電荷

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將電荷抽象化咁畫出嚟嘅表示圖;正同負電荷會互相吸引,而佢哋之間產生嘅力會形成所謂嘅電場,圖入面嗰啲有箭咀嘅線(電場線)表示咗一粒正電荷畀人擺落去呢個電場嗰度會受嘅靜電力嘅方向。

電荷粵拼din6 ho6英國話:Electric charge)[1][2][3]物質嘅一種守恆性質,佢係物質喺畀人擺咗喺個電場入面嗰陣會受嘅原因。電荷有得分兩種:正電荷同埋負電荷,佢哋喺原子入面通常係分別由質子同埋電子帶嘅。同性嘅電荷會相斥,而異性嘅會相吸。一舊整體上唔帶電荷嘅物體就係所謂嘅中性。電荷呢個概念係成個電磁學嘅中心,喺廿世紀之前,人類對佢嘅研究形成咗古典電磁學中學最常教嗰套)呢套理論框架。喺啲物理學算式入面,電荷通常都係畀人用 或者 嚟表示嘅,而佢響國際單位制嗰度嘅單位係庫倫(Coulomb)。

電荷同息息相關。帶電荷(或者簡稱「帶電」)嘅嘢會產生磁場,而佢哋自己又會畀磁場影響返轉頭,形成電磁場(Electromagnetic field;指電場同磁場加埋一齊嘅結果)。郁緊嘅電荷-即係所謂嘅電流-畀人放喺一個磁場裏面會產生一種叫勞侖茲力(Lorentz force)嘅力[4],呢種力又會令到電流嘅方向有所改變。

點發現[編輯]

一隻示範靜電嘅效應;隻貓嘅郁動令到佢啲毛皮有咗摩擦起電效應,當中喺隻貓嘅毛皮上面產生嘅靜電荷搞到佢曉吸引啲(唔帶電荷)發泡膠呢啲輕嘅嘢。

喺大約公元前 6 世紀嘅古希臘嗰陣嘅數學家泰勒斯(Thales of Miletus)經已講咗話佢哋曉透過用動物毛皮捽落去其他物質嗰度嚟產生電荷。啲古希臘人留意到帶電荷嘅琥珀可以吸引一啲輕嘅嘢,例如係頭髮,而且佢哋重發現咗如果佢哋捽舊琥珀捽得夠耐,舊嘢重曉產生火花。呢個現象畀後嚟啲人研究,並且改名做摩擦起電效應(Triboelectric effect)[5]

現代科學對電荷嘅研究係由 17 世紀頭開始嘅。喺 1600 年,英格蘭科學家 William Gilbert 寫咗本《De Magnete》,並且引用咗拉丁話字「electricus」-而呢個字打後就演變成英國話入面嘅「Electricity」呢個字。喺 1660 年,德國科學家 Otto von Guericke 發明咗第一部靜電發電機,令到現代嘅電磁學全面咁開始發展,喺跟住落嚟嘅 18 世紀好快就有出嗮正電負電同埋電場呢啲概念。

電荷嘅實驗喺屋企都可以做:將一大柞物體捽到起靜電之後,就會發現啲物體當中有啲會互相吸引,有啲會互相排斥。而且重會有得將呢柞物體分做兩大組:同一組入面嘅物體都會互相排斥,而且冚唪唥都會同第組嗰啲物體吸引-即係話電荷有得分做兩種:就咁叫住佢哋做「正電荷」同「負電荷」-總之是旦一個做正,另外一個做負就得。當兩舊帶好勁電荷而且唔同性嘅物體掂埋一齊或者擺得好近嗰陣,佢哋之間會產生一股突然嘅電流,呢個過程完咗之後兩舊物體就唔再帶電或者帶嘅電會變弱咗-即係話喺呢個過程途中電荷喺嗰兩舊物體之間郁動。呢個過程就係所謂嘅靜電放電(Electrostatic discharge),如果牽涉喺一次靜電放電當中嘅電荷量夠勁,放電嘅過程嗰度重會產生-即係產生火花。

概論[編輯]

根據慣例,喺畫電場圖嚟表達一個電場嗰陣,啲電場線係由正電荷指去負電荷嗰度嘅。

摩擦起電效應[編輯]

內文: 摩擦起電效應

當有人將一塊玻璃同埋一舊樹脂-而兩件嘢都唔帶電-捽落對方嗰度、跟手再掂住對方咁擺埋一齊嘅時候,兩件嘢唔會顯示有帶電嘢有嘅特徵。但係當佢哋畀人分開咗,佢哋會互相吸引。跟住將第二塊玻璃捽落去第二舊樹脂嗰度、再將佢哋分開、並且將佢哋擺近第一塊玻璃同埋第一舊樹脂嗰度嗰時,會發生啲咁樣嘅事:

  • 兩塊玻璃會互相排斥;
  • 兩塊玻璃都會曉吸引兩舊樹脂;
  • 兩舊樹脂會互相排斥。

呢種係一種電嘅現象,而有呢啲特徵嘅物體就算帶電或者起咗電(Electrified)。要令到物體由冇電變到帶電有好多方法,其中一種就係靠將兩件唔同物料嘅物體(說明咗一件物體嘅電特徵同佢嘅物料有關)互相捽就整到-呢個就係所謂嘅摩擦起電效應。如果是旦揾一對用唔同物料整而且唔係玻璃唔係樹脂嘅兩件物體摩擦起電,會發覺佢哋一件會吸引頭先嗰兩塊玻璃排斥頭先嗰兩舊樹脂,而另一件就相反,於是乎就有咗「正電負電」嘅概念。喺科學界,一般慣例都係會將起咗電之後吸引玻璃排斥樹脂嗰啲嘢當做帶正電,而相反嗰啲帶負電-呢個查實純粹係一個慣例,只要將一方當正另一方當負,計出嚟嘅數就唔會有問題。

微觀特性[編輯]

睇埋:原子同埋量子力學

好多次原子粒子(Subatomic particle;指啲細粒過原子粒子,好似係電子咁)都帶電荷。對於量子力學(Quantum mechanics)理論嘅研究發現咗,電荷係定量咗(Quantized)嘅,即係話電荷呢家嘢唔係砍幾細件都得,而係有某啲基礎單位(e;1 庫倫大約等如 &表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符-1.0000006.242×1018 e)嘅-所有帶電荷嘅嘢身上嘅電荷量實係 e 嘅倍數,而如果有件物體佢帶嘅電荷量啱啱好等於 e,咁佢身上帶嘅電荷除咗變成 0 之外就冇得再減少。電荷嘅定量性有得用美國物理學家 Robert Millikan 嘅油滴實驗嚟揾出[6]

根據慣例,一粒電子帶嘅電荷係負數(-e)而一粒質子帶嘅電荷係正數(+e)。兩粒同極嘅帶電粒子會相斥,而異極嘅會相吸。庫倫定律(Coulomb's law)呢條物理定律將兩粒帶電粒子之間嘅靜電力量化[7],表示兩粒帶電粒子之間嘅力-無論係吸引力定係排斥力-喺數值上係同嗰兩粒粒子帶嘅電荷量成正比,並且同佢哋之間嘅距離平方反比嘅。呢條定律用數學方程式表達嘅話係:

喺呢條式入面, 係兩粒粒子會感受到嘅力;庫侖常數,呢個常數嘅數值大約係 &表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符表達錯: 未預料嘅 / 運算符-1.0000008.999 N m2 C−2 係兩粒粒子分別帶嘅靜電量(要有正負號嚟表示佢哋係邊個性);而 就係兩粒粒子之間嘅距離

宏觀特性[編輯]

一舊宏觀物體(Macroscopic object;指大舊過原子好多嘅嘢)身上嘅電荷量係組成佢嘅粒子嘅電荷量嘅總和。原子多數都係有住相同數量嘅質子同電子嘅,而質子同電子身上帶嘅電荷數值上一樣,所以一粒原子通常整體上都唔帶電荷;之但係一舊宏觀物體好多時都會有些少離子(Ion),離子係多咗啲或者少咁咗啲電荷嘅原子,所以會帶非零嘅電荷。喺組成一舊宏觀物體嗰陣,嗰舊嘢入面嘅普通原子同埋離子會聚集,而異極嘅離子會因為相吸嘅靜電力而黐埋一齊,但係舊嘢入面嘅正離子同埋負離子未必數量一樣-就係因為咁,一舊宏觀物體身上嘅電荷量通常都差唔多係等如,但係又好少可會啱啱好等如零。

另一方面,就算一舊物體嘅總電荷等如零,都重有可能會有佢入面嘅電荷分佈唔均勻嘅情況(例如係有個外來嘅電磁場搞到佢受到靜電力)。喺呢個情況就係所謂嘅舊嘢極化咗(Polarized)。因為極化而有嘅總體電荷就係所謂嘅束縛電荷(Bound charge),而因為電子往來而有嘅總體電荷就係所謂嘅自由電荷(Free charge)。而一舊物體內部嘅電荷如果會向住某個特定嘅方向郁,呢股流動就係所謂嘅電流(Electric current):由導電物料組成嘅物體有得以電流呢啲途徑攞到或者甩走啲電子-電子係帶負電荷嘅-並且就咁維持住整體帶正電荷或者負電荷嘅狀態。

當有一舊物體身上嘅總體電荷唔係零但係啲電荷又唔郁,咁呢個現象就係所謂嘅靜電(Static electricity)。靜電好容易產生,將兩舊唔同物料嘅物體互相捽就整到。用呢個方法可以將一舊物體身上嘅電荷移去另一舊嗰度,令到啲物體起靜電,而根據電荷守恆定律(睇下文),如果有兩舊本嚟總體中性兼且受隔離嘅物體交流咗電荷,咁佢哋喺交流完之後各自帶嘅電荷實係數值一樣但係正負相反嘅。

靜電同電流[編輯]

內文: 靜電電流

靜電同電流係兩個相關嘅現象。兩者都牽涉到電荷,重有可能喺同一件物體入面同時發生。靜電係指一件物體帶住明顯非零電荷嘅物體身上啲電荷唔郁。根據庫倫定律,電荷冚唪唥都會向其他電荷施一股吸引或者排斥嘅力,而如果有兩件帶異極電荷嘅嘢達到某啲條件(例如係夠近),佢哋就有可能會交流電荷-呢種現象就係所謂嘅靜電放電。

相反,電流係指喺一件物體內部嘅電荷流動,唔會令到嗰件物體嘅總體電荷多咗或者少咗。最常見嘅帶電荷嘢係帶正電嘅質子同埋帶負電嘅電子。呢兩種帶電荷嘢是旦一個流動都會產生電流,而一般根據慣例,啲人講「電流嘅方向」都係講緊啲正電荷(質子)嘅流動方向。

根據慣例,「電流嘅方向」係指啲正電荷嘅流動方向。所以呢幅圖入面兩條電線嘅電流方向都係「向右」。

相對不變異性[編輯]

睇埋:相對論

電荷係一個相對不變量(Relativistic invariant)。根據相對論,當一件嘢郁嘅速度開始接近光速,佢嘅長度同埋質量會變。相比之下,電荷就係一個相對不變量-即係話一件嘢嘅電荷量唔會跟住件嘢嘅速度改變,一個帶有 咁多電荷嘅物體無論佢速度有幾快,佢嘅電荷量都重會係

電荷守恆[編輯]

內文: 電荷守恆定律

根據電荷守恆定律(Law of conservation of charge),畀是旦一個受隔離嘅物理系統,佢裏面嘅電荷實係守恆嘅-即係話一個受隔離嘅物理系統絕對唔會無啦啦多咗或者少咁咗啲電荷。如果有個系統多咗或者少咗啲電荷,咁啲電荷實係經某啲管道由第個系統嗰度走咗嚟或者走咗過去第個系統嗰度-即係話呢個系統並唔係「受隔離」嘅。用方程式表示嘅話,喺是旦一個特定嘅空間入面,

;又或者可以寫做

當中 係嗰個空間入面嘅電荷量, 係嗰個空間入面嘅電荷密度(指「每單位容量有幾多電荷」), 係嗰個空間嘅容量,時間,而 係電流(指「每單位時間有幾多電荷流經嗰個空間」)。第一條式表示咗電流係電荷量隨時間嘅導數,用日常用語講就係「電流係電荷量隨時間改變嘅率」;而第二條式將 換咗做「 隨住 積分」,用日常用語講就係「所有單位容量入面分別嘅電荷密度加埋一齊出嗰個數」-即係總電荷量。呢兩條算式表示咗一樣嘢:如果有個系統佢多咗或者少咗電荷,咁實係因為有一啲電流流經佢,反之亦然。

睇埋[編輯]

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[編輯]

  1. Griffiths, David J. (2013). Introduction to Electrodynamics (4th ed.). Boston, Mas.: Pearson.
  2. Panofsky, W. K., and M. Phillips, 1969, Classical Electricity and Magnetism, 2nd edition, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts.
  3. James Clerk Maxwell. (1891). A Treatise on Electricity and Magnetism, Dover Publications Inc.
  4. Hyperphysics - Magnetic Force
  5. Roald K. Wangsness (1986). Electromagnetic Fields (2nd Ed.). Wiley.
  6. Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). Brooks/Cole.
  7. McCormmach, R.; Jungnickel, C. (1996), Cavendish, American Philosophical Society, pp. 335–344.