Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона

Зако́н сохране́ния электри́ческого заря́да гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

Закон сохранения заряда выполняется абсолютно точно. На данный момент его происхождение объясняют следствием принципа калибровочной инвариантности. Требование релятивистской инвариантности приводит к тому, что закон сохранения заряда имеет локальный характер: изменение заряда в любом наперёд заданном объёме равно потоку заряда через его границу. В изначальной формулировке был бы возможен следующий процесс: заряд исчезает в одной точке пространства и мгновенно возникает в другой. Однако такой процесс был бы релятивистски неинвариантен: из-за относительности одновременности в некоторых системах отсчёта заряд появился бы в новом месте до того, как исчез в предыдущем, а в некоторых — заряд появился бы в новом месте спустя некоторое время после исчезновения в предыдущем. То есть был бы отрезок времени, в течение которого заряд не сохраняется. Требование локальности позволяет записать закон сохранения заряда в дифференциальной и интегральной форме.

Закон сохранения заряда и калибровочная инвариантность

Физическая теория утверждает, что каждый закон сохранения основан на соответствующем фундаментальном принципе симметрии. Со свойствами симметрий пространства-времени связаны законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Законы сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов связаны не со свойствами пространства-времени, а с симметрией физических законов относительно фазовых преобразований в абстрактном пространстве квантовомеханических операторов и векторов состояний. Заряженные поля в квантовой теории поля описываются комплексной волновой функцией, где x - пространственно-временная координата. Частицам с противоположными зарядами соответствуют функции поля, различающиеся знаком фазы , которую можно считать угловой координатой в некотором фиктивном двумерном «зарядовом пространстве». Закон сохранения заряда является следствием инвариантности лагранжиана относительно глобального калибровочного преобразования типа , где Q - заряд частицы, описываемой полем , а - произвольное вещественное число, являющееся параметром и не зависящее от пространственно-временных координат частицы. Такие преобразования не меняют модуля функции, поэтому они называются унитарными U(1).

Закон сохранения заряда в интегральной форме

Вспомним, что плотность потока электрического заряда есть просто плотность тока. Тот факт, что изменение заряда в объёме равно полному току через поверхность, можно записать в математической форме:

Здесь - некоторая произвольная область в трёхмерном пространстве, - граница этой области, - плотность заряда, - плотность тока (плотность потока электрического заряда) через границу.

Закон сохранения заряда в дифференциальной форме

Переходя к бесконечно малому объёму и используя по мере необходимости теорему Стокса можно переписать закон сохранения заряда в локальной дифференциальной форме (уравнение непрерывности)

Закон сохранения заряда в электронике

Правила Кирхгофа для токов напрямую следуют из закона сохранения заряда. Объединение проводников и радиоэлектронных компонентов представляется в виде незамкнутой системы. Суммарный приток зарядов в данную систему равен суммарному выходу зарядов из системы. В правилах Кирхгофа предполагается, что электронная система не может значительно изменять свой суммарный заряд.

Экспериментальная проверка

Наилучшей экспериментальной проверкой закона сохранения электрического заряда является поиск таких распадов элементарных частиц, которые были бы разрешены в случае нестрогого сохранения заряда. Такие распады никогда не наблюдались.Лучшее экспериментальное ограничение на вероятность нарушения закона сохранения электрического заряда получено из поиска фотона с энергией mec 2/2 ≈ 255 кэВ, возникающего в гипотетическом распаде электрона на нейтрино и фотон:

однако существуют теоретические аргументы в пользу того, что такой однофотонный распад не может происходить даже в случае, если заряд не сохраняется. Другой необычный несохраняющий заряд процесс - спонтанное превращение электрона в позитрон и исчезновение заряда (переход в дополнительные измерения, туннелирование с браны и т. п.). Наилучшие экспериментальные ограничения на исчезновение электрона вместе с электрическим зарядом и на бета-распад нейтрона без эмиссии электрона.

Электродинамика - наука о свойствах электромагнитного поля.

Электромагнитное поле - определяется движением и взаимодействием заряженных частиц.

Проявление эл/магнитного поля - это действие эл/магнитных сил:
1) силы трения и силы упругости в макромире;
2) действие эл/магнитных сил в микромире (строение атома, сцепление атомов в молекулы, превращение элементарных частиц)

Открытие эл/магнитного поля - Дж. Максвелл.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Раздел электродинамики, изучает покоящиеся электрически заряженные тела.

Элементарные частицы могут иметь эл. заряд, тогда они называются заряженными;
- взаимодействуют друг с другом с силами, которые зависят от расстояния между частицами, но превышают во много раз силы взаимного тяготения (это взаимодействие называется электромагнитным).

Электрический заряд - физическая величина, определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.
Существует 2 знака эл.зарядов: положительный и отрицательный.
Частицы с одноименными зарядами отталкиваются, с разноименными - притягиваются.
Протон имеет положительный заряд, электрон - отрицательный, нейтрон - электрически нейтрален.

Элементарный заряд - минимальный заряд, разделить который невозможно.
Чем объяснить наличие электромагнитных сил в природе? - в состав всех тел входят заряженные частицы.
В обычном состоянии тела электрически нейтральны (т.к. атом нейтрален), и электромагнитные силы не проявляются.

Тело заряжено , если имеет избыток зарядов какого-либо знака:
отрицательно заряжено - если избыток электронов;
положительно заряжено - если недостаток электронов.

Электризация тел - это один из способов получения заряженных тел, например, соприкосновением).
При этом оба тела заряжаются, причем заряды противоположны по знаку, но равны по модулю.

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной.
(... но, не числа заряженных частиц, т.к. существуют превращения элементарных частиц).

Замкнутая система - система частиц, в которую не входят извне и не выходят наружу заряженные частицы.

Основной закон электростатики.

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Когда тела считаются точечными ? - если расстояние между ними во много раз больше размеров тел.
Если у двух тел есть электрические заряды, то они взаимодействуют по закону Кулона.

Единица электрического заряда: 1 Кл - это заряд, проходящий за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А
1 Кл - очень большой заряд
Элементарный заряд:

Принято записывать коэффициент пропорциональности в законе Кулона в вакууме в виде

где электрическая постоянная

Закон Кулона для величины силы взаимодействия зарядов в произвольной среде (в СИ):

Диэлектрическая проницаемость среды характеризует электрические свойства среды. В вакууме

Таким образом, сила Кулона зависит от свойств среды между заряженными телами.

Электростатика и законы постоянного тока - Класс!ная физика

Опыты однозначно показывают, что при электризации тел всегда появляются заряды противоположных знаков. Если одно из двух тел вследствие взаимодействия станет отри-цательно заряженным, то другое будет иметь положительный заряд.

Возьмем два электрометра с одинаковы-ми шарами и подготовим их к измерению электрических зарядов. Для этого заземлим их металлические корпуса.

Пластинку из органического стекла по-трем пластинкой, поверхность которой по-крыта бумагой. Если после этого коснемся металлических шариков каждой пластинкой, то увидим, что стрелки гальванометров от-клонятся на одинаковый угол (рис. 4.10). Для определения знака полученных зарядов под-несем поочередно к обоим шарикам эбо-нитовую палочку, потертую мехом. Один элект-рометр уменьшит показания, а другой — уве-личит. Это свидетельствует о том, что шары электрометров имеют заряды противополож-ных знаков. Проверить эти утверждения мож-но с помощью другого опыта. Для этого со-единим проволокой на изоляционной ручке оба шара на электрометрах. Стрелки обоих электрометров сразу упадут до нуля (рис. 4.11). Это свидетельствует о полной нейтрализации зарядов. Анализ проведенных опытов пока-зывает, что в природе действует закон со-хранения электрических зарядов .

Закон со-хранения электрических зарядов . В замкнутой системе алгебраическая сум-ма электрических зарядов тел, составляющих эту систему, остается постоянной.

Q 1 + Q 2 + Q 3 + … + Q n = const.

Бенджамин Франклин (1706—1790) — вы-дающийся американский политический деятель; работал в области физики: раз-работал теорию, объясняющую электри-зацию перетеканием «электрической жид-кости», ввел понятие положительного и отрицательного заряда; исследовал элект-рические явления в атмосфере.

впервые был сформулирован американским ученым Б. Франклином в 1747 г.

При решении физических задач с ис-пользованием закона сохранения электри-ческого заряда значения электрических за-рядов используются с их знаками.

Ученым известны физические процессы, в ходе которых из электромагнитного излу-чения образуются элементарные частицы. Типичный пример такого явления — обра-зование электрона и позитрона из γ-излу-чения, появляющегося при радиоактивных преобразованиях вещества. Многочислен-ные исследования однозначно доказали, что электрон, имеющий отрицательный заряд, всегда появляется в этих преобразованиях в паре с позитроном, имеющем положитель-ный заряд. Алгебраическая сумма зарядов электрона и позитрона равняется нулю. Электромагнитное излучение не имеет заря-да вообще. Таким образом,

в реакции обра-зования электронно-позитронной пары дейст-вует закон сохранения заряда .

q электрона + q позитрона = 0.

Позитрон — элементарная ча-стица, имеющая массу, при-близительно равную массе электрона; заряд позитрона положительный и равен заряду электрона.

На основании закона сохранения элект-рического заряда объясняется электризация макроскопических тел.

Как известно, все тела состоят из ато-мов, в состав которых входят электроны и протоны . Количество электронов и прото-нов в составе незаряженного тела одина-ковое. Поэтому такое тело не проявляет электрического действия на другие тела. Если же два тела находятся в тесном кон-такте (при натирании, сжатии, ударе и т.п.), то электроны, связанные с атомами зна-чительно слабее, чем протоны, переходят с одного тела на другое. Материал с сайта

Тело, на которое перешли электроны, будет иметь их избыток. Согласно закону сохранения электрический заряд этого тела будет равняться алгебраической сумме по-ложительных зарядов всех протонов и зарядов всех электронов. Этот его заряд будет отрицательным и по значению равным сум-ме зарядов избыточных электронов.

У тела с излишком электронов отрицательный заряд.

Тело, утратившее электроны, будет иметь положительный заряд, модуль которого бу-дет равен сумме зарядов электронов, поте-рянных телом.

У тела, имеющего положитель-ный заряд, электронов мень-ше, чем протонов.

Закон сохранения электрического заряда действует независимо от того, движутся за-ряженные тела или нет. Такое свойство заряда называется инвариантностью. Заряд электрона равняется 1,6 . 10 -19 Кл как при скорости 200 м/с, так и при скорости 100 000 км/с. Если бы было иначе, то электроны имели бы одни свойства в свободном состоянии и совершенно другие — в атоме. А это наукой не установлено.

Электрический заряд не изме-няется при переходе тела в другую систему отсчета.

На этой странице материал по темам:

• Законы сохранения шпора

• Закон сохранения электрического заряда конспект по физики

• Закон сохранения электрического заряда шпаргалка

• Закон сохранения энергии. электризация тел.

• Опыты подтверждающие закон сохранения электрического заряда

Вопросы по этому материалу:

Электростатика изучает свойства и взаимодействия зарядов, которые являются неподвижными в той системе отсчета, в которой они рассматриваются.

В природе есть всего два типа электрических зарядов – отрицательные и положительные. Положительный заряд может возникать на стеклянной палочке, натертой кожей, а отрицательный – на янтаре, натертом шерстяной тканью.

Известно, что все тела состоят из атомов. В свою очередь атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов, которые вращаются вокруг него. Так как электроны имеют отрицательный заряд, а ядро положительный – то в целом атом является электрически нейтральным. При воздействии на него из вне, он может потерять один или несколько электронов и превратится в положительно заряженный ион. В случае, если атом (или молекула), присоединит к себе дополнительный электрон, то он превратится в отрицательный ион.

Таким образом, электрический заряд может существовать в виде отрицательных или положительных ионов и электронов. Существует один род «свободного электричества» — отрицательные электроны. Поэтому, если какое-то тело имеет положительный заряд – у него недостаточно электронов, а если отрицательный – то избыток.

Электрические свойства любого вещества обусловлены его атомным строением. Атомы могут терять даже по несколько электронов, в таком случае их называют многократно ионизированными. Из протонов и нейтронов состоит ядро атома. Каждый протон несет заряд, который равен заряду электрона, но противоположен ему по знаку. Нейтроны – это электрически нейтральные частицы (не имеет электрического заряда).

Помимо протонов и электронов, электрическим зарядом обладают и другие элементарные частицы. Электрический заряд – неотъемлемая часть элементарных частиц.

Наименьшим зарядом принято считать заряд, равный заряду электрона. Его еще называют элементарным зарядом, который равен 1,6·10 -19 Кл. Любой заряд кратен целому числу зарядов электрона. Поэтому электризация тела не может происходить непрерывно, а только ступенями (дискретно), на величину заряда электрона.

Если положительно заряженное тело начать перезаряжать (заряжать отрицательным электричеством), то его заряд не изменится мгновенно, а сначала уменьшится до нуля, и только потом приобретет отрицательный потенциал. Отсюда можно сделать вывод, что они компенсируют друг друга. Данный факт привел ученых к выводу, что в «незаряженных» телах всегда имеются заряды положительных и отрицательных знаков, которые содержатся в таких количествах, что их действие полностью компенсирует друг друга.

При электризации трением происходит разделение отрицательных и положительных «элементов», содержащихся в «незаряженном теле». В результате перемещения отрицательных элементов тела (электронов) электризуются оба тела, причем одно из них отрицательно, а второе положительно. Количество «перетекаемых» от одного элемента к другому зарядов остается постоянным в течении всего процесса.

Отсюда можно сделать вывод, что заряды не создаются и не исчезают, а всего лишь «перетекают» от одного тела к другому или перемещаются внутри него. В этом и является сущность закона сохранения электрических зарядов. При трении электризации подвержены многие материалы – эбонит, стекло и многие другие. Во многих отраслях промышленности (текстильная, бумажная и другие) наличие статического электричества представляет серьезную инженерную проблему, так как электризация элементов, вызванная трением бумаги, ткани или других продуктов производства о детали машин могут вызывать пожары и взрывы.

Закон сохранения заряда можно сформулировать короче – в изолированной системе алгебраическая сумма заряженных элементов остается постоянной:

Данный закон справедлив и при взаимных превращениях различных элементарных частиц, составляющих атом и ядро в целом.

Абсолютно всем известно такое понятие, как закон сохранения энергии . Энергия не возникает из ничего и не пропадает в никуда. Она только переходит из одной формы в другую.

Это основополагающий закон Вселенной. Именно благодаря этому закону Вселенная может существовать стабильно и продолжительно.

Формулировка закона сохранения заряда

Существует еще один подобный закон, который тоже является одним из основополагающих. Это закон сохранения электрического заряда.

В телах, которые находятся в покое и электрически нейтральны, заряды противоположных знаков равны по величине и взаимно компенсируют друг друга. Когда происходит электризация одних тел другими, заряды переходят с одного тела на другое, однако их общий суммарный заряд остается прежним.

В изолированной системе тел общий суммарный заряд всегда равен некоторой постоянной величине: q_1+q_2+⋯+q_n=const, где q_1, q_2, …, q_n заряды тел или частиц, входящих в систему.

Как же быть с превращением частиц?

Существует один момент, который может вызывать вопросы превращение частиц. Действительно, частицы могут рождать и исчезать, переходя при этом в другие частицы, излучение или энергию.

При этом такие процессы могут происходить как с нейтральными, так и с несущими заряд частицами. Как же быть в таком случае с законом сохранения заряда?

Оказалось, что рождение и исчезновение частиц может происходить только парно. То есть частицы переходят в иной тип существования, например, в излучение только парой, когда исчезают одновременно и положительная и отрицательная частицы.

При этом появляется некий вид излучения и определенная энергия. В обратном случае, когда под влиянием некоего излучения и потреблением энергии рождаются заряженные частицы, то они тоже рождаются только парой: положительная и отрицательная.

Соответственно, общий заряд новоявленной пары частиц будет равен нулю и закон сохранения заряда выполняется.

Экспериментальное подтверждение закона

Выполнение закона сохранения электрического заряда подтверждено экспериментально множество раз. Нет ни одного факта, который бы говорил об ином.

Поэтому, ученые полагают, что полный электрический заряд всех тел во Вселенной сохраняется неизменным и, скорее всего, равен нулю. То есть количество всех положительных зарядов равно количеству всех отрицательных зарядов.

Природа существования закона сохранения заряда пока непонятна. В частности, непонятно, почему заряженные частицы рождаются и аннигилируют только парами.