В чем заключается закон сохранения заряда

Содержание

В чем заключается закон сохранения заряда – электро помощь

В чем заключается закон сохранения заряда

Электрический заряд – это способность тел быть источником электромагнитных полей. Так выглядит энциклопедическое определение важной электротехнической величины. Основными законами, связанными с ним, являются Закон Кулона и сохранения заряда.

В этой статье мы рассмотрим закон сохранения электрического заряда, постараемся простыми словами дать определение и предоставить все необходимые формулы.

Понятие «электрический заряд» впервые введено в 1875 году в этом.

Формулировка закона Кулона утверждает, что сила, которая действует между двумя заряженными частицами направленная по прямой прямо пропорциональна заряду и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

Это значит, что, отдалив заряды в 2 раза, сила их взаимодействия уменьшится в четыре раза. А вот так это выглядит в векторном виде:

Граница применимости вышесказанного:

  • точечные заряды;
  • равномерно заряженные тела;
  • его действие справедливо на больших и малых расстояниях.

Заслуги Шарля Кулона в развитии современной электротехники велики, но перейдём к основной теме статьи – закону сохранения заряда. Он утверждает, что сумма всех заряженных частиц в замкнутой системе неизменна.

Простыми словами заряды не могут возникнуть или исчезнуть просто так.

При этом во времени он не изменяется и его можно измерить (или разделить, квантовать) частями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть электрону.

Но помните, что в изолированной системе новые заряженные частицы возникают только под воздействием определенных сил или в результате каких-либо процессов. Так ионы возникают в результате ионизации газов, например.

Если вас заботит вопрос, кем и когда открыт закон сохранения заряда? Он был подтвержден в 1843 году великим учёным — Майклом Фарадеем. В опытах, подтверждающих закон сохранения, количество зарядов измеряется электрометрами, его внешний вид изображен на рисунке ниже:

Но подтвердим свои слова практикой. Возьмем два электрометра, на стержень одного кладем металлический диск, накрываем его сукном. Теперь нам нужен еще один металлический диск на диэлектрической ручке. Его трём о диск, лежащий на электрометре, и они электризуются.

Когда диск с диэлектрической ручкой уберут – электрометр покажет насколько заряженным он стал, диском с диэлектрической ручкой касаемся второго электрометра. Его стрелка также отклонится. Если теперь замкнуть два электрометра стержнем на диэлектрические рукоятки – их стрелки вернуться в исходное положение.

Это говорит о том, что общий или результирующий электрический заряд равен нулю, и его величина в системе осталась прежней.

Отсюда следует формула, описывающая закон сохранения электрического заряда:

Следующая формула говорит о том, что изменение электрического заряда в объеме равносильно полному току через поверхность. Это также называется «уравнение непрерывности».

А если перейти к очень малому объему получится закон сохранения заряда в дифференциальной форме.

Важно также рассказать, как связаны заряд и массовое число. При разговоре о строении веществ часто звучат такие слова как молекулы, атомы, протоны и подобное.

Так вот массовым числом называется общее количество протонов и нейтронов, а число протонов и электронов в ядре называют зарядовым числом.

Другими словами, зарядовым числом называют заряд ядра, и он всегда зависит от его состава. Ну а масса элемента зависит от числа его частиц.

Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на котором более подробно рассматривается вся эта тема:

Таким образом мы кратко рассмотрели вопросы, связанные с законом сохранения электрического заряда. Он является одним из фундаментальных законов физики наряду с законами сохранения импульса и энергии.

Его действие безупречно и с течением времени и развитием техники не удаётся опровергнуть его справедливость.

Материалы по теме:

Источник:

Закон сохранения заряда

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 несоздаются 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.

Источник:

В каких случаях выполняется закон сохранения электрического заряда

Закон сохранения заряда подтверждается и простыми опытами по электризации тел. Укрепим на стержне электромера металлический диск и, положив на него прослойку из сукна, поставим сверху еще один такой же диск, но с ручкой из диэлектрика. Совершив несколько движений верхним диском по изоляционной прослойке, уберем его в сторону.

Мы увидим, что стрелка электромера отклонится, свидетельствуя о появлении на сукне и соприкасающемся с ним диске электрического заряда. Далее прикоснемся вторым диском (которым мы терли о сукно) к стерж­ню второго электромера. Стрелка этого электромера отклонится примерно на такой же угол, что и стрелка первого электромера.

Это означает, что при электризации оба диска получили одинако­вый по модулю заряд. Что можно сказать о знаках этих зарядов? Для ответа на этот вопрос завер­шим опыт, соединив электромеры металлическим стержнем. Мы увидим, как стрелки приборов опустятся вниз.

Нейтрализация зарядов свидетельствует о том, что они были равны по модулю, но противоположны по знаку (и, следовательно, в сумме давали нуль).

Закон сохранения электрического заряда

Наличие носителей заряда (электронов, ионов) является условием того, что тело проводит электрический ток. В зависимости от способности тел проводить электрический ток они делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники Проводники – тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объему.

Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (например, металлы) – перенесение в них зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями; 2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот) – перенесение в них зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведет к химическим изменениям.

Диэлектрики (например, стекло, пластмассы) – тела, которые не проводят электрического тока; если к этим телам не прикладывается внешнее электрическое поле, в них практически отсутствуют свободные носители заряда.

Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, причем их проводимость сильно зависит от внешних условий, например температуры.

Электрический заряд и элементарные частицы

Электризация тел и её проявления. Значительная электризация происходит при трении синтетических тканей. Снимая с себя рубашку из синтетического материала в сухом воздухе, можно слышать характерное потрескивание. Между заряженными участками трущихся поверхностей проскакивают маленькие искорки.

Закон сохранения заряда — формулировка, формула, примеры опытов. В чем заключается закон сохранения заряда

В чем заключается закон сохранения заряда

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.

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:

Вопросы по этому материалу:

Электростатика – раздел, изучающий статические (неподвижные) заряды и связанные с ними электрические поля.

Перемещение зарядов либо отсутствует, либо происходит так медленно, что возникающие при движении зарядов магнитные поля ничтожны. Сила взаимодействия между зарядами определяется только их взаимным расположением. Следовательно, энергия электростатического взаимодействия – потенциальная энергия.

Несмотря на обилие различных веществ в природе, существуют только два вида электрических зарядов: заряды подобные тем, которые возникают на стекле, потертом о шелк, и заряды, подобные тем, которые появляются на янтаре, потертом о мех. Первые были названы положительными, вторые отрицательными зарядами. Назвал их так Бенджамин Франклин в 1746 г.

В целом заряд атома любого вещества равен нулю, так как положительный заряд ядра атома компенсируется противоположным зарядом электронных оболочек атома.

Очень сильное взаимодействие между зарядами практически исключает самопроизвольное появление заряженных макроскопических тел.

Так, сила кулоновского притяжения между электроном и протоном в атоме водорода в 1039 раз больше их гравитационного взаимодействия.

Известно, что одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Далее, если поднести заряженное тело (с любым зарядом) к легкому – незаряженному, то между ними будет притяжение – явление электризации легкого тела через влияние.

На ближайшем к заряженному телу конце появляются заряды противоположного знака (индуцированные заряды) это явление называется электростатической индукцией.

Опыт показывает, что возникновение заряда на любом теле сопровождается появлением заряда такой же величины, но противоположного знака на другом теле. Например, при трении стеклянной палочки о шелк заряжаются оба тела: палочка отрицательно, шелк положительно.

Таким образом, всякий процесс заряжения есть процесс разделения зарядов. Сумма зарядов не изменяется, заряды только перераспределяются. Отсюда следует закон сохранения заряда – один из фундаментальных законов природы, сформулированный в 1747 г. Б.

Франклином и подтвержденный в 1843 г. М. Фарадеем: алгебраическая сумма зарядов, возникающих при любом электрическом процессе на всех телах, участвующих в процессе всегда равна нулю.

Или короче: суммарный электрический заряд замкнутой системы не изменяется.

(Доступны демонстрации по темам “Сохранение заряда ” и “Виды зарядов “.).

Электрические заряды не существуют сами по себе, а являются внутренними свойствами элементарных частиц – электронов, протонов и др.

Опытным путем в 1914 г. американский физик Р. Милликен показал что электрический заряд дискретен. Заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда .

Где n – целое число. Электрон и протон являются соответственно носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов.

Например, наша Земля имеет отрицательный заряд Кл, это установлено по измерению напряженности электростатического поля в атмосфере Земли.

Большой вклад в исследование явлений электростатики внес знаменитый французский ученый Ш. Кулон. В 1785 г. он экспериментально установил закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов.

Закон сохранения заряда – это фундаментальный закон природы. Он был установлен на основании обобщения экспериментальных данных. Подтвержден в 1843 г. английским физиком М. Фарадеем.

Формулировка закона сохранения электрического заряда

В любой замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов – величина неизменная, не зависимо от того, какие процессы происходят в данной системе.

где N – количество зарядов.

Электрический заряд — это релятивистски инвариантная величина, что означает независимость заряда от системы отсчета, то есть величина заряда не зависит от движения или покоя заряда.

Эмпирическим путем (опыты Р. Милликена) было доказано, что электрический заряд – это дискретная величина. Заряд любого тела является кратным целым от заряда электрона, который носит название элементарного заряда. Заряд электрона равен

Электризация тел

Тела в природе могут приобретать электрический заряд. Процесс приобретения электрического заряда называют электризацией. Электризацию можно реализовывать различными способами: трением, при помощи электростатической индукции и т. д.

Однако, любой процесс получения телом заряда является разделением зарядов. При этом одно тело или его часть получает избыточный положительный заряд, а другое тело (его часть) имеет при этом избыточный отрицательный заряд.

Сумма заряда обоих знаков, которую содержат тела, не изменяется, заряды только испытывают перераспределение.

При соединении заряженного проводника с незаряженным, заряд перераспределяется между обоими телами. Допустим, что одно тело несет отрицательный заряд, его соединяют с незаряженным телом.

Электроны заряженного тела под воздействием сил взаимного отталкивания переходят на незаряженное тело.

При этом заряд первого тела уменьшается, заряд второго увеличивается, до тех пор пока не наступит равновесие.

Если соединяют положительные и отрицательные заряды, они компенсируют друг друга. Это значит, что объединяя одинаковые по величине отрицательные и положительные заряды, мы получим незаряженное тело.

При электризации тел, с использованием трения, так же происходит перераспределение зарядов. Основной причиной при этом является переход части электронов при тесном контакте тел от одного тела к другому.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ЗаданиеДва одинаковых проводящих шарика имеют заряды и . Одним шариком коснулись другого, после этого разнесли на некоторое расстояние. Каким стал заряд каждого шарика после соприкосновения ()?
РешениеОсновой для решения данного заряда является закон сохранения заряда. Будем считать, что система из двух рассматриваемых шариков замкнута. До соприкосновения заряд системы равен:Так как система замкнута, то после соприкосновения суммарный заряд этих двух шариков не изменится, останется равным . Шарики по условию задачи одинаковые, следовательно, при соприкосновении заряд между телами разделится поровну на две части, получим:
Ответ

ПРИМЕР 2

ЗаданиеПластины плоского воздушного конденсатора заряжены до разности потенциалов . Конденсатор отключили от источника напряжения и в пространство между пластинами внесли диэлектрик (диэлектрическая проницаемость его ). Какова разность потенциалов между пластинами конденсатора во втором состоянии?
РешениеТак как конденсатор зарядили и потом проводили манипуляции с диэлектриком, то заряд на этом конденсаторе будет неизменным по закону сохранения заряда:При этом плотность распределения заряда на пластинах () найдем как:Плотность распределения заряда, как и заряд не изменяется в нашем случае. Напряженность поля внутри плоского конденсатора равно в первом случае (воздушный конденсатор):

Источник: https://orangezaem.ru/priem-na-rabotu/zakon-sohraneniya-zaryada-formulirovka-formula-primery-opytov-v-chem/

Закон сохранения электрического заряда

В чем заключается закон сохранения заряда

Приэлектризации тел выполняется законсохранения электрического заряда.Этот закон справедлив для замкнутойсистемы. Взамкнутой системе алгебраическая суммазарядов всех частиц остается неизменной.Если заряды частиц обозначить черезq1,q2и т.д., то

q1+ q2+ q3+… + qn= const.

Основной закон электростатики – закон кулона

Если расстояниемежду телами во много раз больше ихразмеров, то ни форма, ни размерызаряженных тел существенно не влияютна взаимодействия между ними. В такомслучае эти тела можно рассматриватькак точечные.

Силавзаимодействия заряженных тел зависитот свойств среды между заряженнымителами.

Силавзаимодействия двух точечных неподвижныхзаряженных тел в вакууме прямопропорциональна произведению модулейзаряда и обратно пропорциональнаквадрату расстояния между ними. Этусилу называют кулоновской.

,где

|q1|и |q2|- модули зарядов тел,

r– расстояние между ними,

k– коэффициент пропорциональности.

Fсилавзаимодействия

Силывзаимодействия двух неподвижных точечныхзаряженных тел направлены вдоль прямой,соединяющей эти тела.

Единица электрического заряда

Единицасилы тока – ампер.

Одинкулон (1Кл)– это заряд, проходящий за 1 с черезпоперечное сечение проводника при силетока 1 А

g[Кулон=Кл]

е=1,610-19Кл

-электрическаяпостоянная

БЛИЗКОДЕЙСТВИЕ ИДЕЙСТВИЕ НА РАССТОЯНИИ

Предположениео том, что взаимодействие между удаленнымидруг от друга телами всегда осуществляетсяс помощью промежуточных звеньев (илисреды), передающих взаимодействие отточки к точке, составляет сущностьтеории близкодействия.Распр.с конечной скоростью.

Теорияпрямого действияна расстоянии непосредственно черезпустоту. Согласно этой теории действиепередается мгновенно на сколь угоднобольшие расстояния.

Обетеории являются взаимно противоположнымидруг другу. Согласно теориидействия на расстоянии однотело действует на другое непосредственночерез пустоту и это действие передаетсямгновенно.

Теорияблизкодействия утверждает,что любое взаимодействие осуществляетсяс помощью промежуточных агентов ираспространяется с конечной скоростью.

Существованияопределенного процесса в пространствемежду взаимодействующими телами, которыйдлится конечное время, – вот главное,что отличает теорию близкодействияот теории действия на расстоянии.

Согласноидее Фарадея электрическиезаряды не действуют друг на друганепосредственно. Каждыйиз них создает в окружающем пространствеэлектрическое поле. Поле одного зарядадействует на другой заряд, и наоборот.По мере удаления от заряда поле ослабевает.

Электромагнитныевзаимодействия должны распространятсяв пространстве с конечной скоростью.

Электрическоеполе существует реально, его свойстваможно исследовать опытным путем, но мыне можем сказать из чего это поле состоит.

Оприроде электрического поля можносказать, что поле материально; оно сущ.независимо от нас, от наших знаний онем;

Полеобладает определенными свойствами,которые не позволяют спутать его счем-либо другим в окружающем мире;

Главноесвойство электрического поля – действиеего на электрические заряды с некоторойсилой;

Электрическоеполе неподвижных зарядов называютэлектростатическим.Оно не меняется со временем.Электростатическое поле создаетсятолько электрическими зарядами. Оносуществует в пространстве, окружающемэти заряды, и неразрывно с ним связано.

Напряженностьэлектрического поля.

Отношение силы, действующейна помещенный в данную точку поля заряд,к этому заряду для каждой точки поля независит от заряда и может рассматриватьсякак характеристика поля.

Напряженностьполя равна отношению силы, с которойполе действует на точечный заряд, кэтому заряду.

Напряженность поляточечного заряда.

.

Модульнапряженности поля точечного зарядаqoна расстоянииrот него равен:

.

Еслив данной точке пространства различныезаряженные частицы создают электрическиеполя, напряженности которых ит. д., то результирующая напряженностьполя в этой точке равна:

СИЛОВЫЕ ЛИНИИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛ.

НАПРЯЖЕННОСТЬПОЛЯ ЗАРЯЖЕННОГО ШАРА

Электрическоеполе, напряженность которого одинаковаво всех точках пространства, называетсяоднородным.

Густотасиловых линий больше вблизи заряженныхтел, где напряженность поля также больше.

-напряженностьполя точечного заряда.

Внутрипроводящего шара (r> R)напряженность поля равна нулю.

ПРОВОДНИКИ ВЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

Впроводниках имеются заряженные частицы,способные перемещаться внутри проводникапод влиянием электрического поля. Зарядыэтих частиц называют свободнымизарядами.

Электростатическогополя внутри проводника нет. Весьстатический заряд проводника сосредоточенна его поверхности. Заряды в проводникемогут располагаться только на егоповерхности.

Источник: https://studfile.net/preview/830910/page:3/

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 ϕ ( x ) = | ϕ ( x ) | e i ψ ( x ) {\displaystyle \phi (x)=|\phi (x)|e{i\psi (x)}} , где x — пространственно-временная координата.

Частицам с противоположными зарядами соответствуют функции поля, различающиеся знаком фазы ψ {\displaystyle \psi } , которую можно считать угловой координатой в некотором фиктивном двумерном «зарядовом пространстве».

Закон сохранения заряда является следствием инвариантности лагранжиана относительно глобального калибровочного преобразования типа ϕ ′ = e i α Q ϕ {\displaystyle \phi '=e{i\alpha Q}\phi } , где Q — заряд частицы, описываемой полем ϕ {\displaystyle \phi } , а α {\displaystyle \alpha }  — произвольное вещественное число, являющееся параметром и не зависящее от пространственно-временных координат частицы[3]. Такие преобразования не меняют модуля функции, поэтому они называются унитарными U(1).[4][5]

Другие соображения[ | ]

Предположим, что нам известен процесс, нарушающий закон сохранения заряда, в ходе которого, затратив энергию E {\displaystyle E} , можно создать заряд e {\displaystyle e} .

Пользуясь этим процессом, создадим заряд e {\displaystyle e} , затратив энергию E {\displaystyle E} в клетке Фарадея с потенциалом φ {\displaystyle \varphi } . Извлечём затем созданный заряд и переместим его подальше от клетки.

Получим энергию в виде работы электростатических сил e φ {\displaystyle e\varphi } . Обратим теперь процесс создания заряда и получим ранее затраченную энергию E {\displaystyle E} . Повторяя такой процеcc, можно создать вечный двигатель I рода.

Следовательно, допущение о возможности нарушения закона сохранения электрического заряда является ложным. Данное рассуждение показывает связь между законом сохранения электрического заряда и предположением о ненаблюдаемости абсолютной величины электрического потенциала.[6]

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:

∂ ∂ t ∫ Ω ρ d V = − ∮ ∂ Ω ⁡ j → ⋅ d S   → . {\displaystyle {\frac {\partial }{\partial t}}\int \limits _{\Omega }\rho dV=-\oint \limits _{\partial \Omega }{\vec {j}}\cdot d{\vec {S\ }}.}

Здесь Ω {\displaystyle \Omega }  — некоторая произвольная область в трёхмерном пространстве, ∂ Ω {\displaystyle \partial \Omega }  — граница этой области, ρ {\displaystyle \rho }  — плотность заряда, j → {\displaystyle {\vec {j}}}  — 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):

∂ ρ ∂ t + div j → = 0. {\displaystyle {\frac {\partial \rho }{\partial t}}+{\mbox{div}}{\vec {j}}=0.}

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[7].

Лучшее экспериментальное ограничение на вероятность нарушения закона сохранения электрического заряда получено из поиска фотона с энергией mec2/2 ≈ 255 кэВ, возникающего в гипотетическом распаде электрона на нейтрино и фотон:

e → νγ  время жизни больше 6,6⋅1028 лет (90 % CL)[8][9]

однако существуют теоретические аргументы в пользу того, что такой однофотонный распад не может происходить даже в случае, если заряд не сохраняется[10].

Другой необычный несохраняющий заряд процесс — спонтанное превращение электрона в позитрон[11]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:

e → любые частицывремя жизни больше 6,4⋅1024 лет (68 % CL)[12]
n → pννотносительная вероятность несохраняющего заряд распада менее 8⋅10−27 (68 % CL) при бета-распаде нейтрона в ядре галлия-71, превращающегося при этом в германий-71[13]

Примечания[ | ]

  1. Яворский Б. М.

Источник: https://encyclopaedia.bid/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8%D0%BF%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D1%8F/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D1%81%D0%BE%D1%85%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D0%B7%D0%B0%D1%80%D1%8F%D0%B4%D0%B0

Электрический заряд. Закон его сохранения

В чем заключается закон сохранения заряда

В соответствии с современными представлениями атомы всех тел построены из электрически заряженных частиц. Относительно легких электронов и довольно тяжелых положительно заряженных атомных ядер. В целом тела электрически нейтральны, так как суммарный отрицательный заряд электронов равен суммарному положительному заряду атомных ядер данного тела.

Отрицательный заряд электрона равен (так как к этой величине прибегают довольно часто, то заряд электрона часто имеет свое обозначение $q_e$ или $e$) $e=1,6\cdot {10}{-16}Кл$ (в системе СИ) или $e=4,8\cdot {10}{-10}$ абсолютных электростатических единиц электричества (в СГСЭ).

Положительные заряды атомных ядер равны по модулю целым, кратным элементарному заряду (так еще называют заряд электрона), то есть заряд ядра: $q=ne$, где $n$- целое число. Масса электрона равна $m_e=9.1\cdot {10}{-31}кг$. Самым лёгким ядром является ядро атома водорода, которое именуется протоном. Его масса равна $m_p=1.67\cdot {10}{-27}кг$.

Размеры атомных ядер, электронов малы по сравнению с расстояниями между ними в атомах и молекулах, что позволяет во многих случаях считать их материальными точками, которые имеют массу и электрический заряд.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Мысль о дискретности электрического заряда была высказана уже Б. Франклином в 1752 г. Экспериментом она подтверждена Фарадеем, при исследовании законов электролиза. Однако окончательный вывод о дискретности электрического заряда был сделан Г.Л. Гельмгольцем и Д. Стонеем в 1881 г.

Количественное значение элементарного заряда было вычислено на основании законов электролиза. Прямое экспериментальное измерение элементарного заряда было сделано Р.Э. Милликеном в 1909 г. Были предприняты поиски дробных зарядов, но они дали отрицательный результат.

Сделаем вывод, на сегодняшний момент установлено, что дробных зарядов в свободном состоянии не существует.

Независимость количественного значения элементарного заряда от скорости доказывается фактом нейтральности атомов. Электроны в атоме движутся значительно быстрее протонов (это следствие различая масс). В том случае, если бы заряд зависел от скорости, то нейтральность атомов нарушалась. Инвариантность заряда относительно скорости — одно из экспериментальных обоснований теории электричества.

В большинстве макроскопических явлений участвует очень большое количество электрических зарядов, в таком случае их дискретность значения не имеет, и в большинстве случаев можно считать, что заряд как бы непрерывно распределён в пространстве.

Объемная плотность распределения

Объемной плотностью распределения зарядов называют отношение:

где $\triangle Q$- полный заряд, находящийся в объеме $\triangle V$, $e_i$ — элементарный заряд, $\triangle V$ — малый объем, но не бесконечно малый в математическом смысле, он характеризуется координатой точки внутри него. Это значит, что можно записать: $\rho =\rho \left(x,y,z\right).$ При определении объемной плотности $\rho $ можно рассматривать как функцию, а заряд считать непрерывно распределенным, тогда можно записать, что:

где $dV$- дифференциал объема.

Концентрацией зарядов (n) называют отношение:

где ∆n — количество зарядов в объеме $\triangle V$.

Поверхностной плотностью заряда ($\sigma$) называется соотношение:

где $\triangle S$- малая площадь поверхности, $\triangle Q$ — заряд, находящийся на поверхности $\triangle S$. Полный заряд поверхности, при условии равномерного распределения заряда по ней, можно найти как:

где $dS$ — дифференциал площади поверхности.

Закон сохранения заряда

Закон сохранения заряда приведем в двух формах. Одна из них следующая. Она исходит из двух фактов:

  1. Электрон и протон — материальные частицы с бесконечным временем жизни, их заряды инвариантны и не зависят от скорости. В такой трактовке, закон сохранение — следствие неуничтожимой носителей заряда.
  2. Кроме протонов и электронов существуют другие заряженные элементарные частицы. Все они рождаются, порождают другие частицы, участвуют в процессах взаимных превращений, но какими бы ни были превращения, суммарный заряд частиц до равен суммарному заряду после взаимопревращений.

Таким образом, закон сохранения заряда может быть сформулирован следующим образом:

Заряд сохраняется при всех процессах и движениях носителей зарядов.

Здесь надо отметить, что имея некоторую самостоятельность, заряд не может существовать отдельно от его носителя – материи.

Закон сохранения заряда можно записать в интегральной форме. Изменение заряда в некотором объеме V может произойти только в результате втекания или вытекания заряда через замкнутую поверхность $S$, которая ограничивает объем $V$. Или в математическом виде:

где сила тока, протекающая через замкнутую поверхность S равна интегралу по этой поверхности:

где $\overrightarrow{j}\cdot d\overrightarrow{S}=jdScos(\widehat{\overrightarrow{j}\cdot d\overrightarrow{S}})$, j — плотность тока $\overrightarrow{j}=\frac{1}{\triangle V}\sum\limits_{\triangle V}{e_i{\overrightarrow{v}}_i}$, ${\overrightarrow{v}}_i$ — скорость элементарного заряда, $d\overrightarrow{S}$ направлен по внешней нормали к поверхности.

$\frac{\partial }{\partial t}\intolimits_V{\rho dV}$- скорость изменения заряда в объеме. Знак минус в формуле (6) указывает на то, что если положительный заряд внутри объема уменьшатся, то плотность тока направлена из объема $V$.

Дифференциальная форма закона сохранения заряда (оно же уравнение непрерывности) имеет вид:

Напомним, что $div\overrightarrow{j}=\frac{\partial j_x}{\partial x}+\frac{\partial j_y}{\partial y}+\frac{\partial j_z}{\partial z}$.

Пример 1

Схема опытов Милликена изображена на рис. 1. Маленькие заряженные шарообразные частицы (капельки масла) движутся в воздухе при наличии однородного электрического поля $\overrightarrow{E}.

$ На частицу действуют следующие силы: силы тяжести ($\ \ {\rho }_{ch}>{\rho }_{vozd},\ плотность\ частицы\ \left(\ {\rho }_{ch}\right),\ плотность\ воздуха\ ({\rho }_{vozd})$), сила вязкого трения, электростатическая сила, сила Архимеда.

Сила вязкого трения пропорциональна скорости, следовательно, при постоянной скорости частицы сумма действующих на частицу сил равна нулю. Все силы, помимо электрической измерялись экспериментально при движении частицы в отсутствии электрического поля.

Исследовав движение частицы в поле, Милликен нашел силу $q\overrightarrow{E}.$ Это позволило вычислить заряд частицы, так как напряженность поля известна. Изменяя напряженность поля можно добиться, чтобы заряженная частица находилась в покое.

Задание: В электростатическое поле впрыскивают заряженную каплю масла (плотность масла считать известной, равной ${\rho }_{ch}$) радиуса R. Напряжённость поля (E) подбирают такой, чтобы капля масла оставалась неподвижной. Капля находится в воздухе, плотность воздуха ${\rho }_{vozd}$. Определите заряд капли.

Решение:

Рис. 1

Если скорость частицы равна нулю, то сила вязкого трения также равна нулю.

Запишем второй закон Ньютона для заряженной капельки масла, если мы знаем, что частица неподвижна:

\[m\overrightarrow{g}+\overrightarrow{F_A}+\overrightarrow{F_E}=0\left(1.1\right).\]

Направим ось ОX вдоль поля, запишем проекцию уравнения (1.1) на эту ось:

\[F_A+F_E-mg=0\ \left(1.2\right),\]

где $F_A$ сила Архимеда, которая равна:

\[F_A=с_{vozd}Vg=с_{vozd}\frac{4}{3}\pi R3g\ \left(1.3\right),\]

$R$ — радиус капли масла.

$F_E$ — электростатическая сила, действующая на заряженную каплю со стороны поля:

\[F_E=qE\ \left(1.4\right),\]

где $q$ — заряд капли масла, $E$ — напряженность электростатического поля.

$mg$- сила тяжести, действующая на каплю, ее можно выразить через плотность масла:

\[mg=с_{ch}\frac{4}{3} \pi R3g\ \left(1.5\right).\]

Подставим выражения (1.3) — (1.5) в уравнение (1.2), получим:

\[{\rho }_{vozd}\frac{4}{3}\pi R3g\ +qE-{\rho }_{ch}g\frac{4}{3}\pi R3=0\ \left(1.6\right).\]

Выразим из (1.6) заряд капли:

\[q=\frac{{\rho }_{ch}g\frac{4}{3}\pi R3-{\rho }_{vozd}\frac{4}{3}\pi R3g}{E}=\frac{\frac{4}{3}{\pi R3(\rho }_{ch}-{\rho }_{vozd})g}{E}\]

Ответ: Заряд капли масла должен быть $q=\frac{\frac{4}{3}{\pi R3(\rho }_{ch}-{\rho }_{vozd})g}{E}$.

Пример 2

Задание: Два одинаковых металлических шарика имею заряды $q_1$ и $q_2$ одинаковые по знаку. Их соединили, а за тем развели. Чему будут равны заряды каждого из шариков после разъединения.

Решение:

Основа для решения — закон сохранения заряда, запишем его для нашего случая:

\[q_1+q_2={q'}_1+{q'}_2\ \left(2.1\right).\]

Так как шарики одинаковые можем записать, что суммарный заряд шариков $q_1+q_2$ разделится поровну между ними, то есть:

\[{q'}_1=\frac{q_1+q_2}{2},\ {q'}_2=\frac{q_1+q_2}{2}.\]

Ответ: Заряд каждого шарика станет равен q=$\frac{q_1+q_2}{2}$.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektrostatika/elektricheskiy_zaryad_zakon_ego_sohraneniya/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.