Lagen om bevarande av laddningsdefinition och formel. Lagen om bevarande av elektrisk laddning – Kunskapsstormarknad

Lagen om bevarande av laddning är en grundläggande naturlag. Det etablerades baserat på en generalisering av experimentella data. Bekräftad 1843 av den engelske fysikern M. Faraday.

Formulering av lagen om bevarande av elektrisk laddning

I alla slutna system är den algebraiska summan av laddningar ett konstant värde, oavsett vilka processer som sker i detta system.

där N är antalet laddningar.

Elektrisk laddning är en relativistiskt invariant storhet, vilket innebär att laddningen är oberoende av referensramen, det vill säga laddningens storlek beror inte på laddningens rörelse eller vila.

Empiriskt (R. Millikans experiment) bevisades det att elektrisk laddning är en diskret storhet. Laddningen av en kropp är en heltalsmultipel av elektronladdningen, som kallas elementärladdningen. Laddningen av elektronen är

Elektrifiering av kroppar

Kroppar i naturen kan få en elektrisk laddning. Processen att skaffa en elektrisk laddning kallas elektrifiering. Elektrifiering kan realiseras på olika sätt: friktion, med hjälp av elektrostatisk induktion, etc. Men varje process för en kropp som tar emot en laddning är en separation av laddningar. I det här fallet får en kropp eller del av den en överdriven positiv laddning, medan den andra kroppen (dess del) har en överdriven negativ laddning. Summan av avgiften för båda tecknen som kropparna innehåller ändras inte, avgifterna upplever bara omfördelning.

När en laddad ledare ansluts till en oladdad, omfördelas laddningen mellan båda kropparna. Låt oss anta att en kropp har en negativ laddning, den är kopplad till en oladdad kropp. Elektroner i en laddad kropp, under påverkan av ömsesidiga repulsionskrafter, flyttar till en oladdad kropp. I detta fall minskar laddningen av den första kroppen, laddningen av den andra ökar, tills jämvikt uppstår.

Om positiva och negativa laddningar kombineras tar de ut varandra. Det betyder att genom att kombinera negativa och positiva laddningar av samma storlek får vi en oladdad kropp.

När kroppar elektrifieras med friktion sker också en omfördelning av laddningar. Den främsta anledningen till detta är överföringen av vissa elektroner under nära kontakt med kroppar från en kropp till en annan.

Exempel på problemlösning

EXEMPEL 1

Träning	Två identiska ledande bollar har laddningar och. Den ena bollen berörde den andra, varefter den bars en bit bort. Vad var laddningen för varje boll efter kontakt ()?
Lösning	Grunden för att lösa denna laddning är lagen om bevarande av laddning. Vi kommer att anta att systemet med de två bollarna i fråga är stängt. Före kontakt är systemets laddning lika med: Eftersom systemet är stängt kommer den totala laddningen av dessa två bollar inte att förändras efter kontakt och kommer att förbli lika. Enligt villkoren för problemet är bollarna identiska, därför vid kontakt kommer laddningen mellan kropparna att delas lika i två delar, vi får:
Svar

EXEMPEL 2

Leder till att lagen om bevarande av laddning har lokal karaktär: förändringen i laddning i en förutbestämd volym är lika med laddningsflödet över dess gräns. I den ursprungliga formuleringen skulle följande process vara möjlig: en laddning försvinner vid en punkt i rymden och uppträder omedelbart vid en annan. En sådan process skulle dock vara relativistiskt icke-invariant: på grund av simultanitetens relativitet skulle laddningen i vissa referensramar dyka upp på en ny plats innan den försvann i den föregående, och i vissa skulle laddningen dyka upp på en ny plats en tid efter att ha försvunnit i den föregående. Det vill säga att det skulle finnas en tidsperiod under vilken avgiften inte behålls. Ortskravet tillåter oss att skriva ned avgiftsvårdslagen i differentiell och integral form.

Lagen om bevarande av laddning i integral form

Kom ihåg att den elektriska laddningens flödestäthet helt enkelt är strömtätheten. Det faktum att förändringen i laddningen i volymen är lika med den totala strömmen genom ytan kan skrivas i matematisk form:

Här är Ω ett godtyckligt område i det tredimensionella rummet, är gränsen för denna region, ρ är laddningstätheten och är strömtätheten (elektrisk laddningsflödestäthet) över gränsen.

Lagen om bevarande av laddning i differentiell form

Genom att flytta till en infinitesimal volym och använda Stokes sats vid behov, kan vi skriva om laddningskonserveringslagen i lokal differentialform (kontinuitetsekvation)

Lagen om bevarande av laddning i elektronik

Kirchhoffs regler för strömmar följer direkt av lagen om laddningens bevarande. Kombinationen av ledare och radioelektroniska komponenter presenteras som ett öppet system. Det totala inflödet av laddningar till ett givet system är lika med den totala utmatningen av laddningar från systemet. Kirchhoffs regler förutsätter att ett elektroniskt system inte nämnvärt kan ändra sin totala avgift.

Wikimedia Foundation. 2010.

Se vad "lagen om bevarande av elektrisk laddning" är i andra ordböcker:

LAG OM BEVARANDE AV ELEKTRISK LADNING- en av de grundläggande naturlagarna, som består i det faktum att den algebraiska summan av de elektriska laddningarna i ett slutet (elektriskt isolerat) system förblir oförändrat, oavsett vilka processer som sker inom detta system... Big Polytechnic Encyclopedia

lagen om bevarande av elektrisk laddning

Lagen om bevarande av laddning- lagen om bevarande av elektrisk laddning, lagen enligt vilken den algebraiska summan av de elektriska laddningarna för alla partiklar i ett isolerat system inte förändras under de processer som sker i det. Elektrisk laddning av alla partiklar eller system av partiklar... ... Begrepp av modern naturvetenskap. Ordlista över grundläggande termer

Bevarandelagar är grundläggande fysiska lagar, enligt vilka, under vissa förhållanden, vissa mätbara fysiska storheter som kännetecknar ett slutet fysiskt system inte förändras över tiden. Några av lagarna... ... Wikipedia

avgiftsvårdslagen- krūvio tvermės dėsnis statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. avgiftsbevarande lag; lagen om bevarande av elektrisk laddning vok. Erhaltungssatz der elektrischen Ladung, m; Ladungserhaltungssatz, m rus. avgiftsvårdslag, m; lag... ... Fizikos terminų žodynas

Lagen om bevarande av elektrisk laddning säger att den algebraiska summan av laddningarna i ett elektriskt slutet system är bevarad. Lagen om bevarande av laddning är uppfylld helt exakt. För tillfället förklaras dess ursprung som en konsekvens av principen... ... Wikipedia

Smak i partikelfysik Smaker och kvantnummer: Leptonnummer: L Baryonnummer: B Konstigheter: S Charm: C Charm: B Sanning: T Isospin: I or Iz Weak Isospin: Tz ... Wikipedia

Lagen för bevarande av energi är en grundläggande naturlag, etablerad empiriskt och består i det faktum att för ett isolerat fysiskt system kan en skalär fysisk kvantitet införas, som är en funktion av systemets parametrar och ... .. . Wikipedia

Lagen om bevarande av laddning säger att under interaktionen av ett slutet system med det omgivande rummet, är mängden laddning som lämnar systemet genom dess yta lika med mängden laddning som kom in i systemet. Med andra ord är den algebraiska summan av alla laddningar i systemet lika med noll.

Formel 1 - Lag om bevarande av laddning

Som bekant i naturen finns det två typer av laddningar. Dessa är positiva och negativa. Dessutom är avgiftsbeloppet diskret, det vill säga det kan bara ändras i portioner. Den elementära laddningen är laddningen av en elektron. Om en elektron adderas till en atom blir den en negativt laddad jon. Och om du tar bort det är det positivt.

Huvudtanken med lagen om bevarande av laddning är att laddning inte dyker upp från ingenstans och inte försvinner i ingenstans. När en laddning av ett tecken visas, visas en laddning av motsatt tecken av samma storlek omedelbart.

För att bekräfta denna lag kommer vi att genomföra ett experiment. För detta behöver vi två elektrometrar. Dessa är enheter som indikerar elektrisk laddning. Den består av en stång på vilken en axel är fäst. Det finns en pil på axeln. Allt detta placeras i ett cylindriskt hölje, stängt på båda sidor med glas.

Det finns en metallskiva på staven på den första elektrometern. På vilken vi kommer att placera en annan liknande disk. Någon form av isolator måste läggas mellan skivorna. Till exempel tyg. Den övre skivan har ett dielektriskt handtag. Håll i detta handtag och gnid skivorna mot varandra. Alltså elektrifiera dem.

Figur 1 — Elektrometrar med skivor anslutna till dem

När vi har tagit bort den övre skivan kommer elektrometern att visa närvaron av laddning. Hans nål kommer att avvika. Därefter tar vi skivan och rör vid den andra elektrometerns stav. Pilen kommer också att avböjas, vilket indikerar närvaron av en laddning. Även om avgiften kommer att vara av motsatt tecken. Därefter, om vi ansluter elektrometrarnas stavar, kommer pilarna att återgå till sin ursprungliga position. Det vill säga avgifterna kompenserar varandra.

Figur 2 - kompensation för diskladdning

Vad hände i detta experiment? När vi gnuggade skivorna mot varandra uppstod en separation av laddningar i skivornas metall. Till en början var varje skiva elektriskt neutral. En av dem fick ett överskott av elektroner, det vill säga en negativ laddning. Den andra hade brist på elektroner, det vill säga den blev positivt laddad.

Anklagelserna i det här fallet dök inte upp från ingenstans. De var redan inne i ledningsskivorna. Bara de kompenserades sinsemellan. Vi skilde dem bara åt. Genom att placera dem på olika skivor. När vi kopplade ihop elektrometrarnas stavar kompenserade laddningarna igen för varandra. Vad indikerade pilarna?

Om vi ​​betraktar elektrometrar och skivor som ett enda system. Det vill säga, trots alla våra manipulationer var den totala laddningen av detta system konstant hela tiden. Vid det första ögonblicket var skivorna elektriskt neutrala. Efter separation uppträdde volymetriska positiva och negativa laddningar. De var precis lika stora. Detta innebär att laddningen i systemet förblir densamma. Efter att ha kopplat ihop stavarna återgick systemet till sitt ursprungliga tillstånd.

Experiment visar tydligt att när kroppar elektrifieras uppstår alltid laddningar av motsatta tecken. Om en av de två kropparna blir negativt laddade på grund av interaktion, kommer den andra att ha en positiv laddning.

Låt oss ta två elektrometrar med identiska kulor och förbereda dem för att mäta elektriska laddningar. För att göra detta jordade vi deras metallhöljen.

En tallrik av organiskt glas i tre plattor, vars yta är täckt med papper. Om vi ​​sedan rör vid metallkulorna med varje platta kommer vi att se att galvanometernålarna avviker i samma vinkel (Fig. 4.10). För att bestämma tecknet på de resulterande laddningarna tar vi en ebonitpinne gnidad med päls till båda bollarna i tur och ordning. En elektrometer kommer att minska avläsningarna, och den andra kommer att öka det. Detta indikerar att elektrometerkulorna har laddningar med motsatta tecken. Dessa påståenden kan verifieras med ett annat experiment. För att göra detta ansluter vi båda bollarna på elektrometrarna med en tråd på ett isolerande handtag. Nålarna på båda elektrometrarna kommer omedelbart att sjunka till noll (Fig. 4.11). Detta indikerar fullständig neutralisering av laddningar. Analys av de utförda experimenten visar att det fungerar i naturen lagen om bevarande av elektriska laddningar.

Lagen om bevarande av elektriska laddningar . I ett slutet system förblir den algebraiska summan av de elektriska laddningarna från de kroppar som utgör detta system konstant.

Q 1 + Q 2 + Q 3 + … + Qn= konst.

Benjamin Franklin(1706-1790) - en enastående amerikansk politiker; arbetade inom fysikområdet: utvecklade en teori som förklarar elektrifiering genom flödet av "elektrisk vätska", introducerade begreppet positiv och negativ laddning; undersökte elektriska fenomen i atmosfären.

formulerades första gången av den amerikanske vetenskapsmannen B. Franklin 1747.

När du löser fysiska problem med hjälp av lagen om bevarande av elektrisk laddning värdena för elektriska laddningar används med deras tecken.

Forskare känner till de fysiska processer under vilka elementarpartiklar bildas från elektromagnetisk strålning. Ett typiskt exempel på ett sådant fenomen är utbildning elektron Och positron från γ-strålning som uppstår under radioaktiva omvandlingar av materia. Många studier har tydligt bevisat att en elektron med negativ laddning alltid uppträder i dessa transformationer i par med en positiv laddningspositron. Den algebraiska summan av laddningarna av en elektron och en positron är lika med noll. Elektromagnetisk strålning har ingen laddning alls. Således,

i reaktionen för bildning av ett elektron-positronpar avgiftsvårdslagen.

q elektron +positron q = 0.

Positron — en elementarpartikel med en massa som är ungefär lika med massan av en elektron. Laddningen av en positron är positiv och lika med laddningen av en elektron.

Baserad lagen om bevarande av elektrisk laddning förklarar elektrifieringen av makroskopiska kroppar.

Som bekant består alla kroppar av atomer, vilket inkluderar elektroner Och protoner. Antalet elektroner och protoner i en oladdad kropp är detsamma. Därför uppvisar en sådan kropp ingen elektrisk effekt på andra kroppar. Om två kroppar är i nära kontakt (under gnidning, kompression, stöt, etc.), är elektroner associerade med atomer mycket svagare än protoner och rör sig från en kropp till en annan. Material från sajten

Kroppen som elektronerna har överförts till kommer att ha ett överskott av dem. Enligt bevarandelagen kommer den elektriska laddningen av denna kropp att vara lika med den algebraiska summan av de positiva laddningarna för alla protoner och laddningarna för alla elektroner. Denna laddning kommer att vara negativ och lika i värde som summan av laddningarna av överskottselektroner.

En kropp med ett överskott av elektroner har en negativ laddning.

En kropp som har förlorat elektroner kommer att ha en positiv laddning, vars modul kommer att vara lika med summan av laddningarna av de elektroner som förloras av kroppen.

En kropp med positiv laddning har färre elektroner än protoner.

Lagen om bevarande av elektrisk laddning fungerar oavsett om laddade kroppar rör sig eller inte. Denna laddningsegenskap kallas invarians. Elektronladdningen är 1,6. 10 -19 C både i en hastighet av 200 m/s och i en hastighet av 100 000 km/s. Om det vore annorlunda skulle elektroner ha vissa egenskaper i fritt tillstånd och helt andra i en atom. Men detta har inte fastställts av vetenskapen.

Den elektriska laddningen ändras inte när kroppen flyttar till ett annat referenssystem.

På denna sida finns material om följande ämnen:

• Spur bevarandelagar

• Lagen om bevarande av elektrisk laddning fysikanteckningar

• Lagen om bevarande av elektrisk laddning fuskblad

• Lagen om energihushållning. elektrifiering av kroppar

• Experiment som bekräftar lagen om bevarande av elektrisk laddning

Frågor om detta material:

Lagen om bevarande av elektrisk laddning anger att den algebraiska summan av laddningar i ett elektriskt slutet system är bevarad.

Lagen om bevarande av laddning är uppfylld helt exakt. För närvarande förklaras dess ursprung som en konsekvens av principen om mätinvarians. Kravet på relativistisk invarians leder till att avgiftsskyddslagen har lokal karaktär: förändringen i laddning i en förutbestämd volym är lika med laddningsflödet över dess gräns. I den ursprungliga formuleringen skulle följande process vara möjlig: en laddning försvinner vid en punkt i rymden och uppträder omedelbart vid en annan. En sådan process skulle dock vara relativistiskt icke-invariant: på grund av simultanitetens relativitet skulle laddningen i vissa referensramar dyka upp på en ny plats innan den försvann i den föregående, och i vissa skulle laddningen dyka upp på en ny plats en tid efter att ha försvunnit i den föregående. Det vill säga att det skulle finnas en tidsperiod under vilken avgiften inte behålls. Lokalitetskravet gör att vi kan skriva ned avgiftsvårdslagen i differentiell och integral form.

Avgiftsbevarandelag och mätinvarians

Fysikalisk teori säger att varje bevarandelag är baserad på en motsvarande grundläggande symmetriprincip. Lagarna för bevarande av energi, rörelsemängd och rörelsemängd är förknippade med egenskaperna hos rum-tidssymmetrier. Lagarna för bevarande av elektriska, baryon- och leptonladdningar är inte förknippade med rymdtidens egenskaper, utan med symmetrin hos fysiska lagar angående fastransformationer i det abstrakta rummet av kvantmekaniska operatorer och tillståndsvektorer. Laddade fält i kvantfältteorin beskrivs av en komplex vågfunktion, där x är rum-tid-koordinaten. Partiklar med motsatta laddningar motsvarar fältfunktioner som skiljer sig i fasens tecken, vilket kan betraktas som en vinkelkoordinat i något fiktivt tvådimensionellt "laddningsrum". Laddningskonserveringslagen är en konsekvens av invariansen av Lagrangian under en global gauge-transformation av typen , där Q är laddningen för partikeln som beskrivs av fältet, och är ett godtyckligt reellt tal som är en parameter och oberoende av rymd- tidskoordinater för partikeln. Sådana transformationer ändrar inte modulen för funktionen, så de kallas enhetlig U(1).

Lagen om bevarande av laddning i integral form

Kom ihåg att flödestätheten för en elektrisk laddning helt enkelt är strömtätheten. Det faktum att förändringen i laddningen i volymen är lika med den totala strömmen genom ytan kan skrivas i matematisk form:

Här är något godtyckligt område i det tredimensionella rummet, - gränsen för denna region, - laddningstätheten, - strömtätheten (elektrisk laddningsflödestäthet) över gränsen.

Lagen om bevarande av laddning i differentiell form

Genom att flytta till en infinitesimal volym och använda Stokes sats vid behov, kan vi skriva om laddningskonserveringslagen i lokal differentialform (kontinuitetsekvation)

Lagen om bevarande av laddning i elektronik

Kirchhoffs regler för strömmar följer direkt av lagen om laddningens bevarande. Kombinationen av ledare och radioelektroniska komponenter presenteras som ett öppet system. Det totala inflödet av laddningar till ett givet system är lika med den totala utmatningen av laddningar från systemet. Kirchhoffs regler förutsätter att ett elektroniskt system inte nämnvärt kan ändra sin totala avgift.

Experimentell verifiering

Det bästa experimentella testet av lagen om bevarande av elektrisk laddning är sökandet efter sönderfall av elementarpartiklar som skulle tillåtas i fallet med icke-strikt laddningsbevarande. Sådana sönderfall har aldrig observerats. Den bästa experimentella begränsningen för sannolikheten för brott mot lagen om bevarande av elektrisk laddning kommer från ett sökande efter en foton med energin. mec 2/2 ≈ 255 keV, som uppstår i det hypotetiska sönderfallet av en elektron till en neutrino och en foton:

det finns dock teoretiska argument för att sådan enfotonnedbrytning inte kan inträffa även om laddningen inte bevaras. En annan ovanlig icke-laddningsbevarande process är den spontana omvandlingen av en elektron till en positron och laddningens försvinnande (övergång till ytterligare dimensioner, tunnling från branen, etc.). De bästa experimentella begränsningarna på försvinnandet av en elektron tillsammans med en elektrisk laddning och på beta-sönderfallet av en neutron utan elektronemission.