电荷

电荷是构成物质的基本粒子的一种电性质

电荷

电荷（英文名：electric charge）是构成物质的基本粒子的一种物理性质。电荷有正电荷、负电荷两种，同性电荷相斥，异性电荷相吸。[5][6]电荷通常用符号“q”，有时为“Q”，电荷量的国际单位为库仑，以符号“C”表示，是以法国物理学家库仑命名。[1][7][8]质子和电子所带的正、负电荷量是电荷量的最小单元，把这个最小的电荷量称为基本电荷，也称元电荷，用符号“e”表示：e=1.60×10-19C。[9]公元前六世纪，古希腊哲学家泰勒斯（Thales）发现，被毛皮摩擦过的琥珀能够吸引绒毛等轻小物体。这是人类历史上第一次记载的摩擦起电现象。1600年，英国医生吉尔伯特（W.Gilbert）将其命名为电荷。并撰写了第一本阐述电和磁的科学著作《论磁石》。[3][4][10]1660年，德国学者盖利克（O.Von Guericke）发现可以使用旋转的大硫磺球摩擦其他物体从而产生电荷。[11]1729年，史蒂芬·戈瑞（Stephen Gray）发现电传导现象，即通过特定物体可以让电相互传递。[12][13]1746年，荷兰学者马森布洛克（Musschenbroek）经过研究发明出第一个电容器的装置“莱顿瓶”。[14][15]之后，富兰克林（Benjamin Franklin）在前人基础上提出电荷、正电、负电概念，以及电荷守恒假说。1784年，库仑（Coulomb）通过类比万有引力定义的方法，提出库仑定律。此后密立根（R.A.Millikan）做油滴实验，确立基本电荷的存在，并计算出电荷的精确值。[12][16]1851年，法拉第（Michael Faraday）在《论磁力线》一文中提出电场概念。[17][18]

电荷（英文名：electric charge）是构成物质的基本粒子的一种物理性质。电荷有正电荷、负电荷两种，同性电荷相斥，异性电荷相吸。[6][7]电荷通常用符号“q”，有时为“Q”，电荷量[注1]的国际单位为库仑，以符号“C”表示，是以法国物理学家库仑命名。[2][8][9]质子和电子所带的正、负电荷量是电荷量的最小单元，把这个最小的电荷量称为基本电荷，也称元电荷，用符号“e”表示：e=1.60×10-19C。[10]

公元前六世纪，古希腊哲学家泰勒斯（Thales）发现，被毛皮摩擦过的琥珀能够吸引绒毛等轻小物体。这是人类历史上第一次记载的摩擦起电现象。1600年，英国医生吉尔伯特（W.Gilbert）将其命名为电荷。并撰写了第一本阐述电和磁的科学著作《论磁石》。[4][5][11]1660年，德国学者盖利克（O.Von Guericke）发现可以使用旋转的大硫磺球摩擦其他物体从而产生电荷。[12]1729年，史蒂芬·戈瑞（Stephen Gray）发现电传导现象，即通过特定物体可以让电相互传递。[13][14]1746年，荷兰学者马森布洛克（Musschenbroek）经过研究发明出第一个电容器的装置“莱顿瓶”。[15][16]之后，富兰克林（Benjamin Franklin）在前人基础上提出电荷、正电、负电概念，以及电荷守恒假说。1784年，库仑（Coulomb）通过类比万有引力定义的方法，提出库仑定律。此后密立根（R.A.Millikan）做油滴实验，确立基本电荷的存在，并计算出电荷的精确值。[13][17]1851年，法拉第（Michael Faraday）在《论磁力线》一文中提出电场概念。[18][19]

电荷原理在于同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引，具有电荷量子性、电荷守恒性、电荷相对论不变性的性质。[5]在正常情况下，构成物质的原子中通常包含了质子、中子和电子等三种微观粒子。质子带有一个单位的正电荷，电子带有一个单位的负电荷，中子则不带电荷。原子核所带的质子数与核外的电子数相等，整个原子呈电中性。如果原子中有一个或多个电子离去，原子就表现为带正电，称为正离子；如果原子获得了一个或多个电子，原子就表现为带负电，称为负离子。[4][20]同电荷相关的概念有电荷量的代数和始终保持不变的库伦定律、孤立系统中所有电荷的代数和永远保持不变的电荷守恒定理等。[21][22][23]

简史

公元前六世纪，古希腊哲学家泰勒斯（Thales）发现，被毛皮摩擦过的琥珀能够吸引灰尘、绒毛等轻小物体。[注2]中国东汉初期的文人王充在《论衡》一书中，有记录“顿牟缀芥”，即摩擦琥珀能吸引轻小物体。1600年，英国医生吉尔伯特（W.Gilbert）认为，被摩擦过的物体带上一种特殊物质而琥珀化，他将其命名为电荷，并撰写了第一本阐述电和磁的科学著作《论磁石》。[4][11]他根据希腊文中的“琥珀”一词创造“electric-ity”英文单词，用来表示琥珀经摩擦后带电的性质。[24]1660年，德国学者盖利克（O.Von Guericke）发现可以使用旋转的大硫磺球摩擦其他物体从而产生电荷。[12]

1663年，科学家奥托·冯·格里克发明了可能是第一个静电发生器（electrostatic generator）。[25]但他并未将其视为一种电气设备，仅用它进行了最少的电气实验。其他欧洲先驱是罗伯特·波义耳，他的工作在很大程度上是对吉尔伯特研究的重复，但他也发现了更多“电气体”，并注意到了两个物体之间的相互吸引。[26][27][28]1729年，史蒂芬·戈瑞（Stephen Gray）发现电传导现象，即通过特定物体可以让电相互传递。[13][14]1733年，查尔斯·琽dǔ菲（Charles du Fay）将电分为玻璃电和琥珀电两种，并相应的提出双流体理论。[5][13]

1746年，荷兰学者马森布洛克（Musschenbroek）发明第一个电容器的装置“莱顿瓶”。[15][16]此后，富兰克林（Benjamin Franklin）在前人基础上提出电荷、正电、负电概念，以及电荷守恒假说。[13][17]1766年，普列斯特里（Joseph Priertley）对电的排斥力作了相应研究。[13][29]1784年，库仑（Coulomb）通过类比万有引力定义的方法，提出库仑定律。此后密立根（R.A.Millikan）做油滴实验，确立基本电荷的存在，并计算出电荷的精确值。[13][17]1820年，奥斯特（Hans Christian Oerstend）发现电流的磁效应，即电流能让小磁针偏转，而后安培发现磁场中电流受力的规律。[18][30]1851年，法拉第（Michael Faraday）在《论磁力线》一文中，提出电场概念。[18][19]

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正电荷和负电荷

人们规定用丝绸摩擦过的玻璃棒带的是正电荷，同时规定用毛皮摩擦过的橡胶棒带的是负电荷。[7]

点电荷和基本粒子的电荷

点电荷是带电体的理想模型，在不考虑带电体的形状和电荷分布，而把带电体看作是集聚了全部电荷的一个质点。例如，带电体本身的几何线度与带电体之间的距离相比很小时，就可以看作为点电荷。如果带电体较大不能当作一个点电荷来处理时，它也可以看作是点电荷的集合。[31]

在粒子物理学中，许多粒子都带有电荷。电荷在粒子物理学中是一个相加性量子数，电荷守恒定律也适用于粒子，反应前粒子的电荷之和等于反应后粒子的电荷之和，这对于强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用都是严格成立的。[32]

库仑定律

1785年，法国物理学家查尔斯·库仑[注3]在《电力定律》一文中提出，即真空中两个点电荷之间相互作用力，跟它们的电荷量的乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比。作用力的方向在它们的连线上，这个规律叫作库仑定律。电荷间的这种相互作用力叫作静电力或库仑力。[21][22]在一个与外界没有电荷交换的孤立系统中，不论系统内的电荷如何迁移，系统的电荷量的代数和始终保持不变。电荷守恒定律是自然界的基本守恒定律之一，无论是宏观领域里，还是在原子、原子核及基本粒子等微观领域内。[33]

数学表达式：

用和分别表示两个点电荷的电荷量(单位为），用表示两个点电荷之间的距离(单位为)，则两个点电荷之间的相互作用力为[23]

库仑定律：在真空中，两个静止的点电荷间的作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，跟它们之间距离的平方成反比，且作用力的方向在它们的连线上；同名电荷相斥，异名电荷相吸。电荷间的这种相互作用力叫作静电力或库仑力。其中，比例常数叫作静电力常量，。[34]

电荷守恒定律

电荷守恒定律是指，对于一个孤立系统，不论发生什么变化，其中所有电荷的代数和永远保持不变。电荷守恒定律表明，如果某一区域中的电荷增加或减少了，那么必定有等量的电荷进入或离开该区域；如果在一个物理过程中产生或消失了某种电荷，那么必定有等量的异号电荷同时产生或消失。[23]带电体所带电荷量与带电体的运动速度无关，即带电体相对于不同的参考系，其运动速度与质量可以不同，但其电荷量却不变。[33]

数学表达式：

其中是孤立系统边界所限定的体积；是孤立系统内的电荷体密度。一般情况下电流密度矢量是空间点和时间的函数。[23]

相对论不变性

电荷量是一个相对论不变量，电荷量与其运动状态无关，也就是说，在不同参考系中观测，同一带电粒子的电荷量不变，电荷的这一性质称为电荷的相对论不变性。[35]

数学表达式：

表示物体的长度随其沿长度方向的运动速率增加而减少，长度随速率的变换由其中分别是物体的静止质量和固有长度；是物体的运动质量和运动长度，分别是物体的速率和光速。同一物体的质量、长度在不同参考系内观测结果是不同的。[35]

分数电荷

20世纪初，自密立根测定电子电荷开始，科学家们确认电子、质子都带电量相等的基本电荷，对物质的电结构形成了明确理论。同时，也不断地有人提出小于基本电荷的电荷存在的预言，但实验和理论尚未给予证实和承认。学界存在一种小于基本电荷的电荷存在说法，其支持者认为：物质存在着无限多层次，存在于物质内部的“基本粒子”只是这无限多层次中的一层，基本粒子是由更基本的单元“夸克”所组成。但是一直没有在实验中观察到“自由”夸克（孤立存在的夸克）。[36]

1976年美国斯坦福大学的费尔班克教授等人，利用了在某种意义上可以说成是一种现代的油滴实验的装置，从超导铌ní球的实验中，声称发现了相当于的分数电荷。但是，由于费尔班克等人的铌球实验背景复杂，别人无法重复实现他们声称的实验结果，从而未得到承认。[36]

1981年霍吉斯等人，测量了几十万滴大小为的带电汞球电荷。他们用氩yà激发器产生的光束照射汞球，当沉降的汞球穿过在电场中的水平狭缝格栅时，在不同的电场区进行观察。测出汞球从一个狭缝到另一个狭缝所需的时间，就可求出汞球的电荷。该实验未发现分数电荷的存在。此后又有许多科学家打算结合场论和凝聚态物理的理论，来实现物质带有分数电荷的设想，但就目前的情况看来，对于分数电荷的理论基础和实验的研究还都未成熟。[36]

相关现象

起电的本质是使微观带电粒子(如电子)在物体之间或物体内部转移，而不是创造出了电荷。[37]

摩擦起电

两种质料的物体互相摩擦后，每个物体都有一些电子脱离原子束缚而转移到另一个物体上，因不同质料的物体彼此向对方转移的电子数目往往不相等，所以总的来说就是一个物体失去电子而带正电，一个物体得到电子而带负电。[1]

感应起电

当一个带电体靠近导体时，由于电荷间相互吸引或排斥，导体中的自由电荷便会趋向或远离带电体，使导体靠近带电体的一端带异号电荷，远离带电体的一端带同号电荷。这种现象叫做静电感应。利用静电感应使金属导体带电的过程称为感应起电，感应起电使导体中的正负电荷分开，使电荷从导体的一部分转移到另一部分。[37]

接触起电

接触起电，就是把带电体和不带电体相接触，使不带电体产生带电的现象。所谓带电体，就是表面有电子定向流动的物体。在明确了电流的产生原理之后，对接触起电的机理就容易理解了。当带电体和不带电体相接触时，带电体就要将它表面上的电子流传递给不带电体表面上的中子，从而推动不带电体表面上的中子定向旋转产生电流和向外发射出电子射线而产生带电现象。[38]

国际单位

电荷的国际单位是库仑，通常用导出单位表示，以法国物理学家库仑命名。一库仑电荷大约为颗质子的电荷总和，即一个电子的电荷为电荷可用安培（单位为）定义，即[9]

化学领域中，常采用法拉第常数（Faraday constant），即电解析出一摩尔物质所消耗的电量，其精确值为。[4][39]

量子单位

元电荷（elementary charge，简称e），一个质子的电荷，单位为库伦[40]

参考资料 40

  1. 参考 1
  2. 参考 2
  3. 参考 3
  4. 参考 4
  5. 参考 5
  6. 电荷 — 术语在线
  7. 参考 7
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. 参考 10
  11. 参考 11
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  14. 参考 14
  15. 参考 15
  16. 参考 16
  17. 参考 17
  18. 参考 18
  19. 参考 19
  20. 《物理学》网络课程(第三版) — 山东大学物理学院
  21. 参考 21
  22. 参考 22
  23. 参考 23
  24. 参考 24
  25. 参考 25
  26. 参考 26
  27. 参考 27
  28. 参考 28
  29. 参考 29
  30. 参考 30
  31. 参考 31
  32. 参考 32
  33. 参考 33
  34. 参考 34
  35. 参考 35
  36. 参考 36
  37. 参考 37
  38. 参考 38
  39. 参考 39
  40. 参考 40

注释

  1. 简称为电荷
  2. 关于泰勒斯是否有相关记载存在争议
  3. 查利·奥古斯丁·库仑，(Charlse Augustin de Coulomb) 1736 --1806，法国工
    程师、物理学家。
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