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(图)电荷
磨擦电荷
电荷diànhè[electric charge] 某些基本粒子(电子质子)的属性,它使基本粒子互相吸引或排斥,古代人类很早就观察到“摩擦起电”现象,并认识到电有正负二种,同种相斥,异种相吸。当时因不明白电的本质,认为电是附着在物体上的,因而称其为“电荷”,并把显示出这种斥力或引力的物体称带电体。有时也称带电体为“电荷”,如“自由电荷”。人类对电的认识发展,但电荷的名称却沿用下来。

目录

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简介编辑本段回目录

(图)电荷
电荷料位开关
电荷是物质、原子或电子等所带的的量。单位是库仑(记号为C)简称库。 常将“带电粒子”称为电荷,但电荷本身并非“粒子”,只是我们常将它想像成粒子以方便描述。因此带电量多者我们称之为具有较多电荷,而电量的多寡决定了力场(库仑力)的大小。此外,根据电场作用力的方向性,电荷可分为正电荷负电荷,电子则带有负电。根据库仑定律,带有同种电荷的物体之间会互相排斥,带有异种电荷的物体之间会互相吸引。排斥或吸引的力与电荷的乘积成正比。 库仑定律(Coulomb's law),法国物理学家库仑(Coulomb,Charles-Augustin de,1736年-1806年)于1785年发现,并后来用自己的名字命名的一条物理学定律。库仑定律是电学发展史上的第一个定量规律,它使电学的研究从定性进入定量阶段,是电学史中的一块重要的里程碑。 它指出,在真空中两个静止点电荷之间的相互作用力与距离平方成反比,与电量乘积成正比,作用力的方向沿连线,同号电荷相斥,异号电荷相吸。

点电荷带电粒子的理想模型。真正的点电荷并不存在,只有当带电粒子之间的距离远大于粒子的尺寸,或是带电粒子的形状与大小对于相互作用力的影响足以忽略时,此带电体就能称为“点电荷”。 物质的一种固有属性.电荷有两种:正电荷和负电荷。 物体由于摩擦、加热、射线照射化学变化等原因,失去部分电子时物体带正电,获得部分电子时物体带负电。 带有多余正电荷或负电荷的物体叫做带电体,习惯上有时把带电体叫做电荷。 电荷间存在相互作用。 静止电荷在周围空间产生静电场,运动电荷除产生电场外还产生磁场。 因此静止或运动的电荷都会受到电场力作用,只有运动电荷才能受磁场力作用。

 一个实际带电体能否看作点电荷,不仅与带电体本身有关,还取决于问题的性质和精度的要求。点电荷是建立基本规律时必要的抽象概念,也是把分析复杂问题时不可少的分析手段。例如,库仑定律洛伦兹定律的建立,带电体的电场以及带电体之间相互作用的定量研究,试验电荷的引入等等,都应用了点电荷的观念。

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。

特征编辑本段回目录

(图)电荷
测试电荷
自然界中的电荷只有两种,即正电荷和负电荷。由丝绸摩擦的玻璃棒所带的电荷叫做正电荷,由毛皮摩擦的橡胶棒所带的电荷叫负电荷。 电荷的最基本的性质是:同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。物质的固有属性之一。琥珀经摩擦后能够吸引轻小物体的现象是物体带电的最早发现。继而发现雷击感应加热照射等等都能使物体带电。电分正、负,同号排斥,异号吸引,正负结合,彼此中和,电可以转移,此增彼减,而总量不变。

构成物质的基本单元是原子,原子由电子和原子核构成,核又由质子和中子构成 ,电子带负电 , 质子带正电,是正、负电荷的基本单元,中子不带电。所谓物体不带电就是电子数与质子数相等,物体带电则是这种平衡的破坏。在自然界中不存在脱离物质而单独存在的电荷 。 在一个孤立系统中,不管发生了什么变化,电子、质子的总数不变,只是组合方式或所在位置有所变化,因而电荷必定守恒。

为了说明电荷的特征,不妨与质量作一些类比。电荷有正、负之分,于是电力排斥力和吸引力的区别,质量只有一种,其间总是相互吸引,正是这种区别,使电力可以屏蔽,引力则无从屏蔽。A.爱因斯坦描述了质量有随运动变化的相对论效应;而电子、质子以及一切带电体的电量都不因运动变化,电量是相对论性的不变量。电荷具有量子性,任何电荷都是电子电荷e的整数倍 ,e的精确值(1986年推荐值)为: e=1.60217733×10-19库质子与电子电量(绝对值)之差小于 10-20e,通常认为两者的绝对值完全相等。电子十分稳定 ,估计其寿命超过1010年,比迄今推测的宇宙年龄还要长得多。

所谓分数电荷是指比电子电量小的电荷,如果存在,将动摇电子、质子作为电荷基元的地位,具有重要的理论意义。1964年,M.盖耳-曼提出强子由夸克组成的理论,预言夸克有多种,其电荷有、种。但尚没有关于分数电荷存在的该项目属于粒子物理理论研究领域。电荷共轭—宇称(CP)对称性涉及到空间和物质的基本对称性,一直是粒子物理研究的前沿领域。Cronin和Fitch因发现CP破坏而荣获诺贝尔奖。但他们发现的只是间接CP破坏,既可由弱作用引起,也可由超弱作用来解释。要区分它们,必须研究直接CP破坏。这不仅对探索自然界新的作用力和理论有着重要意义,而且对弄清CP破坏的起源起着关键性的作用。自1964年起物理学家一直致力于对直接CP破坏的研究。

探索了近四十年的直接CP破坏给出更精确和自洽的理论预言,得到欧洲核子中心NA48和美国费米实验室KTeV两个重要实验的证实。由此实验和理论首次确立了自然界中直接CP破坏的存在,成功地检验了标准模型的CP破坏机制,排除了超弱作用理论。该项目同时解释了困扰粒子物理学界近五十年的所谓ΔI=1/2规则。被国际同行公认为“北京组”工作,得到国际上实验和理论主要专家的认可和引用。该项目对CP对称性自发破缺的双黑格斯二重态模型(S2HDM)中一些重要的物理唯象进行系统研究,指出S2HDM可以成为CP破坏起源的一种新物理模型。在电荷-宇称对称性破坏和夸克-轻子味物理理论研究方面,吴岳良作为主要完成人在国际核心刊物上发表了几十篇论文,总引用率达1000余次。发表在美国《物理评论快报》(PRL)上的论文单篇引用达90余次。

实验编辑本段回目录

(图)电荷
高压产生的电荷
两种电荷学生实验:将学生分组。

实验器材有:

(1)、玻璃棒、橡胶棒各两根;

(2)、毛皮、绸子各两块;

(3)、支架;为了避免实验中电荷的流失,最好两名同学同时进行操作;

实验过程:

(1)、两位同学同时都用绸子摩擦玻璃棒,使它带电,将一根放在支座上,注意:要记住哪端带电,不要用手摸带电的一端,用另一根玻璃棒的带电端靠近这根玻璃棒的带电端,观察发生的现象

(2)、用毛皮摩擦橡胶棒,重做刚才的实验;

(3)、用绸子摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的橡胶棒,做刚才的实验。

实验总结;人们用各种各样的材料做了大量的实验,人们发现带电物体凡是跟绸子摩擦过的玻璃棒互相吸引的,必定跟毛皮摩擦过的橡胶棒互相排斥;凡是跟毛皮摩擦过的橡胶棒互相吸引的,必定跟绸子摩擦过的玻璃棒互相排斥。就是说物体带的电荷要么跟绸子摩擦过的玻璃棒所带电荷相同,要么跟毛皮摩擦过的橡胶棒所带电荷相同,没有第三种可能,自然界中只有这样两种电荷,美国科学家富兰克林对这两种电荷做出规定:绸子摩擦过的玻璃棒所带电荷叫做正电荷,毛皮摩擦过的橡胶棒所带电荷叫做负电荷。1、电荷之间相互作用规律:同性相斥,异性相吸,大小用库仑定律来计算。2、点电荷作用力为一对相互作用力,遵循牛顿第三定律。3、库仑定律的适用条件:真空中静止点电荷间的相互作用力(均匀带电体间、均匀带电球壳间也可)。

历史编辑本段回目录

(图)电荷
沥青电荷
1785年,库仑(C.A.Coulomb,1736-1806)以他的扭秤实验得出静电作用定律.人类从此对电磁现象 进入了定量研究。

1820年,奥斯特(H.C.Oersted,1771-1851)发现电流的磁效应

1820年,安培(A.M.Ampère,1775-1836)发现电流之间的互作用定律

1831年,法拉第(M.Faraday,1791-1867)发现电磁感应定律

1864年,麦克斯韦(J.C.Maxwell,1831-1879)在总结前人实验定律的基础上提出电磁场方程组,并从他的方程组预言电磁波的存在,进而指出光的电磁本质

1887年,赫兹(H.Hertz,1857-1894)以实验证实了电磁波的存在,并对麦克斯韦方程组进行了整理和简化。

 1895年,洛伦兹(H.A.Lorentz,1853-1928)发表“电子论”并给出电荷在电磁场中受力的公式.至此,经典电磁理论的基础已经确立。

1897年,汤姆逊(J.J.Thomson,1856-1940)在阴极射线管中发现了电子(e-),这是人类历史上发现的第一个基本粒子。物理学家们陆续发现了一大批带电的或电中性的粒子,其中包括质子(p)、正电子(e+)和中子(n)。

发现 编辑本段回目录

(图)电荷
纳米发出电荷
1897 J.J.Thomson 在阴极射线实验中发现了电子,这是人类发现的第一个基本粒子,1905-1913年, R.A. Millikan 多次以“油滴”实验测量了电子的电荷质量比

1911 E.Rutherford 跟据 a 粒子碰撞金属箔的散射实验,提出原子的有核模型;1920年,又猜测原子核内除存在带正电的“质子”外,还应当含有一种中性粒子。

1930 A.M.Dirac 将相对论引进量子力学,提出相对论电子理论,预言存在电子的反粒子——正电子(同时预言存在磁单极) 。

1932 C.D.Anderson 在宇宙线中发现正电子,证实了Dirac 的预言J.Chadwick 发现中子,证实了Rutherford 的猜测W.K.Heisenborg 和伊万年科各自建立原子核由质子和中子组成的假说 。

1935 汤川秀树(H.Yukawa)提出强作用的介子理论;1950年C.F.Powell 在宇宙线中发现 p介子 。

1937 C.D.Anderson 在宇宙线中发现 m子 。

1947-- 陆续在宇宙线和加速器中先后发现了一批奇异粒子:L超子、K介子、X超子、W- 超子 1955 O.Chamberlain和 E. G. Segre在加速器中发现反质子 。

1964 M.Gell-Mann和 G.Zweig 提出强子结构的夸克模型自1980年代起在加速器的电子—质子碰撞实验中,先后发现了理论预言的3色 6味、以束缚态存在的夸克和反夸克(最重的t夸克直到 1995年才被发现)。

 1964 一组科学家在欧洲核子中心(CERN)的加速器中发现反质子和反 中子组成的反氘核  。

1983 C.Rubbia等在欧洲核子中心发现电弱统一理论预言的 W±和 Z0 粒子 。

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