Интернет-магазин инструмента. — yato-tools.ru. Электротовары и инструмент.

Продажа и доставка ручного и элетрического инструмента.

Закрыть
Разное

Закон сохранения заряда формула: Электрический заряд. Закон сохранения заряда. Видеоурок. Физика 10 Класс

alexxlab
Закон сохранения электрического заряда — урок. Физика, 8 класс.

Возьмём два одинаковых электрометра и один из них зарядим (рис. 1). Его заряд соответствует \(6\) делениям шкалы.

dd.png

 

ddd.png

 

Если соединить эти электрометры стеклянной палочкой, то никаких изменений не произойдёт. Это подтверждает тот факт, что стекло является диэлектриком. Если же для соединения электрометров использовать металлический стержень А (рис. 2), держа его за не проводящую электричество ручку В, то можно заметить, что первоначальный заряд разделится на две равные части: половина заряда перейдёт с первого шара на второй. Теперь заряд каждого электрометра соответствует \(3\) делениям шкалы. Таким образом, первоначальный заряд не изменился, он только разделился на две части.

Если заряд передать от заряженного тела к незаряженному телу такого же размера, то заряд разделится пополам между двумя этими телами. Но если второе, незаряженное тело, будет больше, чем первое, то на второе перейдёт больше половины заряда. Чем больше тело, которому передают заряд, тем большая часть заряда на него перейдёт.

Но общая сумма заряда при этом не изменится. Таким образом, можно утверждать, что заряд сохраняется. Т.е. выполняется закон сохранения электрического заряда.

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остаётся неизменной:

q1+q2+q3+…+qn \(=\) const,

где q1, q2 и т.д. — заряды частиц.

Замкнутой считают систему, в которую не входят заряды извне, а также не выходят из неё наружу.

Экспериментально установлено, что при электризации тел тоже выполняется закон сохранения электрического заряда. Нам уже известно, что электризация — это процесс получения электрически заряженных тел из электронейтральных. При этом заряжаются оба тела. Например, при натирании стеклянной палочки шёлковой тканью стекло приобретает положительный заряд, а шёлк становится отрицательно заряженным. В начале эксперимента ни одно из тел заряжено не было. В конце эксперимента оба тела заряжены. Экспериментально установлено, что эти заряды противоположны по знаку, но одинаковы по численному значению, т.е. их сумма равна нулю. Если тело заряжено отрицательно и при электризации оно ещё приобретает отрицательный заряд, то заряд тела возрастает. Но суммарный заряд этих двух тел не меняется.

Пример:

До электризации первое тело имеет заряд \(-2\) у.е (у.е. — условная единица заряда). В ходе электризации оно приобретает еще \(4\) отрицательных заряда. Тогда после электризации его заряд становится равен \(-2 + (-4) = -6\) у.е. Второе тело в результате электризации отдаёт \(4\) отрицательных заряда, и его заряд будет равным \(+4\) у.е. Суммируя заряд первого и второго тела в конце эксперимента, получим \(-6 + 4 = -2\) у.е. А такой заряд был у них до эксперимента.

Источники:

Пёрышкин А.В. Физика, 8 класс// ДРОФА, 2013.

http://fizika.in/elektrodinamika/elekrostatika/70-elektroskop-delimost-elektricheskogo-zaryada.html

Содержание

Закон сохранения электрических зарядов

Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. Эти силы называют электромагнитными силами.

Закон сохранения электрического заряда

В обычных условиях микроскопические тела являются электрически нейтральными, потому что положительно и отрицательно заряженные частицы, которые образуют атомы, связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы. Если электрическая нейтральность тела нарушена, то такое тело называется наэлектризованное тело

. Для электризации тела необходимо, чтобы на нём был создан избыток или недостаток электронов или ионов одного знака.

Способы электризации тел, которые представляют собой взаимодействие заряженных тел, могут быть следующими:

  1. Электризация тел при соприкосновении. В этом случае при тесном контакте небольшая часть электронов переходит с одного вещества, у которого связь с электроном относительно слаба, на другое вещество.
  2. Электризация тел при трении. При этом увеличивается площадь соприкосновения тел, что приводит к усилению электризации.
  3. Влияние. В основе влияния лежит явление электростатической индукции, то есть наведение электрического заряда в веществе, помещённом в постоянное электрическое поле.
  4. Электризация тел под действием света. В основе этого лежит фотоэлектрический эффект, или
    фотоэффект    , когда под действием света из проводника могут вылетать электроны в окружающее пространство, в результате чего проводник заряжается.

Многочисленные опыты показывают, что когда имеет место электризация тела, то на телах возникают электрические заряды, равные по модулю и противоположные по знаку.

Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов на теле по сравнению с протонами, а положительный заряд обусловлен недостатком электронов.

Когда происходит электризация тела, то есть когда отрицательный заряд частично отделяется от связанного с ним положительного заряда, выполняется закон сохранения электрического заряда. Закон сохранения заряда справедлив для замкнутой системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы.

Закон сохранения электрического заряда формулируется следующим образом:

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остаётся неизменной:

q1 + q2 + q3 + … + qn = const

где
q1, q2 и т.д. – заряды частиц.

Определения

Элементарные частицы могут иметь эл. заряд, тогда они называются заряженными;

Элементарные частицы — взаимодействуют друг с другом с силами, которые зависят от расстояния между частицами, но превышают во много раз силы взаимного тяготения (это взаимодействие называется электромагнитным).

Электрический заряд — физическая величина, определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Существует 2 знака эл.зарядов:

  • положительный
  • отрицательный

Частицы с одноименными зарядами отталкиваются, с разноименными — притягиваются. Протон имеет положительный заряд, электрон —

отрицательный, нейтрон — электрически нейтрален.

Элементарный заряд — минимальный заряд, разделить который невозможно.

Чем объяснить наличие электромагнитных сил в природе? — в состав всех тел входят заряженные частицы.

В обычном состоянии тела электрически нейтральны (т.к. атом нейтрален), и электромагнитные силы не проявляются.

Тело заряжено, если имеет избыток зарядов какого-либо знака:

  • отрицательно заряжено — если избыток электронов;
  • положительно заряжено — если недостаток электронов.

Электризация тел — это один из способов получения заряженных тел, например, соприкосновением).

При этом оба тела заряжаются , причем заряды противоположны по знаку, но равны по модулю.

Взаимодействие электрически заряженных тел

Взаимодействие тел, имеющих заряды одинакового или разного знака, можно продемонстрировать на следующих опытах. Наэлектризуем эбонитовую палочку трением о мех и прикоснёмся ею к металлической гильзе, подвешенной на шёлковой нити.

На гильзе и эбонитовой палочке распределяются заряды одного знака (отрицательные заряды). Приближая заряженную отрицательно эбонитовую палочку к заряженной гильзе, можно увидеть, что гильза будет отталкиваться от палочки (рис. 1.1).

Если теперь поднести к заряженной гильзе стеклянную палочку, потёртую о шёлк (положительно заряженную), то гильза будет к ней притягиваться (рис. 1.2).

Закон сохранения электрического заряда на практике

Возьмём два одинаковых электрометра и один из них зарядим (рис. 2.1). Его заряд соответствует 6 делениям шкалы.

Если соединить эти электрометры стеклянной палочкой, то никаких изменений не произойдёт. Это подтверждает тот факт, что стекло является диэлектриком. Если же для соединения электрометров использовать металлический стержень А (рис. 2.2), держа его за не проводящую электричество ручку В, то можно заметить, что первоначальный заряд разделится на две равные части: половина заряда перейдёт с первого шара на второй. Теперь заряд каждого электрометра соответствует 3 делениям шкалы. Таким образом, первоначальный заряд не изменился, он только разделился на две части.

Если заряд передать от заряженного тела к незаряженному телу такого же размера, то заряд разделится пополам между двумя этими телами. Но если второе, незаряженное тело, будет больше, чем первое, то на второе перейдёт больше половины заряда. Чем больше тело, которому передают заряд, тем большая часть заряда на него перейдёт.

Но общая сумма заряда при этом не изменится. Таким образом, можно утверждать, что заряд сохраняется. Т.е. выполняется закон сохранения электрического заряда.

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 e = 1.6 × 10-19 Кл.

В реакции образования электронно-позитронной пары действует закон сохранения заряда.

qэлектрона + qпозитрона = 0.

Позитрон — элементарная частица, имеющая массу, приблизительно равную массе электрона; заряд позитрона положительный и равен заряду электрона.

На основании закона сохранения электрического заряда объясняется электризация макроскопических тел.

Как известно, все тела состоят из атомов, в состав которых входят электроны и протоны. Количество электронов и протонов в составе незаряженного тела одинаковое. Поэтому такое тело не проявляет электрического действия на другие тела. Если же два тела находятся в тесном контакте (при натирании, сжатии, ударе и т.п.), то электроны, связанные с атомами значительно слабее, чем протоны, переходят с одного тела на другое.

Тело, на которое перешли электроны, будет иметь их избыток. Согласно закону сохранения электрический заряд этого тела будет равняться алгебраической сумме положительных зарядов всех протонов и зарядов всех электронов. Этот его заряд будет отрицательным и по значению равным сумме зарядов избыточных электронов.

У тела с излишком электронов отрицательный заряд.

Тело, утратившее электроны, будет иметь положительный заряд, модуль которого бу­дет равен сумме зарядов электронов, поте­рянных телом.

У тела, имеющего положитель­ный заряд, электронов мень­ше, чем протонов.

Электрический заряд не изме­няется при переходе тела в другую систему отсчета.

В вашем браузере отключен Javascript.
Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!
Закон сохранения заряда — это… Что такое Закон сохранения заряда?

Зако́н сохране́ния электри́ческого заря́да гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

Закон сохранения заряда выполняется абсолютно точно. На данный момент его происхождение объясняют следствием принципа калибровочной инвариантности[1][2]. Требование релятивистской инвариантности приводит к тому, что закон сохранения заряда имеет локальный характер: изменение заряда в любом наперёд заданном объёме равно потоку заряда через его границу. В изначальной формулировке был бы возможен следующий процесс: заряд исчезает в одной точке пространства и мгновенно возникает в другой. Однако такой процесс был бы релятивистски неинвариантен: из-за относительности одновременности в некоторых системах отсчёта заряд появился бы в новом месте до того, как исчез в предыдущем, а в некоторых — заряд появился бы в новом месте спустя некоторое время после исчезновения в предыдущем. То есть был бы отрезок времени, в течение которого заряд не сохраняется. Требование локальности позволяет записать закон сохранения заряда в дифференциальной и интегральной форме.

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, где x — пространственно-временная координата. Частицам с противоположными зарядами соответствуют функции поля, различающиеся знаком фазы , которую можно считать угловой координатой в некотором фиктивном двумерном «зарядовом пространстве». Закон сохранения заряда является следствием инвариантности лагранжиана относительно глобального калибровочного преобразования типа , где Q — заряд частицы, описываемой полем , а  — произвольное вещественное число, являющееся параметром и не зависящее от пространственно-временных координат частицы. Такие преобразования не меняют модуля функции, поэтому они называются унитарными U(1).[3][4]

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:

Здесь  — некоторая произвольная область в трёхмерном пространстве,  — граница этой области,  — плотность заряда,  — 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)

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.[5] 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:

однако существуют теоретические аргументы в пользу того, что такой однофотонный распад не может происходить даже в случае, если заряд не сохраняется.[7] Другой необычный несохраняющий заряд процесс — спонтанное превращение электрона в позитрон[8] 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:

Примечания

  1. ↑ Яворский Б. М. «Справочник по физике для инженеров и студентов вузов» / Б. М. Яворский, А. А. Детлаф, А. К. Лебедев, 8-ое изд., М., ООО «Издательство Оникс», ООО «Издательство Мир и образование», 2006, ISBN 5-488-00330-4 (ООО «Издательство Оникс»), ISBN 5-94666-260-0 (ООО «Издательство Мир и образование»), ISBN 985-13-5975-0 (ООО «Харвест»), УДК 530(035) ББК 22.3, Разд. VII «Основы ядерной физики и физики элементарных частиц», Гл. 4 «Элементарные частицы», п. 3 «Гравитация. Квантовая электродинамика.», с. 952;
  2. ↑ Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Теоретическая физика», учебн. пособ. для вузов, в 10 т. / т. 4, «Квантовая электродинамика», 4-е изд., исправл., М., «Физматлит», 2001, 720 с., тир. 2000 экз., ISBN 5-9221-0058-0 (т. 4), гл. 5 «Излучение», п. 43 «Оператор электромагнитного взаимодействия», с. 187—190.
  3. ↑ Окунь Л. Б. Лептоны и кварки, изд 3-е, стереотипное, М.: Едиториал УРСС, 2005, 352 с., ISBN 5-354-01084-5, гл. 19 Калибровочная инвариантность. Глобальная абелева симметрия U(1)., с. 179
  4. ↑ Яворский Б. М. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. / Б. М. Яворский, А. А. Детлаф, А. К. Лебедев, 8-е изд. перераб. и испр., М., ООО «Издательство Оникс», ООО «Издательство Мир и Образование», 2006, 1056 стр., ил., ISBN 5-488-00330-4 (ООО «Издательсто Оникс»), ISBN 5-94666-260-0 (Издательство «Мир и Образование»), ISBN 985-13-5975-0 (ООО «Харвест»), Раздел VII. Основы ядерной физики и физики элементарных частиц. Глава 4. «Элементарные частицы» п. 1 «Принципы теории» cтр. 912—925.
  5. ↑ J. Beringer et al. (2012). «Tests of Conservation Laws». Phys. Rev. D 86: 010001.
  6. ↑ H.O. Back et al. (2002). «Search for electron decay mode e → γ + ν with prototype of Borexino detector». Physics Letters B 525 (1-2): 29–40. DOI:10.1016/S0370-2693(01)01440-X. Bibcode: 2002PhLB..525…29B.
  7. ↑ L.B. Okun (1989). «Comments on Testing Charge Conservation and Pauli Exclusion Principle». Comments on Nuclear and Particle Physics 19 (3): 99–116.
  8. ↑ R.N. Mohapatra (1987). «Possible Nonconservation of Electric Charge». Physical Review Letters 59 (14): 1510–1512. DOI:10.1103/PhysRevLett.59.1510. Bibcode: 1987PhRvL..59.1510M.
  9. ↑ DOI:10.1016/S0370-2693(99)01091-6. Bibcode: 1999PhLB..465..315B..
  10. ↑ Norman E.B., Bahcall J.N., Goldhaber M. (1996). «Improved limit on charge conservation derived from 71Ga solar neutrino experiments». Physical Review D53 (7): 4086–4088. DOI:10.1103/PhysRevD.53.4086. Bibcode: 1996PhRvD..53.4086N.
Конспект «Закон сохранения электрического заряда»

«Закон сохранения электрического заряда»

Закон сохранения электрического заряда — один из фундаментальных законов природы. Закон сохранения заряда был открыт в 1747 г. Б. Франклином.

Электрон — частица, входящая в состав атома. В истории физики существовало несколько моделей строения атома. Одна из них, позволяющая объяснить ряд экспериментальных фактов, в том числе явление электризации, была предложена Э. Резерфордом. На основании проделанных опытов он сделал вывод о том, что в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. У нейтрального атома положительный заряд ядра равен суммарному отрицательному заряду электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных частиц нейтронов. Заряд протона по модулю равен заряду электрона. Если из нейтрального атома удалены один или несколько электронов, то он становится положительно заряженным ионом; если к атому присоединяются электроны, то он становится отрицательно заряженным ионом.

Знания о строении атома позволяют объяснить явление электризации трением. Электроны, слабо связанные с ядром, могут отделиться от одного атома и присоединиться к другому. Это объясняет, почему на одном теле может образоваться недостаток электронов, а на другом — их избыток. В этом случае первое тело становится заряженным положительно, а второе — отрицательно.

Закон сохранения заряда

При электризации происходит перераспределение заряда, электризуются оба тела, приобретая равные по модулю заряды противоположных знаков.  При этом алгебраическая сумма электрических зарядов до и после электризации остаётся постоянной:

q1 + q2 + … + qn = const.

Алгебраическая сумма зарядов пластин до и после электризации равна нулю. Записанное равенство выражает фундаментальный закон природы — закон сохранения электрического заряда.

сохранение электрического заряда

 

Как и любой физический закон, он имеет определённые границы применимости: он справедлив для замкнутой системы тел, т.е. для совокупности тел, изолированных от других объектов.

Закон сохранения электрического заряда

Конспект урока «Закон сохранения электрического заряда».

Следующая тема: «Электрическое поле. Проводники и диэлектрики».

 

Закон сохранения электрического заряда — это… Что такое Закон сохранения электрического заряда? 
Закон сохранения электрического заряда

Закон сохранения электрического заряда гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

q_1+q_2+q_3+ \ldots + q_n = const

Требование релятивистской инвариантности приводит к тому, что закон сохранения заряда имеет локальный характер: изменение заряда в любом наперёд заданном объёме равно потоку заряда через его границу. В изначальной формулировке был бы возможен следующий процесс: заряд исчезает в одной точке пространства и мгновенно возникает в другой. Однако, такой процесс был бы релятивистски неинвариантен: из-за относительности одновременности в некоторых системах отсчёта заряд появился бы в новом месте до того, как исчез в предыдущем, а в некоторых — заряд появился бы в новом месте спустя некоторое время после исчезновения в предыдущем. То есть был бы отрезок времени, в течение которого заряд не сохраняется. Требование локальности позволяет записать закон сохранения заряда в дифференциальной и интегральной форме.

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:

\frac{\partial}{\partial t}\int\limits_{\Omega} \rho dV = - \oint\limits_{\partial \Omega} \vec{j}\cdot d\vec{S}

Здесь Ω — некоторая произвольная область в трёхмерном пространстве, \partial \Omega — граница этой области, ρ — плотность заряда, \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)

\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.

Wikimedia Foundation. 2010.

  • Закон соответственных состояний
  • Закон стила (фильм)

Смотреть что такое «Закон сохранения электрического заряда» в других словарях:

  • ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА — один из основных законов природы, состоящий в том, что алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой (электрически изолированной) системы остаётся неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы …   Большая политехническая энциклопедия

  • закон сохранения электрического заряда — krūvio tvermės dėsnis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. charge conservation law; law of conservation of electric charge vok. Erhaltungssatz der elektrischen Ladung, m; Ladungserhaltungssatz, m rus. закон сохранения заряда, m; закон… …   Fizikos terminų žodynas

  • Закон сохранения заряда —  закон сохранения электрического заряда закон, согласно которому алгебраическая сумма электрических зарядов всех частиц изолированной системы не меняется при происходящих в ней процессах. Электрический заряд любой частицы или системы частиц… …   Концепции современного естествознания. Словарь основных терминов

  • Закон сохранения — Законы сохранения фундаментальные физические законы, согласно которым при определённых условиях некоторые измеримые физические величины, характеризующие замкнутую физическую систему, не изменяются с течением времени. Некоторые из законов… …   Википедия

  • закон сохранения заряда — krūvio tvermės dėsnis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. charge conservation law; law of conservation of electric charge vok. Erhaltungssatz der elektrischen Ladung, m; Ladungserhaltungssatz, m rus. закон сохранения заряда, m; закон… …   Fizikos terminų žodynas

  • Закон сохранения заряда — Закон сохранения электрического заряда гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется. Закон сохранения заряда выполняется абсолютно точно. На данный момент его происхождение объясняют следствием принципа… …   Википедия

  • Закон сохранения лептонного числа —   Аромат в физике элементарных частиц   Ароматы и квантовые числа: Лептонное число: L Барионное число: B Странность: S Очарование: C Прелесть: B Истинность: T Изоспин: I или Iz Слабый изоспин: Tz …   Википедия

  • Закон сохранения энергии — Закон сохранения энергии  фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что для изолированной физической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и… …   Википедия

  • ЗАРЯДА СОХРАНЕНИЯ ЗАКОН — один из фундаментальных строгих законов природы, состоящий в том, что алгебр. сумма электрич. зарядов любой замкнутой (электрически изолированной) системы остаётся неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы. Установлен в 18… …   Физическая энциклопедия

  • Сохранения законы —         физические закономерности, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определённом классе процессов. Полное описание физической системы возможно лишь в рамках… …   Большая советская энциклопедия

Книги

  • 10класс. Физика, Сборник. Аудиокурс поможет учащимся в освоении необходимого материала по курсу физики в 10 классе общеобразовательной школы. Важной темой аудиокурса является раздел «Механика», включающая динамику… Подробнее  Купить за 124 руб аудиокнига
  • Курсы «Подготовка к ЕГЭ по физике», Коллектив авторов. Данный курс посвящен подготовке к итоговой аттестации по школьному курсу по физике, подготовке к сдаче единого государственного экзамена и дальнейшему поступлению школьника в ВУЗ. Главные… Подробнее  Купить за 124 руб аудиокнига

В чем заключается закон сохранения заряда

Формулировка закона сохранения электрического заряда. Опыт, который подтверждает действие этого закона.


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:

В чем заключается закон сохранения заряда

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:

В чем заключается закон сохранения заряда

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.

В чем заключается закон сохранения заряда

Отсюда следует формула, описывающая закон сохранения электрического заряда:

В чем заключается закон сохранения заряда

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

В чем заключается закон сохранения заряда

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

В чем заключается закон сохранения заряда

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. Надеемся, после прочтения нашего объяснения вам стали понятны все ключевые моменты этого закона!

Материалы по теме:

  • Законы Фарадея в химии и физике
  • Что такое самоиндукция
  • Правило буравчика, правой и левой руки
НравитсяВ чем заключается закон сохранения заряда0)Не нравитсяВ чем заключается закон сохранения заряда0)

Закон сохранения электрического заряда

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

Сохранение заряда — Википедия переиздано // WIKI 2

Основной физический закон — электрический заряд непрерывно сохраняется в пространстве и времени.

Эта статья о сохранении электрического заряда. Для общей теоретической концепции, см. Заряд (физика).

В физике сохранение заряда — это принцип, согласно которому общий электрический заряд в изолированной системе никогда не меняется. [1] Чистое количество электрического заряда, количество положительного заряда минус количество отрицательного заряда во вселенной, всегда составляет и сохраняется .Сохранение заряда, рассматриваемое как физический закон сохранения, подразумевает, что изменение количества электрического заряда в любом объеме пространства точно равно количеству заряда, поступающего в объем, за вычетом количества заряда, вытекающего из объема. По сути, сохранение заряда — это учетная зависимость между количеством заряда в области и потоком заряда в эту область и из нее, определяемая уравнением неразрывности между плотностью заряда ρ ( Икс ) {\ displaystyle \ rho (\ mathbf {x})} и плотность тока J ( Икс ) {\ displaystyle \ mathbf {J} (\ mathbf {x})} ,

Это не означает, что отдельные положительные и отрицательные заряды не могут быть созданы или уничтожены. Электрический заряд переносится субатомными частицами, такими как электроны и протоны. Заряженные частицы могут быть созданы и уничтожены в реакциях элементарных частиц. В физике элементарных частиц сохранение заряда означает, что в реакциях, которые создают заряженные частицы, всегда создается равное количество положительных и отрицательных частиц, сохраняя чистое количество заряда неизменным. Точно так же, когда частицы разрушаются, уничтожается равное количество положительных и отрицательных зарядов.Это свойство без исключения подтверждается всеми эмпирическими наблюдениями. [1]

Хотя сохранение заряда требует, чтобы общее количество заряда во вселенной было постоянным, остается открытым вопрос о том, что это за количество. Большинство свидетельств указывает на то, что чистый заряд во вселенной равен нулю [2] [3] ; то есть, есть равные количества положительного и отрицательного заряда.

Энциклопедия YouTube

  • 1/5

    Просмотров:

    128 874

    9 585

    8 376

    29 268

    426

  • servation Сохранение заряда | Электрический заряд, электрическая сила и напряжение | Физика Хан Академия

  • servation Сохранение электрического заряда

  • ✪ AP Physics 1 & 2: Статическое электричество 4: Сохранение заряда и проблема закона Кулона

  • ✪ Электрический заряд и закон сохранения заряда

— есть закон в физике, который выдержал испытание временемЗаконы приходят и уходят. Иногда мы открываем новые вещи. Мы должны отказаться от них, изменить их, скорректировать их, настроить их, выбросить их, но есть один закон, который имеет был вокруг в течение длительного времени и никто никогда пытался повредить этот закон или обнаружил какой-либо эксперимент который показал, что это неправильно, и это называется законом сохранения заряда. И это электрический заряд, это то, о чем мы говорим в этом конкретном примере. Так что это значит? Ну, представь, что у тебя был коробка и внутри этой коробки Я собираюсь поставить некоторые обвинения.Так скажем, у нас есть частица здесь и его заряд положительный два кулона. И тогда у нас есть еще один заряд здесь летает, и у него есть заряд отрицательные три кулона. И у нас есть еще один заряд здесь это есть, я не знаю, положительные пять кулонов. Они летают вокруг. Какой закон сохранение заряда говорит если эта коробка закрыта вверх, в том смысле, что бесплатно можно войти или выйти. Так что я не собираюсь позволять какой-либо заряд войти и я не позволю обвинению уйти.Если это так, общий заряд внутри этой области пространства должна быть постоянной когда вы сложите все это. Так что если вы хотите математическое утверждение, Мне нравится математика, математика утверждение, что если вы сложить, сигма является необычное письмо для сложения, все расходы в данном регионе, пока, вот звездочка, пока бесплатно входящие или исходящие, тогда общая сумма заряд в этой области пространства должен быть константой. Эта математика выглядит сложной, это на самом деле легко.Я всего лишь говорю, что если Вы складываете весь этот заряд … Положительные два кулона плюс пять кулонов минус три кулона, вы получите номер и что это за номер представляет собой общее количество заряда там. Который будет, пять плюс два — это семь, минус три четыре. Положительные четыре кулона. Ты когда-нибудь открывал эту коробку, ты всегда будешь найти четыре кулона там. Теперь это звучит, возможно, очевидно. Вы можете быть как, дух. Если вы не позволите ни одному из эти обвинения входят или выходят, конечно ты только едешь найти там четыре кулона потому что ты только что получил эти три обвинения.Но не обязательно. Физики знают, если вы сталкиваются две частицы, эти вещи не должны сохранить свою идентичность. Я мог бы в конечном итоге восемь частиц здесь в более поздний момент времени. И если я сложу все свои обвинения, я все еще получу четыре. Это ключевая идея здесь. Вот почему это не просто легкомысленный своего рода бессмысленное тривиальное утверждение. Это на самом деле говорит что-то полезное, потому что если эти протоны, они не потому что это два положительных кулон и протон имеет совершенно другой заряд, но ради аргумента, скажи, что это был протон, сталкивается с какой-то другой частицей, электрон, действительно быстрый.Если есть достаточно энергии, Вы даже не можете в конечном итоге с протоном и электроном. Вы могли бы в конечном итоге нейроны или топ кварки или если это другой протон, вы в конечном итоге с Хиггсом частицы или что-то еще. И вот в какой-то более поздний момент времени, вот почему этот закон важно и не тривиально, потому что если это действительно закрыто и единственное, что происходит на там из-за этих и все потомки частицы, которые они создают, в более поздний момент времени Я могу в конечном итоге, как, скажи это, это даже не должен иметь такой же заряд.Может быть, это положительный кулон. И я в конечном итоге с заряд здесь, который имеет минус семь кулонов. Если бы это были фундаментальные частицы, они будут иметь обвинения намного меньше, чем это, но чтобы донести идею, большие числа лучше. И скажем, это отрицательные четыре кулона. И тогда вы в конечном итоге какая-то другая частица, какая-то другая частица, которую вы даже не было там. Ни одна из этих частиц не была там раньше. И некоторый заряд q. Теперь мы в конечном итоге с этими четыре разные частицы.Эти вместе, там была какая-то странная реакция и они создали эти частицы. Каков заряд этого вопроса? На этот вопрос мы можем ответить сейчас, и это даже не так сложно. Мы знаем заряд всех остальных. Мы знаем, что если вы сложите все это, Вы должны добавить в такое же количество заряда вы имели ранее, потому что закон сохранение заряда говорит если вы не позволите заряд или нет, общий заряд здесь должно остаться прежним. Так что давайте просто сделаем это. Что мы делаем? Мы добавляем их всех.Мы говорим, что положительный плюс минус семь кулонов плюс минус четыре кулона плюс любой заряд эта неизвестная, таинственная частица есть. Мы знаем, что это должно равняться. Что это должно равняться? Он должен равняться общему заряду, потому что это число не меняется. Это был общий заряд до того, положительные четыре кулона. Это означает, что это должно быть полный заряд потом там. Это то, что закон сохранение заряда говорит. Так что это должно быть равно положительным четырем. Ну минус семь а отрицательная четверка отрицательная 11, плюс один отрицательный 10.Так что я получаю отрицательный 10 кулонов, плюс … О, ты знаешь что, эти д выглядят как девятки, Извини за это. Это закон сохранения заряда. Я добавлю маленький хвост. Это не закон сохранение девяток. Так что это маленький вопрос. Это маленький вопрос, а не девять. И так плюс q равно четырем. Теперь мы знаем, что заряд должен иметь заряд 14 кулонов для того, чтобы удовлетворить это уравнение. Но вам даже не нужна коробка. Я имею в виду, никто не делает физика в картонной коробке, так скажем, мы проводим эксперимент и было несколько частица х, х частица.И это было определенное количество заряда, у него были, скажем, положительные три кулона. Это было бы огромным для частицы, но ради аргумента, скажем, у него есть три положительных кулона. Ну, это разлагается. Иногда частицы разлагаются, они буквально исчезают, превратиться в другие частицы. Допустим, это превращается в у частица и Z частица. Просто дайте им случайные имена. И вы обнаружите, что это у частицы имел заряд положительных двух кулонов и эта частица г имела заряд отрицательный один кулон.Ну, это возможно? Нет, это невозможно. Если вы обнаружите это, что-то пошло не так потому что эта сторона здесь, Вы начали с положительных трех кулонов. Здесь ты должен закончить, в соответствии с законом сохранение заряда, с положительными тремя кулонами, но положительные два кулона минус один кулон, это только один кулон. Вам не хватает двух кулонов здесь. Куда делись два других кулона? Ну, должно быть своего рода таинственная частица здесь, что вы пропустили.Что-то произошло. Либо ваш детектор испортил или просто не сделал обнаружить частицу, которая имела другое количество заряда. Сколько заряда он должен иметь? Вся эта сторона должна сложить до трех. Так что, если вы начали с трех, здесь, эти двое вместе, у и г, только один кулон. Это означает, что остаток, два кулона, пропавшие два кулона, должно быть здесь. Значит, у тебя была какая-то частица или пропущенный заряд, который имеет положительные два кулона. Это еще одна частица? Может быть, поэтому физика это весело.Может быть, это там, может быть ты пропустил еще один. Позвольте мне спросить вас об этом. Так скажем, мы избавляемся из всех этих обвинений. Вот тот, который урод люди выходят иногда. Возьми это. Допустим, это бесплатно. Нет заряда, он был разряжен. У тебя есть частица с нулевым кулоном. Можно ли в конечном итоге частицы, которые имеют заряд? Да, это может случиться. На самом деле, если у вас есть фотон, который не имеет заряда, это возможно для этого фотона превратиться в заряженные частицы. Как это возможно? Разве это не нарушает закон сохранения заряда? Нет, но ты должен убедиться, что какой бы заряд он ни получил, скажем положительный три кулона, тогда этот должен иметь отрицательные три кулона так что общая сумма заряда здесь ноль кулонов так же, как это было раньше.Так что это странно, но да, фотон, луч света, может превратиться в электрон, но это значит он также должен превратиться в антиэлектрон потому что это не должно иметь полный заряд здесь. И антиэлектрон имеет тот же заряд, что и электрон, но положительный вместо отрицательного. Вот почему это называется позитрон. Антиэлектроны называют позитронами потому что они одинаковы как электроны, просто положительные. Вам не нужно знать это. На самом деле, вам не нужно много знать о физике элементарных частиц, вот и весь смысл здесь.Просто зная сохранение заряда позволяет вам делать заявления о физике элементарных частиц потому что вы знаете заряд должен быть сохранен и это мощный инструмент при анализе этих реакций с точки зрения того, что возможно и что не возможно.

Содержание

История

Сохранение заряда впервые было предложено британским ученым Уильямом Уотсоном в 1746 году и американским государственным деятелем и ученым Бенджамином Франклином в 1747 году, хотя первое убедительное доказательство было дано Майклом Фарадеем в 1843 году. [4] [5]

В настоящее время, как здесь, так и в Европе, обнаружено и продемонстрировано, что Электрический Огонь — это настоящий Элемент, или Вид Материи, не , созданный трением, но , собранный только .

— Бенджамин Франклин, Письмо Кадвалландеру Колдену, 5 июня 1747 г. [6]

Официальное изложение закона

Математически мы можем сформулировать закон сохранения заряда в виде уравнения непрерывности:

∂ Q ∂ T знак равно Q ˙ я N ( T ) — Q ˙ О U T ( T ) ,{\ displaystyle {\ frac {\ частичный Q} {\ частичный t}} = {\ dot {Q}} _ {\ rm {IN}} (t) — {\ dot {Q}} _ {\ rm {OUT }} (т).}

где ∂ Q / ∂ T {\ displaystyle \ частичный Q / \ частичный t} скорость накопления электрического заряда в определенном объеме в момент времени t, Q ˙ я N {\ displaystyle {\ dot {Q}} _ {\ rm {IN}}} количество заряда, поступающего в объем и Q ˙ О U T {\ displaystyle {\ dot {Q}} _ {\ rm {OUT}}} количество заряда, вытекающего из объема; обе суммы рассматриваются как общие функции времени.{t} \ left ({\ dot {Q}} _ {\ rm {IN}} (\ tau) — {\ dot {Q}} _ {\ rm {OUT}} (\ tau) \ right) \, \ mathrm {d} \ tau.}

Состояние Q ( T ) знак равно Q ( T 0 ) ∀ T > T 0 , {\ displaystyle Q (t) = Q (t_ {0}) \; \ forall t> t_ {0},} соответствует отсутствию изменения количества заряда в контрольном объеме: система достигла устойчивого состояния. Из вышеприведенного условия должно выполняться следующее:

∫ T 0 T ( Q ˙ я N ( τ ) — Q ˙ О U T ( τ ) ) d τ знак равно 0 ∀ T > T 0 ⟹ Q ˙ я N ( T ) знак равно Q ˙ О U T ( T ) ∀ T > T 0 {\ displaystyle \ int _ {t_ {0}} ^ {t} \ left ({\ dot {Q}} _ {\ rm {IN}} (\ tau) — {\ dot {Q}} _ {\ rm {OUT}} (\ tau) \ right) \, \ mathrm {d} \ tau = 0 \; \; \ forall t> t_ {0} \; \ подразумевает \; {\ dot {Q}} _ {\ rm {IN}} (t) = {\ dot {Q}} _ {\ rm {OUT}} (t) \; \; \ forall t> t_ {0}}

поэтому, Q ˙ я N {\ displaystyle {\ dot {Q}} _ {\ rm {IN}}} и Q ˙ О U T {\ displaystyle {\ dot {Q}} _ {\ rm {OUT}}} равны (не обязательно постоянны) с течением времени, тогда общий заряд внутри контрольного объема не изменяется.Этот вычет может быть получен непосредственно из уравнения неразрывности, так как в стационарном состоянии ∂ Q / ∂ T знак равно 0 {\ displaystyle \ частичный Q / \ частичный t = 0} держит, и подразумевает Q ˙ я N ( T ) знак равно Q ˙ О U T ( T ) {\ displaystyle {\ dot {Q}} _ {\ rm {IN}} (t) = {\ dot {Q}} _ {\ rm {OUT}} (t)} ,

В теории электромагнитного поля векторное исчисление может использоваться для выражения закона в терминах плотности заряда ρ (в кулонах на кубический метр) и плотности электрического тока J (в амперах на квадратный метр).Это называется уравнением непрерывности плотности заряда

∂ ρ ∂ T + ∇ ⋅ J знак равно 0. {\ displaystyle {\ frac {\ частичный \ rho} {\ частичный t}} + \ nabla \ cdot \ mathbf {J} = 0.}

Член слева — это скорость изменения плотности заряда ρ в точке. Термин справа — это расхождение плотности тока J в той же точке. Уравнение уравнивает эти два фактора, и это говорит о том, что единственный способ для плотности заряда в точке изменения — это ток заряда течь в или из точки.Это утверждение эквивалентно сохранению четырехпотока.

Математическое происхождение

Чистый ток в том

я знак равно — ∬ S J ⋅ d S {\ displaystyle I = — \ iint \ limit_ {S} \ mathbf {J} \ cdot d \ mathbf {S}}

, где S = 000 V — это граница V, ориентированная направленными наружу нормалями, а d S — сокращение для N dS , нормаль, указывающая наружу границы ∂ V ,Здесь J — плотность тока (заряд на единицу площади в единицу времени) на поверхности объема. Вектор указывает направление тока.

Из теоремы расхождения это можно записать

я знак равно — ∭ В ( ∇ ⋅ J ) d В {\ displaystyle I = — \ iiint \ limit_ {V} \ left (\ nabla \ cdot \ mathbf {J} \ right) dV}

Сохранение заряда требует, чтобы чистый ток в объеме обязательно равнялся чистому изменению заряда в объеме.

d Q d T знак равно — ∭ В ( ∇ ⋅ J ) d В ( 1 ) {\ displaystyle {\ frac {dq} {dt}} = — \ iiint \ limit_ {V} \ left (\ nabla \ cdot \ mathbf {J} \ right) dV \ qquad \ qquad (1)}

Общий заряд q в объеме V является интегралом (суммой) плотности заряда в V

Q знак равно ∭ В ρ d В {\ displaystyle q = \ iiint \ пределы _ {V} \ rho dV}

Итак, по интегральному правилу Лейбница

d Q d T знак равно ∭ В ∂ ρ ∂ T d В ( 2 ) {\ displaystyle {\ frac {dq} {dt}} = \ iiint \ пределы _ {V} {\ frac {\ частичный \ rho} {\ частичный t}} dV \ qquad \ qquad \ qquad \ quad (2)}

Уравнение (1) и (2) дает

0 знак равно ∭ В ( ∂ ρ ∂ T + ∇ ⋅ J ) d В ,{\ displaystyle 0 = \ iiint \ пределы _ {V} \ left ({\ frac {\ частичный \ rho} {\ частичный t}} + \ nabla \ cdot \ mathbf {J} \ right) dV.}

Так как это верно для каждого тома, мы имеем в целом

∂ ρ ∂ T + ∇ ⋅ J знак равно 0. {\ displaystyle {\ frac {\ частичный \ rho} {\ частичный t}} + \ nabla \ cdot \ mathbf {J} = 0.}

Подключение к измерительной инвариантности

Сохранение заряда также может быть понято как следствие симметрии через теорему Нётер, центральный результат в теоретической физике, который утверждает, что каждый закон сохранения связан с симметрией основной физики.Симметрия, связанная с сохранением заряда, является глобальной калибровочной инвариантностью электромагнитного поля. [7] Это связано с тем, что электрические и магнитные поля не изменяются при разных значениях, представляющих нулевую точку электростатического потенциала. φ {\ displaystyle \ phi} , Однако полная симметрия является более сложной, а также включает в себя векторный потенциал {\ displaystyle \ mathbf {A}} , Полное утверждение калибровочной инвариантности состоит в том, что физика электромагнитного поля неизменна, когда скалярный и векторный потенциал сдвинуты градиентом произвольного скалярного поля. χ {\ displaystyle \ chi} :

φ ‘ знак равно φ — ∂ χ ∂ T ‘ знак равно + ∇ χ ,{2}} , Это окончательное теоретическое происхождение сохранения заряда.

Калибровочная инвариантность является очень важным, хорошо установленным свойством электромагнитного поля и имеет много проверяемых последствий. Теоретическое обоснование сохранения заряда значительно усиливается за счет связи с этой симметрией. Например, калибровочная инвариантность также требует, чтобы фотон был безмассовым, поэтому хорошее экспериментальное доказательство того, что фотон имеет нулевую массу, также является убедительным доказательством того, что заряд сохраняется. [8]

Даже если точная калибровочная симметрия, тем не менее, может быть явное несохранение электрического заряда, если заряд может просочиться из нашего обычного трехмерного пространства в скрытые дополнительные измерения. [9] [10]

Экспериментальные доказательства

Простые аргументы исключают некоторые виды несохранения заряда. Например, величина элементарного заряда на положительных и отрицательных частицах должна быть чрезвычайно близка к одинаковой, отличаясь не более чем в 10 −21 для случая протонов и электронов. [11] Обычное вещество содержит одинаковое количество положительных и отрицательных частиц, протонов и электронов в огромных количествах. Если бы элементарный заряд на электроне и протоне был даже немного различен, вся материя имела бы большой электрический заряд и была бы взаимно отталкивающей.

Лучшими экспериментальными испытаниями сохранения электрического заряда являются поиски распадов частиц, которые были бы допустимы, если бы электрический заряд не всегда сохранялся. Таких разложений никогда не было. [12] Лучший экспериментальный тест — поиск энергетического фотона от электрона, распадающегося на нейтрино и одиночный фотон:

, но есть теоретические аргументы, что такие однофотонные распады никогда не произойдут, даже если заряд не сохраняется. [15] Тесты на исчезновение заряда чувствительны к распадам без энергичных фотонов, других необычных процессов, нарушающих заряд, таких как электрон, самопроизвольно превращающийся в позитрон, [16] и чтобы электрический заряд двигался в другие измерения.Лучшие экспериментальные оценки по исчезновению заряда:

e → что угодно средняя продолжительность жизни превышает 6,4 × 10 24 лет (68% CL) [17]
n → p + ν + ν не сохраняющих заряд распадов составляют менее 8 × 10 −27 (68% CL) от всех распадов нейтронов [18]

См. Также

Примечания

,

Закон о сохранении | физика | Britannica

Закон сохранения , также называемый законом сохранения , в физике несколько принципов, которые утверждают, что определенные физические свойства (то есть измеряемые величины) не изменяются с течением времени в изолированной физической системе. В классической физике законы этого типа управляют энергией, импульсом, моментом импульса, массой и электрическим зарядом. В физике элементарных частиц другие законы сохранения применяются к свойствам субатомных частиц, которые инвариантны во время взаимодействий.Важная функция законов сохранения состоит в том, что они позволяют предсказывать макроскопическое поведение системы без необходимости учитывать микроскопические детали хода физического процесса или химической реакции.

Британика Викторина

Все о физике викторины

Пьер Гассенди, французский философ-ученый, наблюдал стрельбу на расстоянии, чтобы измерить какое явление природы?

Сохранение энергии подразумевает, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена, хотя она может быть изменена из одной формы (механическая, кинетическая, химическая и т. Д.).в другое. Следовательно, в изолированной системе сумма всех форм энергии остается постоянной. Например, падающее тело имеет постоянное количество энергии, но форма энергии меняется от потенциальной к кинетической. Согласно теории относительности, энергия и масса эквивалентны. Таким образом, масса покоя тела может рассматриваться как форма потенциальной энергии, часть которой может быть преобразована в другие виды энергии.

Сохранение линейного импульса выражает тот факт, что тело или система движущихся тел сохраняет свой полный импульс, произведение массы на векторную скорость, если к нему не приложена внешняя сила.В изолированной системе (такой как вселенная) нет внешних сил, поэтому импульс всегда сохраняется. Поскольку импульс сохраняется, его компоненты в любом направлении также будут сохраняться. Применение закона сохранения импульса важно при решении задач столкновения. Работа ракет иллюстрирует сохранение импульса: увеличенный передний импульс ракеты равен, но противоположен по знаку импульсу выбрасываемых выхлопных газов.

Сохранение момента импульса вращающихся тел аналогично сохранению линейного импульса.Момент импульса — это векторная величина, сохранение которой выражает закон, согласно которому вращающееся тело или система продолжает вращаться с той же скоростью, если к нему не приложена крутящая сила, называемая крутящим моментом. Момент импульса каждого куска вещества состоит из произведения его массы на расстояние от оси вращения и составляющей его скорости, перпендикулярной линии от оси.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 года с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

Сохранение массы подразумевает, что материя не может быть ни создана, ни уничтожена, т.е.процессы, которые изменяют физические или химические свойства веществ в изолированной системе (такие как превращение жидкости в газ), оставляют общую массу неизменной. Строго говоря, масса не является консервативной величиной. Однако, за исключением ядерных реакций, преобразование массы покоя в другие формы массы-энергии настолько мало, что с высокой степенью точности массу покоя можно считать сохраненной.

Сохранение заряда гласит, что общее количество электрического заряда в системе не изменяется со временем.На субатомном уровне могут быть созданы заряженные частицы, но всегда в парах с одинаковым положительным и отрицательным зарядом, так что общее количество заряда всегда остается постоянным.

В физике элементарных частиц другие законы сохранения применяются к определенным свойствам ядерных частиц, таким как число барионов, число лептонов и странность. Такие законы применяются в дополнение к законам массы, энергии и импульса, встречающимся в повседневной жизни, и их можно рассматривать как аналог сохранения электрического заряда. См. Также симметрию .

Законы сохранения энергии, импульса и момента импульса все получены из классической механики. Тем не менее, все остается верным в квантовой механике и релятивистской механике, которые заменили классическую механику как самый фундаментальный из всех законов. В самом глубоком смысле три закона сохранения выражают, соответственно, тот факт, что физика не меняется с течением времени, со смещением в пространстве или с вращением в пространстве.

Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена — только преобразована из одной формы энергии в другую. Это означает, что система всегда имеет одинаковое количество энергии, если она не добавлена ​​извне. Это особенно запутанно в случае неконсервативных сил, где энергия преобразуется из механической энергии в тепловую энергию, но общая энергия остается неизменной. Единственный способ использовать энергию — это преобразовать энергию из одной формы в другую.

Количество энергии в любой системе определяется следующим уравнением:

[математика] U_ {T} = U_ {i} + W + Q [/ математика]

  • [математика] U_T [/ математика] — полная внутренняя энергия системы.
  • [математика] U_i [/ ​​математика] является начальной внутренней энергией системы.
  • [математика] W [/ математика] — это работа, выполняемая системой или над ней.
  • [математика] Q [/ математика] — это тепло, добавляемое или удаляемое из системы.

Также возможно определить изменение внутренней энергии системы, используя уравнение: [математика] \ Delta U = W + Q [/ математика]

Это также утверждение первого закона термодинамики.

Хотя эти уравнения чрезвычайно мощные, они могут затруднить понимание силы утверждения. Вывод на вынос заключается в том, что энергия не может быть создана из ничего. Общество должно откуда-то получать энергию, хотя есть много хитрых мест, откуда ее можно получить (некоторые источники являются первичным топливом, а некоторые — первичными потоками энергии).

В начале 20 -го века Эйнштейн понял, что даже масса является формой энергии (это называется эквивалентностью массы-энергии).8 м / с [/ математика].

для дальнейшего чтения

Чтобы узнать больше о физике закона сохранения энергии, см. Гиперфизику или о том, как это связано с химией, см. Химическую вики из UC Davis.

,

закон сохранения энергии, примеры

Согласно закону сохранения энергии: «Энергия не может быть ни создана, ни разрушена. Он может быть преобразован только из одной формы в другую. Потеря одной формы энергии сопровождается равным увеличением других форм энергии. Потирая руки, мы выполняем механическую работу, которая производит тепло, т.е. это закон сохранения энергии.
Механическая энергия = Тепловая энергия + потери
Объяснение
Кинетическая и потенциальная энергии — это разные формы одной и той же основной величины, механической энергии.Полная механическая энергия тела является суммой кинетической энергии и потенциальной энергии. В нашем предыдущем обсуждении падающего тела потенциальная энергия может превратиться в кинетическую энергию, а потенциальная энергия — в кинетическую, но полная энергия остается постоянной. Математически это выражается как:

Полная энергия = P.E + K.E = Постоянная

Это один из фундаментальных законов физики. Мы ежедневно наблюдаем множество энергетических преобразований из одной формы в другую. Некоторые формы, такие как электрическая и химическая энергия, переносятся легче, чем другие, такие как тепло.В конечном итоге все переносы энергии приводят к нагреву окружающей среды, и энергия теряется. Например, P.E падающего объекта изменяется на K.E, но при ударе о землю K.E превращается в тепло и звук. Если при передаче энергии кажется, что некоторые исчезли, потерянная энергия часто превращается в тепло. Похоже, что это судьба всех доступных энергий и одна из причин, по которым необходимо разрабатывать новые источники полезной энергии.
Согласно соотношению массы и энергии Эйнштейна:
E = m c², энергия может быть преобразована в массу, а масса может быть преобразована в энергию.Производство пар является примером преобразования энергии в массу.
С другой стороны, ядерное деление и ядерный синтез являются примерами преобразования массы в энергию.

Формула сохранения энергии

Полная энергия = кинетическая энергия + потенциальная энергия

Формула сохранения энергии

law of conservation of energy

Рассмотрим тело массы «m», расположенное в точке «p», которая находится на высоте «h» с земли.
П.Е. тела при A = mgh
К.E тела в точке A = 0
Полная энергия тела в точке P = KE + PE = 0 + мг. Ч.
Полная энергия при P = мг. Ч. (1)
Если тело может свободно падать под действием силы тяжести его потенциальная энергия будет уменьшаться, а кинетическая энергия будет увеличиваться.
Непосредственно перед ударом по земле потенциальная энергия тела будет минимальной или равной нулю, в то время как К.Е. тела будет максимальной. Если «v» — скорость тела непосредственно перед ударом по земле, то К.E тела = ½mv².
law of conservation of energy equation formula and derivation
law of conservation of energy equation formula and derivation
Полная энергия при Q = KE + PE
= mgx + mgh — mgx
Полная энергия при Q = mgh ———— (3)

Из уравнений (1), (2) и (3) it Можно видеть, что полная энергия тела остается постоянной везде, при условии, что во время движения тела не возникает сила трения.
Если на тело действует сила трения, то трение П.Е. теряется при работе с силой трения. Таким образом:
Полная энергия = K.E + P.E + Потеря энергии или работа выполняется против силы трения.

Закон сохранения энергии, пример

  • Когда мы включаем электрическую лампочку, мы подводим к ней электрическую энергию, которая преобразуется в тепловую и световую энергии.

Электрическая энергия = тепловая энергия + световая энергия

  • Ископаемое топливо, например, уголь и бензин, являются запасами химической энергии. Когда они сгорают, химическая энергия преобразуется в тепловую энергию, то есть

Химическая энергия = тепловая энергия + потери

  • Тепловая энергия, присутствующая в паровом котле, может использоваться для получения парового двигателя.Здесь тепловая энергия преобразуется в кинетическую (механическую энергию), т.е.

Тепловая энергия = Механическая энергия + Потери

Связанные темы на нашем сайте:

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *