Заряд и электрон что у них общего? Найдите различия…

На этот раз я хочу разъяснить что такое заряд. И сразу возник ответ. Заряд и электрон элементарная заряженная частица – это совсем не одно и то же. Но сначала небольшой экскурс в историю. Для тех, кто не помнит, напомню, как же человек пришел к такому открытию как электрон. Вообще стоит отметить, что открытия, которые человек приписывает себе просто так не возникают. Для любого открытия всего наступает правильное время. Такое впечатление, что все открытия сделаны именно в тот момент, когда они необходимы. Хотя бывают и исключения, например, как с палкой для селфи, которую придумал японец задолго до того, как ее стали использовать по назначению. Но палка это, все же устройство и трактуется как изобретения. На самом деле все открытия подобно грому и молнии в начале грозы. Мы ощущаем в воздухе сильное насыщение и напряжение, что-то такое должно сейчас произойти, все вокруг прямо пропитано этим напряжением. И вот как прорвало. Гром молния и хлынул дождь. Так и с открытиями. Все открытия я бы определял, как коллективный продукт. Нет, конечно авторство скорее всего принадлежи отдельным лицам, но вот почву или основу для этого, так сказать напряжения перед началом свершения открытия, создавалось всеми вмести. И только некоторым посчастливилось быть в числе первых и увековечить о себе память как о первооткрывателе. Я вам сейчас это покажу на примере открытия электрона. Идеи об существовании электрона возникли еще в результате своих наблюдений у Фарадея, Плюккера и Крукса. Затем гипотезу об электроне, как отдельной частите доказал опытным путем Томсон и другие физики его времени. И уже Лоренц настолько был уверен в существовании электрона, что на основе гипотезы создал теорию. Днем рождения электрона стоит считать 30 апреля 1897года. В этот день на заседании Королевского института Томсон сделал доклад, в котором изложил о своих исследованиях. Всего ушло около сорока лет и много усилий различных физиков. Это было важным событием на ровне с признанием атома. Все говорило о том, что в природе существует материальный носитель заряда. Хотя, как и атом, электрон признали не сразу. Даже в 1920 году великий физик Рентген сомневался в его существовании. А я сомневаюсь и сейчас и сейчас попытаюсь, это вам доказать. Для доказательства мы рассмотрим электрический конденсатор. Электрический конденсатор - это устройство, которое состоит из двух обкладок разделенных диэлектриком и может накапливать заряды. Как мы ранее выяснили заряд – это и есть электрон, который является отдельной материальной частицей. Так же было определено, что электрон имеет отрицательный заряд. Положительный же заряд создается отсутствием электронов, их необходимо каким-то образом из тела изъять. (Небольшое отступление из жизни. Меня всегда удивляло, когда официант спрашивает вам кофе с сахаром или без сахара. Кофе с сахаром бывает, если в него положить сахар. Но как кофе может быть без сахара. Оно по своей природе задумано и таким вырастает без сахара. По логике из сказанного официантом получается, что кофе без сахара – это кофе из которого вынули сахар. Но такое невозможно! Правильно говорить просто кофе, оно «по своей природе» без сахара!) Рассмотрим принцип устройства и работы электрического конденсатора. Первым электрическим конденсатором была лейденская банка, но мы будем рассматривать обычный плоский конденсатор, который изображен на рисунке 1.

 Как видно из рисунка, чтобы зарядить электрический конденсатор, необходимо на одну обкладку поместить дополнительный заряд, а с другой(противоположной) обкладки его изъять. Еще раз, так как заряд -это не что иное как электрон, значит, чтобы зарядит пластину отрицательным зарядом, необходимо поместить на нее определенное количество электронов. На второй же пластине, необходимо сделать все наоборот. На ней уже имеются электроны, но по каким-то странным обстоятельствам, они не создают отрицательного заряда на пластине. Но стоит их нам оттуда изъять, и пластина становиться положительно заряженной или же испытывающая недостаток электронов. Чтобы ей прийти в первоначальное нейтральное состояние, необходимо обратно поместить на нее электроны. Звучит уже как-то не реально и сомнительно, но физика утверждает что такое происходит. Следующий момент - это способ которым можно поместить заряд-электроны на пластину электрического конденсатора. Сделать это можно при помощи разности потенциалов. О разности потенциалов и что такое потенциал я говорил в предыдущем посте. Напомню разность потенциалов – это способность преодолеть определенное потенциалом расстояние. Если с телами причиной служит взаимное притяжение, то с зарядом служит что? И тут небольшая проблема с определение. Мы точно знаем, и утверждаем, что заряды взаимодействует между собой. Закон описывающий это взаимодействие открыт был Кулоном в 1785году имеет очень похожую формулировку с законом о взаимном притяжении материальных тел. Сила с которой взаимодействуют заряды прямо пропорциональна произведению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Установлено и доказано, что противоположные заряды притягиваются, а одноимённые отталкиваются. В нашем же случае, когда мы рассматриваем заряд электрического конденсатора мы имеем дело только с электронами, заряд которых отрицательный. Как же можно зарядить конденсатор. Для этого нам нужен источник, который имеет разницу потенциалов. Если мы этот источник замкнем накоротко, то система будет стремиться уравнять потенциалы, и начнётся движение заряда – электронов, от большего потенциала к меньшему. Значение разницы потенциалов, будет означать какой путь смогут пройти электроны. В случае с коротким замыканием, считаем путь практически нулевым, что чревато выделению огромного количества тепла и может привести к взрыву. Подключим наш источник с разностью потенциалов к нашему конденсатору. Электроны побегут (так же как тело падает на землю с определенной высоты)) по цепи от большего потенциала к нейтральной пластине.

 Электроны добегут до пластины и там остановиться, как перед стеной, которая останавливает нас. Так дальше находится диэлектрик, через который электроны перемещаться не могут, вернее могут, но очень- очень немногие, что практически не заметно и трудно определимо. Но вот какое дело, сами электроны перемещаться не могут, но воздействие они оказывать на вторую пластину могут, диэлектрик для такого воздействия не преграда. И так как там находятся «свободные не заряженные» электроны, то в результате взаимодействия, электроны со второй пластины направятся в сторону положительного заряда нашего источника.

В результате такого действия мы получим следующую картину:

1. Наш источник, должен уменьшить свой потенциал, так часть работы уже совершена.
2. Электрический конденсатор будем заряжен, на одной пластине будет какое-то количество электронов, на второй, ровно столько же электронов будет отсутствовать.
3. Если мы отключим наш источник, то электрический конденсатор теперь также будет обладать разностью потенциалов. При идеальной схеме, при отсутствии сопротивления в цепи, это разность должна быть равна той разности потенциалов на которую уменьшился наш источник при зарядке электрического конденсатора. Это говорит о важном свойстве электрического конденсатора, как элемента электрической цепи временно создавать разность потенциалов и быть ее источником, в нужном месте этой цепи.

 Надеюсь это понятно и с этим разобрались. Единственно, что я хотел бы отметить. В физике принято считать направление движения зарядов, от плюса к минусу, хотя это не соответствует реальности. Но такова физика. Думаю, несложно в уме сделать соответствующее представление, на основе написанного, и перевернуть все наоборот. Смысл происходящего не меняется. Давайте рассмотрим следующий момент. С физической точки зрения, что же происходит на самом деле во время заряда на наших пластинах и с конденсатором. Вернемся к рисунку выше с заряженным электрическим конденсатором. Мы имеем на одной платине повышенный потенциал, на второй приниженный. Там, где повышенный потенциал, наблюдается избыток электронов и заряд «минус». Там, где пониженный недостаток электронов и заряд «плюс». Следующий момент это определим, что такое емкость электрического конденсатора. Следуя из названия это то количество заряда, которое электрический конденсатор может накопить.

Формула следующая  С=ε A/d (1)

Из формулы видно, что емкость электрического конденсатора зависит прямо пропорционально от площади одной пластины(меньшей, в случае если пластины разные) и обратно пропорционально расстоянию между пластинами или же толщине диэлектрика. Коэффициент это диэлектрическая постоянная. Чем больше пластина, тем больше заряда сможет накопить конденсатор и наоборот. Следовательно, заряд-электроны, в конденсаторе расположен на поверхности, пластины, потому как от толщины пластины емкость не зависит. Второй параметр - это толщина диэлектрика. И вот тут можно предположить, что емкость конденсатора сосредоточена именно в диэлектрике, а не на пластинах. Но это не так. Диэлектрик имеет заряд точно такой же, как и пластина но противоположного знака. Если наше платина имеет заряд отрицательный, то диэлектрик имеет заряд положительный (смотрите рисунок). Конденсатор - это устройство, и оно может работать только при наличии двух компонентов, пластин и диэлектрика между ними. В этом случае диэлектрик и пластина, находятся в связке. Диэлектрик не дает разрядится платине, а металл не имеет свойства хранить заряд, только исключительно в случае если он имеет форму шара (в этом случае роль диэлектрика играет внутренний объем шара, который меньше поверхности, на которой расположен заряд). Чтобы пластине разрядится ей нужно замкнуться на вторую пластину, которая также заряжена, но с противоположным знаком. Но диэлектрики обладают таким свойством, что не дают возможности зарядом выстроить замкнутую цепь через себя. Поэтому разряд может произойти только в обратном направлении, в том через которое и был заряжен электрический конденсатор. Подведем промежуточный итог. Мы выяснили что на поверхности одной пластины сосредоточены электроны, на второй их отсутствие (как утверждает физика) ровно в таком же количестве. Следующий момент - это описание емкости электрического конденсатора через другую формулу:

C = Q / V (2)

Как видно из формулы, емкость также прямо пропорциональна заряду, или же количеству электронов на пластине и обратно пропорциональна разности потенциалов между пластинами. Очень важно понимать, что разность потенциалов на конденсаторе не может быть бесконечной. Потому как каждое вещество имеет свой предел. Если разность превысит допустимую свойствами материала, то произойдет пробой диэлектрика, электрический конденсатор разрядится и придёт в негодность. Эти данные есть в справочниках, получены опытным путем и используются при проектировании конденсаторов. Давайте более пристально посмотрим на эту формулу. Что мы имеем. Разность потенциалов - это расстояние, которое заряд способен преодолеть для сравнения потенциалов или привидения системы в нулевое состояние. Образуется разность потенциалов при помощи сил из вне, в нашем случае при помощи источника, разнеся заряды-электроны, на расстояние, которое позволяют свойства диэлектрика. Все это согласно теоретической физики. Теперь проведем такой эксперимент. Для эксперимента воспользуемся электрическим конденсатором, состоящим из двух обкладок и диэлектриком, в котором будет воздух. Такой электрический конденсатор называют еще воздушным. Далее смотрим видео.

И произведем небольшой расчет используя формулы (1) и (2) для определения емкости электрического конденсатора. При уменьшении площади пластины емкость конденсатора будет уменьшаться – это следует из формулы (1). Если емкость конденсатора будет уменьшаться, то из формулы (2) будет увеличиваться разность потенциалов. Заряд-электроны всегда будет постоянным, они никуда не перемещаются. Что же происходит с электронами на пластине. И что же в таком случаем потенциал, если расстояние между электронами не изменилось, электроны не перемещались. Значит и потенциал должен остаться постоянным. Но практика говорит об обратном, он меняется, все согласно формул.

Я изобразил на рисунке как это происходит. Я ту часть заряда-электронов, которые «якобы» не участвуют в емкости электрического конденсатора, вынес наружу, но реально они находятся на своем месте на пластине. Но эти заряды просто сменили свою ориентацию и теперь линии соединяющие противоположные заряды удлинились. Такое возможно только в проводниках, так как там заряды могут перемещаться свободно в любых направлениях. В изоляторах – диэлектриках изменение положения заряда невозможно, на то он и диэлектрик, чтобы сохранять свое заряженное состояние постоянно. Мы произвели работу по разносу зарядов на расстояние, когда сдвигали плаcтины. Тем самым и увеличили разность потенциалов, а заряд, количество электронов, остался прежним и емкость уменьшилась. Все согласно правил физики. И сразу вопрос. Если электроны так свободно могут перемещаться в проводниках, почему они не увлекаются силой взаимодействия и не перемешаются на сторону платины, которая участвует в емкости конденсатора. Мы же все знаем опыт с маленькими бумажками, которые притягиваются к заряженной эбонитовой или стеклянной палочке. Или же другой случай, мы можем потереть туже палочку шерстью или мехом и снова заряды-электроны с легкостью покидают одно тело и перемещаются на второе. А что же в нашем случае. В чем же ошибка. Скорее всего ошибка заключается в том, что заряд, это свойство тела или вещества, а не отдельная материальная частица. Вы не найдете ни одного случай и подтверждения возникновения заряда без вещества. Вы не найдете не одного случая, когда мог возникнуть только отрицательный или положительный заряд. Они возникают всегда в паре, как две стороны одной медали. Если допустить что заряжать – значит возбуждать. А разность потенциалов – это сила с которой произведен заряд, по аналогии с сжиманием пружины –только у нас электрическое возбуждение. В таком случае можно просто и легко объяснить опыт с изменением емкости электрического конденсатора. Заряд не изменен. Но при изменении геометрии взаимодействия, меняется и разность потенциалов. Как с пружиной сжали больше с большим усилием будет разжиматься и больший путь она пройдет. Сильнее зарядили, значит сильнее будет разряд и больший промежуток он может пройти. Если подобрать такой промежуток между пластинами и размер пластин, то при дальнейшем сближении потенциал возрастет настолько, что произойдет пробой воздушного диэлектрика. Это же свойство объясняется на примере заостренно электрода. На остром конце потенциал всегда выше, чем на плоском. Потому что заряд один и тот же, а площадь меньше, значит потенциал больше. Заканчивая, хочу сказать вам соглашаться или нет, но все логично. Если говорить об элементарном заряде, то все доказательства получены косвенным способом и подтверждают только размер минимального заряда – это заряд электрона который равен q=−1.6021766208(98)×10−19 C . Но кратность заряда еще не значит наличие отдельной частицы.

 

С ув. Леонид Р.