Beskriv essensen av loven om bevaring av elektrisk ladning. Loven om bevaring av ladning

Loven om bevaring av ladning

Ikke alle naturfenomener kan forstås og forklares ut fra mekanikkens begreper og lover, den molekylær-kinetiske teorien om materiens struktur og termodynamikk. Disse vitenskapene sier ikke noe om arten av kreftene som binder individuelle atomer og molekyler, holder stoffets atomer og molekyler i fast tilstand i en viss avstand fra hverandre. Lovene for samhandling mellom atomer og molekyler kan forstås og forklares ut fra ideen om at elektriske ladninger finnes i naturen.

Det enkleste og mest dagligdagse fenomenet, der det faktum at det eksisterer elektriske ladninger i naturen, er elektrisering av kropper ved kontakt. Samspillet mellom kropper som oppdages under elektrisering kalles elektromagnetisk interaksjon, og den fysiske størrelsen som bestemmer elektromagnetisk interaksjon kalles elektrisk ladning. Evnen til elektriske ladninger til å tiltrekke seg og frastøte indikerer tilstedeværelsen av to forskjellige typer ladninger: positive og negative.

Elektriske ladninger kan ikke bare oppstå som et resultat av elektrifisering når kropper kommer i kontakt, men også under andre interaksjoner, for eksempel under påvirkning av kraft (piezoelektrisk effekt). Men alltid i et lukket system, som ikke inkluderer ladninger, for enhver vekselvirkning mellom legemer, forblir den algebraiske (dvs. tatt i betraktning fortegnet) summen av elektriske ladninger for alle legemer konstant. Dette eksperimentelt etablerte faktum kalles loven om bevaring av elektrisk ladning.

Ingen steder og aldri i naturen oppstår og forsvinner elektriske ladninger av samme tegn. Utseendet til en positiv ladning er alltid ledsaget av utseendet til en negativ ladning lik absolutt verdi, men motsatt i fortegn. Verken positive eller negative ladninger kan forsvinne separat fra hverandre hvis de er like i absolutt verdi.

Utseendet og forsvinningen av elektriske ladninger på kropper er i de fleste tilfeller forklart av overgangene til elementært ladede partikler - elektroner - fra en kropp til en annen. Som du vet, inkluderer sammensetningen av ethvert atom en positivt ladet kjerne og negativt ladede elektroner. I et nøytralt atom er den totale ladningen til elektronene nøyaktig lik ladningen atomkjernen. Et legeme som består av nøytrale atomer og molekyler har en total elektrisk ladning lik null.

Hvis, som et resultat av en interaksjon, går en del av elektronene fra en kropp til en annen, mottar en kropp en negativ elektrisk ladning, og den andre - en positiv ladning lik absolutt verdi. Når to motsatt ladede kropper kommer i kontakt, forsvinner vanligvis ikke elektriske ladninger sporløst, og et overflødig antall elektroner går fra et negativt ladet legeme til et legeme der noen av atomene hadde et ufullstendig sett med elektroner på skallet.

Et spesielt tilfelle er møtet mellom elementært ladede antipartikler, for eksempel et elektron og et positron. I dette tilfellet forsvinner positive og negative elektriske ladninger virkelig, tilintetgjør, men i full overensstemmelse med loven om bevaring av elektrisk ladning, siden algebraisk sum ladningen til elektronet og positronet er null.

Når man elektrifiserer organer, loven om bevaring av elektrisk ladning. Denne loven gjelder for et lukket system. I et lukket system forblir den algebraiske summen av ladningene til alle partikler uendret . Hvis partikkelladningene er betegnet med q 1, q 2 osv., da

q 1 + q 2 + q 3 + … + q n= konst.

Den grunnleggende loven for elektrostatikk er Coulombs lov

Hvis avstanden mellom kroppene er mange ganger større enn deres størrelse, så påvirker verken formen eller størrelsen på de ladede kroppene vekselvirkningene mellom dem nevneverdig. I dette tilfellet kan disse organene betraktes som punktorganer.

Samhandlingskraften til ladede legemer avhenger av egenskapene til mediet mellom de ladede legene.

Samhandlingskraften til to punkts bevegelsesløse ladede legemer i vakuum er direkte proporsjonal med produktet av ladningsmodulene og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem. Denne kraften kalles Coulomb-kraften.

|q 1 | og | q 2 | - moduler av avgifter for organer,

r- avstanden mellom dem,

k- proporsjonalitetskoeffisient.

F- interaksjonskraft

Samhandlingskreftene til to ubevegelige punktladede legemer er rettet langs den rette linjen som forbinder disse legene.

Enhet for elektrisk ladning

Enheten for strøm er ampere.

Ett anheng(1 Cl) - dette er ladningen som passerer på 1 s gjennom tverrsnittet til lederen ved en strømstyrke på 1 A

g [Coulomb=Cl]

e=1,610 -19 C

- elektrisk konstant

NÆR- OG AVSTANDSHANDLING

Antakelsen om at samspillet mellom kropper fjernt fra hverandre alltid utføres ved hjelp av mellomledd (eller medium) som overfører interaksjonen fra punkt til punkt, er essensen av teorien om kortdistansehandling. Fordeling med slutthastighet.

Teori om direkte handling på avstand rett over tomrommet. I følge denne teorien overføres handlingen øyeblikkelig over vilkårlige lange avstander.

Begge teoriene er gjensidig i motsetning til hverandre. I følge teorier om handling på avstand en kropp virker på en annen direkte gjennom tomrommet, og denne handlingen overføres umiddelbart.

Kort rekkevidde teori sier at enhver interaksjon utføres ved hjelp av mellomliggende midler og forplanter seg med en begrenset hastighet.

Eksistensen av en viss prosess i rommet mellom samvirkende kropper, som varer en begrenset tid, er det viktigste som skiller teorien kortdistansehandling fra handlingsteorien på avstand.

Ifølge Faradays idé elektriske ladninger virker ikke direkte på hverandre. Hver av dem skaper et elektrisk felt i det omkringliggende rommet. Feltet til en ladning virker på en annen ladning, og omvendt. Når du beveger deg bort fra ladningen, svekkes feltet.

Elektromagnetiske interaksjoner må forplante seg i rommet med en begrenset hastighet.

Det elektriske feltet eksisterer i virkeligheten, dets egenskaper kan studeres empirisk, men vi kan ikke si hva dette feltet består av.

Om det elektriske feltets natur kan vi si at feltet er materiell; det er substantiv. uavhengig av oss, fra vår kunnskap om det;

Feltet har visse egenskaper som ikke lar det forveksles med noe annet i verden rundt;

Hovedegenskapen til et elektrisk felt er dets virkning på elektriske ladninger med en viss kraft;

Det elektriske feltet til stasjonære ladninger kalles elektrostatisk. Det endrer seg ikke med tiden. Et elektrostatisk felt skapes kun av elektriske ladninger. Det eksisterer i rommet rundt disse ladningene og er uløselig knyttet til det.

Elektrisk feltstyrke.

Forholdet mellom kraften som virker på en ladning plassert ved et gitt punkt i feltet og denne ladningen for hvert punkt i feltet avhenger ikke av ladningen og kan betraktes som en karakteristikk av feltet.

Feltstyrken er lik forholdet mellom kraften som feltet virker på en punktladning med til denne ladningen.

Feltstyrken til en punktladning.

.

Feltstyrkemodulen til en punktladning q o på avstand r fra det er lik:

.

Hvis forskjellige ladede partikler på et gitt punkt i rommet skaper elektriske felt, hvis styrke osv., så er den resulterende feltstyrken på dette punktet:

STRØMLINJER TIL DEN ELEKTRISKE POL.

FELTSTYRKE PÅ DEN LADEDE KULEN

Et elektrisk felt hvis intensitet er den samme på alle punkter i rommet kalles homogen.

Tettheten av feltlinjer er større nær ladede legemer, hvor feltstyrken også er større.

- feltstyrken til en punktladning.

Inne i den ledende ballen (r > R) er feltstyrken null.

LEDERE PÅ ELEKTRISK FELT.

Ledere inneholder ladede partikler som kan bevege seg inne i lederen under påvirkning av et elektrisk felt. Ladningene til disse partiklene kalles gratis kostnader.

Det er ikke noe elektrostatisk felt inne i lederen. Hele den statiske ladningen til en leder er konsentrert på overflaten. Ladninger i en leder kan bare plasseres på overflaten.

La oss ta to identiske elektrometre og lade ett av dem (fig. 1). Ladningen tilsvarer \(6\) inndelinger av skalaen.

Hvis du kobler disse elektrometrene med en glassstang, vil ingen endring skje. Dette bekrefter det faktum at glass er et dielektrikum. Hvis imidlertid for å koble til elektrometre bruk Metallstang A (fig. 2), mens du holder den i det ikke-ledende håndtaket B, kan du se at den opprinnelige ladningen er delt i to like deler: halvparten av ladningen vil overføres fra den første ballen til den andre. Nå tilsvarer ladningen til hvert elektrometer \(3\) inndelinger av skalaen. Dermed har den opprinnelige ladningen ikke endret seg, den har bare delt seg i to deler.

Hvis ladningen overføres fra et ladet legeme til et uladet legeme av samme størrelse, blir ladningen delt i to mellom disse to legene. Men hvis den andre, uladede kroppen er større enn den første, da mer enn en halv lade. Jo større kropp ladningen overføres til, jo større del av ladningen vil overføres til den.

Men totale mengden avgiften vil ikke endres. Dermed kan det hevdes at ladningen er bevart. De. loven om bevaring av elektrisk ladning er oppfylt.

I et lukket system forblir den algebraiske summen av ladningene til alle partikler uendret:

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

hvor q 1, q 2 osv. er partikkelladningene.

Et lukket system regnes som et system som ikke inkluderer avgifter fra utsiden, og heller ikke går ut av det.

Det er eksperimentelt fastslått at når kropper blir elektrifisert, er loven om bevaring av elektrisk ladning også oppfylt. Vi vet allerede at elektrisering er prosessen med å skaffe elektrisk ladede kropper fra elektrisk nøytrale. I dette tilfellet er begge instanser siktet. For eksempel, når en glassstang gnis med en silkeduk, får glasset en positiv ladning, mens silken blir negativt ladet. I begynnelsen av forsøket var ingen av likene siktet. På slutten av eksperimentet blir begge likene belastet. Det er eksperimentelt fastslått at disse ladningene er motsatte i fortegn, men identiske i numerisk verdi, dvs. summen deres er null. Hvis kroppen er negativt ladet og når den er elektrifisert, får den fortsatt en negativ ladning, øker ladningen til kroppen. Men den totale ladningen til disse to organene endres ikke.

Eksempel:

Før elektrifisering har det første legemet en ladning \(-2\) c.u. (c.u. er en konvensjonell ladningsenhet). I løpet av elektrifiseringen får den en annen \(4\) negativ ladning. Deretter, etter elektrifisering, blir ladningen lik \(-2 + (-4) \u003d -6\) c.u. Det andre legemet, som et resultat av elektrifisering, avgir \(4\) negative ladninger, og ladningen vil være lik \(+4\) c.u. Oppsummerer ladningen til den første og andre kroppen på slutten av eksperimentet, får vi \(-6 + 4 = -2\) c.u. Og de hadde en slik ladning før eksperimentet.

Loven om bevaring av ladning er en grunnleggende naturlov. Det ble etablert på grunnlag av generalisering av eksperimentelle data. Bekreftet i 1843 av den engelske fysikeren M. Faraday.

Formulering av loven om bevaring av elektrisk ladning

I ethvert lukket system er den algebraiske summen av ladninger en konstant verdi, uavhengig av hvilke prosesser som skjer i dette systemet.

hvor N er antall ladninger.

Elektrisk ladning er en relativistisk invariant størrelse, som betyr at ladningen er uavhengig av referanserammen, det vil si at størrelsen på ladningen ikke avhenger av ladningens bevegelse eller hvile.

Empirisk (eksperimentene til R. Milliken) ble det bevist at den elektriske ladningen er en diskret størrelse. Ladningen til ethvert legeme er et multiplum av elektronladningen, som kalles den elementære ladningen. Ladningen til et elektron er

Elektrifisering av karosserier

Kroppene i naturen kan få en elektrisk ladning. Prosessen med å skaffe en elektrisk ladning kalles elektrifisering. Elektrifisering kan gjennomføres forskjellige måter: friksjon, ved bruk av elektrostatisk induksjon, etc. Enhver prosess for å oppnå en ladning på en kropp er imidlertid en separasjon av ladninger. I dette tilfellet mottar en kropp eller en del av den en overflødig positiv ladning, mens den andre kroppen (dens del) har en overflødig negativ ladning. Summen av ladningen til begge skiltene, som kroppene inneholder, endres ikke, ladningene opplever kun en omfordeling.

Når en ladet leder kobles til en uladet, omfordeles ladningen mellom begge legemer. Anta at ett legeme har en negativ ladning, det er koblet til et uladet legeme. Elektronene til et ladet legeme under påvirkning av gjensidige frastøtende krefter går over til et uladet legeme. I dette tilfellet avtar ladningen til det første legemet, ladningen til det andre øker, inntil likevekt er nådd.

Hvis positive og negative ladninger er koblet sammen, kansellerer de hverandre. Dette betyr at ved å kombinere like negative og positive ladninger, får vi en uladet kropp.

Ved elektrifisering av kropper, ved bruk av friksjon, skjer også omfordeling av ladninger. Hovedårsaken til dette er overføringen av en del av elektronene under nærkontakt av kropper fra en kropp til en annen.

Eksempler på problemløsning

EKSEMPEL 1

Trening	To like ledende kuler har ladninger og . Den ene ballen berørte en annen, etter det knuste de den til en viss avstand. Hva var ladningen for hver ball etter kontakt ()?
Beslutning	Grunnlaget for å løse denne ladningen er loven om bevaring av ladning. Vi antar at systemet med to betraktede kuler er lukket. Før kontakt er belastningen av systemet: Siden systemet er lukket, etter kontakt, vil den totale ladningen til disse to kulene ikke endre seg, den vil forbli lik. I henhold til tilstanden til problemet er ballene de samme, derfor ved kontakt blir ladningen mellom kroppene delt likt i to deler, vi får:
Svar

EKSEMPEL 2

Loven om bevaring av elektrisk ladning sier at den algebraiske summen av ladningene til et elektrisk lukket system er bevart.

Loven om bevaring av ladning er helt sann. For øyeblikket er opprinnelsen forklart som en konsekvens av prinsippet om måleinvarians. Kravet om relativistisk invarians fører til at loven om bevaring av ladning har lokale karakter: endringen i ladning i et hvilket som helst forhåndsbestemt volum er lik ladningsstrømmen gjennom grensen. I den opprinnelige formuleringen ville det være mulig neste prosess: ladningen forsvinner på ett punkt i rommet og oppstår øyeblikkelig på et annet. Imidlertid vil en slik prosess være relativistisk ikke-invariant: på grunn av relativiteten til samtidighet, i noen referanserammer, ville ladningen dukke opp på et nytt sted før den forsvant i den forrige, og i noen ville ladningen dukke opp i et nytt sted en tid etter å ha forsvunnet i det forrige. Det vil si at det vil være en lang tid hvor ladningen ikke er bevart. Kravet om lokalitet tillater oss å skrive ned loven om bevaring av ladning i differensiell og integral form.

Loven om bevaring av ladning og måleinvarians

Fysisk teori sier at enhver fredningslov er basert på et tilsvarende grunnleggende symmetriprinsipp. Lovene for bevaring av energi, momentum og vinkelmomentum er assosiert med egenskapene til rom-tidssymmetrier. Lovene for bevaring av elektriske, baryon- og leptonladninger er ikke relatert til egenskapene til rom-tid, men til symmetri fysiske lover angående fasetransformasjoner i det abstrakte rommet til kvantemekaniske operatører og tilstandsvektorer. Ladede felt i kvantefeltteori er beskrevet av en kompleks bølgefunksjon, der x er rom-tid-koordinaten. Partikler med motsatt ladning tilsvarer feltfunksjoner som er forskjellige i fasens tegn, som kan betraktes som en vinkelkoordinat i et fiktivt todimensjonalt "ladningsrom". Loven om bevaring av ladning er en konsekvens av invariansen til Lagrangian med hensyn til den globale gauge-transformasjonen av typen , der Q er ladningen til partikkelen beskrevet av feltet , og er et vilkårlig reelt tall, som er en parameter og er ikke avhengig av de spatiotemporale koordinatene til partikkelen. Slike transformasjoner endrer ikke modulen til funksjonen, så de kalles enhetlig U(1).

Loven om bevaring av ladning i integrert form

Husk at den elektriske ladningsflukstettheten ganske enkelt er strømtettheten. Det faktum at ladningsendringen i volumet er lik den totale strømmen gjennom overflaten kan skrives i matematisk form:

Her er en vilkårlig region i tredimensjonalt rom, - grense for dette området, - ladningstetthet, - strømtetthet (strømtetthet av elektrisk ladning) gjennom grensen.

Loven om bevaring av ladning i differensiell form

Ved å gå over til et uendelig volum og bruke Stokes-teoremet etter behov, kan vi omskrive loven om bevaring av ladning i en lokal differensialform (kontinuitetsligning)

Loven om bevaring av ladning i elektronikk

Kirchhoffs regler for strømninger følger direkte av loven om bevaring av ladning. Kombinasjonen av ledere og radioelektroniske komponenter er representert som et åpent system. Den totale tilstrømningen av avgifter i dette systemet er lik den totale produksjonen av ladninger fra systemet. Kirchhoffs regler forutsetter at et elektronisk system ikke kan endre den totale kostnaden vesentlig.

Eksperimentell verifisering

Den beste eksperimentelle bekreftelsen av loven om bevaring av elektrisk ladning er søket etter slike forfall elementærpartikler, som ville være tillatt i tilfelle av ikke-streng bevaring av avgift. Slike forfall har aldri blitt observert. Den beste eksperimentelle grensen for sannsynligheten for brudd på loven om bevaring av elektrisk ladning kommer fra søk etter et foton med energi mec 2/2 ≈ 255 keV, som oppstår i det hypotetiske forfallet av et elektron til et nøytrino og et foton:

det er imidlertid teoretiske argumenter for at slik enkeltfoton-nedbrytning ikke kan forekomme selv om ladning ikke er bevart. En annen uvanlig prosess som ikke bevarer ladning, er den spontane transformasjonen av et elektron til et positron og forsvinningen av ladningen (overgang til ekstra dimensjoner, tunneling fra branen, etc.). De beste eksperimentelle restriksjonene på forsvinningen av et elektron sammen med en elektrisk ladning og på beta-nedfallet til et nøytron uten elektronemisjon.