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電荷守恆定律

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電荷守恆定律是自然科學中的基本定律之一。電荷既不能創造,也不會被消滅,它只能從一個物體轉移到另一個物體(如摩擦起電),或從物體的一部分轉移到另一部分(如靜電感應)。在任何物理過程中,電荷的代數和是恆定不變的。

1 電荷守恆定律 -定義

電荷守恆定律電荷守恆定律

電荷的總量既不能創造,也不能消失,只能從一個物體轉移到另一物體,或者從物體的一部分轉移到另一部分。這就是電荷守恆定律,也就是說:在與外界沒有電荷交換的一個系統內,總電荷量不變(電荷的代數和不變)。電荷守恆定律是物理學的基本定律之一。這個定律是從大量實驗概括得出的自然界的基本規律,對宏觀現象、微觀現象都適用,對所有慣性參考系都成立。

在物理學里,電荷守恆定律(law of charge conservation)是一種關於電荷的守恆定律。電荷守恆定律有兩種版本,「弱版電荷守恆定律」(又稱為「全域電荷守恆定律」)與「強版電荷守恆定律」(又稱為「局域電荷守恆定律」)。弱版電荷守恆定律表明,整個宇宙的凈電荷量保持不變,不會隨著時間的演進而改變。注意到這定律並沒有禁止,在宇宙這端的某電荷突然不見,而在宇宙那端突然出現。強版電荷守恆定律明確地禁止這種可能。強版電荷守恆定律表明,在任意空間區域內電荷量的變化,等於流入這區域的電荷量減去流出這區域的電荷量。對於在區域內部的電荷與流入流出這區域的電荷,這些電荷的會計關係就是電荷守恆。

物質的量是國際單位制中7個基本物理量之一。其符號為n,單位為摩爾(mol),簡稱摩。物質的量是表示物質所含微粒數(N)與阿伏加德羅常數(NA, NA = 6.0221415 × 1023 mol^-1 )
)之比,即n=N/NA。它是把微觀粒子與宏觀可稱量物質聯繫起來的一種物理量。

2 電荷守恆定律 -解釋

基本定律之一

物理學的基本定律之一 。它指出,對於一個孤立系統,不論發生什麼變化 ,其中所有電荷的代數和永遠保持不變。電荷守恆定律表明,如果某一區域中的電荷增加或減少了,那麼必定有等量的電荷進入或離開該區域;如果在一個物理過程中產生或消失了某種電荷,那麼必定有等量的異號電荷同時產生或消失。

得失電子的結果

要使物體帶電,可利用摩擦起電、接觸起電、靜電感應、(感應起電)、光電效應等方法。物體是否帶電,通常可用驗電器來檢驗。物體帶電實際上是得失電子的結果。這意味著電荷不能離開電子、質子而存在。電荷乃是電子、質子等微觀粒子所具有的一種屬性。

普遍適用

由摩擦起電和其他起電過程的大量實驗事實表明,一切起電過程其實都是使物體上正、負電荷分離或轉移的過程中,在這種過程中,電荷既不能消滅,也不能創生,只能使原有的電荷重新分佈。由此就可以總結出電荷守恆定律:一個孤立系統的總電荷(即系統中所有正、負電荷之代數和)在任何物理過程中始終保持不變。所謂孤立系統,就是指它與外界沒有任何相互作用的系統,電荷守恆定律也是自然界中一條基本的守恆定律,在宏觀和微觀領域中普遍適用。

另一種表述

電荷守恆定律也常表述為:在與外界沒有電荷交換的一個系統內,總電荷量不變(電荷的代數和不變)。

近代物理實驗證明,一切微觀過程,如原子核反應和基本粒子轉化等,也遵守電荷守恆定律。特別是在電子對湮沒為光子對e++e-→γ+γ和K0介子衰變為π介子對K0→π++π-,在這類反應中,儘管粒子產生或消失了,但反應前後的總電荷仍保持不變。

3 電荷守恆定律 -實驗歷史 

在一個孤立系統中正、負電荷的代數和保持為恆值。這個結論是根據B.富蘭克林的摩擦起電實驗和M.法拉第的靜電感應起電實驗得出的。   

法拉第的實驗是使用一個絕緣的金屬桶連接到金箔驗電器,此時驗電器上沒有指示。如果將絕緣絲線懸挂的帶有電荷的金屬小球逐漸伸入桶內而不與桶壁接觸,則驗電器的指示將逐漸增大並最後穩定在某一指示上。如果將金屬球提出桶外,驗電器的指示就又恢復為零。這說明在上述過程中,金屬桶的外表面上所帶電荷始終與內表面所帶電荷符號相反而數量相等,即其代數和保持不變。   

4 電荷守恆定律 -數學表示

電荷守恆定律的數學表示為:

電荷守恆定律

式中J為電流密度,ρ為電荷的體積密度,V為由閉合面S所包圍的體積。此式表明在閉合面上各處流出的總電流,等於在閉合面所包圍的容積中總電荷的時間減少率,或者說電荷是守恆的。

若將上述積分公式應用到空間任意處的容積元素上,並取其趨近於零的極限,則得出電荷守恆定律的微分形式的表達式:

電荷守恆定律

採用算符電荷守恆定律上式可簡記為

電荷守恆定律

它是宏觀電磁理論的基本方程式之一。

5 電荷守恆定律 -綜述

電荷守恆

在含有帶電粒子的電中性物質中,所有帶正電粒子所帶正電荷總數等於所有帶負電粒子所帶負電荷總數。那麼,在含有陰、陽離子的電中性物質中,陽離子所帶正電荷總數等於陰離子所帶負電荷總數。即:陽離子物質的量(或濃度)與其所帶電荷數乘積的代數和等於陰離子物質的量(或濃度)與其所帶電荷數乘積的代數和。

電荷不能獨自生成與湮滅。假設帶正電粒子接觸到帶負電粒子,兩個粒子帶有電量相同,則因為這接觸動作,兩個粒子會變為中性,這物理行為是合理與被允許的。一個中子,也可以因貝塔衰變,生成帶正電的質子、帶負電的電子與中性的反中微子。但是,任何粒子,不可能獨自地改變電荷量。物理學明確地禁止這種物理行為。更仔細地說,像電子、質子一類的亞原子粒子會帶有電荷,而這些亞原子粒子可以被生成或湮滅。在粒子物理學里,電荷守恆意味著,在那些生成帶電粒子的基本粒子反應里,雖然會有帶正電粒子或帶負電粒子生成,在反應前與反應后,總電荷量不會改變;同樣地,在那些湮滅帶電粒子的基本粒子反應里,雖然會有帶正電粒子或帶負電粒子湮滅,在反應前與反應后,總電荷量絕不會改變;

雖然全域電荷守恆定律要求宇宙的總電荷量保持不變,到底總電荷量是多少仍舊是有待研究問題。大多數跡象顯示宇宙的電荷量為零,即正電荷量與負電荷量相同。

優點

基於宏觀統覽全局而避開細枝末節,在使用過程中不需要了解過多的中間過程,避免了繁雜的分析和多重化學反應,思路簡單,關係明確,簡化步驟,方便判斷,計算快捷。

應用

由於含有帶電粒子或陰、陽離子的電中性物質,可能是純凈物(如NaCl晶體),也可能是混合物(如NaCl溶液),可以是固體,也可以是液體,而含有陰、陽離子的電中性物質,可能是變化的初始狀態,也可能是變化的最終狀態。因此,電荷守恆可應用於任意電中性的體系。電荷守恆的選取:在電中性體系中,凡涉及到體系(如溶液,尤其是混合溶液)中離子的物質的量或物質的量濃度等問題時,可考慮選用電荷守恆。

注意

(1)要找出電中性體系中存在的所有帶電粒子。如陰、陽離子,質子、電子等。

(2)電荷守恆指的是陰、陽離子所帶電荷總數相等,而不是單個離子的電荷相等,更不是陰、陽離子總數相等。

(3)溶液呈電中性與溶液呈中性是兩個不同的概念,溶液呈中性則說明存在如圖示一關係。

電荷守恆定律圖示一

所以理解其概念就不會混淆了。

(4)表示陰、陽離子所帶的電荷數,可用該離子的數目、物質的量或物質的量濃度乘以其所帶的電荷數。

(5)列出的電荷守恆式中,各離子所帶電荷數的表示形式要一致(如均用物質的量);各離子物質的量或物質的量濃度前面的係數,也必須與其所帶的電荷數一致。

6 電荷守恆定律 -具體應用

在離子方程式中的應用

書寫和配平電極反應式和離子方程式;判斷電極反應式和離子方程式的正誤;計算離子方程式中某離子中某種元素的化合價、某離子所帶的電荷數、某離子中某種元素原子的角碼數;確定離子方程式中各離子的計量數間的關係等。

在電解質溶液中的應用

電荷守恆是電解質溶液中各守恆關係中最重要、應用最廣、也最好用的。關鍵是是否知道用,什麼地方用和怎樣用的問題。
主要用於判斷和比較電解質溶液中離子濃度的大小;判斷電解質溶液中溶質的組成、可能存在的離子;確定離子的類別;書寫和判斷電解質溶液中其它守恆關係(如質子守恆關係);計算電解質溶液中某些離子的濃度等。

在其他方面的應用

用於固體物質(純凈物或混合物)組成的推斷和計算;計算反應前或反應后體系中某物質或離子的量等。 

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