Definicija i formula zakona održanja naboja. Zakon održanja električnog naboja – Hipermarket znanja

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

Formulacija zakona održanja električnog naboja

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

gdje je N broj naboja.

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

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

Elektrifikacija tijela

Tijela u prirodi mogu dobiti električni naboj. Proces sticanja električnog naboja naziva se elektrifikacija. Elektrifikacija se može realizovati na različite načine: trenjem, upotrebom elektrostatičke indukcije itd. Međutim, svaki proces primanja naelektrisanja tela je odvajanje naelektrisanja. U tom slučaju jedno tijelo ili njegov dio prima višak pozitivnog naboja, dok drugo tijelo (njegov dio) ima višak negativnog naboja. Zbir naboja oba znaka koji tijela sadrže se ne mijenja, naboji samo doživljavaju preraspodjelu.

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

Ako se kombiniraju pozitivni i negativni naboji, oni se međusobno poništavaju. To znači da kombinovanjem negativnih i pozitivnih naelektrisanja jednake veličine dobijamo nenaelektrisano telo.

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

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

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

PRIMJER 2

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

Zakon održanja naelektrisanja u integralnom obliku

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

Ovdje je Ω neko proizvoljno područje u trodimenzionalnom prostoru, granica ovog područja, ρ je gustina naboja i gustina struje (gustina toka električnog naboja) preko granice.

Zakon održanja naelektrisanja u diferencijalnom obliku

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

Zakon održanja naelektrisanja u elektronici

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

Wikimedia Foundation.

2010.

Pogledajte šta je "Zakon održanja električnog naboja" u drugim rječnicima: ZAKON O ODRŽAVANJU ELEKTRIČNOG NABAVKA - jedan od osnovnih zakona prirode koji se sastoji u tome da algebarski zbir električnih naboja svakog zatvorenog (električno izolovanog) sistema ostaje nepromenjen, bez obzira na to koji se procesi odvijaju u ovom sistemu...

Velika politehnička enciklopedija

zakon održanja električnog naboja Zakon održanja naboja - zakon održanja električnog naboja, zakon prema kojem se algebarski zbir električnih naboja svih čestica izolovanog sistema ne mijenja tokom procesa koji se u njemu odvijaju. Električni naboj bilo koje čestice ili sistema čestica ... ...

Koncepti savremene prirodne nauke. Pojmovnik osnovnih pojmova

Zakoni održanja su fundamentalni fizički zakoni, prema kojima se, pod određenim uslovima, neke mjerljive fizičke veličine koje karakteriziraju zatvoreni fizički sistem ne mijenjaju tokom vremena. Neki od zakona... ... Wikipedia zakon održanja naelektrisanja

- krūvio tvermės dėsnis statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. zakon o očuvanju naboja; zakon održanja električnog naboja vok. Erhaltungssatz der elektrischen Ladung, m; Ladungserhaltungssatz, m rus. zakon očuvanja naboja, m; zakon... ... Fizikos terminų žodynas

Ukus u fizici čestica Arome i kvantni brojevi: Leptonski broj: L Barionski broj: B Čudnost: S Šarm: C Šarm: B Istina: T Izospin: I ili Iz Slab izospin: Tz ... Wikipedia

Zakon održanja energije je osnovni zakon prirode, ustanovljen empirijski i sastoji se u činjenici da se za izolovani fizički sistem može uvesti skalarna fizička veličina, koja je funkcija parametara sistema i ... .. Wikipedia

Zakon održanja naelektrisanja kaže da je tokom interakcije zatvorenog sistema sa okolnim prostorom količina naelektrisanja koja napušta sistem kroz njegovu površinu jednaka količini naelektrisanja koja je ušla u sistem. Drugim riječima, algebarski zbir svih naboja sistema jednak je nuli.

Formula 1 - Zakon održanja naboja

Kao što je poznato u prirodi, postoje dvije vrste naboja. To su pozitivne i negativne. Takođe, iznos naplate je diskretan, odnosno može se menjati samo u porcijama. Elementarni naboj je naboj elektrona. Ako se atomu doda jedan elektron, on postaje negativno nabijeni ion. A ako to oduzmete, to je pozitivno.

Glavna ideja zakona održanja naboja je da se naboj ne pojavljuje niotkuda i ne nestaje niotkuda. Kada se pojavi naelektrisanje jednog znaka, odmah se pojavljuje naelektrisanje suprotnog predznaka iste veličine.

Da bismo potvrdili ovaj zakon, sprovešćemo eksperiment. Za to su nam potrebna dva elektrometra. To su uređaji koji pokazuju električni naboj. Sastoji se od šipke na koju je pričvršćena os. Na osi je strelica. Sve je to smješteno u cilindrično kućište, zatvoreno s obje strane staklom.

Na štapu prvog elektrometra nalazi se metalni disk. Na koji ćemo postaviti još jedan sličan disk. Između diskova se mora postaviti neka vrsta izolatora. Na primjer, tkanina. Gornji disk ima dielektričnu ručku. Držeći ovu ručku, trljajte diskove jedan o drugi. Tako ih naelektriše.

Slika 1 — Elektrometri sa pričvršćenim diskovima

Nakon što uklonimo gornji disk, elektrometar će pokazati prisustvo naelektrisanja. Njegova igla će odstupiti. Zatim ćemo uzeti disk i dodirnuti ga sa štapom drugog elektrometra. Strelica će se takođe skrenuti, ukazujući na prisustvo naelektrisanja. Iako će naboj biti suprotnog predznaka. Zatim, ako spojimo šipke elektrometara, strelice će se vratiti u prvobitni položaj. Odnosno, optužbe se međusobno kompenzuju.

Slika 2 - kompenzacija punjenja diska

Šta se dogodilo u ovom eksperimentu? Kada smo trljali diskove jedan o drugi, došlo je do razdvajanja naelektrisanja u metalu diskova. U početku je svaki disk bio električno neutralan. Jedan od njih primio je višak elektrona, odnosno negativan naboj. Drugi je imao manjak elektrona, odnosno postao je pozitivno nabijen.

Optužbe u ovom slučaju nisu se pojavile niotkuda. Već su bili unutar provodnih diskova. Samo su oni međusobno kompenzirani. Upravo smo ih razdvojili. Postavljanjem na različite diskove. Kada smo spojili štapove elektrometara, naboji su se ponovo međusobno kompenzirali. Šta su pokazivale strelice?

Ako posmatramo elektrometre i diskove kao jedan sistem. Odnosno, uprkos svim našim manipulacijama, ukupni naboj ovog sistema je bio konstantan sve vreme. U početnom trenutku diskovi su bili električno neutralni. Nakon razdvajanja pojavili su se volumetrijski pozitivni i negativni naboji. Bile su iste veličine. To znači da napunjenost u sistemu ostaje ista. Nakon spajanja šipki, sistem se vratio u prvobitno stanje.

Eksperimenti jasno pokazuju da kada su tijela naelektrizirana uvijek se pojavljuju naboji suprotnih predznaka. Ako jedno od dva tijela postane negativno nabijeno zbog interakcije, onda će drugo imati pozitivan naboj.

Uzmimo dva elektrometra sa identičnim kuglicama i pripremimo ih za mjerenje električnih naboja. Da bismo to učinili, uzemljili smo njihova metalna kućišta.

Ploča od organskog stakla, podijeljena na tri ploče, čija je površina prekrivena papirom. Ako zatim dodirnemo metalne kuglice svakom pločom, vidjet ćemo da igle galvanometra odstupaju pod istim uglom (slika 4.10). Da bismo odredili predznak nastalih naboja, na obje kuglice naizmjence donosimo štapić od ebonita protrljanog krznom. Jedan elektrometar će smanjiti očitanja, a drugi će ih povećati. To ukazuje da kuglice elektrometra imaju naboje suprotnih predznaka. Ove izjave se mogu provjeriti korištenjem drugog eksperimenta. Da bismo to učinili, obje kuglice na elektrometrima povezujemo žicom na izolacijskoj ručki. Igle oba elektrometra će odmah pasti na nulu (slika 4.11). Ovo ukazuje na potpunu neutralizaciju naelektrisanja. Analiza provedenih eksperimenata pokazuje da u prirodi djeluje zakon održanja električnih naboja.

Zakon održanja električnih naboja . U zatvorenom sistemu, algebarski zbir električnih naboja tela koja čine ovaj sistem ostaje konstantan.

Q 1 + Q 2 + Q 3 + … + Qn= konst.

Benjamin Franklin(1706-1790) - izvanredan američki političar; radio u oblasti fizike: razvio teoriju koja objašnjava elektrifikaciju strujanjem „električnog fluida“, uveo koncept pozitivnog i negativnog naelektrisanja; istraživao električne pojave u atmosferi.

prvi je formulisao američki naučnik B. Franklin 1747. godine.

Prilikom rješavanja fizičkih problema korištenjem zakon održanja električnog naboja koriste se vrijednosti električnih naboja sa njihovim predznacima.

Naučnici poznaju fizičke procese tokom kojih se od elektromagnetnog zračenja formiraju elementarne čestice. Tipičan primjer takvog fenomena je obrazovanje elektron I pozitron od γ-zračenja koje se pojavljuje tokom radioaktivnih transformacija materije. Brojne studije su jasno dokazale da se elektron s negativnim nabojem u ovim transformacijama uvijek pojavljuje u paru s pozitronom s pozitivnim nabojem. Algebarski zbir naelektrisanja elektrona i pozitrona jednak je nuli. Elektromagnetno zračenje uopće nema naboj. dakle,

u reakciji formiranja para elektron-pozitron Zakoni održanja su fundamentalni fizički zakoni, prema kojima se, pod određenim uslovima, neke mjerljive fizičke veličine koje karakteriziraju zatvoreni fizički sistem ne mijenjaju tokom vremena. Neki od zakona... ... Wikipedia.

q elektron +pozitron q = 0.

Positron — elementarna čestica čija je masa približno jednaka masi elektrona; Naboj pozitrona je pozitivan i jednak naboju elektrona.

Na osnovu zakon održanja električnog naboja objašnjava elektrifikaciju makroskopskih tijela.

Kao što je poznato, sva tijela se sastoje od atoma, koji uključuju elektrona I protona. Broj elektrona i protona u nenabijenom tijelu je isti. Dakle, takvo tijelo ne ispoljava električno djelovanje na druga tijela. Ako su dva tijela u bliskom kontaktu (prilikom trljanja, kompresije, udara, itd.), tada su elektroni povezani s atomima mnogo slabiji od protona i kreću se od jednog tijela do drugog. Materijal sa sajta

Tijelo na koje su elektroni prenijeli imat će ih višak. Prema zakonu održanja, električni naboj ovog tijela bit će jednak algebarskom zbiru pozitivnih naboja svih protona i naboja svih elektrona. Ovaj naboj će biti negativan i jednak po vrijednosti zbiru naboja viška elektrona.

Tijelo s viškom elektrona ima negativan naboj.

Tijelo koje je izgubilo elektrone imat će pozitivan naboj, čiji će modul biti jednak zbiru naboja elektrona koje je tijelo izgubilo.

Tijelo s pozitivnim nabojem ima manje elektrona nego protona.

Zakon održanja električnog naboja djeluje bez obzira da li se nabijena tijela kreću ili ne. Ovo svojstvo naplate naziva se invarijantnost. Naelektrisanje elektrona je 1,6. 10 -19 C i pri brzini od 200 m/s i pri brzini od 100.000 km/s. Da je drugačije, tada bi elektroni imali neka svojstva u slobodnom stanju i potpuno drugačija u atomu. Ali to nauka nije utvrdila.

Električni naboj se ne mijenja kada se tijelo pomakne u drugi referentni sistem.

Na ovoj stranici nalazi se materijal o sljedećim temama:

• Potaknuti zakoni očuvanja

• Bilješke o zakonu održanja električnog naboja

• Zakon održanja električnog naboja

• Zakon održanja energije. elektrifikacija tijela

• Eksperimenti koji potvrđuju zakon održanja električnog naboja

Pitanja o ovom materijalu:

Zakon održanja električnog naboja kaže da je algebarski zbir naelektrisanja u električno zatvorenom sistemu očuvan.

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

Zakon održanja naboja i invarijantnost kalibra

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

Zakon održanja naelektrisanja u integralnom obliku

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

Ovdje je neka proizvoljna regija u trodimenzionalnom prostoru, - granica ove regije, - gustina naelektrisanja, - gustina struje (gustina fluksa električnog naboja) preko granice.

Zakon održanja naelektrisanja u diferencijalnom obliku

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

Zakon održanja naelektrisanja u elektronici

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

Eksperimentalna verifikacija

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

međutim, postoje teorijski argumenti da do takvog raspada jednog fotona ne može doći čak i ako naboj nije očuvan. Još jedan neobičan proces koji ne očuva naboj je spontana transformacija elektrona u pozitron i nestanak naboja (prelazak u dodatne dimenzije, tuneliranje iz brane, itd.). Najbolja eksperimentalna ograničenja na nestanak elektrona zajedno s električnim nabojem i na beta raspad neutrona bez emisije elektrona.