Контакты jokoil@mail.ru КАРТА САЙТА English

Энергодинамическая система физических величин и понятий

(ЭСВП)


Не смешивать с СИ, унифицирующей ЕДИНИЦЫ измерений (разъяснение).

На Главную

Кому и зачем это нужно?

К сведению студентов

Основные понятия физики

Формы и виды энергии

Классификация физических систем

Основная идея системы величин

Таблицы физических величин

Итоги и выводы:

     Формы и виды движения

     Подробно об угле поворота

     О движении тела по орбите

     Заряды физического поля

     Новые единицы величин         колебаний и волн

     Новая единица         температуры

     Новый взгляд на         явления переноса

     Критерии подобия всюду

     Современная революция         в метрологии

Системный подход в экономике

История систематизации
величин и единиц


Необходимость модернизации
обучения физике


Учебно-наглядные пособия


Новости сайта

Шутки на тему сайта


Oб авторе проекта

Коган И.Ш.

Определение и содержание понятия "заряд"

СОДЕРЖАНИЕ
1. Неопределенность понятия “заряд” в современной физике.
2. Определения заряженной системы и заряда системы.
3. Заряд системы − основная или производная физическая величина?
4. Различие между зарядом системы и координатой состояния формы движения.


ПРИМЕЧАНИЕ: Для получения краткой справки по поводу недостаточно ясных, редко применяемых или введенных автором сайта терминов пройдитесь по ссылке Предметный указатель (от А до О и от П до Я).

1. Неопределенность понятия “заряд” в современной физике.

Термин “заряд“ применяется часто и в разных областях. Мы ограничимся определением понятия “заряд системы“ (или "заряд тела") безотносительно к той форме физического поля, в которой находится заряженная система.

Понятие "заряд" в современной физике имеет два неадекватных значения: заряд как физический объект и заряд как физическая величина. Однако внимание на этом важном различии обычно не акцентируется. Фактически же физическая величина является свойством физического объекта, то есть понятием, подчиненным по отношению к физическому объекту. Каково физическое содержание заряда, как физического объекта, современная физика не определяет.

Нередко можно услышать, и даже прочесть в учебниках, что современная физика не знает, что такое заряд. Действительно, общепринятое определение заряда нами в литературе не обнаружено, более того, встречаются суждения о том, что заряд определить невозможно. Лишь в интернетовской Энциклопедии физики и техники найдено такое определение: “Заряд − физическая величина, являющаяся источником поля, посредством которого осуществляется взаимодействие частиц, обладающих этой характеристикой“.

Термин “заряд“ применяют, как правило, для названия физической величины "электрический заряд", являющейся источником электрического поля. Но этим термином часто называют два разные понятия: заряд электрически заряженного тела и заряд электрона (элементарный заряд). Но заряд тела – это суммарный заряд общего количества свободных электронов в заряженном теле. К сожалению, термин “заряд” применяется и в том, и в другом случае без соответствующего разъяснения.

Устранить эту неопределенность можно, лишь уточнив терминологию. Рассмотрим три различные понятия:
1. “Единичный заряд”. Этот термин применяют обычно в электродинамике, имея в виду электрический заряд, равный 1 кулону. Однако логичнее применять этот термин к заряду, который нельзя разделить на части без изменения его физического содержания, то есть к неделимому заряду.
2. “Элементарный заряд”. Этот термин применяют в электродинамике, имея в виду не делящийся на части объект, то есть электрон. Однако с точки зрения математики слово "элементарный" должно означать бесконечно малое количество единичных зарядов. Но в электродинамике под термином "элементарный заряд" понимают именно один неделимый (единичный) заряд. И это стало настолько общепринятым, что изменять содержание понятия "элементарный заряд" уже нецелесообразно.
3. “Заряд системы” (“заряд тела”). Обычно под этим понимают суммарное количество элементарных зарядов проводника, то есть суммарный заряд заряженной системы или заряженного тела.
Отсутствие уточняющего слова рядом со словом "заряд" и приводит к неопределенности при применении понятия "заряд".

А.Вейник (1968) ввел понятие “заряд формы движения“, равнозначный понятию “координата состояния формы движения“, но между этими понятиями имеется принципиальное различие. Например, такая координата состояния, как перемещение, не может иметь свою единичную форму в виде точки на траектории, как это предложил, например, Д.Ермолаев (2008). Точка это математическая абстракция, а не реальный материальный объект, тогда как единичный заряд должен быть вполне реальным.

Материальные объекты, характеризующие систему и движение, как правило, являются координатами состояния сразу для нескольких форм движения или, в терминологии А.Вейника, содержат несколько разных зарядов. Например, ион имеет и массу, и электрический заряд. Поэтому А.Вейник называл подобные материальные объекты "ансамблями зарядов".

2. Определения заряженной системы и заряда системы.

Любое физическое поле взаимодействия создается физической системой (заряженным телом), содержащей определенное количество единичных зарядов. Поэтому физическую систему, содержащую какое-то количество единичных зарядов, следует называть заряженной системой или заряженным телом, которому можно дать такое определение: Заряженная система − это физический объект, формирующий в окружающем его пространстве напряженное состояние физического поля. Данное определение не исключает возможности того, что заряженная система может содержать один единичный заряд.

Заряд системы − это свойство заряженной системы, как физического объекта. Отсюда вытекает следующее определение: Заряд системы − это физическая величина, равная произведению единичного заряда на количество единичных зарядов, содержащихся в заряженной системе. Поэтому нельзя понимать под термином “заряд“ одновременно и заряд системы, и единичный заряд.

Чтобы избежать путаницы в символике при обозначении заряда как физической величины, на данном сайте применяется единый символ, а принадлежность к той или иной форме описания физического поля определяется нижним индексом в соответствии с принятой системой индексов, что проиллюстрировано в Таблице величин физического поля. Заметим, что у заряда системы и у единичного заряда разные размерности, так как заряд системы равен произведению единичного заряда на количество единичных зарядов, имеющее размерность числа структурных элементов (количества считаемых величин в обновляемой СИ).

3. Заряд системы − основная или производная физическая величина?

Этот вопрос волновал умы физиков и метрологов с момента открытия законов взаимодействия заряженных тел и продолжает волновать сейчас. Исчерпывающий анализ истории этой проблемы дан в монографиях А.Власова и Б.Мурина (1990) и Г.Трунова (2006). Изложим выводы из этого анализа.

Если в системе единиц принять единицу заряда в качестве единицы условной основной величины, то законы Кулона и Ньютона, которые определяют силы взаимодействия заряженных тел по значениям их зарядов, следует рассматривать как опытные законы. И тогда в уравнениях этих законов для выравнивания размерностей единиц должны присутствовать размерные коэффициенты. Такими размерными коэффициентами в СИ являются так называемые электрическая и магнитная постоянные. В системе единиц СГС законы Кулона, напротив, рассматриваются как уравнения, определяющие заряды тел по силе взаимодействия этих тел, то есть противоположно тому, как это делается в СИ. Поэтому заряд тела в системе СГС рассматривается как производная величина, а не как основная величина.

В статье, посвященной энергии физического поля, указывается, что энергия напряженного состояния поля, окружающего полеобразующий заряд (энергия оболочки), зависит от значения заряда тела. Поэтому значение заряда тела зависит от энергии, сконцентрированной в вихрях, образующих единичные заряды. Заметим, что энергия поля и энергия вихрей являются частными случаями естественной основной величины “энергия“, как обобщенной характеристики движения материи.

Заряд системы, как физическая величина, и энергия, сконцентрированная в заряженной системе и в ее оболочке (в окружающей заряженную систему деформированной полевой среде), − это производные величины, в размерность которых должна входить размерность энергии, как основной величины. В рассматриваемой на данном сайте системе величин заряд принят в качестве условной основной физической величины, и указаны причины этого. Об анализе размерностей законов взаимодействия заряженных тел рассказано в статье, посвященной размерности заряда.

4. Различие между зарядом системы и координатой состояния формы движения.

Напряженное состояние физического поля, образованное заряженной системой, существует независимо от того, находится ли в поле, образованном этой заряженной системой, какая-либо другая физическая система. Если воздействие физического поля на заряженную систему в том месте, где находится эта система, пренебрежимо мало, то этим воздействием можно пренебречь. А вот пренебречь воздействием окружающей среды на координаты состояния различных форм движения системы нельзя. Из этого следует важный вывод о том, что заряд системы и координата состояния формы движения системы – понятия не адекватные.

Заряд системы может оказаться координатой состояния формы движения заряженной системы (например, электрический заряд в электрической форме движения), но это частный случай. Координата состояния формы движения системы – более обобщающее понятие, чем заряд системы, и в общем случае координата состояния может иметь другую размерность, нежели заряд системы.

Литература

1. Вейник А.И., 1968, Термодинамика. 3-е изд. – Минск, Вышейшая школа, 464 с.
2. Власов А.Д., Мурин Б.П., 1990, Единицы физических величин в науке и технике. – М., Энергоатомиздат, 176 с.
3. Трунов Г.М., 2006, Уравнения электромагнетизма и системы единиц электрических и магнитных величин. – Пермь, ПГТУ, 130 с.
4. Энциклопедия физики и техники. http://femto.com.ua/articles/part_1/1199.html

© И. Коган Дата первой публикации 01.06.2008
Дата последнего обновления 06.01.2013


Оглавление раздела Предыдущая Следующая