Опыты однозначно показывают, что при электризации тел всегда появляются заряды противоположных знаков. Если одно из двух тел вследствие взаимодействия станет отри-цательно заряженным, то другое будет иметь положительный заряд.
Возьмем два электрометра с одинаковы-ми шарами и подготовим их к измерению электрических зарядов. Для этого заземлим их металлические корпуса.
Пластинку из органического стекла по-трем пластинкой, поверхность которой по-крыта бумагой. Если после этого коснемся металлических шариков каждой пластинкой, то увидим, что стрелки гальванометров от-клонятся на одинаковый угол (рис. 4.10). Для определения знака полученных зарядов под-несем поочередно к обоим шарикам эбо-нитовую палочку, потертую мехом. Один элект-рометр уменьшит показания, а другой — уве-личит. Это свидетельствует о том, что шары электрометров имеют заряды противополож-ных знаков. Проверить эти утверждения мож-но с помощью другого опыта. Для этого со-единим проволокой на изоляционной ручке оба шара на электрометрах. Стрелки обоих электрометров сразу упадут до нуля (рис. 4.11). Это свидетельствует о полной нейтрализации зарядов. Анализ проведенных опытов пока-зывает, что в природе действует закон со-хранения электрических зарядов .
Закон со-хранения электрических зарядов . В замкнутой системе алгебраическая сум-ма электрических зарядов тел, составляющих эту систему, остается постоянной.
Q 1 + Q 2 + Q 3 + … + Q n = const.
Бенджамин Франклин (1706—1790) — вы-дающийся американский политический деятель; работал в области физики: раз-работал теорию, объясняющую электри-зацию перетеканием «электрической жид-кости», ввел понятие положительного и отрицательного заряда; исследовал элект-рические явления в атмосфере.
впервые был сформулирован американским ученым Б. Франклином в 1747 г.
При решении физических задач с ис-пользованием закона сохранения электри-ческого заряда значения электрических за-рядов используются с их знаками.
Ученым известны физические процессы, в ходе которых из электромагнитного излу-чения образуются элементарные частицы. Типичный пример такого явления — обра-зование электрона и позитрона из γ-излу-чения, появляющегося при радиоактивных преобразованиях вещества. Многочислен-ные исследования однозначно доказали, что электрон, имеющий отрицательный заряд, всегда появляется в этих преобразованиях в паре с позитроном, имеющем положитель-ный заряд. Алгебраическая сумма зарядов электрона и позитрона равняется нулю. Электромагнитное излучение не имеет заря-да вообще. Таким образом,
в реакции обра-зования электронно-позитронной пары дейст-вует закон сохранения заряда .
q электрона + q позитрона = 0.
Позитрон — элементарная ча-стица, имеющая массу, при-близительно равную массе электрона; заряд позитрона положительный и равен заряду электрона.
На основании закона сохранения элект-рического заряда объясняется электризация макроскопических тел.
Как известно, все тела состоят из ато-мов, в состав которых входят электроны и протоны . Количество электронов и прото-нов в составе незаряженного тела одина-ковое. Поэтому такое тело не проявляет электрического действия на другие тела. Если же два тела находятся в тесном кон-такте (при натирании, сжатии, ударе и т.п.), то электроны, связанные с атомами зна-чительно слабее, чем протоны, переходят с одного тела на другое. Материал с сайта
Тело, на которое перешли электроны, будет иметь их избыток. Согласно закону сохранения электрический заряд этого тела будет равняться алгебраической сумме по-ложительных зарядов всех протонов и зарядов всех электронов. Этот его заряд будет отрицательным и по значению равным сум-ме зарядов избыточных электронов.
У тела с излишком электронов отрицательный заряд.
Тело, утратившее электроны, будет иметь положительный заряд, модуль которого бу-дет равен сумме зарядов электронов, поте-рянных телом.
У тела, имеющего положитель-ный заряд, электронов мень-ше, чем протонов.
Закон сохранения электрического заряда действует независимо от того, движутся за-ряженные тела или нет. Такое свойство заряда называется инвариантностью. Заряд электрона равняется 1,6 . 10 -19 Кл как при скорости 200 м/с, так и при скорости 100 000 км/с. Если бы было иначе, то электроны имели бы одни свойства в свободном состоянии и совершенно другие — в атоме. А это наукой не установлено.
Электрический заряд не изме-няется при переходе тела в другую систему отсчета.
На этой странице материал по темам:
Законы сохранения шпора
Закон сохранения электрического заряда конспект по физики
Закон сохранения электрического заряда шпаргалка
Закон сохранения энергии. электризация тел.
Опыты подтверждающие закон сохранения электрического заряда
Вопросы по этому материалу:
Закон сохранения заряда - это фундаментальный закон природы. Он был установлен на основании обобщения экспериментальных данных. Подтвержден в 1843 г. английским физиком М. Фарадеем.
Формулировка закона сохранения электрического заряда
В любой замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов - величина неизменная, не зависимо от того, какие процессы происходят в данной системе.
где N - количество зарядов.
Электрический заряд — это релятивистски инвариантная величина, что означает независимость заряда от системы отсчета, то есть величина заряда не зависит от движения или покоя заряда.
Эмпирическим путем (опыты Р. Милликена) было доказано, что электрический заряд - это дискретная величина. Заряд любого тела является кратным целым от заряда электрона, который носит название элементарного заряда. Заряд электрона равен
Электризация тел
Тела в природе могут приобретать электрический заряд. Процесс приобретения электрического заряда называют электризацией. Электризацию можно реализовывать различными способами: трением, при помощи электростатической индукции и т. д. Однако, любой процесс получения телом заряда является разделением зарядов. При этом одно тело или его часть получает избыточный положительный заряд, а другое тело (его часть) имеет при этом избыточный отрицательный заряд. Сумма заряда обоих знаков, которую содержат тела, не изменяется, заряды только испытывают перераспределение.
При соединении заряженного проводника с незаряженным, заряд перераспределяется между обоими телами. Допустим, что одно тело несет отрицательный заряд, его соединяют с незаряженным телом. Электроны заряженного тела под воздействием сил взаимного отталкивания переходят на незаряженное тело. При этом заряд первого тела уменьшается, заряд второго увеличивается, до тех пор пока не наступит равновесие.
Если соединяют положительные и отрицательные заряды, они компенсируют друг друга. Это значит, что объединяя одинаковые по величине отрицательные и положительные заряды, мы получим незаряженное тело.
При электризации тел, с использованием трения, так же происходит перераспределение зарядов. Основной причиной при этом является переход части электронов при тесном контакте тел от одного тела к другому.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Два одинаковых проводящих шарика имеют заряды и . Одним шариком коснулись другого, после этого разнесли на некоторое расстояние. Каким стал заряд каждого шарика после соприкосновения ()? |
| Решение | Основой для решения данного заряда является закон сохранения заряда. Будем считать, что система из двух рассматриваемых шариков замкнута. До соприкосновения заряд системы равен:
Так как система замкнута, то после соприкосновения суммарный заряд этих двух шариков не изменится, останется равным . Шарики по условию задачи одинаковые, следовательно, при соприкосновении заряд между телами разделится поровну на две части, получим:
|
| Ответ |  |
ПРИМЕР 2
| Задание | Пластины плоского воздушного конденсатора заряжены до разности потенциалов . Конденсатор отключили от источника напряжения и в пространство между пластинами внесли диэлектрик (диэлектрическая проницаемость его ). Какова разность потенциалов между пластинами конденсатора во втором состоянии?
|
| Решение | Так как конденсатор зарядили и потом проводили манипуляции с диэлектриком, то заряд на этом конденсаторе будет неизменным по закону сохранения заряда:
При этом плотность распределения заряда на пластинах () найдем как:
Плотность распределения заряда, как и заряд не изменяется в нашем случае. Напряженность поля внутри плоского конденсатора равно в первом случае (воздушный конденсатор):
|
Возьмём два одинаковых электрометра и один из них зарядим (рис. 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), 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:
q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n \(=\) const,
где q 1 , q 2 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.
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. 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 и калибровочная инвариантность
| Симметрия в физике | ||
|---|---|---|
| Преобразование | Соответствующая
инвариантность | Соответствующий
закон сохранения |
| ↕ Трансляции времени | Однородность
времени | …энергии |
| ⊠ C, P, CP и T-симметрии | Изотропность
времени | …чётности |
| ↔ Трансляции пространства | Однородность
пространства | …импульса |
| ↺ Вращения пространства | Изотропность
пространства | …момента
импульса |
| ⇆ Группа Лоренца | Относительность
Лоренц-инвариантность | …4-импульса |
| ~ Калибровочное преобразование | Калибровочная инвариантность | …заряда |
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).
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.Лучшее экспериментальное ограничение на вероятность нарушения закона сохранения электрического заряда получено из поиска фотона с энергией mec 2/2 ≈ 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. Другой необычный несохраняющий заряд процесс - спонтанное превращение электрона в позитрон 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.
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:
- 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.
- Электризация тел при трении . При этом увеличивается площадь соприкосновения тел, что приводит к усилению электризации.
- Влияние . В основе влияния лежит явление электростатической индукции , то есть наведение электрического заряда в веществе, помещённом в постоянное электрическое поле.
- 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:
q 1 + q 2 + q 3 + … + q n = const
где q 1 , q 2 и т.д. – заряды частиц.
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. 1.2).
Рис. 1.2. Взаимодействие тел с зарядами одного знака.
Если теперь поднести к заряженной гильзе стеклянную палочку, потёртую о шёлк (положительно заряженную), то гильза будет к ней притягиваться (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Взаимодействие тел с зарядами разных знаков.
Отсюда следует, что тела, имеющие заряды одинакового знака (одноимённо заряженные тела), взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды разного знака (разноименно заряженные тела), взаимно притягиваются. Аналогичные вводы получаются, если приближать два султана, одноименно заряженные (рис. 1.4) и разноименно заряженные (рис. 1.5).
