チャージとは何ですか？

私は高校生です。コンピューターと電子機器が大好きです。数週間前、私は自分の電子ガジェットを構築しようと考えましたが、残念なことに、電子工学の知識はあまりありませんでした。それで、学ぶことにしました。あちこちでグーグル検索した後、私は大量の情報に出会いました。私を怖がらせて怖がらせることは、1つを除いて、チャージという用語の意味は何ですか？どの本もそれが何を意味するのかを語っていません。それは問題の基本的な特性であり、それだけであると言う人もいますが、それについてさらに定義しないでください。一部の人はそれについて話すことさえしません。上ウィキペディアそれは次のように定義されています。

電荷は物質の物理的性質であり、他の電荷を帯びた物質に近づくと力を発生させます。

定義はかなり難しく、わかりにくいです。同様に、All About Circuits Webサイトのチュートリアルから、異なるタイプの定義と理解を得ました。

本から、私は、スティーブン・ホーキングgreatのような偉大な科学者でさえ、それについてあまり知らないのに、私たちはまだ電荷についてあまり知らないことを知るようになりました。それが正しいか？そうでない場合、なぜそれが本に書かれたのですか（ここでは本ではなく本です）、その正しい定義は何ですか？書籍の大部分が料金の定義をしないのはなぜですか？

アリが言ったように、電荷は粒子の​​特性（または特性または特徴）です。粒子は原子でも、電子や陽子のような原子の一部でもかまいません。

残念ながら、パーティクルがこのプロパティを持っている理由や、このプロパティが存在する原因についてはあまり説明できません。chargeと呼ぶこのプロパティについて観察するいくつかのことだけを説明できます。

• チャージには2つのタイプがあり、任意に「ポジティブ」と「ネガティブ」のラベルを付けます。

• 正の電荷は測定可能な力で互いに反発し、負の電荷は同様に互いに反発し、反対の電荷は互いに引き付けます。

• 「陽子」と「電子」と呼ばれる原子の成分があり、それぞれ常に正と負に帯電していることがわかります。

• 料金は節約されます。つまり、私たちが試したすべての実験で、閉じたシステムでの正電荷と負電荷の量の差は、実験の終了時と実験の開始時とで同じであり、したがって、宇宙のすべての閉じたシステムに当てはまります。

私たちは、電荷があるか、それはもともとそれが何の説明、どこから来るのかわからないにもかかわらずない私たちは便利なものの多くを予測し、ラジオやコンピュータのような便利なツールの多くを作ることのために十分です。

今のところそれを単純に保つために（大学の物理学に到達すると、これは拡大されます）、電荷は積み重なった電子、またはあると予想される電子の不足です。電子には負の電荷があり、陽子には正の電荷があります。通常の原子は陽子と同じ数の電子を持っているため、正味の電荷はありません。

一部の原子では、外側の少数の電子はやや「緩い」。銅線の銅原子のように、これらの原子がすべて隣り合っている場合、これらの遊離電子は隣接する原子間を飛び回ることがあります。ただし、ジャンプしすぎると、離れた場所に正の電荷（負の電荷がなくなったため）が残り、そこに負の電荷が残ります。この電荷の不均衡により電界が発生します。電界は、電子を押したり引いたりする力場と考えることができます。電子は正電荷に向かって引き寄せられ、負電荷によって押し出されます。したがって、この電界は、電子が1つの場所を空けて、数個の原子のスペースに別の場所に積み重なることを許可しません。

バッテリーのような電圧源は、電界を作り出すものです。バッテリーの両端をこの銅線の両端に接続し、いくらかの可動性の電子がすべて含まれている場合、平均してすべての電子を取得して、線の負電圧端から正電圧端に移動させることができます。ワイヤーに加えられた電界を維持し続けるために、バッテリーは、ワイヤーの+端から流れ出る電子をワイヤーの-端にポンプで送り返し、そこで再び銅原子間を飛び越えて、再び+端で終わる。

電子の質量運動は電流と呼ばれ、電荷が流れます。これは、川の流れが多くの小さな水分子が流れるのとよく似ています。1つの電子の電荷は非常に小さく、人間のスケールではほとんど役に立たないため、クーロンと呼ばれる電荷の単位を使用します。ただし、クーロンは単なる較正済みの電荷の山です。実際、約6.24 x 10 ^18の電子電荷に相当します。実際に電子は負電荷を持っていると決めたので、それは-6.24 x 10 ¹⁸電子です。

再び人間のスケールで数値の範囲をより良く保つために、アンペアで電流を測定します。これは毎秒1クーロンの電荷が流れます。したがって、ワイヤ内で左から右に1アンペア（「Amp」または正式な略語「A」）が流れる場合、実際にはそのワイヤに沿った1ポイントを過ぎて毎秒6,240,000,000,000,000,000電子が右から左に流れます。

電荷と電流の基本的な考え方がわかったので、負電荷で電子が移動することを忘れてください。残りの電子機器はすべてAmpとCoulombsで構築されています。これは、これから使用する電流と充電の概念的な単位と考えてください。これらが（通常）実際の負の電荷に基づいて起こるという事実は無関係であり、単に混乱を招きます。

それでは、ワイヤーに電流を発生させたバッテリーに戻りましょう。バッテリーは本当に充電用のポンプです。言い換えれば、それは電流を流すことができます。ただし、ここで言及する重要なもう1つのメトリックがあります。これは、バッテリーがどれだけ難しいかです。あるウォーターポンプが別のバッテリーよりも高い圧力をかけることができるように、1つのバッテリーは他のバッテリーよりも充電時に強く押すことができます。電荷を移動させるのは電界であるこの圧力、つまり電流です。この電気圧力は、ボルトの単位で測定されます。バッテリーがより多くのボルトを作ることができるほど、より多くの電流が同じ抵抗を通って流れるようになります。これは、高圧水ポンプが同じサイズのノズルを介してより多くの水を流すことができるようです。

それでは、電圧、電流、抵抗をどのように関連付けることができますか？おそらく、より多くの電圧（圧力）がより多くの電流（流れ）を見ることができるように、より多くの抵抗（より小さなノズル）はより少ない流れを作ります。これを数学的に言えば：

  電流=電圧/抵抗

また、この式を再配置することにより、抵抗の定義が得られます。

  抵抗=電圧/電流

抵抗の概念は電子工学でよく出てくるので、オームと呼ばれる、それを測定するための特別なユニットがあります。実際、オームは次のように定義されています。

  オーム=ボルト/アンペア

ほぼすべての電子機器がこれらに基づいているため、これらの3つの数量すべてに短い略語があります。ボルトは「V」、アンペアは「A」、オームはギリシャ文字「Ω」に短縮されます。

抵抗、電圧、および電流を関係付けるこの方程式は、電子機器の基礎であり、最初に思いついた人にちなんでオームの法則と呼ばれます。

私が示したオームの法則の最初の形式に戻りましょう。

  物理量：電流=電圧/抵抗
  一般的な単位：アンペア=ボルト/オーム、またはA = V /Ω

すでに考えておくべきことです。さらに先に進む前に、これを念頭に置いてみてください。これを理解する必要があるので、ここで質問してください。これを取得したら、あらゆる種類のクールなものに進むことができます。

オリンの答えは素晴らしいです。それに加えて、類推が役立つかもしれません。

（この類推のために、ニュートン以降のすべてを無視しましょう。一般相対性理論とヒッグスボソンは興味深いですが、電荷を理解する助けにはなりません。）

おそらく質量、特に重力質量についての本能的な理解があるでしょう。しかし、それは何ですか？

重力質量は、質量を持つ他の物質の近くにあるときに重力と呼ばれる力を経験させる物質の特性です。原子の個々の質量は非常に小さいですが、私たちはそれらをたくさん持っており、それらを足し合わせて実際に非常に大きな質量を作ることができます。

すべての原子の質量はわずかですが、一部の原子の質量は他の原子よりもはるかに大きくなっています。それぞれに同じ数の原子を含む水素の袋と鉛の袋がある場合、一方は他方よりもはるかに大きくなります。

質量のある物体が別の物体にどのように影響するかの数値記述は、重力場と呼ばれます。もしあなたが大きな質量を想像するなら-地球、例えば-そして、小さな質量を想像するなら-ボールベアリング、例えば-地球上のポイントで魔法のように吊るされ、あなたが突然魔法でそれを動かせば、それは特定の方向-地球の中心に向かって。地球が小さな矢印のフィールドに囲まれていることを想像してください。すべての矢印はボールベアリングが落ちる方向を指しています。矢印の長さは、ボールベアリングが引っ張られる程度の強さです。地球の表面近くでは非常に硬く、月の軌道をほとんど通過しません。矢印の「場」は、地球の重力場です。

電荷は重力質量に非常に似ています。質量のように、それは物質の基本的な特性です。質量と同様に、2つのオブジェクトに力が発生します。質量のように、ある種の物質が他の物質よりも重いのと同様に、ある種の物質も他の物質よりも電荷を生成する傾向があります。質量のように、大きな電荷源を取り、そこに置かれた小さな電荷にどの方向と力がかかるかを示す矢印のフィールドを想像できます。それが静電界です。

それでは、電荷と質量はどのように異なりますか？電荷と質量の主な違いは次のとおりです。

（1）質量は1種類のみで、電荷は2種類です。すべての質量は他のすべての質量に引き付けられます。電荷が反発するように、電荷が引き付けるのとは異なります。

（2）帯電力は重力よりも非常に大きい。あなたの髪に風船をこすり、天井に貼り付けます。その気球の突撃力は、地球の大きさの物体の引き付けに打ち勝つのに十分です！（確かに距離が関係します。風船は地球の中心から数千メートル離れており、天井に非常に近いところにあります。）質量間の力は、電荷間の力に比べてばかげています。

（3）電荷は質量に比べて非常に動きやすい。導体を通る電荷の移動は、光の速度のかなりの部分です。（個々の荷電粒子の動きは遅くなる可能性があります。水で満たされた非常に長いホースに接続された蛇口をオンにするようなものです。ホースのビジネスエンドから水を噴出する圧力波は、蛇口から出てくる水はします。）

電荷は物質の物理的性質であり、他の電荷を帯びた物質に近づくと力を発生させます。

私にはかなり良い定義のように聞こえます。リチャードファインマンを引用するには：

「私たちは何も正確に定義することはできません。私たちが試みようとすると、哲学者に来る思考の麻痺に陥ります。2番目は、「知っているとはどういう意味ですか？話すことはどういう意味ですか？あなたはどういう意味ですか？」などと言います。

しかし、もっと真剣に。古典物理学では、2つの重要な力があります。おそらくあなたがよく知っている重力です。それは太陽が銀河の中で公転する理由、地球が太陽の周りを公転する理由、そして中国の人々が地球から落ちない理由です。を使用して、2つのオブジェクト間の重力を計算できます。

そこの対称性を見てください！電荷は電気力に対するものであり、質量は重力に対するものです！電荷はプラスとマイナスの両方のフレーバーになり、質量はプラスにしかならないという事実など、いくつかの非対称性がありますが、今のところは心配しないでください。

あなたのプロジェクトで頑張ってください！

1つ、私を怖がらせて威圧するのは、Chargeという用語の意味です。

最初の背景...

現在、これまでの観測と実験結果を考えると、4つの「基本的な相互作用」があり、電磁相互作用はその4つのうちの1つであると考えています。

基本的な相互作用とは何ですか？リンクされたウィキペディアの記事から：

基本的な力または相互作用する力とも呼ばれる基本的な相互作用は、物理システムの関係のパターンとして基礎物理学でモデル化され、時間の経過とともに進化し、より基本的なエンティティ間の関係に還元できないように見えます。

2つのオブジェクトが互いに引き付けたり反発したりするのに、他のオブジェクトを引き付けたり反発したりしないということを想像してください。これを説明またはモデル化するために、相互作用する2つのオブジェクトには他のオブジェクトにはないプロパティがあるという仮説を立てることができます。このプロパティを料金と呼ぶこともできます。追加の観察の後、2つのタイプがあり、「反対の電荷が引き付ける」と「電荷が反発する」という仮説をさらに立てることができます。

いくつかのケースでは、相互作用は、単にそれは我々が相互作用を決定することであってもよいし、他の既知の現象によって説明できることか可能であることは、与えられたと我々ができる最善のです- モデル化することなく、相互作用を説明し「何かの面でそれをより基本的な」

これは、電荷と電磁相互作用を使って行うことです。私たちはそれを観察し、数学的にモデル化し、電荷や電界などの概念を使用しようとします。

ある時点で、現実に対する別のより根本的な「層」を発見し、「電荷とは何か」という質問に答えることができるかもしれません。それらの用語で。

たとえば、一部の理論家は、電荷は実際には基本的な1Dエンティティの振動モードであると想像しています- 超対称スーパーストリング -10または11次元のうち3が「通常の」空間次元で何らかの形で「生きている」

しかし、これは本当に唯一の問題につながる「が、何でこのより基本的なものは？」超対称スーパーストリングとは何ですか？

この時点で、それは不思議に最善ではありませんどのような電荷があるだろうし、むしろ、しかし、それがどのように動作するか、例えば、クーロンの法則。

さらに、実用的な電子機器の学習に興味がある場合は、電荷よりも電圧と電流を重視する回路理論に集中する必要があります。

「1つの電子が1つの電荷に等しい」という行に沿って、電荷を1つの物と考えると便利です。エレクトロニクスの多くの概念は、このような物理的なオブジェクトの概念に直接対応するとは思いません。

電荷が物である場合、「電圧」は特定の電荷に関連するエネルギー量を表し（おそらく、ある物体が高温または低温になる可能性がある方法に類似）、「電流」は与えられた電線を流れる電荷の量です時間。コンデンサの電圧は、そのプレートに蓄積された電荷の量に比例します。ここで、比例定数はコンデンサのサイズです。等々。

それは非常に単純化されていますが、使い始めるのに役立つメンタルモデルであることがわかるかもしれません。

Olinのメンタルピクチャに追加します。

バッテリーまたは電源は、一方の側から電子を奪い、もう一方の側に積み上げることができるものと考えてください。そうすれば、回路の一方の端に飢starがあり、他方に過剰があります。飢えた側は、回路のその端の原子からそれらの緩い電子を引き始め、リップルまたはチェーン効果を引き起こします。バケツの旅団のように、ゆるい電子は原子から原子へとバッテリーの飢sideした側に向かって跳ねます。回路内の原子にそれらを渡して喜んで渡します。バッテリーが一方の端を飢えさせ、もう一方の端を過剰にできるほど、回路内の原子は、回路内でこれらのスペアを移動することにより、補償しようとします。回路周辺のこれらのスペアの流れは最新です。一端に余剰があり、他端に飢starがあるバッテリーは電圧です。

さて、バッテリーはどのようにして電子の一端を飢えさせ、それらを他端に与えますか？それは電池の魔法と別の質問です。時にはそれは化学的なもの、化学反応の副作用です。しかし、それはバッテリー技術に依存します。同様に、バッテリーではなく、壁のいぼまたはACが壁のソケットから出ていると言えばどうでしょうか？別の良い質問です。

パイプ内の水を考えると、電子の流れを考えるのが最も簡単だと思います。パイプやホースと水を経験したことがあるので、視覚化することができます。水はバッテリーの一方の端からもう一方の端に送られ、パイプ（回路）を通して押し出され、ポンプの飢starした端に着地し、再び押し出されます。その過程で水が少し失われるので、時間の経過とともに、ポンプには物をもう機能させるのに十分な水がなくなります（バッテリーが使い果たされます）。抵抗器は、水を遅くする回路のねじれにすぎません。より大きなワイヤは、より多くの水を通すことができる大きなパイプのようなものです。水の速度は、現在の、うーん...などです。

最も正確な答えは「誰も知らない」でしょう。ただし、その特性はまだ調査できます。

「フィールド」の観点から全世界をモデル化できます。フィールドは、伸びたゴムシートのようなものです。シートは平らである必要はありません。ある場所では上昇し、別の場所では低下する可能性があります。これらの偏差は電荷のように機能します。もちろん、現実の世界は3Dですが、シートは2Dモデルにすぎません。

チャージの動作方法に基づいて、さまざまな種類のフィールドがあります。

チャージが「一方向」にしかできないフィールドがあります。たとえば、シートには下向きのディップではなく上向きのバンプしかありません。この場を重力と呼び、この「一方向」の電荷を質量と呼びます。2つの質量（バンプ）は常に互いに引き付けますが、質量は非常に弱く、バンプはそれほど高くありません。これが、小さなロケットエンジンが地球から遠ざかり、惑星全体の質量を圧倒することができる理由です。ただし、すべてのバンプが同じように進むため、それらは常に蓄積し、銀河のような巨大な構造になります。すべてが1つの巨大な塊に引き付けられていない唯一の理由は、宇宙が膨張しているためです。

チャージが「双方向」に進むことができる別のフィールドがあります。たとえば、上向きのバンプと下向きのディップです。これは電磁界であり、電子機器はこれに基づいています。このフィールドの電荷は「電荷」または単に「電荷」と呼ばれ、一方を「正」、もう一方を「負」と呼ぶことで、2つの「方向」を区別します。これらの電荷は質量よりも強いため、帯電した棒を使用して紙片を拾うとわかります。ただし、質量とは異なり、同様の電荷は互いに反発し（正-正または負-負）、反対の電荷が引き付けられます。これにより、白い絵の具と黒い絵の具の混合のように電荷が混合され、結果が「中性」になり、非常に大きな（銀河の）スケールにはあま​​り影響しません。しかしながら、量子物理学は、すべてが完全に混合するのを防ぎます。よく見ると、小さくて分割できない正電荷と負電荷の塊があります。これらは通常、電子と陽子ですが、原子と呼ばれる小さな中性の塊で一緒に混合されています。エレクトロニクスとは、原子間で電子を移動させることです（原子から電子を引き離すことは、「原子を分裂させる」こととは異なり、これは別のことを意味します！）。

チャージが3つの「方向」に進む別の種類のフィールドがあります。これは（強力な）核フィールドと呼ばれ、非常に奇妙な動作をします。この分野の担当は「色」として知られており、「方向」は「赤」、「緑」、「青」と呼ばれています。これらは、「ポジティブ」や「ネガティブ」などのように構成された名前であり、全員が同じことを話していることを確認してください。言葉自体は何の意味もありません。

これらのフィールドをゴムシートと考えると、それらを積み重ねることができます。電荷にはパターンがあります。通常、バンプは一列に並ぶため、たとえば電荷は質量とともに動きます。これらのパターンを「フェルミオン」と呼び、「電子」、「パイ中間子」などの名前を付けます。

シートに波をつけることもできます。電磁シート上の波は光波に対応しています。

通常、「弱い核」フィールドと呼ばれる別のフィールドが言及されていますが、最近のヒッグス粒子の発見は、これが実際に電磁場の一部である可能性があることを示しています（「電弱」フィールドとして知られる理論）。

電荷は、いくつかの素粒子が持つ性質です。電子（負電荷を持つ）やプロトン（正電荷を持つ）など。

電荷は、フランスの科学者の後クーロン（クーロンで読む）で測定されます。電子には-1.6 * 10 ^ -19 C（負電荷）があり、陽子には+ 1.6 * 10 ^ 19 Cがあります。

反対の極性の電荷（またはこれらの電荷を持つ粒子）が引き付けられ、同じ極性の電荷は互いに反発します。このレベルで「なぜ」と尋ねるのは、宇宙がなぜ存在するのかを尋ねるようなもので、ここから物事が哲学的になるでしょう。それはまさに宇宙の仕組みです。ええ...私たちは、なぜ充電が存在するのか、どのように...、または正確に何なのかを知りません。単に「プロパティ」と呼びます。そして、それが何をするのか、どのように動作するのかを説明するだけです。電荷の極性を任意に反転させることができることに注意してください（電子は正の電荷を持ち、陽子は負の電荷を持ちます）。すべてが以前と同じように機能します。まだ有効な説明だからです。

電荷は原子の特性ではありません。（非イオン化状態の）原子はすべて中性（正味の電荷がない：電子の数==陽子の数）原子が電子を失うと、陽子の（陽子からの）電荷の数は原子（現在はイオン/イオン化イオンと呼​​ばれる）が正電荷を帯びているように見える負電荷の数！

電流は電荷の流れです。そのいくつかの例は次のとおりです。

金属内の電子の流れ（負電荷）は、銅線の電流として測定するものです。

イオンの流れ（前述のイオン化された原子）は、電解液の電流を構成するものです。

パーティクルまたはパーティクルのグループがあるとします。その周りに閉じたガウスサーフェスを作成します。次に、電荷は、ガウス表面を通る電界束の表面積分を誘電率定数で割ったものとして定義できます。私は、これはあなたが探していたものではありません知っている（明らかにあなたの頭の上になるだろう）が、私はそれがここで他の回答に良い加えかもしれないと思ったんあなたの質問に答えます。言い換えれば、電荷は、何かが中立でない一定の形で存在する程度です。