Aprakstiet elektriskā lādiņa nezūdamības likuma būtību. Lādiņa nezūdamības likums

Lādiņa nezūdamības likums

Ne visas dabas parādības var saprast un izskaidrot, izmantojot mehānikas jēdzienus un likumus, vielas struktūras molekulāri-kinētisko teoriju un termodinamiku. Šīs zinātnes neko nesaka par to spēku būtību, kas saista atsevišķus atomus un molekulas un notur vielas atomus un molekulas cietā stāvoklī noteiktā attālumā vienu no otras. Atomu un molekulu mijiedarbības likumus var saprast un izskaidrot, pamatojoties uz domu, ka dabā pastāv elektriskie lādiņi.

Vienkāršākā un ikdienišķākā parādība, kurā atklājas elektrisko lādiņu esamības fakts dabā, ir ķermeņu elektrifikācija saskarē. Elektrifikācijas laikā atklāto ķermeņu mijiedarbību sauc par elektromagnētisko mijiedarbību, un fiziskais daudzums, kas nosaka elektromagnētisko mijiedarbību, ir elektriskais lādiņš. Elektrisko lādiņu spēja piesaistīt un atvairīt norāda uz divu klātbūtni dažādi veidi lādiņi: pozitīvi un negatīvi.

Elektriskie lādiņi var parādīties ne tikai elektrifikācijas rezultātā ķermeņiem saskaroties, bet arī citas mijiedarbības laikā, piemēram, spēka ietekmē (pjezoelektriskais efekts). Bet vienmēr slēgtā sistēmā, kas neietver lādiņus, jebkurai ķermeņu mijiedarbībai visu ķermeņu elektrisko lādiņu algebriskā (t.i., ņemot vērā zīmi) summa paliek nemainīga. Šo eksperimentāli noteikto faktu sauc par elektriskā lādiņa nezūdamības likumu.

Nekur un nekad dabā tādas pašas zīmes elektriskie lādiņi nerodas un nepazūd. Pozitīva lādiņa parādīšanos vienmēr pavada negatīva lādiņa parādīšanās, kas ir vienāda absolūtā vērtībā, bet pretēja pēc zīmes. Ne pozitīvie, ne negatīvie lādiņi nevar pazust atsevišķi viens no otra, ja tie ir vienādi pēc absolūtās vērtības.

Elektrisko lādiņu parādīšanās un izzušana uz ķermeņiem vairumā gadījumu ir izskaidrojama ar lādētu elementārdaļiņu - elektronu - pārejām no viena ķermeņa uz otru. Kā zināms, jebkurš atoms satur pozitīvi lādētu kodolu un negatīvi lādētus elektronus. Neitrālā atomā kopējais elektronu lādiņš ir tieši vienāds ar lādiņu atoma kodols. Ķermenim, kas sastāv no neitrāliem atomiem un molekulām, kopējais elektriskais lādiņš ir nulle.

Ja kādas mijiedarbības rezultātā daļa elektronu pāriet no viena ķermeņa uz otru, tad viens ķermenis saņem negatīvu elektrisko lādiņu, bet otrs saņem vienāda lieluma pozitīvu lādiņu. Kad saskaras divi atšķirīgi lādēti ķermeņi, parasti elektriskie lādiņi nepazūd bez pēdām, un liekais elektronu skaits pāriet no negatīvi lādēta ķermeņa uz ķermeni, kurā dažiem atomiem nebija pilns elektronu komplekts. to čaumalas.

Īpašs gadījums ir elementāru lādētu antidaļiņu, piemēram, elektrona un pozitrona, satikšanās. Šajā gadījumā pozitīvie un negatīvie elektriskie lādiņi faktiski pazūd, iznīcina, bet pilnībā saskaņā ar elektriskā lādiņa nezūdamības likumu, jo algebriskā summa elektronu un pozitronu lādiņi ir nulle.

Kad ķermeņi ir elektrificēti, elektriskā lādiņa nezūdamības likums. Šis likums ir spēkā slēgtai sistēmai. Slēgtā sistēmā visu daļiņu lādiņu algebriskā summa paliek nemainīga . Ja daļiņu lādiņus apzīmē ar q 1, q 2 utt., tad

q 1 +q 2 +q 3 + … + q n= konst.

Elektrostatikas pamatlikums ir Kulona likums

Ja attālums starp ķermeņiem ir daudzkārt lielāks par to izmēriem, tad ne lādēto ķermeņu forma, ne izmēri būtiski neietekmē to savstarpējo mijiedarbību. Šajā gadījumā šos ķermeņus var uzskatīt par punktveida ķermeņiem.

Mijiedarbības stiprums starp uzlādētiem ķermeņiem ir atkarīgs no barotnes īpašībām starp uzlādētiem ķermeņiem.

Mijiedarbības spēks starp diviem stacionāriem lādētiem ķermeņiem vakuumā ir tieši proporcionāls uzlādes moduļu reizinājumam un apgriezti proporcionāls attāluma kvadrātam starp tiem.Šo spēku sauc par Kulona spēku.

|q 1 | un | q 2 | - ķermeņa lādiņu moduļi,

r- attālums starp tiem,

k– proporcionalitātes koeficients.

F- mijiedarbības spēks

Divu stacionāru punktveida lādētu ķermeņu mijiedarbības spēki ir vērsti pa taisnu līniju, kas savieno šos ķermeņus.

Elektriskā lādiņa mērvienība

Strāvas mērvienība ir ampēri.

Viens kulons(1 Cl) - tas ir lādiņš, kas 1 s iet caur vadītāja šķērsgriezumu ar strāvu 1 A

g [kulons = Cl]

e=1,610 -19 C

- elektriskā konstante

AIZVĒRTIES UN DARBĪBA ATTĀLĀ

Pieņēmums, ka mijiedarbība starp ķermeņiem, kas atrodas tālu viens no otra, vienmēr tiek veikta ar starpposmu (vai mediju) palīdzību, kas pārraida mijiedarbību no punkta uz punktu, ir maza attāluma darbības teorijas būtība. Izplatīšana ierobežotā ātrumā.

Tiešās darbības teorija attālumā tieši caur tukšumu. Saskaņā ar šo teoriju darbība tiek nekavējoties pārraidīta patvaļīgi lielos attālumos.

Abas teorijas ir savstarpēji pretējas viena otrai. Saskaņā ar darbības teorijas no attāluma viens ķermenis iedarbojas uz otru tieši caur tukšumu, un šī darbība tiek pārraidīta uzreiz.

Tuva darbības rādiusa teorija norāda, ka jebkura mijiedarbība tiek veikta ar starpproduktu palīdzību un izplatās ar ierobežotu ātrumu.

Noteikta procesa esamība telpā starp mijiedarbīgiem ķermeņiem, kas ilgst ierobežotu laiku - tas ir galvenais, kas atšķir teoriju maza attāluma darbība no darbības teorijas attālumā.

Pēc Faradeja idejas Elektriskie lādiņi viens uz otru tieši neiedarbojas. Katrs no tiem rada elektrisko lauku apkārtējā telpā. Viena lādiņa lauks iedarbojas uz citu lādiņu un otrādi. Atkāpjoties no lādiņa, lauks vājinās.

Elektromagnētiskajai mijiedarbībai ir jāizplatās telpā ar ierobežotu ātrumu.

Elektriskais lauks patiešām pastāv, tā īpašības var pētīt eksperimentāli, bet mēs nevaram pateikt, no kā šis lauks sastāv.

Par elektriskā lauka būtību varam teikt, ka lauks ir materiāls; tas ir lietvārds neatkarīgi no mums, no mūsu zināšanām par viņu;

Laukam piemīt noteiktas īpašības, kas neļauj to sajaukt ne ar ko citu apkārtējā pasaulē;

Elektriskā lauka galvenā īpašība ir tā ietekme uz elektriskajiem lādiņiem ar zināmu spēku;

Stacionāro lādiņu elektrisko lauku sauc elektrostatiskais. Laika gaitā tas nemainās. Elektrostatisko lauku rada tikai elektriskie lādiņi. Tas pastāv telpā, kas apņem šos lādiņus, un ir ar to nesaraujami saistīts.

Elektriskā lauka stiprums.

Spēka attiecība, kas iedarbojas uz ievietoto šis punkts lauka lādiņš, šis lādiņš katram lauka punktam nav atkarīgs no lādiņa un to var uzskatīt par lauka īpašību.

Lauka stiprums ir vienāds ar spēka attiecību, ar kādu lauks iedarbojas uz punktveida lādiņu, pret šo lādiņu.

Punkta lādiņa lauka stiprums.

.

Punkta lādiņa lauka stipruma modulis q o attālumā r tas ir vienāds ar:

.

Ja noteiktā telpas punktā dažādas lādētas daļiņas rada elektriskos laukus, kuru stiprumi utt., tad iegūtais lauka stiprums šajā brīdī ir:

ELEKTRISKĀS GRĪDAS BAROŠANAS LĪNIJAS.

UZLĀDĒTAS BUMDES LAUKA SPĒKS

Tiek saukts elektriskais lauks, kura stiprums visos telpas punktos ir vienāds viendabīgs.

Lauka līniju blīvums ir lielāks lādētu ķermeņu tuvumā, kur arī lauka stiprums ir lielāks.

-punktveida lādiņa lauka stiprums.

Vadošās lodītes iekšpusē (r > R) lauka stiprums ir nulle.

VADĪTĀJI ELEKTRISKĀ LAUKĀ.

Vadītāji satur lādētas daļiņas, kuras elektriskā lauka ietekmē var pārvietoties vadītāja iekšpusē. Šo daļiņu lādiņus sauc bezmaksas maksas.

Vadītāja iekšpusē nav elektrostatiskā lauka. Viss vadītāja statiskais lādiņš ir koncentrēts uz tā virsmas. Vadītāja lādiņi var atrasties tikai uz tā virsmas.

Ņemsim divus vienādus elektrometrus un uzlādēsim vienu no tiem (1. att.). Tā lādiņš atbilst \(6\) skalas dalījumiem.

Ja šos elektrometrus savienosit ar stikla stieni, nekādas izmaiņas nenotiks. Tas apstiprina faktu, ka stikls ir dielektrisks. Ja jūs izmantojat, lai savienotu elektrometrus metāla stienis A (2. att.), turot to aiz nevadošā roktura B, var pamanīt, ka sākotnējais lādiņš tiks sadalīts divās vienādās daļās: puse no lādiņa pāries no pirmās lodes uz otro. Tagad katra elektrometra lādiņš atbilst \(3\) skalas dalījumiem. Tādējādi sākotnējais lādiņš nemainījās, tas tikai sadalījās divās daļās.

Ja lādiņš tiek pārnests no uzlādēta ķermeņa uz tāda paša izmēra neuzlādētu ķermeni, tad lādiņš tiks sadalīts uz pusēm starp šiem diviem ķermeņiem. Bet, ja otrais, neuzlādētais ķermenis ir lielāks par pirmo, tad tas pāries uz otro vairāk nekā puse maksas. Jo lielāks ķermenis, uz kuru tiek pārnests lādiņš, jo lielāka lādiņa daļa tiks pārnesta uz to.

Bet kopējā summa maksa nemainīsies. Tādējādi var apgalvot, ka maksa ir saglabājusies. Tie. elektriskā lādiņa nezūdamības likums ir izpildīts.

Slēgtā sistēmā visu daļiņu lādiņu algebriskā summa paliek nemainīga:

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

kur q 1, q 2 utt. - daļiņu lādiņi.

Par slēgtu sistēmu tiek uzskatīta sistēma, kurā lādiņi neietilpst no ārpuses, kā arī neatstāj to ārpusē.

Eksperimentāli ir noskaidrots, ka, elektrificējot ķermeņus, tiek izpildīts arī elektriskā lādiņa nezūdamības likums. Mēs jau zinām, ka elektrifikācija ir elektriski lādētu ķermeņu iegūšana no elektriski neitrāliem ķermeņiem. Šajā gadījumā tiek uzlādēti abi ķermeņi. Piemēram, kad stikla stienīti berzē ar zīda audumu, stikls kļūst pozitīvi uzlādēts, bet zīds – negatīvi. Eksperimenta sākumā neviens no līķiem nebija uzlādēts. Eksperimenta beigās abi ķermeņi tiek uzlādēti. Eksperimentāli noskaidrots, ka šie lādiņi pēc zīmes ir pretējas, bet pēc skaitliskās vērtības identiski, t.i. to summa ir nulle. Ja ķermenis ir negatīvi uzlādēts un elektrifikācijas laikā tas tomēr iegūst negatīvu lādiņu, tad ķermeņa lādiņš palielinās. Bet kopējais šo divu ķermeņu lādiņš nemainās.

Piemērs:

Pirms elektrifikācijas pirmā ķermeņa lādiņš ir \(-2\) cu (cu ir parasta lādiņa vienība). Elektrifikācijas laikā tas iegūst vēl vienu \(4\) negatīvu lādiņu. Tad pēc elektrifikācijas tā lādiņš kļūst vienāds ar \(-2 + (-4) = -6\) c.u. Elektrifikācijas rezultātā otrais ķermenis izdala \(4\) negatīvu lādiņu, un tā lādiņš būs vienāds ar \(+4\) cu. Eksperimenta beigās summējot pirmā un otrā ķermeņa lādiņu, iegūstam \(-6 + 4 = -2\) a.u. Un viņiem bija tāda lādiņa pirms eksperimenta.

Lādiņa nezūdamības likums ir dabas pamatlikums. Tas tika izveidots, pamatojoties uz eksperimentālo datu vispārinājumu. 1843. gadā apstiprināja angļu fiziķis M. Faradejs.

Elektriskā lādiņa nezūdamības likuma formulēšana

Jebkurā slēgtā sistēmā lādiņu algebriskā summa ir nemainīga vērtība neatkarīgi no tā, kādi procesi notiek šajā sistēmā.

kur N ir lādiņu skaits.

Elektriskais lādiņš ir relativistiski nemainīgs lielums, kas nozīmē, ka lādiņš ir neatkarīgs no atskaites rāmja, tas ir, lādiņa lielums nav atkarīgs no lādiņa kustības vai atpūtas.

Empīriski (R. Millikana eksperimenti) tika pierādīts, ka elektriskais lādiņš ir diskrēts lielums. Jebkura ķermeņa lādiņš ir elektrona lādiņa vesels skaitlis, ko sauc elementārais lādiņš. Elektrona lādiņš ir

Virsbūvju elektrifikācija

Ķermeņi dabā var iegūt elektrisko lādiņu. Elektriskā lādiņa iegūšanas procesu sauc par elektrifikāciju. Var īstenot elektrifikāciju dažādos veidos: berze, izmantojot elektrostatisko indukciju utt. Tomēr jebkurš process, kurā ķermenis saņem lādiņu, ir lādiņu atdalīšana. Šajā gadījumā viens ķermenis vai tā daļa saņem pārmērīgu pozitīvo lādiņu, bet otram ķermenim (tā daļai) ir pārmērīgs negatīvs lādiņš. Abu pazīmju lādiņu summa, ko satur ķermeņi, nemainās tikai pārdali.

Kad uzlādēts vadītājs ir savienots ar neuzlādētu, lādiņš tiek pārdalīts starp abiem korpusiem. Pieņemsim, ka vienam ķermenim ir negatīvs lādiņš, tas ir savienots ar neuzlādētu ķermeni. Uzlādēta ķermeņa elektroni savstarpējo atgrūšanas spēku ietekmē pāriet uz neuzlādētu ķermeni. Šajā gadījumā pirmā ķermeņa lādiņš samazinās, otrā - palielinās, līdz iestājas līdzsvars.

Ja ir savienoti pozitīvie un negatīvie lādiņi, tie viens otru izslēdz. Tas nozīmē, ka, apvienojot negatīvās un vienādas vērtības pozitīvi lādiņi, mēs iegūsim neuzlādētu ķermeni.

Kad ķermeņi tiek elektrificēti, izmantojot berzi, notiek arī lādiņu pārdale. Galvenais iemesls tam ir dažu elektronu pārnešana ciešā ķermeņu kontakta laikā no viena ķermeņa uz otru.

Problēmu risināšanas piemēri

1. PIEMĒRS

Vingrinājums	Divām identiskām vadošām bumbiņām ir lādiņi un. Viena bumbiņa pieskārās otrai, pēc kā tā tika aiznesta kādu gabalu prom. Kāds bija katras bumbas lādiņš pēc kontakta ()?
Risinājums	Šī lādiņa risināšanas pamatā ir lādiņa nezūdamības likums. Mēs pieņemsim, ka divu aplūkojamo bumbiņu sistēma ir slēgta. Pirms kontakta sistēmas uzlāde ir vienāda ar: Tā kā sistēma ir slēgta, pēc saskares šo divu bumbiņu kopējais lādiņš nemainīsies un paliks vienāds. Atbilstoši problēmas apstākļiem bumbiņas ir identiskas, tāpēc, saskaroties, lādiņš starp ķermeņiem tiks sadalīts vienādi divās daļās, iegūstam:
Atbilde

2. PIEMĒRS

Elektriskā lādiņa nezūdamības likums norāda, ka algebriskā lādiņu summa ir elektriska slēgta sistēma ir saglabāts.

Lādiņa nezūdamības likums ir izpildīts absolūti precīzi. Šobrīd tā izcelsme tiek skaidrota kā gabarīta nemainīguma principa sekas. Relativistiskās nemainības prasība noved pie tā, ka lādiņu saglabāšanas likums ir vietējā raksturs: lādiņa izmaiņas jebkurā iepriekš noteiktā tilpumā ir vienādas ar lādiņa plūsmu pāri tā robežai. Sākotnējā formulējumā tas būtu iespējams nākamais process: lādiņš pazūd vienā telpas punktā un uzreiz parādās citā. Tomēr šāds process būtu relatīvi neinvariants: vienlaicības relativitātes dēļ dažos atskaites rāmjos lādiņš parādītos jaunā vietā, pirms pazustu iepriekšējā, un dažos lādiņš parādītos jaunā vietā. kādu laiku pēc pazušanas iepriekšējā. Tas ir, būtu laika posms, kurā maksa netiek saglabāta. Vietas prasība ļauj mums pierakstīt lādiņu saglabāšanas likumu diferenciālā un integrālā formā.

Lādiņu saglabāšanas likums un mērinstrumentu nemainība

Fizikālā teorija apgalvo, ka katrs saglabāšanas likums ir balstīts uz atbilstošu simetrijas pamatprincipu. Enerģijas, impulsa un leņķiskā impulsa nezūdamības likumi ir saistīti ar telpas un laika simetrijas īpašībām. Elektrisko, barionu un leptonu lādiņu saglabāšanas likumi ir saistīti nevis ar laika telpas īpašībām, bet gan ar simetriju. fiziskie likumi par fāzu transformācijām kvantu mehānisko operatoru un stāvokļu vektoru abstraktajā telpā. Uzlādētos laukus kvantu lauka teorijā apraksta ar sarežģītu viļņu funkciju, kur x ir telpas-laika koordināte. Daļiņas ar pretēji lādiņi atbilst lauka funkcijām, kas atšķiras ar fāzes zīmi, ko var uzskatīt par leņķisko koordinātu kādā fiktīvā divdimensiju “lādiņa telpā”. Lādiņa saglabāšanas likums ir Lagranža invariances sekas globālā tipa transformācijā, kur Q ir lauka aprakstītās daļiņas lādiņš un ir patvaļīgs reāls skaitlis, kas ir parametrs un nav atkarīgs no telpas. daļiņas laika koordinātas. Šādas transformācijas nemaina funkcijas moduli, tāpēc tās sauc par unitāru U(1).

Lādiņa nezūdamības likums integrālā formā

Atcerieties, ka elektriskā lādiņa plūsmas blīvums ir vienkārši strāvas blīvums. Faktu, ka lādiņa izmaiņas tilpumā ir vienādas ar kopējo strāvu caur virsmu, var uzrakstīt matemātiskā formā:

Šeit ir kāda patvaļīga zona trīsdimensiju telpa, ir šī reģiona robeža, ir lādiņa blīvums, ir strāvas blīvums (elektriskā lādiņa plūsmas blīvums) pāri robežai.

Lādiņa nezūdamības likums diferenciālā formā

Pārejot uz bezgalīgi mazu tilpumu un pēc vajadzības izmantojot Stoksa teorēmu, mēs varam pārrakstīt lādiņa saglabāšanas likumu lokālā diferenciālā formā (nepārtrauktības vienādojums)

Lādiņa nezūdamības likums elektronikā

Kirhhofa noteikumi attiecībā uz straumēm izriet tieši no lādiņu saglabāšanas likuma. Vadītāju un radioelektronisko komponentu kombinācija tiek prezentēta kā atvērta sistēma. Kopējais maksas pieplūdums šī sistēma ir vienāds ar kopējo lādiņu izvadi no sistēmas. Kirchhoff noteikumi paredz, ka elektroniskā sistēma nevar būtiski mainīt savu neto maksu.

Eksperimentāla pārbaude

Labākais elektriskā lādiņa nezūdamības likuma eksperimentālais tests ir elementārdaļiņu sabrukšanas meklēšana, kas būtu pieļaujama nestingras lādiņa saglabāšanas gadījumā. Šādas sabrukšanas nekad nav novērotas Vislabākais eksperimentālais ierobežojums elektriskā lādiņa nezūdamības likuma pārkāpšanai rodas, meklējot fotonu ar enerģiju. mec 2/2 ≈ 255 keV, kas rodas hipotētiskā elektrona sabrukšanas laikā par neitrīno un fotonu:

tomēr ir teorētiski argumenti, ka šāda viena fotona sabrukšana nevar notikt pat tad, ja lādiņš netiek saglabāts. Vēl viens neparasts lādiņu nesaglabājošs process ir elektrona spontāna pārvēršanās pozitronā un lādiņa izzušana (pāreja uz papildu dimensijām, tunelēšana no branas utt.). Labākie eksperimentālie ierobežojumi elektrona pazušanai kopā ar elektrisko lādiņu un neitrona beta sabrukšanu bez elektronu emisijas.