電荷

在電磁學裡，電荷（electric charge，q，Q）是物质的一种物理属性，其导致物质置于电磁场中时会受到力的作用。电荷也是某些基本粒子的内秉属性。依情况，物质可以带电荷，也可以不带电荷；同理，物体或粒子可以带电荷，也可以不带电荷。

带有电荷的物质，称为带电物质（charged matter）；带有电荷的物体或粒子，分别称为带电物体（charged object）、带电粒子（charged particle）。而电荷载体（electric charge carrier）又称载流子，则属于微观或介观层面的概念，相当于带电粒子，见于电路的材料科学中，是指能移动的带电微粒，或是指在物质内部能够自由移动并传递电流的微小单元，包括亚原子粒子。

电荷可分为正电荷与负电荷。同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引。物体的净电荷为零时，称为电中性（electric neutrality）；净电荷为零的物体，称为电中性物体（electrically neutral object）。原子中的质子和电子分别带有正电荷和负电荷，而中子不带电荷。两个帶電物体或粒子之間會互相施加作用力，电荷符号相同的粒子会相互排斥，电荷符号不同的粒子会相互吸引，该作用力可由庫侖定律得出。

在普通物质中，负电荷由电子携带，正电荷由原子核中的质子携带。如果物质中的电子数多于质子数，则显负电；如果电子数少于质子数，则显正电；如果两者数量相等，则呈电中性。在孤立系统中，总电荷量保持不变——即正电荷量减去负电荷量的净值，不随时间改变。总电荷量也是物体所带过剩电荷的总量，常简称电荷量、电荷、电量。

（）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，從而使得指針轉向帶電物體。]]
1600年，英国医生威廉·吉尔伯特，对于电磁现象做了一个很仔细的研究。他指出琥珀並非唯一经过摩擦時會产生静电的物质，并且区分出电与磁不同的属性。他撰写了第一本阐述电和磁的科学著作《》。吉尔伯特创建了新拉丁语的术语「electrica」（源自於「ήλεκτρον」，「ēlektron」，希腊文的「琥珀」），英文翻譯為「electrics」，意指如同琥珀一般當摩擦後會吸引微小物體的物質。這新拉丁術語後來给出了英文術語「electricity」，最先出现于1646年，汤玛斯·布朗（）的著作《Pseudodoxia Epidemica》（英文书名《Enquries into very many received tenets and commonly presumed truths》）。随后，于1660年，科学家奥托·冯·格里克发明了可能是史上第一部静电发电机（）。他将一个硫磺球固定于一根铁轴的一端，然后一边旋转硫磺球，一边用干手摩擦硫磺球，使硫磺球产生电荷，能够吸引微小物质。

于1729年发现了电传导，即电荷可以从一个物质传导至另外一个物质的性質。只有某些種類的物质会传导电荷，其中，金属的能力最为优良。从此，科学家不再认为产生电荷的物体与所产生的电荷是不可分离的，而认为电荷是一种独立存在的物质，在那时被称为「」。1733年，做實驗發現，假若被絲綢摩擦後的玻璃對於帶電的金葉片呈現出排斥的現象，則被羊毛摩擦後的琥珀會對這帶電的金葉片呈現出吸引的現象，因此，他将电分为两种，被絲綢摩擦後的玻璃帶有「」，而被羊毛摩擦後的琥珀則帶有「」。稍後，美國科學家也獨立獲得相同的結論。

在十八世纪，美國人班杰明·富兰克林是电学最前端的专家之一，他认为「单流体理论」比较正确。他想像电储存于所有物质裡，并且通常处于平衡状态，而摩擦动作会使得电从一个物体流动至另一个物体。例如，他认为累积的电是储存于莱顿瓶的玻璃，用丝巾摩擦玻璃使得电从丝巾流动至玻璃。这流动形成了电流。他建议电量低于平衡的物体载有负电量，电量高于平衡的物体载有正电量。他任意地设定玻璃电为正电，具有多余的电；而琥珀电为负电，缺乏足够的电。同时期，英國學者威廉·沃森也獨立达到同样的结论。1747年，富兰克林假定在一个孤立系统内，总电荷量恒定，这称为电荷守恒定律。

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1785年，使用查尔斯·库仑与約翰·米歇爾分别独立发明的，库仑证实了约瑟夫·普利斯特里的基本定律：帶有静态电荷的两个物体彼此之间所感受的作用力与距离成平方反比。这奠定了静电的基本定律。1899年，汤姆孙實驗團隊做光電效應實驗與熱離子發射實驗測得於先前陰極射線等同的電荷質量比，這意味著這些實驗所涉及的粒子都是電子。。由於汤姆孙建議電子為組成物質的基礎粒子，並且做實驗確切證實他的論述，他被公認為電子的發現者。電子是人類發現的第一種基礎粒子。

1898年，汤姆孙做實驗發現，假設照射X射線於氣體，使用所產生的負離子來將過飽和水蒸氣凝結，則可以粗略測量帶電水滴的帶電量，其與電解實驗獲得的氫離子帶電量大約相等。隔年，他利用光電效應來進行類似實驗，仍舊獲得同樣結果。但是這些實驗所獲得的數值是很多帶電水滴的統計平均值，它們並未能證實所有電子的帶電量相等。美國物理學家羅伯特·密立根在1909年起完成一系列實驗測量電子的帶電量。起初，他使用水滴為測量對象，後來，由於油滴的蒸發率較低，他改使用油滴，俄國物理學者亞伯蘭·約費於1911年利用光電效應，照射紫外線於鋅金屬微粒子來製成帶電金屬微粒子，然後測量其帶電量，他也獨立獲得同樣結果。

静电
假设在平衡状况，某物体的总电量不等于零，也就是说，这物体带有正电荷或负电荷，则称此物体带有静电。这方面的问题属于静电学领域。琥珀在经过用猫毛摩擦后，能够吸引轻小物体，这现象称为静电现象。这是负电荷从猫毛转移到琥珀后，所呈现的电性。当两个处于电势不相等的物体相互接触在一起，就会发生另外一种静电现象，称为静电放电，使得一个物体的电荷流动至另一个物体，从而促成电势相等。雷电是一种比较剧烈的静电放电现象。在大自然中，因为云层累积的正负电荷剧烈中和，会产生雷电和其所伴随的电光、雷声、热量。

点电荷
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带电粒子时常被称为电荷，但电荷本身并非粒子，只是为了方便描述，可以将它想像成粒子。带电量多者称为具有较多电荷。处于一外电场的带电粒子，其所感受到的外电场的库仑力相依于其带电量。

点电荷是带电粒子的理想模型。真正的点电荷并不存在，只有当带电粒子之间的距离超大于粒子的尺寸，或是带电粒子的形状与大小对于彼此相互施加的作用力的影响能够被忽略时，可称此带电体为「点电荷」。

一个实际带电体能否视为点电荷，不仅与带电体本身有关，还取决于问题的性质和精确度的要求。点电荷是建立基本规律时必要的抽象概念，也是分析复杂问题时不可少的分析手段。例如，库仑定律、劳仑兹力定律的建立，带电体所产生的电场以及几个带电体之间彼此相互作用的定量研究，试验电荷的引入等等，都应用了点电荷的观念。

库仑定律
给予两个电量分别为q、q'，位置分别为\mathbf{r}、\mathbf{r}'的点电荷。根据库仑定律，点电荷q'作用于点电荷q的力量\mathbf{F}\ ,\!的大小与方向，以方程式表达为
:\mathbf{F}= \cfrac{1}{4\pi\epsilon_0}\cfrac{qq'\ (\mathbf{r} - \mathbf{r}')}{|\mathbf{r} - \mathbf{r}'|^3}。

假若两个点电荷同性（电荷的正负号相同），则其电量的乘积qq'是正值，两个点电荷互相排斥。反之，假若两个点电荷异性（电荷的正负号相反），则其电量的乘积qq'是负值，两个点电荷互相吸引。

束缚电荷与自由电荷
有时候，虽然物体的总电量等于零，电荷分布可能会不均匀（例如，因为存在着外电场）。对于这状况，这物质称为电极化物质。束缚电荷是由于电极化而出现的电荷，束缚于原子内部。与束缚电荷明显不同，自由电荷是从外部置入的额外的电荷，不被束缚于原子内部。带电粒子朝着某方向的运动形成了电流，特别是在金属内部运动的电子。

粒子的电荷
在粒子物理学中，许多粒子都带有电荷。电荷在粒子物理学中是一个相加性量子数，电荷守恒定律也适用于粒子，反应前粒子的电荷之和等于反应后粒子的电荷之和，这对于强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用都是严格成立的。

反粒子带有的电荷与对应粒子带有的电荷，电量相同，电性相异。夸克带有非整数电荷，不是-e/3，就是2e/3；但是科学家从未观察到单独夸克的存在（这事实可以用渐近自由（）的理论来解释）。

电荷宇称时间对称
电荷宇称时间对称（）对于粒子和反粒子的相对特性设下了强烈的约束。因此，可以严格地测试这理论。例如，质子和反质子的电荷的总和必须正好等于零。这全等式的精确度已经作实验测试至108分之一。使用潘宁阱（）来囚禁反质子，质子和反质子的电荷质量比相等性质的精确度也被测试至6×109分之一。

电荷守恒
电荷守恒定律表明，在一个孤立系统裏，不论发生什么变化，总电荷必定保持不变。所有物理程序都必须遵守这定律。在量子力学里，从波函数的规范不变性可以推导出这定律。

流入某體積\mathbb{V}的淨電流為
:I=-\oint_\mathbb{S} \mathbf{J} \cdot \mathrm{d}^2\mathbf{r}；

其中，I是電流，\mathbf{J}是電流密度，\mathbb{S}是包圍體積\mathbb{V}的閉曲面，\mathrm{d}^2\mathbf{r}是微小面向量元素，垂直於\mathbb{S}從體積內朝外指出。

應用散度定理，將這方程式寫為
:I=-\int_\mathbb{V} \nabla\cdot\mathbf{J}\ \mathrm{d}^3r。

總電荷量Q與體積\mathbb{V}內的電荷密度\rho的關係為
:Q=\int_\mathbb{V} \rho\ \mathrm{d}^3r。

電荷守恆要求，流入體積\mathbb{V}的淨電流，等於體積\mathbb{V}內總電荷量Q的變率：
:\frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d} t}=I=\int_\mathbb{V} \frac{\partial \rho}{\partial t}\ \mathrm{d}^3r。

所以，
:\int_\mathbb{V}\frac{\partial \rho}{\partial t}+\mathbf{\nabla} \cdot \mathbf{J}\ \mathrm{d}^3r=0。

對於任意體積\mathbb{V}，上述方程式都成立。所以，可以將被積式提取出來：
:\frac{\partial \rho}{\partial t}+\nabla \cdot \mathbf{J} =0。

注释
参考文献
参见

• 镜像法
• 静电放电
• 摩擦起电效应
• 電勢能