Электрический заряд — фундаментальная характеристика материи, обусловливающая её электромагнитное взаимодействие. Он является одной из основных физических величин, неотъемлемо связанной с сохранением и передачей энергии в системах микроскопического и макроскопического уровня. Заряд — это квантованная величина, существующая в двух видах: положительном (например, у протона) и отрицательном (у электрона).
Основной единицей измерения электрического заряда в Международной системе единиц (СИ) является кулон (Кл). Один кулон соответствует заряду, который переносится током силой 1 ампер за 1 секунду: 1 Кл = 1 А ⋅ 1 с
Однако в микромире более удобной единицей является элементарный заряд e, равный: e = 1, 602 × 10−19 Кл
Заряд электрона равен −e, а протона — +e.
Одним из ключевых свойств заряда является квантование. Это означает, что все наблюдаемые в природе электрические заряды кратны элементарному заряду e: q = n ⋅ e, n ∈ ℤ
Это утверждение подтверждается во всех экспериментах, включая опыт Милликена по измерению заряда электрона. Квантование проявляется на всех масштабах, включая составные частицы — адроны, состоящие из кварков с дробными зарядами, однако в изолированном виде такие частицы не наблюдаются.
Электрический заряд сохраняется во всех физических процессах — как в микромире, так и в макромире. Закон сохранения заряда утверждает, что алгебраическая сумма всех зарядов в замкнутой системе остаётся постоянной во времени: ∑qi = const
Даже при аннигиляции частиц, когда энергия переходит в электромагнитное излучение, суммарный заряд остаётся неизменным. В ядерных и элементарных взаимодействиях всегда наблюдается строгая консервация заряда.
Между заряженными телами действуют силы электростатического взаимодействия. Основополагающим законом, описывающим взаимодействие двух точечных зарядов, является закон Кулона:
$$ F = k \cdot \frac{|q_1 q_2|}{r^2} $$
где:
Сила отталкивания или притяжения направлена вдоль прямой, соединяющей заряды. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые — притягиваются.
Сила, действующая на заряд со стороны нескольких других зарядов, равна векторной сумме сил, создаваемых каждым из них:
F⃗общ = ∑iF⃗i
Это принцип суперпозиции, применяемый и к силам, и к полям.
Процесс сообщения телу заряда называется электризацией. Он может происходить различными способами:
В индукции положительно заряженное тело, поднесённое к нейтральному проводнику, вызывает смещение электронов, создавая на ближнем конце отрицательный, а на дальнем — положительный заряд. После заземления одного конца и удаления индуктора, тело остаётся заряженным.
Электрический заряд всегда переносится носителями — заряженными частицами. В металлах это электроны, в электролитах — ионы, в плазме — ионы и свободные электроны. При этом важно понимать, что перенос заряда осуществляется в результате движения носителей заряда, а не самого электрического поля, которое распространяется значительно быстрее.
В изоляторах (диэлектриках) свободные носители отсутствуют, но возможна поляризация вещества — смещение связей между зарядами внутри атомов и молекул.
Материалы можно классифицировать по способности проводить электрический ток:
Способность вещества проводить ток характеризуется его удельной проводимостью или удельным сопротивлением.
Электрический заряд является источником электрического поля, которое можно охарактеризовать напряжённостью:
$$ \vec{E} = \frac{\vec{F}}{q} $$
где F⃗ — сила, действующая на пробный заряд q.
Поле создаётся всеми зарядами и передаёт взаимодействие между ними, независимо от наличия прямого контакта. Поле является материальной формой материи, способной передавать энергию и импульс.
В физике элементарных частиц наблюдаются интересные особенности зарядов. Например, кварки обладают дробными зарядами $+\frac{2}{3}e$ или $-\frac{1}{3}e$, но никогда не существуют в свободном виде. Все наблюдаемые частицы (протоны, нейтроны, мезоны и др.) имеют целые заряды в кратности e из-за конфайнмента — явления удержания кварков.
Античастицы обладают зарядами, противоположными соответствующим частицам. Например, позитрон — античастица электрона — имеет заряд +e.
Двигающийся заряд создаёт магнитное поле, а сам заряд в магнитном поле испытывает силу Лоренца:
F⃗ = q(v⃗ × B⃗)
Здесь v⃗ — скорость заряда, B⃗ — магнитная индукция. Эта связь является краеугольным камнем теории электромагнетизма, объединяющей электрическое и магнитное взаимодействие в единое поле.
Электрический заряд — скалярная величина, инвариантная относительно преобразований Лоренца. Это означает, что заряд не изменяется при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. В отличие от массы (которая зависит от скорости в релятивистской механике), заряд остаётся неизменным при любых преобразованиях.
Сохранение заряда связано с фундаментальной симметрией физических законов — глобальной U(1)-симметрией в квантовой теории поля. Нарушение этой симметрии влекло бы нарушение закона сохранения заряда, чего не наблюдается в реальности. Это делает электрический заряд особенно значимой величиной в теоретической физике.