Definicja i wzór prawa zachowania ładunku elektrycznego. Prawo zachowania ładunku elektrycznego

Ładunek elektryczny to zdolność ciał do bycia źródłem pól elektromagnetycznych. Tak wygląda encyklopedyczna definicja ważnej wielkości elektrycznej. Główne prawa z tym związane to prawo Coulomba i zasada zachowania ładunku. W tym artykule przyjrzymy się prawu konserwatorskiemu ładunek elektryczny, postaramy się to zdefiniować prostymi słowami i podać wszystkie niezbędne wzory.

Pojęcie „” zostało po raz pierwszy wprowadzone w 1875 r. Sformułowanie stwierdza, że ​​siła działająca pomiędzy dwiema naładowanymi cząstkami, skierowanymi w linii prostej, jest wprost proporcjonalna do ładunku i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.

Oznacza to, że poprzez dwukrotne odsunięcie ładunków siła ich oddziaływania zmniejszy się czterokrotnie. A tak to wygląda w postaci wektorowej:

Granica zastosowania powyższych:

• opłaty punktowe;
• ciała równomiernie naładowane;
• jego działanie sprawdza się na dużych i małych dystansach.

Zasługi Charlesa Coulomba w rozwoju współczesnej elektrotechniki są ogromne, ale przejdźmy do głównego tematu artykułu - prawa zachowania ładunku. Twierdzi, że suma wszystkich naładowanych cząstek w układzie zamkniętym jest stała. W prostych słowachładunki nie mogą pojawiać się ani znikać ot tak. Jednocześnie nie zmienia się w czasie i można go zmierzyć (lub podzielić, skwantować) w częściach będących wielokrotnością elementarnego ładunku elektrycznego, czyli elektronu.

Należy jednak pamiętać, że w układzie izolowanym nowe naładowane cząstki powstają dopiero pod wpływem pewnych sił lub w wyniku pewnych procesów. Jony powstają więc na przykład w wyniku jonizacji gazów.

Jeśli interesuje Cię pytanie, kto i kiedy odkrył prawo zachowania ładunku? Potwierdził to w 1843 roku wielki naukowiec Michael Faradaya. W eksperymentach potwierdzających prawo zachowania liczbę ładunków mierzy się za pomocą elektrometrów, tj wygląd pokazano na poniższym rysunku:

Ale potwierdźmy nasze słowa praktyką. Weźmy dwa elektrometry, połóżmy metalowy krążek na pręcie jednego i przykryjmy go szmatką. Teraz potrzebujemy kolejnego metalowego dysku na uchwycie dielektrycznym. Pocieramy nim o tarczę leżącą na elektrometrze i zostają one naelektryzowane. Po wyjęciu dysku z uchwytem dielektrycznym elektrometr pokaże stopień jego naładowania; dotykamy drugiego elektrometru dyskiem z uchwytem dielektrycznym. Jego strzałka również się odwróci. Jeśli teraz połączymy dwa elektrometry za pomocą pręta z uchwytami dielektrycznymi, ich strzałki powrócą do pierwotnego położenia. Oznacza to, że całkowity lub netto ładunek elektryczny wynosi zero, a jego wielkość w systemie pozostaje taka sama.

Prowadzi to do wzoru opisującego prawo zachowania ładunku elektrycznego:

Poniższy wzór stwierdza, że ​​zmiana ładunku elektrycznego w objętości jest równa całkowitemu prądowi płynącemu przez powierzchnię. Nazywa się to również „równaniem ciągłości”.

A jeśli przejdziemy do bardzo małej objętości, otrzymamy prawo zachowania ładunku w postaci różniczkowej.

Ważne jest również wyjaśnienie związku ładunku i liczby masowej. Mówiąc o strukturze substancji, często słyszy się słowa takie jak cząsteczki, atomy, protony i tym podobne. Tak nazywa się liczbę masową całkowity protonów i neutronów, a liczbę protonów i elektronów w jądrze nazywa się liczbą ładunku. Innymi słowy, liczba ładunków jest ładunkiem jądra i zawsze zależy od jego składu. Cóż, masa pierwiastka zależy od liczby jego cząstek.

W ten sposób pokrótce omówiliśmy zagadnienia związane z prawem zachowania ładunku elektrycznego. Jest jednym z prawa podstawowe fizyki wraz z prawami zachowania pędu i energii. Jego działanie jest nienaganne, a wraz z upływem czasu i rozwojem technologii nie można zaprzeczyć jego słuszności. Mamy nadzieję, że po przeczytaniu naszego wyjaśnienia wszystko stało się dla Ciebie jasne. Kluczowe punkty to prawo!

Materiały

Weźmy dwa identyczne elektrometry i naładujmy jeden z nich (ryc. 1). Jego ładunek odpowiada \(6\) podziałkom skali.

Jeśli połączymy te elektrometry szklanym prętem, nie nastąpią żadne zmiany. Potwierdza to fakt, że szkło jest dielektrykiem. Jeśli do podłączenia elektrometrów użyjesz metalowego pręta A (rys. 2), trzymając go za nieprzewodzący uchwyt B, zauważysz, że ładunek początkowy zostanie podzielony na dwie równe części: połowa ładunku zostanie przeniesiona z pierwsza piłka do drugiej. Teraz ładunek każdego elektrometru odpowiada \(3\) podziałkom skali. Zatem pierwotny ładunek nie zmienił się, a jedynie podzielił się na dwie części.

Jeśli ładunek zostanie przeniesiony z ciała naładowanego na ciało nienaładowane tej samej wielkości, wówczas ładunek zostanie podzielony na połowę pomiędzy te dwa ciała. Ale jeśli drugie, nienaładowane ciało jest większe niż pierwsze, wówczas ponad połowa ładunku zostanie przeniesiona na drugie. Im większe jest ciało, na które zostanie przeniesiony ładunek, tym większa część ładunku zostanie na nie przeniesiona.

Całkowita kwota opłaty nie ulegnie jednak zmianie. Można zatem twierdzić, że ładunek jest zachowany. Te. spełniona jest zasada zachowania ładunku elektrycznego.

W układzie zamkniętym algebraiczna suma ładunków wszystkich cząstek pozostaje niezmieniona:

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

gdzie q 1, q 2 itd. - ładunki cząstek.

Za układ zamknięty uważa się układ, w którym ładunki nie dostają się z zewnątrz, ani też nie opuszczają go na zewnątrz.

Ustalono doświadczalnie, że gdy ciała są naelektryzowane, spełniona jest także zasada zachowania ładunku elektrycznego. Wiemy już, że elektryfikacja to proces otrzymywania ciał naładowanych elektrycznie z ciał obojętnych elektrycznie. W takim przypadku oba ciała są obciążone. Na przykład, gdy szklany pręt pociera się jedwabną szmatką, szkło ładuje się dodatnio, a jedwab ujemnie. Na początku eksperymentu żadne z ciał nie było obciążone ładunkiem. Pod koniec eksperymentu oba ciała są naładowane. Ustalono eksperymentalnie, że ładunki te mają przeciwny znak, ale identyczną wartość liczbową, tj. ich suma wynosi zero. Jeśli ciało jest naładowane ujemnie, a podczas elektryzowania nadal uzyskuje ładunek ujemny, wówczas ładunek ciała wzrasta. Ale całkowity ładunek tych dwóch ciał nie zmienia się.

Przykład:

Przed elektryzacją pierwsze ciało ma ładunek \(-2\) cu (cu jest konwencjonalną jednostką ładunku). Podczas elektryfikacji uzyskuje kolejny \(4\) ładunek ujemny. Następnie po naelektryzowaniu jego ładunek staje się równy \(-2 + (-4) = -6\) c.u. W wyniku elektryfikacji drugie ciało wydziela \(4\) ładunek ujemny, a jego ładunek będzie równy \(+4\) cu. Sumując ładunek pierwszego i drugiego ciała na koniec eksperymentu, otrzymujemy \(-6 + 4 = -2\) a.u. A taki ładunek mieli przed eksperymentem.

Prawo zachowania ładunku

Nie wszystkie zjawiska naturalne można zrozumieć i wyjaśnić za pomocą pojęć i praw mechaniki, molekularno-kinetycznej teorii budowy materii i termodynamiki. Nauki te nie mówią nic o naturze sił, które wiążą poszczególne atomy i cząsteczki oraz utrzymują atomy i cząsteczki substancji w stanie stałym w pewnej odległości od siebie. Prawa interakcji atomów i cząsteczek można zrozumieć i wyjaśnić w oparciu o koncepcję istnienia ładunków elektrycznych w przyrodzie.

Najprostszym i najbardziej codziennym zjawiskiem ujawniającym fakt istnienia ładunków elektrycznych w przyrodzie jest elektryzacja ciał w wyniku kontaktu. Interakcja ciał wykrytych podczas elektryfikacji nazywa się interakcją elektromagnetyczną i wielkość fizyczna, który określa oddziaływanie elektromagnetyczne, jest ładunkiem elektrycznym. Zdolność ładunków elektrycznych do przyciągania i odpychania wskazuje na obecność dwóch różne rodzajeładunki: dodatnie i ujemne.

Ładunki elektryczne mogą powstawać nie tylko na skutek elektryzacji w momencie zetknięcia się ciał, ale także podczas innych oddziaływań, na przykład pod wpływem siły (efekt piezoelektryczny). Ale zawsze w układzie zamkniętym, który nie obejmuje ładunków, dla wszelkich interakcji ciał algebraiczna (tj. Biorąc pod uwagę znak) suma ładunków elektrycznych wszystkich ciał pozostaje stała. Ten eksperymentalnie ustalony fakt nazywa się prawem zachowania ładunku elektrycznego.

Nigdzie i nigdy w naturze ładunki elektryczne tego samego znaku nie powstają ani nie znikają. Pojawieniu się ładunku dodatniego zawsze towarzyszy pojawienie się równego całkowita wartość, ale ma przeciwny znak do ładunku ujemnego. Ani ładunki dodatnie, ani ujemne nie mogą znikać oddzielnie od siebie, jeśli są równe w wartości bezwzględnej.

Pojawianie się i zanikanie ładunków elektrycznych na ciałach w większości przypadków tłumaczy się przejściami elementarnych naładowanych cząstek - elektronów - z jednego ciała do drugiego. Jak wiadomo, każdy atom zawiera dodatnio naładowane jądro i ujemnie naładowane elektrony. W neutralnym atomie całkowity ładunek elektronów jest dokładnie taki sam równe ładunkowi jądro atomowe. Ciało składające się z obojętnych atomów i cząsteczek ma całkowity ładunek elektryczny równy zero.

Jeśli w wyniku jakiejś interakcji część elektronów przejdzie z jednego ciała do drugiego, wówczas jedno ciało otrzyma ujemny ładunek elektryczny, a drugie otrzyma ładunek dodatni o tej samej wielkości. Kiedy stykają się dwa ciała o różnym ładunku, zwykle ładunki elektryczne nie znikają bez śladu, a nadwyżka elektronów przechodzi z ciała naładowanego ujemnie do ciała, w którym nie było części atomów Pełen zestaw elektrony na swoich powłokach.

Szczególnym przypadkiem jest spotkanie elementarnych naładowanych antycząstek, na przykład elektronu i pozytonu. W tym przypadku dodatnie i ujemne ładunki elektryczne faktycznie znikają, unicestwiają, ale w pełnej zgodzie z prawem zachowania ładunku elektrycznego, ponieważ algebraiczna suma ładunków elektronu i pozytonu wynosi zero.

>>Fizyka: Prawo zachowania ładunku elektrycznego

Wiadomo, że masa ciał jest zachowana. Ładunek elektryczny jest również zachowywany. Chodzi o ładunek, a nie liczbę naładowanych cząstek.
Doświadczenie z elektryzacją płyt pokazuje, że podczas elektryzacji przez tarcie następuje redystrybucja istniejących ładunków pomiędzy ciałami, które w pierwszej chwili są obojętne. Niewielka część elektronów przemieszcza się z jednego ciała do drugiego. W tym przypadku nowe cząstki nie pojawiają się, a istniejące wcześniej nie znikają.
Kiedy ciała są naelektryzowane, prawo zachowania ładunku elektrycznego . Prawo to obowiązuje dla układu, do którego cząstki naładowane nie wchodzą z zewnątrz i z którego nie wychodzą, tj. system izolowany. W układzie izolowanym zachowana jest suma algebraiczna ładunków wszystkich cząstek . Jeśli ładunki cząstek są oznaczone przez q 1, q 2 itd., następnie

Prawo zachowania ładunku ma głębokie znaczenie. Jeśli liczba naładowanych cząstek elementarnych nie ulegnie zmianie, wówczas spełnienie prawa zachowania ładunku jest oczywiste. Ale cząstki elementarne mogą przekształcać się w siebie, rodzić się i znikać, dając życie nowym cząstkom. Jednakże we wszystkich przypadkach naładowane cząstki rodzą się tylko w parach z ładunkami tej samej wielkości i przeciwnymi znakami; Naładowane cząstki również znikają tylko parami, zamieniając się w cząstki neutralne. We wszystkich tych przypadkach suma algebraiczna ładunków pozostaje taka sama.
Ważność prawa zachowania ładunku potwierdzają obserwacje ogromnej liczby przemian cząstek elementarnych. Prawo to wyraża jedną z najbardziej podstawowych właściwości ładunku elektrycznego. Przyczyna zachowania ładunku jest nadal nieznana.
Ładunek elektryczny jest zachowany we Wszechświecie. Całkowity ładunek elektryczny Wszechświata najprawdopodobniej wynosi zero; liczba dodatnio naładowanych cząstek elementarnych jest równa liczbie ujemnie naładowanych cząstek elementarnych.

???
1. Sformułuj prawo zachowania ładunku elektrycznego.
2. Podaj przykłady zjawisk, w których obserwuje się zachowanie ładunku.

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fizyka 10. klasa

Jeżeli masz uwagi lub sugestie dotyczące tej lekcji,

Prawo zachowania ładunku mówi, że podczas oddziaływania układu zamkniętego z otaczającą przestrzenią ilość ładunku opuszczającego układ przez jego powierzchnię jest równa ilości ładunku, który dostał się do układu. Inaczej mówiąc, suma algebraiczna wszystkich ładunków układu jest równa zeru.

Wzór 1 – Prawo zachowania ładunku

Jak wiadomo w przyrodzie, istnieją dwa rodzaje opłat. Są to pozytywne i negatywne. Ponadto wysokość opłaty jest dyskretna, to znaczy może zmieniać się tylko fragmentarycznie. Ładunek elementarny to ładunek elektronu. Jeśli do atomu dodamy jeden elektron, stanie się on jonem naładowanym ujemnie. A jeśli to usuniesz, będzie pozytywne.

Główną ideą prawa zachowania ładunku jest to, że ładunek nie pojawia się znikąd i nie znika znikąd. Kiedy pojawi się ładunek jednego znaku, natychmiast pojawia się ładunek przeciwnego znaku o tej samej wartości.

Aby potwierdzić to prawo, przeprowadzimy eksperyment. Do tego potrzebujemy dwóch elektrometrów. Są to urządzenia wskazujące ładunek elektryczny. Składa się z pręta, na którym przymocowana jest oś. Na osi znajduje się strzałka. Wszystko to umieszczono w cylindrycznej obudowie, obustronnie pokrytej szkłem.

Na pręcie pierwszego elektrometru znajduje się metalowy krążek. Na którym umieścimy kolejny podobny dysk. Pomiędzy dyskami należy ułożyć jakiś izolator. Na przykład tkanina. Górny dysk ma uchwyt dielektryczny. Trzymając ten uchwyt, pocieraj krążki o siebie. W ten sposób je elektryzując.

Rysunek 1 — Elektrometry z przymocowanymi do nich dyskami

Po zdjęciu górnego dysku elektrometr pokaże obecność ładunku. Jego igła będzie się zmieniać. Następnie weźmiemy dysk i przyłożymy go do pręta drugiego elektrometru. Strzałka również się odchyli, wskazując obecność ładunku. Chociaż ładunek będzie miał przeciwny znak. Następnie, jeśli połączymy pręty elektrometrów, strzałki powrócą do pierwotnego położenia. Oznacza to, że opłaty wzajemnie się kompensują.

Rysunek 2 - kompensacja ładunku dysku

Co się wydarzyło w tym eksperymencie? Kiedy pocieraliśmy dyski o siebie, w metalu dysków nastąpiło rozdzielenie ładunków. Początkowo każdy dysk był elektrycznie obojętny. Jeden z nich otrzymał nadmiar elektronów, czyli ładunek ujemny. Drugiemu zabrakło elektronów, czyli został naładowany dodatnio.

Zarzuty w tej sprawie nie pojawiły się znikąd. Byli już wewnątrz dysków przewodzących. Tylko oni otrzymywali rekompensatę między sobą. Po prostu ich rozdzieliliśmy. Umieszczając je na różnych dyskach. Kiedy połączyliśmy pręty elektrometrów, ładunki ponownie się kompensowały. Co wskazywały strzałki?

Jeśli weźmiemy pod uwagę elektrometry i dyski jako jeden system. Oznacza to, że pomimo wszystkich naszych manipulacji, całkowity ładunek tego układu był przez cały czas stały. W początkowej chwili dyski były elektrycznie obojętne. Po rozdzieleniu pojawiły się objętościowe ładunki dodatnie i ujemne. Były po prostu tej samej wielkości. Oznacza to, że ładunek w systemie pozostaje taki sam. Po podłączeniu prętów układ wrócił do stanu pierwotnego.