Opišite suštinu zakona održanja električnog naboja. Zakon održanja naboja

Zakon održanja naboja

Ne mogu se sve prirodne pojave razumjeti i objasniti korištenjem koncepata i zakona mehanike, molekularno-kinetičke teorije strukture materije i termodinamike. Ove nauke ne govore ništa o prirodi sila koje vezuju pojedinačne atome i molekule i drže atome i molekule supstance u čvrstom stanju na određenoj udaljenosti jedan od drugog. Zakoni interakcije atoma i molekula mogu se razumjeti i objasniti na osnovu ideje da električni naboji postoje u prirodi.

Najjednostavniji i najsvakodnevniji fenomen u kojem se otkriva činjenica postojanja električnih naboja u prirodi je naelektrizacija tijela pri dodiru. Interakcija tela koja se detektuje tokom naelektrisanja naziva se elektromagnetna interakcija, i fizička količina, koji određuje elektromagnetnu interakciju, je električni naboj. Sposobnost električnih naboja da privlače i odbijaju ukazuje na prisustvo dva razne vrste naelektrisanja: pozitivna i negativna.

Električni naboji se mogu pojaviti ne samo kao rezultat naelektrisanja kada tijela dođu u kontakt, već i tijekom drugih interakcija, na primjer, pod utjecajem sile (piezoelektrični efekat). Ali uvijek u zatvorenom sistemu, koji ne uključuje naboje, za bilo koje interakcije tijela, algebarski (tj. uzimajući u obzir predznak) zbir električnih naboja svih tijela ostaje konstantan. Ova eksperimentalno utvrđena činjenica naziva se zakon održanja električnog naboja.

Nigdje i nikada u prirodi ne nastaju niti nestaju električni naboji istog znaka. Pojavu pozitivnog naboja uvijek prati pojava negativnog naboja jednakog po apsolutnoj vrijednosti, ali suprotnog predznaka. Ni pozitivni ni negativni naboji ne mogu nestati odvojeno jedno od drugog ako su jednaki po apsolutnoj vrijednosti.

Pojava i nestanak električnih naboja na tijelima u većini slučajeva objašnjava se prijelazima elementarnih nabijenih čestica - elektrona - iz jednog tijela u drugo. Kao što znate, svaki atom sadrži pozitivno nabijeno jezgro i negativno nabijene elektrone. U neutralnom atomu, ukupni naboj elektrona je tačno jednak naboju atomsko jezgro. Tijelo koje se sastoji od neutralnih atoma i molekula ima ukupan električni naboj jednak nuli.

Ako, kao rezultat neke interakcije, dio elektrona prijeđe s jednog tijela na drugo, tada jedno tijelo prima negativan električni naboj, a drugo pozitivno naboj jednake veličine. Kada dva različito nabijena tijela dođu u kontakt, obično električni naboji ne nestaju bez traga, već višak elektrona prelazi sa negativno nabijenog tijela na tijelo u kojem neki od atoma nisu imali puni komplet elektrona na njihove školjke.

Poseban slučaj je susret elementarnih nabijenih antičestica, na primjer, elektrona i pozitrona. U ovom slučaju pozitivni i negativni električni naboji zapravo nestaju, poništavaju se, ali u potpunosti u skladu sa zakonom održanja električnog naboja, budući da algebarski zbir naboj elektrona i pozitrona je nula.

Kada su tela naelektrisana, zakon održanja električnog naboja. Ovaj zakon važi za zatvoreni sistem. U zatvorenom sistemu, algebarski zbir naelektrisanja svih čestica ostaje nepromenjen . Ako su naboji čestica označeni sa q 1, q 2, itd., onda

q 1 +q 2 +q 3 + … + q n= konst.

Osnovni zakon elektrostatike je Coulombov zakon

Ako je razmak između tijela višestruko veći od njihovih veličina, tada ni oblik ni veličine nabijenih tijela ne utječu bitno na interakcije između njih. U ovom slučaju, ova tijela se mogu smatrati tačkom.

Jačina interakcije između nabijenih tijela ovisi o svojstvima medija između nabijenih tijela.

Sila interakcije između dva tačkasta stacionarno naelektrisana tela u vakuumu je direktno proporcionalna proizvodu modula naelektrisanja i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih. Ova sila se zove Kulonova sila.

|q 1 | i | q 2 | - moduli tjelesnih punjenja,

r- udaljenost između njih,

k– koeficijent proporcionalnosti.

F- interakcijska sila

Sile interakcije između dva stacionarna tačkasto naelektrisana tela usmerene su duž prave linije koja povezuje ova tela.

Jedinica električnog naboja

Jedinica struje je amper.

Jedan privezak(1 Cl) - ovo je naboj koji prolazi kroz poprečni presjek vodiča za 1 s pri struji od 1 A

g [Coulomb=Cl]

e=1,610 -19 C

-električna konstanta

BLIZU I AKCIJA NA UDALJENOSTI

Pretpostavka da se interakcija između tijela udaljenih jedno od drugog uvijek odvija uz pomoć posrednih karika (ili medija) koji prenose interakciju od tačke do tačke je suštinu teorije kratkog dometa. Distribucija konačnom brzinom.

Teorija direktne akcije na udaljenosti direktno kroz prazninu. Prema ovoj teoriji, akcija se trenutno prenosi na proizvoljno velike udaljenosti.

Obje teorije su međusobno suprotne jedna drugoj. Prema teorije akcije na daljinu jedno tijelo djeluje na drugo direktno kroz prazninu i to djelovanje se prenosi trenutno.

Teorija kratkog dometa navodi da se svaka interakcija odvija uz pomoć posrednih agenasa i širi se konačnom brzinom.

Postojanje određenog procesa u prostoru između međudjelujućih tijela, koji traje konačno vrijeme - to je glavna stvar koja razlikuje teoriju djelovanje kratkog dometa iz teorije djelovanja na daljinu.

Po Faradejevoj zamisli Električni naboji ne djeluju direktno jedno na drugo. Svaki od njih stvara električno polje u okolnom prostoru. Polje jednog naelektrisanja djeluje na drugo naelektrisanje, i obrnuto. Kako se udaljavate od naboja, polje slabi.

Elektromagnetne interakcije moraju se širiti u svemiru konačnom brzinom.

Električno polje zaista postoji, njegova svojstva se mogu eksperimentalno proučavati, ali ne možemo reći od čega se to polje sastoji.

O prirodi električnog polja možemo reći da je polje materijalno; to je imenica bez obzira na nas, na naše znanje o njemu;

Polje ima određena svojstva koja ne dozvoljavaju da se pomiješa sa bilo čim drugim u okolnom svijetu;

Glavno svojstvo električnog polja je njegovo djelovanje na električne naboje s određenom silom;

Električno polje stacionarnih naelektrisanja naziva se elektrostatički. Ne menja se tokom vremena. Elektrostatičko polje stvaraju samo električni naboji. On postoji u prostoru koji okružuje ove naboje i neraskidivo je povezan s njim.

Jačina električnog polja.

Omjer sile koja djeluje na postavljeno u ovu tačku naboj polja, to naelektrisanje za svaku tačku polja ne zavisi od naelektrisanja i može se smatrati karakteristikom polja.

Jačina polja jednaka je omjeru sile kojom polje djeluje na tačkasti naboj i ovog naboja.

Jačina polja tačkastog naboja.

.

Modul jačine polja tačkastog naboja q o na daljinu r jednako je:

.

Ako u datoj tački prostora različite nabijene čestice stvaraju električna polja čije jačine itd., tada je rezultujuća jačina polja u ovoj tački:

ELEKTROVODOVI ELEKTRIČNOG PODA.

SNAGA POLJA NAPUNJENE LOPTICE

Zove se električno polje čija je jačina ista u svim tačkama prostora homogena.

Gustina linija polja je veća u blizini naelektrisanih tijela, gdje je i jačina polja veća.

-jačina polja tačkastog naboja.

Unutar provodljive lopte (r > R), jačina polja je nula.

PROVODNIKI U ELEKTRIČNOM POLJU.

Provodnici sadrže nabijene čestice koje se mogu kretati unutar provodnika pod utjecajem električnog polja. Naboji ovih čestica nazivaju se besplatne naknade.

Unutar provodnika nema elektrostatičkog polja. Cijeli statički naboj provodnika koncentrisan je na njegovoj površini. Naelektrisanja u provodniku mogu se nalaziti samo na njegovoj površini.

Uzmimo dva identična elektrometra i napunimo jedan od njih (slika 1). Njegov naboj odgovara \(6\) podjelama skale.

Ako ove elektrometre povežete staklenom šipkom, neće doći do promjena. Ovo potvrđuje činjenicu da je staklo dielektrik. Ako koristite za spajanje elektrometara metalna šipka A (Sl. 2), držeći ga za neprovodnu ručku B, možete primijetiti da će se početni naboj podijeliti na dva jednaka dijela: polovina naboja će se prenijeti sa prve kuglice na drugu. Sada naelektrisanje svakog elektrometra odgovara \(3\) podjelama skale. Dakle, prvobitni naboj se nije promijenio, samo se podijelio na dva dijela.

Ako se naelektrisanje prenese sa nabijenog tijela na nenabijeno tijelo iste veličine, tada će se naboj podijeliti na pola između ova dva tijela. Ali ako je drugo, nenabijeno tijelo veće od prvog, onda će se prebaciti na drugo više od polovine naplatiti. Što je veće tijelo na koje se prenosi naboj, na njega će se prenijeti i veći dio naboja.

Ali ukupan iznos naplata se neće promijeniti. Dakle, može se tvrditi da je naboj očuvan. One. zakon održanja električnog naboja je zadovoljen.

U zatvorenom sistemu, algebarski zbir naelektrisanja svih čestica ostaje nepromenjen:

q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n \(=\) const,

gdje je q 1, q 2, itd. - naelektrisanja čestica.

Zatvorenim sistemom smatra se sistem u koji naboji ne ulaze spolja, a ni ne izlaze van.

Eksperimentalno je utvrđeno da kada su tijela naelektrizirana, također je zadovoljen zakon održanja električnog naboja. Već znamo da je elektrifikacija proces dobijanja električno nabijenih tijela od električno neutralnih. U ovom slučaju, oba tijela su optužena. Na primjer, kada se stakleni štapić protrlja svilenom tkaninom, staklo postaje pozitivno, a svila negativno. Na početku eksperimenta nijedno tijelo nije bilo nabijeno. Na kraju eksperimenta oba tijela su nabijena. Eksperimentalno je utvrđeno da su ti naboji suprotni po predznaku, ali identični po brojčanoj vrijednosti, tj. njihov zbir je nula. Ako je tijelo negativno naelektrisano i tokom naelektrisanja još uvijek dobije negativan naboj, tada se naboj tijela povećava. Ali ukupni naboj ova dva tijela se ne mijenja.

primjer:

Prije elektrifikacije, prvo tijelo ima naboj od \(-2\) cu (cu je konvencionalna jedinica naelektrisanja). Tokom naelektrisanja, dobija još jedan \(4\) negativni naboj. Tada, nakon elektrifikacije, njegov naboj postaje jednak \(-2 + (-4) = -6\) c.u. Kao rezultat naelektrisanja, drugo tijelo daje \(4\) negativni naboj, a njegov naboj će biti jednak \(+4\) cu. Zbrajanjem naelektrisanja prvog i drugog tela na kraju eksperimenta dobijamo \(-6 + 4 = -2\) a.u. I imali su takav naboj prije eksperimenta.

Zakon održanja naelektrisanja je fundamentalni zakon prirode. Ustanovljen je na osnovu generalizacije eksperimentalnih podataka. Potvrdio 1843. engleski fizičar M. Faraday.

Formulacija zakona održanja električnog naboja

U svakom zatvorenom sistemu, algebarski zbir naelektrisanja je konstantna vrednost, bez obzira na to koji se procesi odvijaju u ovom sistemu.

gdje je N broj naboja.

Električni naboj je relativistički invarijantna veličina, što znači da je naboj nezavisan od referentnog okvira, odnosno veličina naboja ne ovisi o kretanju ili ostatku naboja.

Empirijski (eksperimenti R. Millikana) je dokazano da je električni naboj diskretna veličina. Naboj bilo kojeg tijela je cjelobrojni višekratnik naboja elektrona, koji se naziva elementarnog naboja. Naboj elektrona je

Elektrifikacija tijela

Tijela u prirodi mogu dobiti električni naboj. Proces sticanja električnog naboja naziva se elektrifikacija. Elektrifikacija se može provesti Različiti putevi: trenje, korištenje elektrostatičke indukcije, itd. Međutim, svaki proces tijela koje prima naboj je razdvajanje naboja. U tom slučaju jedno tijelo ili njegov dio prima višak pozitivnog naboja, dok drugo tijelo (njegov dio) ima višak negativnog naboja. Zbir naboja oba znaka koji tijela sadrže se ne mijenja, naboji samo doživljavaju preraspodjelu.

Kada se naelektrisani provodnik spoji na nenaelektrisani, naelektrisanje se preraspoređuje između oba tela. Pretpostavimo da jedno tijelo nosi negativan naboj; Elektroni naelektrisanog tela, pod uticajem sila međusobnog odbijanja, kreću se do nenaelektrisanog tela. U ovom slučaju, naelektrisanje prvog tijela se smanjuje, naboj drugog povećava, dok ne dođe do ravnoteže.

Ako se kombiniraju pozitivni i negativni naboji, oni se međusobno poništavaju. To znači da kombiniranjem negativnih i jednakih vrijednosti pozitivnih naboja, dobićemo nenabijeno tijelo.

Kada se tijela naelektriziraju trenjem, također dolazi do preraspodjele naelektrisanja. Glavni razlog za to je prijenos nekih elektrona pri bliskom kontaktu tijela s jednog tijela na drugo.

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Vježbajte	Dvije identične provodne kugle imaju naboj i. Jedna lopta je dodirnula drugu, a zatim je odnela na neku udaljenost. Koliki je bio naboj svake lopte nakon kontakta ()?
Rješenje	Osnova za rješavanje ovog naboja je zakon održanja naboja. Pretpostavićemo da je sistem dve razmatrane kuglice zatvoren. Prije kontakta, napunjenost sistema je jednaka: Pošto je sistem zatvoren, nakon kontakta ukupni naboj ove dvije kuglice neće se promijeniti i ostat će jednak. Prema uslovima zadatka, kuglice su identične, pa će se pri kontaktu naboj između tela podeliti podjednako na dva dela, dobijamo:
Odgovori

PRIMJER 2

Zakon održanja električnog naboja kaže da je algebarski zbir naboja električan zatvoreni sistem je sačuvan.

Zakon održanja naelektrisanja ispunjen je apsolutno tačno. Trenutno se njegovo porijeklo objašnjava kao posljedica principa invarijantnosti kalibra. Zahtjev relativističke invarijantnosti dovodi do činjenice da zakon održanja naboja ima lokalni karakter: promjena naboja u bilo kojoj unaprijed određenoj zapremini jednaka je protoku naboja preko njegove granice. U originalnoj formulaciji to bi bilo moguće sljedeći proces: naelektrisanje nestaje u jednoj tački u prostoru i trenutno se pojavljuje u drugoj. Međutim, takav proces bi bio relativistički neinvarijantan: zbog relativnosti simultanosti, u nekim referentnim okvirima bi se naboj pojavio na novom mjestu prije nego što bi nestao na prethodnom, au nekima bi se naboj pojavio na novom mjestu. neko vrijeme nakon nestanka u prethodnom. Odnosno, postojao bi period tokom kojeg se naknada ne zadržava. Zahtjev lokalnosti nam omogućava da zapišemo zakon održanja naboja u diferencijalnom i integralnom obliku.

Zakon održanja naboja i invarijantnost kalibra

Fizička teorija kaže da je svaki zakon održanja zasnovan na odgovarajućem fundamentalnom principu simetrije. Zakoni održanja energije, impulsa i ugaonog momenta povezani su sa svojstvima prostorno-vremenskih simetrija. Zakoni održanja električnih, barionskih i leptonskih naboja nisu povezani sa svojstvima prostor-vremena, već sa simetrijom fizički zakoni u vezi faznih transformacija u apstraktnom prostoru kvantnomehaničkih operatora i vektora stanja. Naelektrisana polja u kvantnoj teoriji polja su opisana kompleksnom talasnom funkcijom, gde je x koordinata prostor-vreme. Čestice sa suprotnih naboja odgovaraju funkcijama polja koje se razlikuju po predznaku faze, što se može smatrati ugaonom koordinatom u nekom fiktivnom dvodimenzionalnom „prostoru naboja“. Zakon održanja naboja je posljedica invarijantnosti Lagranžiana prema globalnoj kalibarskoj transformaciji tipa , gdje je Q naboj čestice opisane poljem, i proizvoljan realan broj koji je parametar i neovisan o prostoru- vremenske koordinate čestice. Takve transformacije ne mijenjaju modul funkcije, pa se nazivaju unitarne U(1).

Zakon održanja naelektrisanja u integralnom obliku

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

Ovdje je neko proizvoljno područje trodimenzionalni prostor, je granica ovog regiona, je gustina naelektrisanja, je gustina struje (gustina toka električnog naelektrisanja) preko granice.

Zakon održanja naelektrisanja u diferencijalnom obliku

Prelaskom na beskonačno mali volumen i korištenjem Stokesove teoreme po potrebi, možemo prepisati zakon održanja naboja u lokalnom diferencijalnom obliku (jednačina kontinuiteta)

Zakon održanja naelektrisanja u elektronici

Kirchhoffova pravila za struje slijede direktno iz zakona održanja naelektrisanja. Kombinacija provodnika i radioelektronskih komponenti predstavljena je kao otvoreni sistem. Ukupan priliv optužbi u ovaj sistem jednak je ukupnom izlazu naelektrisanja iz sistema. Kirchhoffova pravila pretpostavljaju da elektronski sistem ne može značajno promijeniti svoj ukupni naboj.

Eksperimentalna verifikacija

Najbolji eksperimentalni test zakona održanja električnog naboja je traženje raspada elementarnih čestica koji bi bio dozvoljen u slučaju nestrogog očuvanja naboja. Takvi raspadi nikada nisu uočeni. Najbolje eksperimentalno ograničenje za vjerovatnoću kršenja zakona održanja električnog naboja dolazi od potrage za fotonom s energijom. mec 2/2 ≈ 255 keV, koji nastaje hipotetičkim raspadom elektrona na neutrino i foton:

međutim, postoje teorijski argumenti da do takvog raspada jednog fotona ne može doći čak i ako naboj nije očuvan. Još jedan neobičan proces koji ne očuva naboj je spontana transformacija elektrona u pozitron i nestanak naboja (prelazak 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.