- jedan od osnovnih zakona prirode. Zakon održanja naelektrisanja otkrio je 1747. B. Franklin.
Elektron- čestica koja je dio atoma. U istoriji fizike postojalo je nekoliko modela strukture atoma. Jedan od njih, koji omogućava objašnjenje niza eksperimentalnih činjenica, uključujući fenomen elektrifikacije , predloženo je E. Rutherford. Na osnovu svojih eksperimenata, zaključio je da se u centru atoma nalazi pozitivno nabijeno jezgro, oko koje se po orbitama kreću negativno nabijeni elektroni. U neutralnom atomu, pozitivni naboj jezgra jednak je ukupnom negativnom naboju elektrona. Jezgro atoma sastoji se od pozitivno nabijenih protona i neutralnih čestica, neutrona. Naboj protona je po apsolutnoj vrijednosti jednak naboju elektrona. Ako se jedan ili više elektrona ukloni iz neutralnog atoma, on postaje pozitivno nabijeni ion; Ako se atomu dodaju elektroni, on postaje negativno nabijen ion.
Poznavanje strukture atoma nam omogućava da objasnimo fenomen elektrifikacije trenje . Elektroni koji su labavo vezani za jezgro mogu se odvojiti od jednog atoma i vezati za drugi. Ovo objašnjava zašto se može formirati na jednom tijelu nedostatak elektrona, a sa druge - njihove višak. U ovom slučaju, prvo tijelo postaje nabijeno pozitivno , a drugi - negativan .
Kada je naelektrisan, nastaje preraspodjela naplate , oba tijela su naelektrizirana, dobivaju naelektrisanja jednake veličine i suprotnih predznaka. U ovom slučaju, algebarski zbir električnih naboja prije i nakon elektrifikacije ostaje konstantan:
q 1 + q 2 + … + q n = konst.
Algebarski zbir naelektrisanja ploča prije i nakon elektrifikacije jednak je nuli. Pisana jednakost izražava osnovni zakon prirode - zakon o konzervaciji električni naboj .
Kao i svaki fizički zakon, on ima određene granice primjenjivosti: pravedan je Za zatvoreni sistem tel , tj. za kolekciju tijela izolovanih od drugih objekata.
IN normalnim uslovima mikroskopska tijela su električki neutralna jer su pozitivno i negativno nabijene čestice koje formiraju atome vezane jedna za drugu električne sile i formiraju neutralne sisteme. Ako je narušena električna neutralnost tijela, onda se takvo tijelo naziva elektrificirano tijelo. Za naelektrisanje tijela potrebno je da se na njemu stvori višak ili manjak elektrona ili jona istog znaka.
Metode naelektrisanja tijela, koji predstavljaju interakciju naelektrisanih tela, mogu biti sledeći:
- Elektrifikacija tijela pri kontaktu. U tom slučaju, pri bliskom kontaktu, mali dio elektrona prelazi iz jedne supstance, u kojoj je veza s elektronom relativno slaba, na drugu supstancu.
- Elektrifikacija tijela pri trenju. Istovremeno se povećava površina kontakta između tijela, što dovodi do povećane elektrifikacije.
- Uticaj. Osnova uticaja je fenomen elektrostatičke indukcije, odnosno indukcija električnog naboja u supstanciji smještenoj u konstantnom električnom polju.
- Naelektrisanje tela pod uticajem svetlosti. Osnova ovoga je fotoelektrični efekat, ili fotoefekat kada pod uticajem svetlosti elektroni mogu da izlete iz provodnika u okolni prostor, usled čega se provodnik naelektriše.
Brojni eksperimenti pokazuju da kada postoji naelektrisanje tela, tada se na tijelima pojavljuju električni naboji, jednaki po veličini i suprotnog predznaka.
Negativno punjenje tijelo je uzrokovano viškom elektrona na tijelu u odnosu na protone, i pozitivan naboj uzrokovano nedostatkom elektrona.
Kada je tijelo naelektrizirano, odnosno kada se negativni naboj djelimično odvoji od pozitivnog naboja koji mu je povezan, zakon održanja električnog naboja. Zakon održanja naelektrisanja važi za zatvoreni sistem u koji naelektrisane čestice ne ulaze spolja i iz kojeg ne izlaze. Zakon održanja električnog naboja je formuliran na sljedeći način:
U zatvorenom sistemu, algebarski zbir naelektrisanja svih čestica ostaje nepromenjen:
q 1 + q 2 + q 3 + … + q n = konst
gdje je q 1, q 2, itd. – naelektrisanja čestica.
Interakcija električno nabijenih tijela
Interakcija tijela, koji ima naplatu istih ili drugačiji znak, može se demonstrirati u sljedećim eksperimentima. Ebonitni štapić naelektriziramo trenjem o krzno i dodirujemo ga s metalnim rukavom obješenim na svilenu nit. Naboji istog znaka (negativni naboji) raspoređeni su na rukavu i štapiću od ebonita. Približavanjem negativno nabijenog ebonitnog štapa nabijenom rukavu, možete vidjeti da će se rukav odbiti od štapa (slika 1.2).
Rice. 1.2. Interakcija tijela sa naelektrisanjem istog znaka.
Ako sada donesete staklenu šipku natrljanu o svilu (pozitivno nabijenu) na napunjeni rukav, rukav će biti privučen njome (slika 1.3).
Rice. 1.3. Interakcija tijela sa naelektrisanjem različitih znakova.
Iz toga slijedi da se tijela sa naelektrisanjem istog znaka (vjerovatno nabijena tijela) međusobno odbijaju, a tijela sa nabojem različitih znakova (suprotno nabijena tijela) se međusobno privlače. Slični ulazi se dobijaju ako zumiramo dva perja, slično naelektrisana (slika 1.4) i suprotno naelektrisana (slika 1.5).
Zakon održanja naboja
Ne mogu se sve prirodne pojave razumjeti i objasniti korištenjem koncepata i zakona mehanike, molekularno-kinetičke teorije strukture materije i termodinamike. Ove nauke ne govore ništa o prirodi sila koje vezuju pojedinačne atome i molekule i drže atome i molekule supstance u čvrstom stanju na određenoj udaljenosti jedan od drugog. Zakoni interakcije atoma i molekula mogu se razumjeti i objasniti na osnovu ideje da električni naboji postoje u prirodi.
Najjednostavniji i najsvakodnevniji fenomen u kojem se otkriva činjenica postojanja električnih naboja u prirodi je naelektrizacija tijela pri dodiru. Interakcija tela koja se detektuje tokom naelektrisanja naziva se elektromagnetna interakcija, i fizička količina, koji određuje elektromagnetnu interakciju, je električni naboj. Sposobnost električnih naboja da privlače i odbijaju ukazuje na prisustvo dva razne vrste naelektrisanja: pozitivna i negativna.
Električni naboji se mogu pojaviti ne samo kao rezultat naelektrisanja kada tijela dođu u kontakt, već i tijekom drugih interakcija, na primjer, pod utjecajem sile (piezoelektrični efekat). Ali uvijek u zatvorenom sistemu, koji ne uključuje naboje, za bilo koje interakcije tijela, algebarski (tj. uzimajući u obzir predznak) zbir električnih naboja svih tijela ostaje konstantan. Ova eksperimentalno utvrđena činjenica naziva se zakon održanja električnog naboja.
Nigdje i nikada u prirodi ne nastaju niti nestaju električni naboji istog znaka. Pojavu pozitivnog naboja uvijek prati pojava negativnog naboja jednakog po apsolutnoj vrijednosti, ali suprotnog predznaka. Ni pozitivni ni negativni naboji ne mogu nestati odvojeno jedno od drugog ako su jednaki po apsolutnoj vrijednosti.
Pojava i nestanak električnih naboja na tijelima u većini slučajeva objašnjava se prijelazima elementarnih nabijenih čestica - elektrona - iz jednog tijela u drugo. Kao što znate, svaki atom sadrži pozitivno nabijeno jezgro i negativno nabijene elektrone. U neutralnom atomu, ukupni naboj elektrona je tačno jednak naboju atomsko jezgro. Tijelo koje se sastoji od neutralnih atoma i molekula ima ukupan električni naboj jednak nuli.
Ako, kao rezultat neke interakcije, dio elektrona prijeđe s jednog tijela na drugo, tada jedno tijelo prima negativan električni naboj, a drugo pozitivno naboj jednake veličine. Kada dva različito nabijena tijela dođu u kontakt, obično električni naboji ne nestaju bez traga, već višak elektrona prelazi sa negativno nabijenog tijela na tijelo u kojem neki od atoma nisu imali puni komplet elektrona na njihove školjke.
Poseban slučaj predstavlja susret elementarnih nabijenih antičestica, na primjer, elektrona i pozitrona. U ovom slučaju pozitivni i negativni električni naboji zapravo nestaju, poništavaju se, ali u potpunosti u skladu sa zakonom održanja električnog naboja, budući da je algebarski zbir naboja elektrona i pozitrona nula.
Zakon održanja električnog naboja kaže da je algebarski zbir naelektrisanja u električno zatvorenom sistemu očuvan.
Zakon održanja naelektrisanja ispunjen je apsolutno tačno. On ovog trenutka njegovo poreklo se objašnjava kao posledica principa invarijantnosti kalibra. Zahtjev relativističke invarijantnosti dovodi do činjenice da zakon održanja naboja ima lokalni karakter: promjena naboja u bilo kojoj unaprijed određenoj zapremini jednaka je protoku naboja preko njegove granice. U originalnoj formulaciji bio bi moguć sljedeći proces: naelektrisanje nestaje u jednoj tački u prostoru i trenutno se pojavljuje u drugoj. Međutim, takav proces bi bio relativistički neinvarijantan: zbog relativnosti simultanosti, u nekim referentnim okvirima naboj bi se pojavio na novom mjestu prije nego što bi nestao na prethodnom, au nekima bi se naboj pojavio na novom mjestu. neko vrijeme nakon nestanka u prethodnom. Odnosno, postojao bi period tokom kojeg se naknada ne zadržava. Zahtjev lokaliteta nam omogućava da zapišemo zakon održanja naboja u diferencijalnom i integralnom obliku.
Zakon održanja naboja i invarijantnost kalibra
| Simetrija u fizici | ||
|---|---|---|
| Konverzija | Dopisivanje invarijantnost | Dopisivanje zakon konzervacija |
| ↕ Vrijeme emitiranja | Uniformitet vrijeme | ...energija |
| ⊠ C, P, CP i T simetrije | Izotropija vrijeme | ...ujednačenost |
| ↔ Prostor za emitovanje | Uniformitet prostor | ...impuls |
| ↺ Rotacije prostora | Izotropija prostor | ...trenutak impuls |
| ⇆ Lorentz grupa | Relativnost Lorentz invarijantnost | …4-impulsa |
| ~ Transformacija mjerača | Invarijantnost mjerača | ...naplatiti |
Fizička teorija kaže da je svaki zakon održanja zasnovan na odgovarajućem fundamentalnom principu simetrije. Zakoni održanja energije, količine gibanja i ugaone količine gibanja povezani su sa svojstvima prostorno-vremenskih simetrija. Zakoni održanja električnih, barionskih i leptonskih naboja nisu povezani sa svojstvima prostor-vremena, već sa simetrijom fizičkih zakona u vezi faznih transformacija u apstraktnom prostoru kvantnih mehaničkih operatora i vektora stanja. Naelektrisana polja u kvantnoj teoriji polja su opisana kompleksnom talasnom funkcijom, gde je x koordinata prostor-vreme. Čestice suprotnih naboja odgovaraju funkcijama polja koje se razlikuju po predznaku faze, što se može smatrati ugaonom koordinatom u nekom fiktivnom dvodimenzionalnom „prostoru naboja“. Zakon održanja naboja je posljedica invarijantnosti Lagranžiana prema globalnoj kalibarskoj transformaciji tipa , gdje je Q naboj čestice opisane poljem, i proizvoljan realni broj koji je parametar i neovisan o prostoru- vremenske koordinate čestice. Takve transformacije ne mijenjaju modul funkcije, pa se nazivaju unitarnim U(1).
Zakon održanja naelektrisanja u integralnom obliku
Podsjetimo da je gustina fluksa električnog naboja jednostavno gustina struje. Činjenica da je promjena naboja u volumenu jednaka ukupnoj struji kroz površinu može se zapisati u matematičkom obliku:
Ovdje je neka proizvoljna regija u trodimenzionalnom prostoru, - granica ove regije, - gustina naelektrisanja, - gustina struje (gustina fluksa električnog naboja) preko granice.
Zakon održanja naelektrisanja u diferencijalnom obliku
Prelaskom na beskonačno mali volumen i korištenjem Stokesove teoreme po potrebi, možemo prepisati zakon održanja naboja u lokalnom diferencijalnom obliku (jednačina kontinuiteta)
Zakon održanja naelektrisanja u elektronici
Kirchhoffova pravila za struje slijede direktno iz zakona održanja naelektrisanja. Kombinacija provodnika i radioelektronskih komponenti predstavljena je kao otvoreni sistem. Ukupan priliv optužbi u ovaj sistem jednak je ukupnom izlazu naelektrisanja iz sistema. Kirchhoffova pravila to pretpostavljaju elektronski sistem ne može značajno promijeniti svoj ukupni naboj.
Eksperimentalna verifikacija
Najbolji eksperimentalni test zakona održanja električnog naboja je potraga za takvim raspadima elementarne čestice, što bi bilo dozvoljeno u slučaju nestriktnog očuvanja naboja. Takvi raspadi nikada nisu uočeni.Najbolje eksperimentalno ograničenje na vjerovatnoću narušavanja zakona održanja električnog naboja dolazi iz traženja fotona sa energijom mec 2/2 ≈ 255 keV, koji nastaje hipotetičkim raspadom elektrona na neutrino i foton:
međutim, postoje teorijski argumenti da do takvog raspada jednog fotona ne može doći čak i ako naboj nije očuvan. Još jedan neobičan proces koji ne očuva naboj je spontana transformacija elektrona u pozitron i nestanak naboja (prelazak u dodatne dimenzije, tuneliranje iz brane, itd.). Najbolja eksperimentalna ograničenja na nestanak elektrona zajedno s električnim nabojem i na beta raspad neutrona bez emisije elektrona.