) as a unit. Chemistry also uses the Faraday constant, which is the charge of one mole of elementary charges.

Обзор

Заряд — это фундаментальное свойство материи, проявляющее электростатическое притяжение или отталкивание в присутствии другой материи, обладающей зарядом. Электрический заряд является характерным свойством многих субатомных частиц. Заряды свободно существующих частиц являются целочисленными кратными элементарного заряда *e*; говорят, что электрический заряд квантован. Майкл Фарадей в своих экспериментах по электролизу первым отметил дискретный характер электрического заряда. Эксперимент с нефтяной каплей Роберта Милликана продемонстрировал этот факт напрямую и измерил элементарный заряд. Было обнаружено, что один тип частиц, кварки, имеет дробные заряды, равные либо −, либо +, но считается, что они всегда встречаются в кратных интегральных зарядов; свободно существующие кварки никогда не наблюдались. По соглашению, заряд электрона отрицательный, −*e*, а заряд протона положительный, +*e*. Заряженные частицы с одноименными знаками зарядов отталкиваются, а частицы с разноименными знаками зарядов притягиваются. Закон Кулона количественно определяет электростатическую силу между двумя частицами, утверждая, что сила пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Заряд античастицы равен заряду соответствующей частицы, но с противоположным знаком. Электрический заряд макроскопического объекта — это сумма электрических зарядов частиц, из которых он состоит. Этот заряд часто мал, поскольку материя состоит из атомов, а атомы обычно содержат равное количество протонов и электронов, в этом случае их заряды компенсируют друг друга, давая нулевой результирующий заряд и делая атом нейтральным. Ион — это атом (или группа атомов), который потерял один или несколько электронов, приобретая положительный результирующий заряд (катион), или получил один или несколько электронов, приобретая отрицательный результирующий заряд (анион). Моноатомные ионы образуются из отдельных атомов, а полиатомные ионы — из двух или более атомов, связанных друг с другом, в каждом случае образуя ион с положительным или отрицательным результирующим зарядом. В процессе образования макроскопических объектов составляющие атомы и ионы обычно объединяются, образуя структуры, состоящие из нейтральных ионных соединений, электрически связанных с нейтральными атомами. Таким образом, макроскопические объекты, как правило, в целом нейтральны, но макроскопические объекты редко бывают идеально нейтральными. Иногда макроскопические объекты содержат ионы, распределенные по всему материалу и жестко закрепленные на своих местах, придавая объекту общий положительный или отрицательный заряд. Кроме того, макроскопические объекты, изготовленные из проводящих элементов, могут более или менее легко (в зависимости от элемента) принимать или отдавать электроны и затем поддерживать чистый отрицательный или положительный заряд неопределенно долго. Если результирующий электрический заряд объекта отличен от нуля и неподвижен, это явление называется статическим электричеством. Его можно легко получить, например, путем трения двух различных материалов друг о друга, таких как трение янтаря о шерсть или стекла о шелк. Таким образом, непроводящие материалы могут быть заряжены до значительной степени, как положительно, так и отрицательно. Заряд, взятый с одного материала, перемещается на другой материал, оставляя за собой противоположный заряд той же величины. Закон сохранения заряда всегда выполняется, придавая объекту, с которого был взят отрицательный заряд, положительный заряд той же величины, и наоборот. Даже если результирующий заряд объекта равен нулю, заряд может быть распределен неравномерно в объекте (например, из-за внешнего электромагнитного поля или связанных полярных молекул). В таких случаях объект считается поляризованным. Заряд, вызванный поляризацией, известен как связанный заряд, а заряд на объекте, образованный электронами, полученными или потерянными извне, называется свободным зарядом. Направленное движение электронов в проводящих металлах называется электрическим током.

Charge is the fundamental property of matter that exhibits electrostatic attraction or repulsion in the presence of other matter with charge. Electric charge is a characteristic property of many subatomic particles. The charges of free standing particles are integer multiples of the elementary charge e; we say that electric charge is quantized. Michael Faraday, in his electrolysis experiments, was the first to note the discrete nature of electric charge. Robert Millikan's oil drop experiment demonstrated this fact directly, and measured the elementary charge. It has been discovered that one type of particle, quarks, have fractional charges of either − or +, but it is believed they always occur in multiples of integral charge; free standing quarks have never been observed. By convention, the charge of an electron is negative, −e, while that of a proton is positive, +e. Charged particles whose charges have the same sign repel one another, and particles whose charges have different signs attract. Coulomb's law quantifies the electrostatic force between two particles by asserting that the force is proportional to the product of their charges, and inversely proportional to the square of the distance between them. The charge of an antiparticle equals that of the corresponding particle, but with opposite sign. The electric charge of a macroscopic object is the sum of the electric charges of the particles that it is made up of. This charge is often small, because matter is made of atoms, and atoms typically have equal numbers of protons and electrons, in which case their charges cancel out, yielding a net charge of zero, thus making the atom neutral. An ion is an atom (or group of atoms) that has lost one or more electrons, giving it a net positive charge (cation), or that has gained one or more electrons, giving it a net negative charge (anion). Monatomic ions are formed from single atoms, while polyatomic ions are formed from two or more atoms that have been bonded together, in each case yielding an ion with a positive or negative net charge. During the formation of macroscopic objects, constituent atoms and ions usually combine to form structures composed of neutral ionic compounds electrically bound to neutral atoms. Thus macroscopic objects tend toward being neutral overall, but macroscopic objects are rarely perfectly net neutral. Sometimes macroscopic objects contain ions distributed throughout the material, rigidly bound in place, giving an overall net positive or negative charge to the object. Also, macroscopic objects made of conductive elements can more or less easily (depending on the element) take on or give off electrons, and then maintain a net negative or positive charge indefinitely. When the net electric charge of an object is non zero and motionless, the phenomenon is known as static electricity. This can easily be produced by rubbing two dissimilar materials together, such as rubbing amber with fur or glass with silk. In this way, non conductive materials can be charged to a significant degree, either positively or negatively. Charge taken from one material is moved to the other material, leaving an opposite charge of the same magnitude behind. The law of conservation of charge always applies, giving the object from which a negative charge is taken a positive charge of the same magnitude, and vice versa. Even when an object's net charge is zero, the charge can be distributed non uniformly in the object (e. g., due to an external electromagnetic field, or bound polar molecules). In such cases, the object is said to be polarized. The charge due to polarization is known as bound charge, while the charge on an object produced by electrons gained or lost from outside the object is called free charge. The motion of electrons in conductive metals in a specific direction is known as electric current.

Единицы

Единицей количества электрического заряда в СИ является кулон (символ: С). Кулон определяется как количество заряда, проходящего через поперечное сечение электрического проводника, несущего ток в один ампер в течение одной секунды. Эта единица была предложена в 1946 году и утверждена в 1948 году. После открытия квантованного характера заряда в 1891 году, Джордж Стоуни предложил единицу «электрон» для обозначения этой фундаментальной единицы электрического заряда. В 1897 году Дж. Дж. Томсон обнаружил частицу, которую мы теперь называем электроном. В настоящее время эту единицу называют элементарным зарядом, фундаментальной единицей заряда или просто обозначают буквой e, при этом заряд электрона равен −e. Заряд изолированной системы должен быть кратным элементарному заряду e, даже если в макроскопическом масштабе заряд кажется непрерывной величиной. В некоторых контекстах имеет смысл говорить о долях элементарного заряда; например, в дробном квантовом эффекте Холла. Единица фарада иногда используется в электрохимии. Один фарадей равен по модулю заряду одного моля элементарных зарядов, то есть…

История

С древних времен людям были известны четыре типа явлений, которые сегодня объясняются концепцией электрического заряда: (a) молния, (b) электрический скат (или электрический луч), (c) огни святого Эльма и (d) способность янтаря, натёртого шерстью, притягивать небольшие лёгкие предметы. Первое описание эффекта янтаря часто приписывают древнегреческому математику Фалесу Милетскому, жившему примерно с 624 по 546 год до н.э., однако существуют сомнения в том, оставил ли Фалес какие-либо письменные труды; его описание янтаря известно из свидетельств начала III века н.э. Иными словами, не было никаких указаний на понимание электрического заряда. В более широком смысле, древние греки не понимали взаимосвязь между этими четырьмя типами явлений. Греки заметили, что заряженные янтарные предметы могут притягивать лёгкие объекты, такие как волосы. Они также обнаружили, что при достаточно длительном трении янтаря можно получить электрическую искру, хотя есть утверждения, что упоминания об электрических искрах появились только в конце XVII века. Это свойство обусловлено трибоэлектрическим эффектом. В конце XII века было отмечено, что янтарь, сжатая форма угля, также проявляет эффект янтаря, а в середине XVI века Джироламо Фракасторо обнаружил, что алмаз обладает аналогичным свойством. Фракасторо и другие, в частности Джероламо Кардано, предпринимали попытки разработать объяснения этого явления. В отличие от астрономии, механики и оптики, которые изучались количественно с древности, начало систематических качественных и количественных исследований электрических явлений можно отнести к публикации в 1600 году книги «О магните» английского учёного Уильяма Гильберта. В этой книге Гильберт вернулся к эффекту янтаря (как он его называл), рассматривая многие ранние теории. Гильберту также приписывают введение термина «электрический», тогда как термин «электричество» появился позже и впервые был использован сэром Томасом Брауном в его работе «Pseudodoxia Epidemica» (1646). (Подробности об этимологии см. в статье «Этимология слова электричество»). Гильберт предположил, что эффект янтаря можно объяснить эффлювием (небольшим потоком частиц, исходящим от электрического объекта, не уменьшая при этом его объёма или веса), воздействующим на другие объекты. Эта идея о материальном электрическом эффлювии оказала влияние в XVII и XVIII веках и стала предшественницей представлений о «электрической жидкости» (Дюфэ, Нолле, Франклин) и «электрическом заряде», разработанных в XVIII веке. Около 1663 года Отто фон Герике, вероятно, изобрел первый электростатический генератор, но не рассматривал его в первую очередь как электрическое устройство и проводил с его помощью лишь минимальные электрические эксперименты. Другим европейским пионером был Роберт Бойль, опубликовавший в 1675 году первую книгу на английском языке, посвящённую исключительно электрическим явлениям. Его работа во многом повторяла исследования Гильберта, но он также выявил несколько дополнительных «электриков» и отметил взаимное притяжение между двумя телами. В ходе этих экспериментов Грей обнаружил важность различных материалов, которые облегчают или затрудняют проводимость электрических эффлювий. Джон Теофилус Дезагульер, повторивший многие эксперименты Грея, считается автором терминов «проводники» и «изоляторы», используемых для описания влияния различных материалов в этих экспериментах. Он попытался объяснить это явление с помощью концепции электрического эффлювия. Открытия Грея ознаменовали важный сдвиг в историческом развитии знаний об электрическом заряде. Тот факт, что электрические эффлювии могут передаваться от одного объекта к другому, открыл теоретическую возможность того, что это свойство не является неотъемлемым свойством тел, электрифицированных трением. В 1733 году Шарль Франсуа де Систерне дю Фей, вдохновлённый работами Грея, провёл серию экспериментов (опубликованных в «Мемуарах Королевской академии наук»), показав, что почти все вещества могут быть «электрифицированы» трением, за исключением металлов и жидкостей, и предположил, что электричество существует в двух разновидностях, взаимно нейтрализующих друг друга, что он выразил в рамках теории двух жидкостей. Дю Фей утверждал, что стекло, натёртое шёлком, заряжается стеклянным электричеством, а янтарь, натёртый шерстью, – смолистым электричеством. В современном понимании положительный заряд определяется как заряд стеклянной палочки после протирания её шёлковой тканью, однако выбор, какой тип заряда называть положительным, а какой отрицательным, произволен. Другая важная теория двух жидкостей была предложена Жаном Антуаном Нолле (1745). До 1745 года основным объяснением электрического притяжения и отталкивания была идея о том, что электризованные тела испускают эффлювий. Бенджамин Франклин начал проводить электрические эксперименты в конце 1746 года и к 1750 году разработал теорию одного флюида, основанную на эксперименте, показавшем, что натёртое стекло и ткань, используемая для его натирания, приобретают одинаковую по величине, но противоположную по знаку заряд. Франклин представлял электричество как невидимую жидкость, присутствующую во всей материи, и ввёл термин «заряд» (а также термины «батарея» и другие); например, он полагал, что именно стекло в лейденской банке удерживает накопленный заряд. Он предположил, что трение изолирующих поверхностей приводит к перемещению этой жидкости, а её поток составляет электрический ток. Он также предположил, что материя, содержащая избыток жидкости, заряжена положительно, а при её недостатке – отрицательно. Он отождествил положительный заряд со стеклянным электричеством, а отрицательный – со смолистым электричеством, проведя эксперимент со стеклянной трубкой, полученной от своего зарубежного коллеги Питера Коллинсона. В эксперименте участник А заряжал стеклянную трубку, а участник Б получал удар током от заряженной трубки. Франклин определил участника Б как положительно заряженного после удара током. Существуют некоторые разногласия относительно того, независимо ли Уильям Уотсон пришёл к тому же объяснению одного флюида примерно в то же время (1747). Уотсон, увидев письмо Франклина Коллинсону, утверждает, что представил то же объяснение, что и Франклин, весной 1747 года. Франклин изучал некоторые работы Уотсона до проведения собственных экспериментов и анализа, что, вероятно, имело значение для его собственной теории. Один физик предполагает, что Уотсон первым предложил теорию одного флюида, которую Франклин затем разработал более подробно и влиятельно. Историк науки утверждает, что Уотсон не заметил тонкой разницы между своими идеями и идеями Франклина, поэтому неверно истолковал их как схожие. В любом случае, между Уотсоном и Франклином не было враждебности, и модель Франклина электрического действия, сформулированная в начале 1747 года, в конечном итоге получила широкое признание в то время. В настоящее время известно, что модель Франклина была в корне верной. Существует только один вид электрического заряда, и для отслеживания количества заряда требуется только одна переменная. До 1800 года изучение проводимости электрического заряда было возможно только с помощью электростатического разряда. В 1800 году Алессандро Вольта впервые показал, что заряд можно поддерживать в непрерывном движении по замкнутому контуру. В 1833 году Майкл Фарадей стремился развеять любые сомнения в том, что электричество идентично, независимо от источника его происхождения. Он обсудил различные известные формы, которые он охарактеризовал как обычное электричество (например, статическое электричество, пьезоэлектричество, магнитная индукция), гальваническое электричество (например, электрический ток от вольтова столба) и животное электричество (например, биоэлектричество). В 1838 году Фарадей задался вопросом, является ли электричество флюидом или флюидами, или свойством материи, подобным гравитации. Он исследовал, можно ли зарядить материю одним типом заряда независимо…

From ancient times, people were familiar with four types of phenomena that today would all be explained using the concept of electric charge: (a) lightning, (b) the torpedo fish (or electric ray), (c) St Elmo's Fire, and (d) that amber rubbed with fur would attract small, light objects. The first account of the amber effect is often attributed to the ancient Greek mathematician Thales of Miletus, who lived from c. 624 to c. 546 BC, but there are doubts about whether Thales left any writings; his account about amber is known from an account from early 200s. In other words, there was no indication of any conception of electric charge. More generally, the ancient Greeks did not understand the connections among these four kinds of phenomena. The Greeks observed that the charged amber buttons could attract light objects such as hair. They also found that if they rubbed the amber for long enough, they could even get an electric spark to jump, but there is also a claim that no mention of electric sparks appeared until late 17th century. This property derives from the triboelectric effect. In late 1100s, the substance jet, a compacted form of coal, was noted to have an amber effect, and in the middle of the 1500s, Girolamo Fracastoro, discovered that diamond also showed this effect. Some efforts were made by Fracastoro and others, especially Gerolamo Cardano to develop explanations for this phenomenon. In contrast to astronomy, mechanics, and optics, which had been studied quantitatively since antiquity, the start of ongoing qualitative and quantitative research into electrical phenomena can be marked with the publication of De Magnete by the English scientist William Gilbert in 1600. In this book, there was a small section where Gilbert returned to the amber effect (as he called it) in addressing many of the earlier theories, Gilbert is also credited with the term electrical, while the term electricity came later, first attributed to Sir Thomas Browne in his Pseudodoxia Epidemica from 1646. (For more linguistic details see Etymology of electricity.) Gilbert hypothesized that this amber effect could be explained by an effluvium (a small stream of particles that flows from the electric object, without diminishing its bulk or weight) that acts on other objects. This idea of a material electrical effluvium was influential in the 17th and 18th centuries. It was a precursor to ideas developed in the 18th century about "electric fluid" (Dufay, Nollet, Franklin) and "electric charge". Around 1663 Otto von Guericke invented what was probably the first electrostatic generator, but he did not recognize it primarily as an electrical device and only conducted minimal electrical experiments with it. Other European pioneers were Robert Boyle, who in 1675 published the first book in English that was devoted solely to electrical phenomena. His work was largely a repetition of Gilbert's studies, but he also identified several more "electrics", and noted mutual attraction between two bodies. Through these experiments, Gray discovered the importance of different materials, which facilitated or hindered the conduction of electrical effluvia. John Theophilus Desaguliers, who repeated many of Gray's experiments, is credited with coining the terms conductors and insulators to refer to the effects of different materials in these experiments. He attempted to explain this phenomenon with the idea of electrical effluvia. Gray's discoveries introduced an important shift in the historical development of knowledge about electric charge. The fact that electrical effluvia could be transferred from one object to another, opened the theoretical possibility that this property was not inseparably connected to the bodies that were electrified by rubbing. In 1733 Charles François de Cisternay du Fay, inspired by Gray's work, made a series of experiments (reported in Mémoires de l'Académie Royale des Sciences), showing that more or less all substances could be 'electrified' by rubbing, except for metals and fluids and proposed that electricity comes in two varieties that cancel each other, which he expressed in terms of a two fluid theory. When glass was rubbed with silk, du Fay said that the glass was charged with vitreous electricity, and, when amber was rubbed with fur, the amber was charged with resinous electricity. In contemporary understanding, positive charge is now defined as the charge of a glass rod after being rubbed with a silk cloth, but it is arbitrary which type of charge is called positive and which is called negative. Another important two fluid theory from this time was proposed by Jean Antoine Nollet (1745). Up until about 1745, the main explanation for electrical attraction and repulsion was the idea that electrified bodies gave off an effluvium. Benjamin Franklin started electrical experiments in late 1746, and by 1750 had developed a one fluid theory of electricity, based on an experiment that showed that a rubbed glass received the same, but opposite, charge strength as the cloth used to rub the glass. Franklin imagined electricity as being a type of invisible fluid present in all matter and coined the term charge itself (as well as battery and some others); for example, he believed that it was the glass in a Leyden jar that held the accumulated charge. He posited that rubbing insulating surfaces together caused this fluid to change location, and that a flow of this fluid constitutes an electric current. He also posited that when matter contained an excess of the fluid it was positively charged and when it had a deficit it was negatively charged. He identified the term positive with vitreous electricity and negative with resinous electricity after performing an experiment with a glass tube he had received from his overseas colleague Peter Collinson. The experiment had participant A charge the glass tube and participant B receive a shock to the knuckle from the charged tube. Franklin identified participant B to be positively charged after having been shocked by the tube. There is some ambiguity about whether William Watson independently arrived at the same one fluid explanation around the same time (1747). Watson, after seeing Franklin's letter to Collinson, claims that he had presented the same explanation as Franklin in spring 1747. Franklin had studied some of Watson's works prior to making his own experiments and analysis, which was probably significant for Franklin's own theorizing. One physicist suggests that Watson first proposed a one fluid theory, which Franklin then elaborated further and more influentially. A historian of science argues that Watson missed a subtle difference between his ideas and Franklin's, so that Watson misinterpreted his ideas as being similar to Franklin's. In any case, there was no animosity between Watson and Franklin, and the Franklin model of electrical action, formulated in early 1747, eventually became widely accepted at that time. It is now known that the Franklin model was fundamentally correct. There is only one kind of electrical charge, and only one variable is required to keep track of the amount of charge. Until 1800 it was only possible to study conduction of electric charge by using an electrostatic discharge. In 1800 Alessandro Volta was the first to show that charge could be maintained in continuous motion through a closed path. In 1833, Michael Faraday sought to remove any doubt that electricity is identical, regardless of the source by which it is produced. He discussed a variety of known forms, which he characterized as common electricity (e. g., static electricity, piezoelectricity, magnetic induction), voltaic electricity (e. g., electric current from a voltaic pile), and animal electricity (e. g., bioelectricity). In 1838, Faraday raised a question about whether electricity was a fluid or fluids or a property of matter, like gravity. He investigated whether matter could be charged with one kind of charge independently of the other. He came to the conclusion that electric charge was a relation between two or more bodies, because he could not charge one body without having an opposite charge in another body. In 1838, Faraday also put forth a theoretical explanation of electric force, while expressing neutrality about whether it originates from one, two, or no fluids. He focused on the idea that the normal state of particles is to be nonpolarized, and that when polarized, they seek to return to their natural, nonpolarized state. In developing a field theory approach to electrodynamics (starting in the mid 1850s), James Clerk Maxwell stops considering electric charge as a special substance that accumulates in objects, and starts to understand electric charge as a consequence of the transformation of energy in the field. This pre quantum understanding considered magnitude of electric charge to be a continuous quantity, even at the microscopic level.

Роль заряда в электрическом токе

Электрический ток — это направленное движение электрического заряда в объекте. Наиболее распространенными носителями заряда являются положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Движение любой из этих заряженных частиц составляет электрический ток. Во многих случаях достаточно говорить об условном токе, не принимая во внимание, переносится ли он положительными зарядами, движущимися в направлении условного тока, или отрицательными зарядами, движущимися в противоположном направлении. Этот макроскопический подход является приближением, упрощающим электромагнитные понятия и вычисления. Однако, рассматривая микроскопическую картину, можно увидеть множество способов реализации электрического тока, включая: поток электронов; поток электронных дырок, ведущих себя как положительные частицы; и одновременный поток как отрицательных, так и положительных частиц (ионов или других заряженных частиц) в противоположных направлениях в электролитическом растворе или плазме. Важно помнить, что в распространенном и важном случае металлических проводников направление условного тока противоположно скорости дрейфа реальных носителей заряда, то есть электронов. Это часто вызывает путаницу у начинающих.

Релятивистская инвариантность

Помимо свойств, описанных в статьях об электромагнетизме, заряд является релятивистским инвариантом. Это означает, что любая частица, обладающая зарядом q, сохраняет этот заряд независимо от скорости её движения. Это свойство было экспериментально подтверждено путем демонстрации того, что заряд ядра гелия (состоящего из двух протонов и двух нейтронов, связанных в ядре и движущихся с высокой скоростью) равен заряду двух ядер дейтерия (состоящих из одного протона и одного нейтрона, связанных вместе, но движущихся значительно медленнее, чем в ядре гелия).