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電荷でんか

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重定しげさだこう电荷
兩個りゃんこ電荷でんか间互しょうほどこせ於對かたてき作用さようりょく同性どうせいしょう斥,异性しょう吸。

ざい電磁でんじがくうら電荷でんか英語えいごelectric charge构成ものてき基本きほん粒子りゅうしてきいちしゅ物理ぶつり性質せいしつ原子げんしなかてき质子电子ぶん别带有正ありまさ电荷负电,而中子なかご带电[1]おびゆう電荷でんかてき物質ぶっしつしょうため帶電たいでん物質ぶっしつ,带有电荷てき粒子りゅうししょう带电粒子りゅうし。两个帶電たいでん粒子りゅうしあいだかい互相ほどこせ作用さようりょく,电荷符号ふごうしょうどうてき粒子りゅうしかい相互そうご排斥はいせき,电荷符号ふごう不同ふどうてき粒子りゅうしかい相互そうご吸引きゅういん,该作ようりょくゆかりくら定律ていりつとく

电荷许多原子げんし粒子りゅうしところ拥有てき一种基本守恒性质。电荷决定りょう带电粒子りゅうしざい电磁方面ほうめんてき物理ぶつりぎょう为。静止せいしてき带电粒子りゅうしかい产生电场うつり动中てき带电粒子りゅうしかい产生电磁场,带电粒子りゅうし也会电磁场所かげ响。一个带电粒子与电磁场之间的相互作用称为电磁りょくある电磁交互こうご作用さよう。这是よん基本きほん交互こうご作用さようなかてきいち种。

物体ぶったいしょ带过剩电荷てき总量しょう为电りょう,简称电荷ある电量。[1]电荷量的りょうてきくに际单これくら(C),通常つうじょうよう符号ふごうQ表示ひょうじ。一个质子携带的电荷量称为基本きほん电荷,约为1.602× 10-19库仑よう符号ふごう 表示ひょうじいち电子携带てき电荷りょう夸克携带てき电荷りょう为e/3てき倍数ばいすう

研究けんきゅう带电粒子りゅうし相互そうご作用さようてき经典がく术领いきしょう经典电动力学りきがくかりわか量子りょうしこう应可以被ゆるがせりゃく,则经てん电动力学りきがくのう够很せい确地描述带电ぶつ质在电磁方面ほうめんてき物理ぶつりぎょう为。研究けんきゅう带电粒子りゅうしあずか它们间由光子こうし媒介ばいかいてき相互そうご作用さようてきがく术领いきしょう量子りょうし电动力学りきがく

历史

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西元にしもとぜん600ねん左右さゆうまれ腊的哲学てつがくたい勒斯记录,琥珀こはく摩擦まさつねこ以后かい吸引きゅういんぞう羽毛うもう一类的轻微物体,かりわか摩擦まさつ时间够久,甚至かいゆう火花ひばな[2]

よしなんじはくとくくびさき發明はつめいてきしずかでんけん電器でんきversorium一種可以偵測靜電電荷的けん電器でんきとう帶電たいでん物體ぶったい接近せっきん金屬きんぞく指針ししんてき尖端せんたんよしためしずかでん感應かんおう異性いせい電荷でんかかい移動いどういたり指針ししんてき尖端せんたん指針ししんあずか帶電たいでん物體ぶったいかい互相吸引きゅういんしたがえ而使とく指針ししん轉向てんこう帶電たいでん物體ぶったい

1600ねん英国えいこくせいかど·きち尔伯とく,对于电磁现象做了いち个很细的研究けんきゅう指出さしで琥珀こはくなみただ一经过摩擦時會产生せいまとぶつ质,并且区分くぶん电与磁不同ふどうてき属性ぞくせい[3]せんうつしりょうだい一本阐述电和磁的科学著作《论磁せきえいDe Magnete》。よし尔伯とく创建りょうしんひしげひのとてき术语「electrica」(みなもと於「ήλεκτρον」,「ēlektron」,まれ腊文てき琥珀こはく」),英文えいぶん翻譯ほんやくため「electrics」,ゆび如同琥珀こはく一般當摩擦後會吸引微小物體的物質[4]。這新ひしげひのと術語じゅつご後來こうらい给出りょう英文えいぶん術語じゅつご「electricity」,さいさき现于1646ねん汤玛斯·ぬのろうThomas Browneてき著作ちょさく《Pseudodoxia Epidemica》(英文えいぶん书名《Enquries into very many received tenets and commonly presumed truths》)[5]ずいきさき,于1660ねん科学かがくおくたく·冯·かくさとかつ发明りょう可能かのう史上しじょうだい一部いちぶせい电发电机electrostatic generator)。しょういち硫磺たま固定こてい于一铁轴てきいちはししかきさき一边旋转硫磺球,一边用干手摩擦硫磺球,使つかい硫磺だま产生电荷,のう吸引きゅういん微小びしょうぶつ[6]

ふみ蒂芬·ほこみずえいStephen Gray于1729ねん发现りょう电传导そく电荷以从一个物质传导至另外一个物质的性質。ただゆうぼう種類しゅるいてきぶつ质会传导电荷,其中,金属きんぞくてき能力のうりょくさい为优りょう。从此,科学かがくさい认为产生电荷てき物体ぶったいあずかところ产生てき电荷不可分ふかぶん离的,而认为电一种独立存在的物质,ざい时被しょう为「流体りゅうたいえいelectric fluid」。[7]1733ねん查爾斯·あつえいCharles Du Fay實驗じっけん發現はつげんかりわかいと摩擦まさつてき玻璃はりたい帶電たいでんてききむようかたてい現出げんしゅつ排斥はいせきてき現象げんしょうのり羊毛ようもう摩擦まさつてき琥珀こはくかいたい帶電たいでんてききむようかたてい現出げんしゅつ吸引きゅういんてき現象げんしょういん此,しょう电分为两种,いと摩擦まさつてき玻璃はりたいゆう玻璃はりでんえいvitreous electricity」,而被羊毛ようもう摩擦まさつてき琥珀こはくそくたいゆう樹脂じゅしでんえいresinous electricity」。[4]:484-5这两种电かい彼此ひし相互そうご抵销。这理论称为「そう流體りゅうたい理論りろん」,たい於電現象げんしょうくびきゅう解釋かいしゃくてきでん學理がくりろん[8]:20やや美國びくに科學かがくほこりかしわ奈澤·肯納斯理えいEbenezer Kinnersley獨立どくりつ獲得かくとくしょうどうてき結論けつろん[9]:118

ざいじゅうはちせい纪,美國びくにじんはん杰明·とみ兰克りん电学最前さいぜんはしてき专家いち认为「流体りゅうたい较正确。想像そうぞう电储そん所有しょゆうぶつ质裡,并且通常つうじょう处于平衡へいこうじょう态,而摩擦まさつ动作かい使とく电从一个物体流动至另一个物体。れい如,认为るい积的电是储存于莱顿びんてき玻璃はりよう丝巾摩擦まさつ玻璃はり使とく电从丝巾りゅう动至玻璃はり。这流动形成けいせいりょう电流。けん议电りょうてい平衡へいこうてき物体ぶったい载有负电りょう,电量だか平衡へいこうてき物体ぶったい载有せい电量。任意にんい设定玻璃はり电为せい电,具有ぐゆうあまりてき电;而琥珀こはく电为负电,缺乏けつぼうあし够的电。どう时期,英國えいこく學者がくしゃかど·沃森獨立どくりつ达到どう样的结论。1747ねんとみ兰克りん假定かていざい一个孤立系统内,总电りょうつねじょう,这称为电荷守恒もりつね定律ていりつ[7]:43-47[10]:1112

库仑扭秤torsion balance

1785ねん使用しよう查尔斯·库仑あずかやく翰·まい歇爾ぶん独立どくりつ发明てき扭秤えいtorsion balance,库仑证实りょう约瑟おっと·斯特さとてき基本きほん定律ていりつおびゆうせい态电てき两个物体ぶったい彼此ひし间所感受かんじゅてき作用さようりょくあずか距离なり平方へいほうはん。这奠ていりょうせい电的基本きほん定律ていりつ[7]:56

剑桥大学だいがく卡文すすむ许实验室てき约瑟おっと·汤姆孙於1897ねん实验计算出さんしゅつ組成そせい阴极しゃ线的粒子りゅうしてき電荷でんか質量しつりょうよし於這すう值與陰極いんきょく物質ぶっしつ放電ほうでんかん內氣たい無關むせき,汤姆孙推斷すいだん陰極いんきょくしゃせんてき粒子りゅうしげん於在陰極いんきょく附近ふきん強電きょうでんじょう分解ぶんかいてき氣體きたい原子げんし,這粒子りゅうしため所有しょゆう物質ぶっしつてきぐみぶんよし於汤姆孙獲得かくとくてき電荷でんか質量しつりょう電解でんかい實驗じっけん獲得かくとくてき氫離電荷でんか質量しつりょうてきせんふんいちばい,汤姆孙錯誤さくご推斷すいだん,這粒子りゅうしてき質量しつりょう很小,電荷でんか很大,ややまた修正しゅうせいため粒子りゅうしてき帶電たいでんりょうとう電解でんかい單位たんい電荷でんか,而質りょうそくため原子げんしてきせんふんいち。汤姆孙稱這粒子りゅうしため微粒びりゅう」(corpuscle),就是微小びしょう粒子りゅうしてき意思いしただし學術がくじゅつかい後來こうらい採用さいよう術語じゅつご電子でんしらい標記ひょうき這粒[11]1899ねん,汤姆孙實驗じっけんだんたい做光でんこうおう實驗じっけんあずかねつはなれ發射はっしゃ實驗じっけんはか於先ぜん陰極いんきょくしゃせんとうどうてき電荷でんか質量しつりょう,這意あじちょ這些實驗じっけんしょわたる及的粒子りゅうし電子でんし[12]:23よし於汤姆孙建議けんぎ電子でんしため組成そせい物質ぶっしつてき基礎きそ粒子りゅうしなみ且做實驗じっけんかくきりしょうじつてき論述ろんじゅつ公認こうにんため電子でんしてき發現はつげんしゃ電子でんし人類じんるい發現はつげんてきだいいちしゅ基礎きそ粒子りゅうし[13]:40-43

1898ねん,汤姆孙做實驗じっけん發現はつげん假設かせつ照射しょうしゃXせん於氣たい使用しよう所產しょさんせいてきまけはなれ子來こらいしょう過飽和かほうわ水蒸氣すいじょうき凝結ぎょうけつのり以粗りゃく測量そくりょう帶電たいでん水滴すいてきてき帶電たいでんりょう,其與電解でんかい實驗じっけん獲得かくとくてき氫離帶電たいでんりょう大約たいやく相等そうとう隔年かくねん利用りようひかりでんこうおうらい進行しんこう類似るいじ實驗じっけん,仍舊獲得かくとく同樣どうよう結果けっかただし這些實驗じっけんしょ獲得かくとくてきすう值是很多帶電たいでん水滴すいてきてき統計とうけい平均へいきん值,它們なみのうしょうじつ所有しょゆう電子でんしてき帶電たいでんりょう相等そうとう美國びくに物理ぶつりがくはくとく·みつ立根たつこんざい1909ねんおこり完成かんせい一系列實驗測量電子的帶電量。おこりはつ使用しよう水滴すいてきため測量そくりょう對象たいしょう後來こうらいゆかり於油しずくてき蒸發じょうはつりつ較低,あらため使用しようしずく[12]:23, 61ざい這些あぶらしずく實驗じっけんうら仔細しさい測量そくりょう帶電たいでんしずくざい重力じゅうりょくあずか電場でんじょうてきくらりんりょくてきそうじゅう影響えいきょうてきかか運動うんどうしたがえ獲得かくとくてきすうよりどころ所有しょゆうしずくてき帶電たいでんりょうみなため同一どういつ數字すうじてきせい倍數ばいすういん認定にんてい此數值為單一たんいつ電子でんしてき電荷でんかそく基本きほん電荷でんかなみ斷定だんていでんてき基本きほん結構けっこう自然しぜん不可分ふかぶんてき基本きほん電荷でんか,而不不同ふどうすう值的統計とうけい平均へいきん值。[14]:196-197にわかこく物理ぶつり學者がくしゃはくらん·やく於1911ねん利用りようひかりでんこうおう照射しょうしゃ紫外線しがいせん金屬きんぞく微粒びりゅう子來こらいせいなり帶電たいでん金屬きんぞく微粒子びりゅうししかこう測量そくりょう帶電たいでんりょう獨立どくりつ獲得かくとく同樣どうよう結果けっか[15]

せい

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かり设在平衡へいこうじょう况,ぼう物体ぶったいてき总电りょう不等ふとう于零,也就说,这物体ぶったい带有せい电荷ある负电,则称此物体ぶったい带有せい。这方面ほうめんてき问题ぞくせい电学领域。琥珀こはくざい经过ようねこ摩擦まさつきさきのう吸引きゅういん轻小物体ぶったい,这现ぞうしょうせい电现ぞう。这是负电从猫转移いた琥珀こはくきさきしょてい现的せいとう两个处于电势相等そうとうてき物体ぶったい相互そうご接触せっしょくざい一起かずき,就会发生另外一种静电现象,しょうせい电放电使つかいとく一个物体的电荷流动至另一个物体,从而促成そくせい电势相等そうとうかみなり一种比较剧烈的静电放电现象。ざい大自然だいしぜんちゅういん为云层累积的せい负电剧烈中和ちゅうわかい产生かみなり电和其所ともずいてき电光かみなりごえ热量

てん电荷

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一个正电荷与其电场线
一个负电荷与其电场线

带电粒子りゅうし时常しょう为电ただし电荷本身ほんみ并非粒子りゅうしただ为了方便ほうべん描述,以将它想ぞうなり粒子りゅうし。带电りょうしゃしょう具有ぐゆう较多电荷。处于一外电场的带电粒子,其所かん受到てきそと电场てき库仑りょくあい于其带电りょう

てん电荷带电粒子りゅうしてき理想りそう模型もけい真正しんせいてきてん电荷并不存在そんざいただゆうとう带电粒子りゅうし间的距离超大ちょうだい粒子りゅうしてき尺寸しゃくすんある带电粒子りゅうしてき形状けいじょうあずか大小だいしょう对于彼此ひし相互そうごほどこせてき作用さようりょくてきかげ响能够被ゆるがせりゃく时,しょう此带电体为「てん电荷」。

一个实际带电体能否视为点电荷,仅与带电たい本身ほんみゆう关,还取决于问题てきせい质和せい确度てき要求ようきゅうてん电荷建立こんりゅう基本きほん规律时必要ひつようてき抽象ちゅうしょう概念がいねん,也是ぶん析复杂问题时不可ふかしょうてき分析ぶんせき手段しゅだんれい如,库仑定律ていりつ劳仑兹力定律ていりつてき建立こんりゅう,带电からだしょ产生てき电场以及几个带电たい彼此ひし相互そうご作用さようてき定量ていりょう研究けんきゅう,试验电荷てき引入とうとう应用りょうてん电荷てき观念。

库仑定律ていりつ

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给予两个电量ぶん别为位置いちぶん别为まとてん电荷。すえ库仑定律ていりつてん电荷作用さよう于点电荷てき力量りきりょうてき大小だいしょうあずか方向ほうこう,以方程式ほうていしきひょう达为

かりわか两个てん电荷同性どうせい(电荷てきせい负号しょうどう),则其电量てきじょう是正ぜせい值,两个てん电荷互相排斥はいせきはんこれかりわか两个てん电荷异性(电荷てきせい负号相反あいはん),则其电量てきじょう负值,两个てん电荷互相吸引きゅういん

たば缚电あずか自由じゆう电荷

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ゆう时候,虽然物体ぶったいてき总电りょうとう于零,电荷分布ぶんぷ可能かのうかいひとし匀(れい如,いん存在そんざいがい电场)。对于这状况,这物质称为电极化物ばけものたば缚电よし于电极化而出现的电荷,たば缚于原子げんし内部ないぶあずかたば缚电あかり不同ふどう自由じゆう电荷从外おけいれてき额外てき电荷,たば缚于原子げんし内部ないぶ。带电粒子りゅうしあさぼう方向ほうこうてき运动形成けいせいりょう电流とく别是ざい金属きんぞく内部ないぶ运动てき电子。

粒子りゅうしてき电荷

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ざい粒子りゅうし物理ぶつりがくなか,许多粒子りゅうし带有电荷。电荷ざい粒子りゅうし物理ぶつりがくちゅう一个相加性量子数,电荷守恒もりつね定律ていりつ也适よう于粒はん应前粒子りゅうしてき电荷かずひとし于反应后粒子りゅうしてき电荷,这对于つよ相互そうご作用さようじゃく相互そうご作用さよう电磁相互そうご作用さようみやこただし严格成立せいりつてき

はん粒子りゅうし带有てき电荷あずか对应粒子りゅうし带有てき电荷,电量しょうどう,电性しょう异。夸克带有整数せいすう电荷,-e/3,就是2e/3;ただし科学かがく从未观察到单独夸克てき存在そんざい(这事实可以用渐近自由じゆうAsymptotic freedomてき论来かい释)。

电荷宇称时间对称

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电荷宇称时间对称CPT-symmetry)对于粒子りゅうしはん粒子りゅうしてきしょう对特せい设下りょう强烈きょうれつてき约束。よし此,以严かく测试这理论。れい如,质子はん质子てき电荷てき总和必须ただしこうとう于零。这全等式とうしきてきせい确度やめ经作实验测试いたり108ぶんいち使用しようはん宁阱Penning trapらいしゅうきんはん质子,质子はん质子てき电荷质量相等そうとうせい质的せい确度也被测试いたり6×109ぶんいち[16]

电荷守恒もりつね

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电荷守恒もりつね定律ていりつ表明ひょうめいざいいち孤立こりつけいうら论发せい什么变化,总电必定ひつじょう保持ほじ变。所有しょゆう物理ぶつりほどじょ必须遵守じゅんしゅ定律ていりつざい量子力学りょうしりきがくさと,从なみ函数かんすうてき规范变性以推导出这定律ていりつ

流入りゅうにゅうぼう體積たいせきてききよし電流でんりゅうため

其中,電流でんりゅう電流でんりゅう密度みつど包圍ほうい體積たいせきてき閉曲めん微小びしょうめんむこうりょう元素げんそ垂直すいちょくしたがえ體積たいせき內朝がい指出さしで

應用おうようたび定理ていりはた方程式ほうていしきうつしため

そう電荷でんかりょうあずか體積たいせき內的電荷でんか密度みつどてき關係かんけいため

電荷でんか守恆もりつね要求ようきゅう流入りゅうにゅう體積たいせきてききよし電流でんりゅうとう體積たいせき內總電荷でんかりょうてきへんりつ

所以ゆえん

たい任意にんい體積たいせき上述じょうじゅつ方程式ほうていしき成立せいりつ所以ゆえん以將せきしきつつみ取出とりでらい[17]

ちゅう

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参考さんこう文献ぶんけん

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まいり

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