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度量

電荷的量稱為“電荷量”。在國際單位制里，電荷量的符號以Q為表示，單位是庫倫（C）。研究帶電物質(zhì)相互作用的經(jīng)典學術領域稱為經(jīng)典電動力學。假若量子效應可以被忽略，則經(jīng)典電動力學能夠很正確地描述出帶電物質(zhì)在電磁方面的物理行為。

二十世紀初，著名的油滴實驗證實電荷具有量子性質(zhì) ，也就是說，電荷是由一堆稱為基本電荷的單獨小單位組成的?；倦姾梢苑杄標記，大約帶有電荷量（電量）1.602× 10 庫侖。夸克是個例外，所帶有的電量為e/3的倍數(shù)。質(zhì)子帶有電荷量e；電子帶有電荷量-e。研究帶電粒子與它們之間由光子媒介的相互作用的學術領域稱為量子電動力學。

歷史

公元前600年左右，希臘的哲學家泰勒斯（Thales, 640-546B.C.）記錄，在摩擦貓毛于琥珀以后，琥珀會吸引像羽毛一類的輕微物體，假若摩擦時間夠久，甚至會有火花出現(xiàn) 。

吉爾伯特首先發(fā)明的靜電驗電器（ versorium ）是一種可以偵測靜電電荷的驗電器。當帶電物體接近金屬指針的尖端時，因為靜電感應，異性電荷會移動至指針的尖端，指針與帶電物體會互相吸引，從而使得指針轉(zhuǎn)向帶電物體。

1600年，英國醫(yī)生威廉·吉爾伯特，對于電磁現(xiàn)象做了一個很仔細的研究。他指出琥珀并非唯一經(jīng)過摩擦時會產(chǎn)生靜電的物質(zhì)，并且區(qū)分出電與磁不同的屬性 。他撰寫了第一本闡述電和磁的科學著作《論磁石》。吉爾伯特創(chuàng)建了新拉丁語的術語“electricus”（類似琥珀，從“?λεκτρον”，“elektron”，希臘文的“琥珀”），意指摩擦后吸引小物體的性質(zhì) 。這聯(lián)結(jié)給出了英文字“electric”和“electricity”，最先出現(xiàn)于1646年，湯瑪斯·布朗（ Thomas Browne ）的著作《Pseudodoxia Epidemica》（英文書名《Enquries into very many received tenets and commonly presumed truths》） 。隨后，于1660年，科學家奧托·馮·格里克發(fā)明了可能是史上第一部靜電發(fā)電機（ electrostatic generator ）。他將一個硫磺球固定于一根鐵軸的一端，然后一邊旋轉(zhuǎn)硫磺球，一邊用干手摩擦硫磺球，使硫磺球產(chǎn)生電荷，能夠吸引微小物質(zhì) 。

史蒂芬·戈瑞（ Stephen Gray ）于1729年發(fā)現(xiàn)了電傳導，電荷可以從一個物質(zhì)傳導至另外一個物質(zhì)。只有一些物質(zhì)會傳導電荷，其中，金屬的能力最為優(yōu)良。從此，科學家不再認為產(chǎn)生電荷的物體與所產(chǎn)生的電荷是不可分離的，而認為電荷是一種獨立存在的物質(zhì)，在那時被稱為 電流體 ( electric fluid ) 。1733年，查爾斯·琽費（ Charles du Fay ）將電分為兩種， 玻璃電 和 琥珀電 。這兩種電會彼此相互抵銷。當玻璃與絲巾相摩擦時，玻璃會生成玻璃電；當琥珀與毛皮相摩擦時，琥珀會生成琥珀電。這理論稱為 電的雙流體理論 。使用一根帶電絲線，就可以知道物質(zhì)到底擁有玻璃電還是琥珀電。擁有玻璃電的物質(zhì)會排斥帶電絲線；擁有琥珀電的物質(zhì)會吸引帶電絲線 。

在十八世紀，走在電學最前端的專家非班杰明·富蘭克林莫屬。他認為 電的單流體理論 比較正確。他想像電儲存于所有物質(zhì)里，并且通常處于平衡狀態(tài)，而摩擦動作會使得電從一個物體流動至另一個物體。例如，他認為累積的電是儲存于萊頓瓶的玻璃，用絲巾摩擦玻璃使得電從絲巾流動至玻璃。這流動形成了電流。他建議電量低于平衡的物體載有負的電量，電量高于平衡的物體載有正的電量。他任意地設定玻璃電為正電，具有多余的電；而琥珀電為負電，缺乏足夠的電。同時期，威廉·沃森也達到同樣的結(jié)論。1747年，富蘭克林假設在一個孤立系統(tǒng)內(nèi)，總電荷量恒定，這稱為電荷守恒定律 。

  庫侖扭秤（ torsion balance ）

十八世紀后期，在數(shù)量方面對于電的研究開始有實質(zhì)的發(fā)展。1785年，使用查爾斯·庫侖與約瑟夫·普利斯特里分別獨立發(fā)明的扭秤（ torsion balance ），庫侖證實了普利斯特里的基本定律：載有靜態(tài)電荷的兩個物體之間感受的作用力與距離成平方反比。這奠定了靜電的基本定律 。

1897年，劍橋大學卡文迪許實驗室的約瑟夫·湯姆孫觀察到陰極射線會因為電場或磁場而偏轉(zhuǎn)，他推論陰極射線是由帶負電的粒子所組成，后來稱為電子。從陰極射線的偏轉(zhuǎn)，他計算出電子的電荷質(zhì)量比，因此獲得了1906年的諾貝爾物理學獎。

1904年，湯姆森創(chuàng)立了原子的梅子布丁模型：原子的結(jié)構被類比于梅子布丁，負電荷（梅子）分散于正電荷的圓球（布?。?。這模型被歐尼斯特·盧瑟福的盧瑟福散射實驗于1909年推翻。盧瑟福又提出盧瑟福模型：大多數(shù)的質(zhì)量和正電荷，都集中于一個很小的區(qū)域（原子核）；電子則包圍在原子核區(qū)域的外面。

1909年，美國物理學家羅伯特·密立根做了一個著名實驗，稱為油滴實驗，可以準確地測量出電子的電荷量。湯姆孫和學生約翰·湯森德（ John Townsend ）使用電解的離子氣體來將過飽和水蒸氣凝結(jié)，經(jīng)過測量帶電水珠粒的電荷量，也得到了相似結(jié)果 。于1911年，亞伯蘭·約費（ Abram Ioffe ）使用帶電金屬微粒，獨立地得到同樣的結(jié)果 。

靜電

假設在平衡狀況，某物體的總電量不等于零，也就是說，這物體帶有正電荷或負電荷，則稱此物體帶有靜電。這方面的問題屬于靜電學領域。琥珀在經(jīng)過用貓毛摩擦后，能夠吸引輕小物體，這現(xiàn)象稱為的 靜電現(xiàn)象 。這是負電荷從貓毛轉(zhuǎn)移到琥珀后，所呈現(xiàn)的電性。當兩個處于電勢不相等的物體相互接觸在一起，就會發(fā)生另外一種靜電現(xiàn)象，稱為靜電放電，使得一個物體的電荷流動至另一個物體，從而促成電勢相等。雷電是一種比較劇烈的靜電放電。在大自然中，因為云層累積的正負電荷劇烈中和，會產(chǎn)生雷電和其所伴隨的電光、雷聲、熱量。

點電荷

  一個正電荷與其電場線

  一個負電荷與其電場線

帶電粒子時常被稱為電荷，但電荷本身并非粒子，只是為了方便描述，可以將它想像成粒子。帶電量多者稱為具有較多電荷。處于一外電場的帶電粒子，其所感受到的外電場的庫侖力相依于其帶電量。

點電荷 是帶電粒子的理想模型。真正的點電荷并不存在，只有當帶電粒子之間的距離超大于粒子的尺寸，或是帶電粒子的形狀與大小對于彼此相互施加的作用力的影響能夠被忽略時，可稱此帶電體為“點電荷”。

一個實際帶電體能否視為點電荷，不僅與帶電體本身有關，還取決于問題的性質(zhì)和精確度的要求。點電荷是建立基本規(guī)律時必要的抽象概念，也是分析復雜問題時不可少的分析手段。例如，庫侖定律、勞侖茲力定律的建立，帶電體所產(chǎn)生的電場以及幾個帶電體之間彼此相互作用的定量研究，試驗電荷的引入等等，都應用了點電荷的觀念。

庫侖定律

給予兩個電量分別為 q {\displaystyle q} 、 q ′ {\displaystyle q"} ，位置分別為 r {\displaystyle \mathbf {r} } 、 r ′ {\displaystyle \mathbf {r} "} 的點電荷。根據(jù)庫侖定律，點電荷 q ′ {\displaystyle q"} 作用于點電荷 q {\displaystyle q} 的力量 F , {\displaystyle \mathbf {F} \ ,\!} 的大小與方向，以方程表達為

假若兩個點電荷同性（電荷的正負號相同），則其電量的乘積 q q ′ {\displaystyle qq"} 是正值，兩個點電荷互相排斥。反之，假若兩個點電荷異性（電荷的正負號相反），則其電量的乘積 q q ′ {\displaystyle qq"} 是負值，兩個點電荷互相吸引。

束縛電荷與自由電荷

有時候，雖然物體的總電量等于零，電荷分布可能會不均勻（例如，因為存在著外電場）。對于這狀況，這物質(zhì)稱為電極化物質(zhì)。束縛電荷是由于電極化而出現(xiàn)的電荷，束縛于原子內(nèi)部。與束縛電荷明顯不同，自由電荷是從外部置入的額外的電荷，不被束縛于原子內(nèi)部。帶電粒子朝著某方向的運動形成了電流，特別是在金屬內(nèi)部運動的電子。

粒子的電荷

在粒子物理學中，許多粒子都帶有電荷。電荷在粒子物理學中是一個相加性量子數(shù)，電荷守恒定律也適用于粒子，反應前粒子的電荷之和等于反應后粒子的電荷之和，這對于強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用都是嚴格成立的。

反粒子帶有的電荷與對應粒子帶有的電荷，電量相同，電性相異。夸克帶有非整數(shù)電荷，不是-e/3，就是2e/3；但是科學家從未觀察到單獨夸克的存在（這事實可以用漸近自由（ Asymptotic freedom ）的理論來解釋）。

電荷宇稱時間對稱

電荷宇稱時間對稱（ CPT-symmetry ）對于粒子和反粒子的相對特性設下了強烈的約束。因此，可以嚴格地測試這理論。例如，質(zhì)子和反質(zhì)子的電荷的總和必須正好等于零。這全等式的精確度已經(jīng)作實驗測試至10 分之一。使用潘寧阱（ Penning trap ）來囚禁反質(zhì)子，質(zhì)子和反質(zhì)子的電荷質(zhì)量比相等性質(zhì)的精確度也被測試至6×10 分之一 。

電荷守恒

電荷守恒定律表明，在一個孤立系統(tǒng)里，不論發(fā)生什么變化，總電荷必定保持不變。所有物理程序都必須遵守這定律。在量子力學里，從波函數(shù)的規(guī)范不變性可以推導出這定律。

流入某體積 V {\displaystyle \mathbb {V} } 的凈電流為

其中， I {\displaystyle I} 是電流， J {\displaystyle \mathbf {J} } 是電流密度， S {\displaystyle \mathbb {S} } 是包圍體積 V {\displaystyle \mathbb {V} } 的閉曲面， d 2 r {\displaystyle \mathrm czvvsj6 ^{2}\mathbf {r} } 是微小面矢量元素，垂直于 S {\displaystyle \mathbb {S} } 從體積內(nèi)朝外指出。

應用散度定理，將這方程寫為

總電荷量 Q {\displaystyle Q} 與體積 V {\displaystyle \mathbb {V} } 內(nèi)的電荷密度 ρ ρ --> {\displaystyle \rho } 的關系為

電荷守恒要求，流入體積 V {\displaystyle \mathbb {V} } 的凈電流，等于體積 V {\displaystyle \mathbb {V} } 內(nèi)總電荷量 Q {\displaystyle Q} 的變率：

所以，

對于任意體積 V {\displaystyle \mathbb {V} } ，上述方程都成立。所以，可以將被積式提取出來：

參閱

鏡像法

靜電放電

摩擦起電效應（ triboelectric effect ）

電勢能

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