Zakon održanja električnog naboja vrijedi za. Što je zakon održanja naboja

Zakon održanja električnog naboja navodi da je algebarski zbroj naboja električno zatvorenog sustava očuvan.

Zakon održanja naboja apsolutno je istinit. Na ovaj trenutak njegovo podrijetlo objašnjava se kao posljedica principa invarijantnosti kalibra. Zahtjev relativističke invarijantnosti dovodi do činjenice da zakon održanja naboja ima lokalni karakter: promjena naboja u bilo kojem unaprijed određenom volumenu jednaka je protoku naboja kroz njegovu granicu. U izvornoj formulaciji bio bi moguć sljedeći proces: naboj nestaje u jednoj točki u prostoru i trenutno se pojavljuje u drugoj. Međutim, takav bi proces bio relativistički neinvarijantan: zbog relativnosti simultanosti, u nekim referentnim okvirima, naboj bi se pojavio na novom mjestu prije nego što bi nestao na prethodnom, a u nekima bi se naboj pojavio u novo mjesto neko vrijeme nakon nestanka na prethodnom. To jest, postojalo bi vrijeme tijekom kojeg se naboj ne čuva. Zahtjev za lokalitetom omogućuje nam da zapišemo zakon održanja naboja u diferencijalnom i integralnom obliku.

Zakon održanja invarijantnosti naboja i kalibra

Simetrija u fizici
transformacija	Relevantno nepromjenjivost	Odgovara zakon očuvanje
↕ Vrijeme emitiranja	Ujednačenost vrijeme	…energija
⊠ C, P, CP i T-simetrije	Izotropija vrijeme	... paritet
↔ Prostor za emitiranje	Ujednačenost prostor	…impuls
↺ Rotacija prostora	Izotropija prostor	… trenutak zamah
⇆ Lorentzova grupa	Relativnost Lorentzova invarijantnost	…4-impulsa
~ Transformacija mjerača	Invarijantnost mjerača	... naplatiti

Fizička teorija tvrdi da se svaki zakon održanja temelji na odgovarajućem temeljno načelo simetrija. Zakoni održanja energije, količine gibanja i kutne količine gibanja povezani su sa svojstvima prostorno-vremenskih simetrija. Zakoni održanja električnih, barionskih i leptonskih naboja nisu povezani sa svojstvima prostor-vremena, već sa simetrijom fizikalnih zakona s obzirom na fazne transformacije u apstraktnom prostoru kvantnomehaničkih operatora i vektora stanja. Nabijena polja u kvantnoj teoriji polja opisana su složenom valnom funkcijom, gdje je x koordinata prostor-vrijeme. Čestice suprotnih naboja odgovaraju funkcijama polja koje se razlikuju po predznaku faze, što se može smatrati kutnom koordinatom u nekom fiktivnom dvodimenzionalnom "prostoru naboja". Zakon održanja naboja posljedica je invarijantnosti Lagrangiana u odnosu na globalnu gauge transformaciju tipa , gdje je Q naboj čestice opisane poljem , i proizvoljan realni broj, koji je parametar i ne ovisi o prostorno-vremenskim koordinatama čestice. Takve transformacije ne mijenjaju modul funkcije pa se nazivaju unitarnim U(1).

Zakon održanja naboja u integralnom obliku

Podsjetimo da je gustoća toka električnog naboja jednostavno gustoća struje. Činjenica da je promjena naboja u volumenu jednaka ukupnoj struji kroz površinu može se zapisati u matematičkom obliku:

Ovdje - neko proizvoljno područje u trodimenzionalnom prostoru, - granica ovog područja, - gustoća naboja, - gustoća struje (gustoća toka električnog naboja) kroz granicu.

Zakon održanja naboja u diferencijalnom obliku

Prijelazom na beskonačno mali volumen i korištenjem Stokesovog teorema prema potrebi, možemo prepisati zakon održanja naboja u lokalnom diferencijalnom obliku (jednadžba kontinuiteta)

Zakon održanja naboja u elektronici

Kirchhoffova pravila za struje slijede izravno iz zakona održanja naboja. Kombinacija vodiča i radioelektronskih komponenti predstavljena je kao otvoreni sustav. Ukupni priljev naplata u ovaj sustav jednak je ukupnom izlazu naboja iz sustava. Kirchhoffova pravila pretpostavljaju da elektronički sustav ne može značajno promijeniti svoj neto naboj.

Eksperimentalna provjera

Najbolja eksperimentalna provjera zakona održanja električnog naboja je potraga za takvim raspadima elementarnih čestica koji bi bili dopušteni u slučaju nestrogog očuvanja naboja. Takvi raspadi nikada nisu uočeni. Najbolja eksperimentalna granica vjerojatnosti kršenja zakona održanja električnog naboja dolazi iz traženja fotona s energijom mec 2/2 ≈ 255 keV, koji nastaje hipotetskim raspadom elektrona na neutrin i foton:

međutim, postoje teorijski argumenti da se takav jednofotonski raspad ne može dogoditi čak i ako naboj nije očuvan. Drugi neobičan proces koji ne čuva naboj je spontana transformacija elektrona u pozitron i nestanak naboja (prijelaz u dodatne dimenzije, tuneliranje iz brane itd.). Najbolja eksperimentalna ograničenja na nestanak elektrona zajedno s električnim nabojem i na beta raspad neutrona bez emisije elektrona.

Zakon održanja naboja kaže da je tijekom interakcije određenog zatvorenog sustava s okolnim prostorom količina naboja koja napušta sustav kroz njegovu površinu jednaka količini naboja koja ulazi u sustav. Drugim riječima, algebarski zbroj svih naboja u sustavu je nula.

Formula 1 - Zakon održanja naboja

Kao što znate, u prirodi postoje dvije vrste naboja. To su pozitivne i negativne. Također, veličina naboja je diskretna, odnosno može se mijenjati samo u dijelovima. Elementarni naboj je naboj elektrona. Ako se atomu doda jedan elektron, on postaje negativno nabijeni ion. A ako ga oduzmete, onda pozitivno.

Osnovna ideja zakona održanja naboja je da naboj ne nastaje niotkuda i ne nestaje niotkuda. Kada se pojavi naboj jednog predznaka, odmah se pojavljuje naboj suprotnog predznaka iste veličine.

Da bismo potvrdili ovaj zakon, provest ćemo eksperiment. Za njega su nam potrebna dva elektrometra. To su uređaji koji pokazuju električni naboj. Sastoji se od šipke na koju je pričvršćena os. Na osi je strelica. Sve je to smješteno u cilindrično kućište, zatvoreno s obje strane staklom.

Na štapu prvog elektrometra nalazi se metalni disk. Na koji ćemo postaviti još jedan takav disk. Između diskova potrebno je položiti neku vrstu izolatora. Na primjer, tkanina. Gornji disk ima dielektričnu ručku. Držeći ovu ručku, trljat ćemo diskove jedan o drugi. Tako ih naelektrizirati.

Slika 1 - Elektrometri s pričvršćenim diskovima

Nakon što uklonimo gornji disk, elektrometar će pokazati prisutnost naboja. Njegova strijela će skrenuti. Zatim uzimamo disk i dodirujemo ga sa šipkom drugog elektrometra. On će također skrenuti strelicu, što ukazuje na prisutnost naboja. Iako će naboj biti suprotnog predznaka. Nadalje, ako spojimo šipke elektrometara, tada će se strelice vratiti u prvobitni položaj. Odnosno, optužbe se međusobno poništavaju.

Slika 2 - kompenzacija punjenja diska

Što se dogodilo u ovom eksperimentu. Kada smo trljali diskove jedan o drugi, došlo je do razdvajanja naboja u metalu diskova. U početku je svaki disk bio električno neutralan. Jedan od njih primio je višak elektrona, odnosno negativan naboj. Drugi je dobio manjak elektrona, odnosno postao je pozitivno nabijen.

Optužbe u ovom slučaju nisu se pojavile niotkuda. Već su bili unutar vodljivih diskova. Samo su oni međusobno kompenzirani. Samo smo ih razdvojili. Postavivši u isto vrijeme na različite diskove. Kad smo spojili šipke elektrometara, naboji su se ponovno međusobno kompenzirali. Što su strelice pokazivale.

Promatramo li elektrometre i diskove kao jedinstveni sustav. Tada je, unatoč svim našim manipulacijama, ukupni naboj ovog sustava cijelo vrijeme bio konstantan. U početku su diskovi bili električno neutralni. Nakon odvajanja pojavili su se veliki pozitivni i negativni naboji. Samo što su bile iste veličine. To znači da naboj u sustavu ostaje isti. Nakon spajanja šipki, sustav se vratio u prvobitno stanje.

Elektrostatika proučava svojstva i interakcije naboja koji su stacionarni u referentnom okviru u kojem se razmatraju.

U prirodi postoje samo dvije vrste električnih naboja- negativno i pozitivno. Pozitivan naboj može nastati na staklenoj šipki protrljanoj kožom, a negativan na jantaru protrljanom vunenom krpom.

Znamo da su sva tijela sastavljena od atoma. Zauzvrat, atom se sastoji od pozitivno nabijene jezgre i elektrona koji kruže oko njega. Budući da elektroni imaju negativan naboj, a jezgra pozitivna, atom je kao cjelina električno neutralan. Kada mu je izložen izvana, može izgubiti jedan ili više elektrona i pretvoriti se u pozitivno nabijeni ion. U slučaju da atom (ili molekula) na sebe veže dodatni elektron, on će se pretvoriti u negativni ion.

Dakle, električni naboj može postojati u obliku negativnih ili pozitivnih iona i elektrona. Postoji jedna vrsta "slobodne struje" - negativni elektroni. Dakle, ako tijelo ima pozitivan naboj, ono nema dovoljno elektrona, a ako ima negativan naboj, onda ima višak.

Električna svojstva bilo koje tvari određena su njezinim atomska struktura. Atomi mogu izgubiti čak i nekoliko elektrona, u tom slučaju se nazivaju višestruko ionizirani. Jezgra atoma se sastoji od protona i neutrona. Svaki proton nosi naboj koji je jednak naboju elektrona, ali suprotnog predznaka. Neutroni su električni neutralne čestice (nemaju električni naboj).

Osim protona i elektrona, električni naboj imaju i drugi objekti. elementarne čestice. Električni naboj je sastavni dio elementarnih čestica.

Najmanjim nabojem smatra se naboj jednak naboju elektrona. Naziva se i elementarnim nabojem, koji je jednak 1,6 10 -19 C. Svaki naboj je višekratnik cijelog broja naboja elektrona. Stoga se naelektriziranje tijela ne može odvijati kontinuirano, već samo u koracima (diskretno), po vrijednosti naboja elektrona.

Ako se pozitivno nabijeno tijelo počne puniti (nabijati negativnim elektricitetom), tada se njegov naboj neće odmah promijeniti, već će se prvo smanjiti na nulu, a tek onda dobiti negativan potencijal. Iz ovoga možemo zaključiti da se međusobno kompenziraju. Ova činjenica doveo je znanstvenike do zaključka da u "nenabijenim" tijelima uvijek postoje naboji pozitivnih i negativnih predznaka, koji su sadržani u tolikim količinama da njihovo djelovanje potpuno međusobno nadoknađuje.

Kada se naelektrizira trenjem, negativni i pozitivni "elementi" sadržani u "nenabijenom tijelu" se odvajaju. Kao rezultat gibanja negativnih elemenata tijela (elektrona), oba tijela su naelektrizirana, i jedno je negativno, a drugo pozitivno. Količina "protoka" od jednog elementa do drugog naboja ostaje konstantna tijekom cijelog procesa.

Iz ovoga se može zaključiti da optužbe nisu stvaraju se i ne nestaju, već samo „teku“ iz jednog tijela u drugo ili se kreću unutar njega. To je bit zakona održanja električnih naboja. Tijekom trenja mnogi materijali su podložni elektrifikaciji - ebonit, staklo i mnogi drugi. U mnogim industrijama (tekstilna, papirna i druge) prisutnost statičkog elektriciteta predstavlja ozbiljan inženjerski problem, budući da elektrifikacija elemenata uzrokovana trenjem papira, tkanine ili drugih proizvodnih proizvoda o dijelovima strojeva može uzrokovati požare i eksplozije.

Zakon održanja naboja može se formulirati ukratko - u izoliranom sustavu, algebarski zbroj nabijenih elemenata ostaje konstantan:

Ovaj zakon vrijedi i za međusobne transformacije raznih elementarnih čestica koje čine atom i jezgru u cjelini.

Eksperimenti jasno pokazuju da kada su tijela naelektrizirana uvijek se pojavljuju naboji suprotnih predznaka. Ako jedno od dva tijela postane negativno nabijeno kao rezultat interakcije, drugo će imati pozitivan naboj.

Uzmimo dva elektrometra s identičnim kuglicama i pripremimo ih za mjerenje električnih naboja. Da bismo to učinili, uzemljili smo njihova metalna kućišta.

Ploču od organskog stakla obrubite pločom čija je površina prekrivena papirom. Ako nakon toga svakom pločom dotaknemo metalne kuglice, vidjet ćemo da strelice galvanometara odstupaju za isti kut (slika 4.10). Kako bismo odredili predznak primljenih naboja, na obje kuglice naizmjence donosimo štapić od ebonita nošen krznom. Jedan elektrometar će smanjiti očitanje, a drugi će ga povećati. To pokazuje da kuglice elektrometara imaju naboje suprotnih predznaka. Ove izjave možete provjeriti uz pomoć drugog eksperimenta. Da bismo to učinili, obje kuglice na elektrometrima povezujemo žicom na izolacijskoj ručki. Igle oba elektrometra odmah će pasti na nulu (slika 4.11). To ukazuje na potpunu neutralizaciju naboja. Analiza provedenih pokusa pokazuje da u prirodi postoji zakon održanja električnih naboja.

Zakon održanja električnih naboja . U zatvorenom sustavu algebarski zbroj električnih naboja tijela koja čine ovaj sustav ostaje konstantan.

Q1 + Q2 + Q3 + … + Qn= konst.

Benjamin Franklin(1706-1790) - izvanredan američki političar; radio na području fizike: razvio teoriju koja objašnjava elektrifikaciju preljevom "električne tekućine", uveo koncept pozitivnog i negativnog naboja; istraživao električne pojave u atmosferi.

prvi je formulirao američki znanstvenik B. Franklin 1747. godine.

Prilikom rješavanja fizičkih problema korištenjem zakon održanja električnog naboja koriste se vrijednosti električnih naboja s njihovim predznacima.

Znanstvenici znaju fizičkih procesa, tijekom kojeg se od elektromagnetskog zračenja formiraju elementarne čestice. Tipičan primjer takav fenomen – obrazovanje elektron i pozitron od γ-zračenja koje se pojavljuje tijekom radioaktivnih transformacija tvari. Brojne studije nedvosmisleno su dokazale da se elektron s negativnim nabojem u tim transformacijama uvijek pojavljuje u paru s pozitronom s pozitivnim nabojem. Algebarski zbroj naboja elektrona i pozitrona je nula. Elektromagnetska radijacija nema nikakve naknade. Tako,

u reakciji stvaranja para elektron-pozitron, zakon održanja naboja.

q elektron +q pozitron = 0.

Pozitron - elementarna čestica čija je masa približno jednaka masi elektrona; Naboj pozitrona je pozitivan i jednak naboju elektrona.

Na temelju zakon održanja električnog naboja objašnjava elektrifikaciju makroskopskih tijela.

Kao što znate, sva tijela se sastoje od atoma, koji uključuju elektrona i protona. Broj elektrona i protona u sastavu nenabijenog tijela je isti. Stoga takvo tijelo ne ispoljava električno djelovanje na druga tijela. Ako su dva tijela u bliskom kontaktu (tijekom trljanja, kompresije, udara, itd.), tada su elektroni povezani s atomima puno slabiji od protona, prelaze s jednog tijela na drugo. materijal sa stranice

Tijelo na koje su prešli elektroni imat će ih u višku. Prema zakonu održanja, električni naboj ovog tijela bit će jednak algebarskom zbroju pozitivnih naboja svih protona i naboja svih elektrona. Taj će naboj biti negativan i jednak po vrijednosti zbroju naboja suvišnih elektrona.

Tijelo s viškom elektrona ima negativan naboj.

Tijelo koje je izgubilo elektrone imat će pozitivan naboj, čiji će modul biti jednak zbroju naboja elektrona koje je tijelo izgubilo.

Pozitivno nabijeno tijelo ima manje elektrona nego protona.

Zakon održanja električnog naboja djeluje bez obzira na to kreću li se nabijena tijela ili ne. Ovo svojstvo naboja naziva se invarijantnost. Naboj elektrona je 1,6. 10 -19 C i pri brzini od 200 m/s i pri brzini od 100 000 km/s. Da je drugačije, tada bi elektroni imali neka svojstva u slobodnom stanju i potpuno drugačija u atomu. A to nije utvrđeno znanošću.

Električni naboj se ne mijenja kada se tijelo pomakne u drugi referentni okvir.

Na ovoj stranici materijal o temama:

Spur zakoni o očuvanju
Zakon održanja električnog naboja apstraktan u fizici
Zakon održanja električnog naboja cheat sheet
Zakon očuvanja energije. elektrifikacija tel.
Eksperimenti koji potvrđuju zakon održanja električnog naboja

Pitanja o ovoj stavci:

Elektrodinamika- znanost o svojstvima elektromagnetskog polja.

Elektromagnetno polje- određuje se kretanjem i interakcijom nabijenih čestica.

Manifestacija električnog/magnetskog polja- ovo je djelovanje električnih/magnetskih sila:
1) sile trenja i elastične sile u makrokozmosu;
2) djelovanje električnih/magnetskih sila u mikrokozmosu (struktura atoma, adhezija atoma u molekule, transformacija elementarnih čestica)

Otkriće električnog/magnetskog polja- J. Maxwell.

ELEKTROSTATIKA

Grana elektrodinamike koja proučava električno nabijena tijela u mirovanju.

Elementarne čestice možda ima e-mail naboj, tada se zovu nabijeni;
- međusobno djeluju silama koje ovise o udaljenosti između čestica, ali mnogo puta premašuju sile međusobne gravitacije (ova interakcija se naziva elektromagnetska).

Električno punjenje- fizička veličina, određuje intenzitet elektromagnetskih interakcija.
Postoje 2 znaka električnog naboja: pozitivan i negativan.
Čestice sličnih naboja odbijaju se, a čestice suprotnog naboja privlače.
Proton ima pozitivan naboj, elektron negativan, a neutron je električno neutralan.

elementarni naboj- minimalni naboj koji se ne može podijeliti.
Kako objasniti prisutnost elektromagnetskih sila u prirodi? Sva tijela sadrže nabijene čestice.
U normalnom stanju tijela su električki neutralna (jer je atom neutralan), a elektromagnetske sile se ne pojavljuju.

Tijelo nabijeno, ako ima višak naboja bilo kojeg predznaka:
negativno nabijen - ako postoji višak elektrona;
pozitivno nabijen – ako nedostatak elektrona.

Elektrifikacija tijela- ovo je jedan od načina dobivanja nabijenih tijela, na primjer, kontaktom).
U tom su slučaju oba tijela nabijena, a naboji su suprotni po predznaku, ali jednaki po veličini.

U zatvorenom sustavu algebarski zbroj naboja svih čestica ostaje nepromijenjen.
(... ali ne i broj nabijenih čestica, jer postoje transformacije elementarnih čestica).

zatvoreni sustav- sustav čestica u koji nabijene čestice ne ulaze izvana i ne izlaze.

Osnovni zakon elektrostatike.

Sila interakcije dvaju točkastih nepokretnih nabijenih tijela u vakuumu izravno je proporcionalna umnošku modula naboja i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih.

Kada tijela se smatraju točkastim? - ako je udaljenost između njih višestruka više veličina tel.
Ako dva tijela imaju električni naboj, onda oni međusobno djeluju prema Coulombovom zakonu.

Jedinica električnog naboja: 1 C je naboj koji prolazi kroz 1 sekundu poprečni presjek vodič pri jakosti struje od 1 A
1 C - vrlo veliki naboj
Elementarni naboj: