В чем заключается закон сохранения заряда

В чем заключается закон сохранения заряда

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:

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.

Обратите внимание

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:

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.

Отсюда следует формула, описывающая закон сохранения электрического заряда:

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

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

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.

Важно

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:

Источник: https://samelectrik.ru/v-chem-zaklyuchaetsya-zakon-soxraneniya-zaryada.html

Закон сохранения заряда

Электростатика изучает свойства и взаимодействия зарядов, которые являются неподвижными в той системе отсчета, в которой они рассматриваются.

В природе есть всего два типа электрических зарядов – отрицательные и положительные. Положительный заряд может возникать на стеклянной палочке, натертой кожей, а отрицательный – на янтаре, натертом шерстяной тканью.

Известно, что все тела состоят из атомов. В свою очередь атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов, которые вращаются вокруг него.

Совет

Так как электроны имеют отрицательный заряд, а ядро положительный – то в целом атом является электрически нейтральным. При воздействии на него из вне, он может потерять один или несколько электронов и превратится в положительно заряженный ион.

В случае, если атом (или молекула), присоединит к себе дополнительный электрон, то он превратится в отрицательный ион.

Таким образом, электрический заряд может существовать в виде отрицательных или положительных ионов и электронов. Существует один род «свободного электричества» — отрицательные электроны. Поэтому, если какое-то тело имеет положительный заряд – у него недостаточно электронов, а если отрицательный – то избыток.

Электрические свойства любого вещества обусловлены его атомным строением. Атомы могут терять даже по несколько электронов, в таком случае их называют многократно ионизированными.

Из протонов и нейтронов состоит ядро атома. Каждый протон несет заряд, который равен заряду электрона, но противоположен ему по знаку.

Нейтроны – это электрически нейтральные частицы (не имеет электрического заряда).

Помимо протонов и электронов, электрическим зарядом обладают и другие элементарные частицы. Электрический заряд – неотъемлемая часть элементарных частиц.

Наименьшим зарядом принято считать заряд, равный заряду электрона. Его еще называют элементарным зарядом, который равен 1,6·10-19 Кл. Любой заряд кратен целому числу зарядов электрона. Поэтому электризация тела не может происходить непрерывно, а только ступенями (дискретно), на величину заряда электрона.

Если положительно заряженное тело начать перезаряжать (заряжать отрицательным электричеством), то его заряд не изменится мгновенно, а сначала уменьшится до нуля, и только потом приобретет отрицательный потенциал.

Отсюда можно сделать вывод, что они компенсируют друг друга.

Данный факт привел ученых к выводу, что в «незаряженных» телах всегда имеются заряды положительных и отрицательных знаков, которые содержатся в таких количествах, что их действие полностью компенсирует друг друга.

Обратите внимание

При электризации трением происходит разделение отрицательных и положительных «элементов», содержащихся в «незаряженном теле». В результате перемещения отрицательных элементов тела (электронов) электризуются оба тела, причем одно из них отрицательно, а второе положительно. Количество «перетекаемых» от одного элемента к другому зарядов остается постоянным в течении всего процесса.

Отсюда можно сделать вывод, что заряды не создаются и не исчезают, а всего лишь «перетекают» от одного тела к другому или перемещаются внутри него. В этом и является сущность закона сохранения электрических зарядов.

При трении электризации подвержены многие материалы – эбонит, стекло и многие другие.

Во многих отраслях промышленности (текстильная, бумажная и другие) наличие статического электричества представляет серьезную инженерную проблему, так как электризация элементов, вызванная трением бумаги, ткани или других продуктов производства о детали машин могут вызывать пожары и взрывы.

Закон сохранения заряда можно сформулировать короче – в изолированной системе алгебраическая сумма заряженных элементов остается постоянной:

Данный закон справедлив и при взаимных превращениях различных элементарных частиц, составляющих атом и ядро в целом.

Источник: http://elenergi.ru/zakon-soxraneniya-zaryada.html

В каких случаях выполняется закон сохранения электрического заряда

Закон сохранения заряда подтверждается и простыми опытами по электризации тел. Укрепим на стержне электромера металлический диск и, положив на него прослойку из сукна, поставим сверху еще один такой же диск, но с ручкой из диэлектрика. Совершив несколько движений верхним диском по изоляционной прослойке, уберем его в сторону.

Мы увидим, что стрелка электромера отклонится, свидетельствуя о появлении на сукне и соприкасающемся с ним диске электрического заряда. Далее прикоснемся вторым диском (которым мы терли о сукно) к стерж­ню второго электромера. Стрелка этого электромера отклонится примерно на такой же угол, что и стрелка первого электромера.

Это означает, что при электризации оба диска получили одинако­вый по модулю заряд. Что можно сказать о знаках этих зарядов? Для ответа на этот вопрос завер­шим опыт, соединив электромеры металлическим стержнем. Мы увидим, как стрелки приборов опустятся вниз.

Нейтрализация зарядов свидетельствует о том, что они были равны по модулю, но противоположны по знаку (и, следовательно, в сумме давали нуль).

Закон сохранения электрического заряда

Наличие носителей заряда (электронов, ионов) является условием того, что тело проводит электрический ток. В зависимости от способности тел проводить электрический ток они делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники Проводники – тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объему.

Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (например, металлы) – перенесение в них зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями; 2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот) – перенесение в них зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведет к химическим изменениям.

Важно

Диэлектрики (например, стекло, пластмассы) – тела, которые не проводят электрического тока; если к этим телам не прикладывается внешнее электрическое поле, в них практически отсутствуют свободные носители заряда.

Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, причем их проводимость сильно зависит от внешних условий, например температуры.

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.

Электрический заряд и элементарные частицы

Электризация тел и её проявления. Значительная электризация происходит при трении синтетических тканей. Снимая с себя рубашку из синтетического материала в сухом воздухе, можно слышать характерное потрескивание. Между заряженными участками трущихся поверхностей проскакивают маленькие искорки.

Закон сохранения 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 функциейφ(x) = | φ(x) | eiψ(x), где x — пространственно-временная координата.

Частицам с противоположными зарядами соответствуют функции поля, различающиеся знаком фазы ψ, которую можно считать угловой координатой в некотором фиктивном двумерном “зарядовом пространстве”.

Закон сохранения заряда является следствием инвариантности лагранжиана относительно глобального калибровочного преобразования типа φ’ = eiαQφ, где Q — заряд частицы, описываемой полем φ, а α — 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]

Читайте также:  Что такое импульсное реле и для чего оно предназначено?

Перемещение зарядов либо отсутствует, либо происходит так медленно, что возникающие при движении зарядов магнитные поля ничтожны. Сила взаимодействия между зарядами определяется только их взаимным расположением. Следовательно, энергия электростатического взаимодействия – потенциальная энергия.

Измеряется заряд в СИ – кулон – электрозаряд, проходящий через сечение проводника при силе тока равной 1А за промежуток времени в 1 секунду. Заряд в 1 Кулон очень велик.

И если бы два носителя заряда (q1 = q2 = 1 Кл) расположить в вакууме на расстоянии один метр, то они взаимодействовали бы с силой 9•109 H, то есть с такой силой, с которой бы гравитация земли притягивала бы к себе предмет имеющий массу порядка одного миллиона тонн.

Опыт с электризацией пластин доказывает, что при электризации трением происходит перераспределение имеющихся зарядов между нейтральными в первый момент телами. Небольшая часть электронов переходит с одного тела на другое. Новые заряженные частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают. Алгебраическая сумма положительных и отрицательных зарядов тел равна нулю.

Рекомендуем прочесть:  Что нужно чтобы оформить завещание на квартиру

Закон сохранения электрического заряда

Опыт с электризацией пластин до­казывает, что при электризации трением происходит перераспределение имеющихся зарядов между телами, нейтральными в первый момент. Не­большая часть электронов переходит с одного тела на другое. При этом новые частицы не возникают, а су­ществовавшие ранее не исчезают.

Закон сохранения электрического заряда

Причина этого нам понятна: при электризации двух тел общее количество электронов в них остается неизменным. Поэтому положительный заряд, приобретаемый одним из тел, равен по модулю отрицательному заряду, приобретаемому другим телом. Это – частный случай общего закона природы, который называется

Закон сохранения электрических зарядов

Пластинку из органического стекла по­трем пластинкой, поверхность которой по­крыта бумагой. Если после этого коснемся металлических шариков каждой пластинкой, то увидим, что стрелки гальванометров от­клонятся на одинаковый угол (рис. 4.10).

Для определения знака полученных зарядов под­несем поочередно к обоим шарикам эбо­нитовую палочку, потертую мехом. Один элект­рометр уменьшит показания, а другой — уве­личит. Это свидетельствует о том, что шары электрометров имеют заряды противополож­ных знаков.

Совет

Проверить эти утверждения мож­но с помощью другого опыта. Для этого со­единим 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 пока­зывает, что в природе действует закон со­хранения электрических зарядов.

Закон сохранения электрического заряда

Электрический заряд замкнутой системы ] сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду, то есть, другими словами, алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.

Закон сохранения электрического заряда

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

Закон сохранения электрического заряда

Из опытных данных был установлен фундаментальный закон природы, экспериментально подтвержденный в 1843 г американским физиком М.Фарадеем,- закон сохранения заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы остается неизменной, какие бы процессы не происходили внутри этой системы.

Электрозаряд замкнутой системы сохраняется во временном промежутке и квантуется – изменяется порциями, которые кратны элементарному электрическому заряду. Если сказать по-другому, то алгебраическая сумма электрических зарядов тел и частиц, которые образуют электрически изолированную систему, будет неизменной при любых процессах, которые будут происходить в этой системе.

Источник: http://zakonandpravo.ru/pensiya/v-kakih-sluchayah-vypolnyaetsya-zakon-sohraneniya-elektricheskogo-zaryada

Закон сохранения заряда

   Не все явления природы можно понять и объяснить на основе использования понятий и законов механики, молекулярно-кинетической теории строения вещества, термодинамики.

Эти науки ничего не говорят о природе сил, которые связывают отдельные атомы и молекулы, удерживают атомы и молекулы вещества в твердом состоянии на определенном расстоянии друг от друга.

Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе представлений о том, что в природе существуют электрические заряды.

   Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — это электризация тел при соприкосновении.

Взаимодействие тел, обнаруживаемое при электризации, называется электромагнитным взаимодействием, а физическая величина, определяющая электромагнитное взаимодействие, — электрическим зарядом.

Способность электрических зарядов притягиваться и отталкиваться говорит о наличии двух различных видов зарядов: положительных и отрицательных.

   Электрические заряды могут появляться не только в результате электризации при соприкосновении тел, но и при других взаимодействиях, например, под воздействием силы (пьезоэффект).

Обратите внимание

Но всегда в замкнутой системе, в которую не входят заряды, при любых взаимодействиях тел алгебраическая (т.е. с учетом знака) сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной.

Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда.

   Нигде и никогда в природе не возникают и не исчезают электрические заряды одного знака. Появление положительного заряда всегда сопровождается появлением равного по абсолютному значению, но противоположного по знаку отрицательного заряда. Ни положительный, ни отрицательный заряды не могут исчезнуть в отдельности друг от друга, если равны по абсолютному значению.

   Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц — электронов — от одних тел к другим.

Как известно, в состав любого атома входят положительно заряженные ядро и отрицательно заряженные электроны. В нейтральном атоме суммарный заряд электронов в точности равен заряду атомного ядра.

Тело, состоящее из нейтральных атомов и молекул, имеет суммарный электрический заряд, равный нулю.

   Если в результате какого-либо взаимодействия часть электронов переходит от одного тела к другому, то одно тело получает отрицательный электрический заряд, а второе — равный по модулю положительный заряд.

При соприкосновении двух разноименно заряженных тел обычно электрические заряды не исчезают бесследно, а избыточное число электронов переходит с отрицательно заряженного тела к телу, у которого часть атомов имела не полный комплект электронов на своих оболочках.

Важно

   Особый случай представляет встреча элементарных заряженных античастиц, например, электрона и позитрона. В этом случае положительный и отрицательный электрические заряды действительно исчезают, аннигилируют, но в полном соответствии с законом сохранения электрического заряда, так как алгебраическая сумма зарядов электрона и позитрона равна нулю.

Источник: https://students-library.com/library/read/50629-zakon-sohranenia-zarada

Закон сохранения электрического заряда

Алгебраическая сумма электрических зарядов в замкнутой системе остается постоянной.

О том, что электрические заряды в природе существуют, человечество знало со времен древнегреческих натурфилософов, которые открыли, что кусочки янтаря, если их потереть кошачьей шерстью, начинают отталкиваться друг от друга. Сегодня мы знаем, что электрический заряд, подобно массе, является одним из фундаментальных свойств материи.

Все без исключения элементарные частицы, из которых состоит материальная Вселенная, имеют тот или иной электрический заряд — положительный (подобно протонам в составе атомного ядра), нейтральный (подобно нейтронам того же ядра) или отрицательный (подобно электронам, образующим внешнюю оболочку атомного ядра и обеспечивающим его электрическую нейтральность в целом).

Одним из полезнейших приемов в физике является выявление совокупных (суммарных) свойств системы, которые не изменяются ни при каких изменениях ее состояния. Такие свойства, выражаясь научным языком, являются консервативными, поскольку для них выполняются законы сохранения.

Любой закон сохранения сводится к констатации того факта, что в замкнутой (в смысле полного отсутствия «утечки» или «поступления» соответствующей физической величины) консервативной системе соответствующая величина, характеризующая систему в целом, со временем не изменяется.

Электрический заряд как раз и относится к категории консервативных характеристик замкнутых систем.

Алгебраическая сумма положительных и отрицательных электрических зарядов — чистый суммарный заряд системы — не изменяется ни при каких обстоятельствах, какие бы процессы в системе ни происходили.

В частности, при химических реакциях, отрицательно заряженные валентные электроны могут каким угодно образом перераспределяться между внешними оболочками образующих химические связи атомов различных веществ — ни совокупный отрицательный заряд электронов, ни совокупный положительный заряд протонов в ядре в замкнутой химической системе не изменится. И это лишь самый простой пример, поскольку при химических реакциях не происходит трансмутаций самих протонов и электронов, в результате чего число положительных и отрицательных зарядов в системе можно просто подсчитать.

При более высоких энергиях, однако, электрически заряженные элементарные частицы начинают вступать во взаимодействия друг с другом, и проследить за соблюдением закона сохранения электрического заряда становится значительно сложнее, однако он выполняется и в этом случае. Например, при реакции спонтанного распада изолированного нейтрона происходит процесс, который можно описать следующей формулой:

n → p + e + v

где p — положительно заряженный протон, n — нейтрально заряженный нейтрон, e — отрицательно заряженный электрон, v — нейтральная частица, называемая нейтрино.

Нетрудно увидеть, что и в исходном материале, и в продукте реакции суммарный электрический заряд равен нулю (0 = (+1) + (–1) + 0), однако в этом случае налицо изменение общего числа положительно и отрицательно заряженных частиц в системе.

Совет

Это — одна из реакций радиоактивного распада, в которых закон сохранения алгебраической суммы электрических зарядов выполняется, несмотря на образование новых заряженных частиц.

Такие процессы характерны для взаимодействий между элементарными частицами, при которых из частиц с одними электрическими зарядами рождаются частицы с другими электрическими зарядами. Суммарный электрический заряд замкнутой системы, в любом случае, остается неизменным.

См. также:

1813 Теорема Гаусса

Источник: https://gitak.ru/200-zakonov-mirozdaniya/fizika/171-zakon-sokhraneniya-elektricheskogo-zaryada.html

Закон сохранения электрического заряда

Ещё раз обратимся к опытам, описанным в предыдущих параграфах.

Обратили ли вы внимание, что заряды всегда возникают и исчезают парами? Например, равные по модулю и противоположные по знаку заряды возникают одновременно на шерсти и эбоните, на шёлке и стекле (см. § 8-б).

В опыте по электризации индукцией аналогично: шары приобретали равные по модулю и противоположные по знаку заряды также одновременно (см. § 8-в).

Повторим опыт по электризации индукцией иначе. Сначала те же шары по-прежнему не заряжены (д). Поднесём заряженную палочку (е), затем уберем её и лишь после этого раздвинем шары (ж). В итоге шары окажутся незаряженными (з). Объясним этот опыт.

Когда мы поднесли положительно заряженную палочку (е), шары приобрели разноимённые заряды, так как часть электронного газа правого шара переместилась в левый шар, придав ему отрицательный заряд.

Одновременно на правом шаре возник недостаток электронов, поэтому шар зарядился положительно. Когда палочку убрали, отрицательно заряженный электронный газ вернулся в правый шар, нейтрализовав заряд его ионов (ж).

Читайте также:  Как проложить кабель по забору согласно правилам?

Это значит, что алгебраическая сумма зарядов в каждом шаре превратилась в ноль – оба шара вновь стали незаряженными. Такими они и остаются после раздвигания (з).

Подобными и многими другими опытами доказано, что при любых явлениях, связанных с возникновением и переходом зарядов от одних тел к другим, алгебраическая сумма зарядов участвующих в этом тел всегда остаётся постоянной – гласит закон сохранения электрического заряда. Примечание: алгебраическая сумма зарядов, всегда оставаясь постоянной, не обязана быть равной нулю (например, если шар или шары до электризации их индукцией уже имели заряд или заряды).

Обратите внимание

В физике установлено, что электрический заряд любого тела вне зависимости от знака заряда поддаётся делению на части. Убедимся в этом на опыте с электроскопами (см. рисунок).

Зарядим палочкой левый электроскоп (а). Затем соединим его со вторым электроскопом металлической проволокой (б).

Мы увидим, что заряд распределится между приборами, и лепестки левого немного «опадут», а лепестки правого немного «поднимутся». Уберём проволоку и коснёмся правого электроскопа рукой (в).

Заряд перейдёт по руке внутрь нашего тела, и лепестки правого электроскопа полностью «опадут».

Так можно поступать много раз: заряд левого электроскопа будет делиться на всё более мелкие части. Важно: проволоку необходимо брать не рукой, а предметом из вещества-диэлектрика (см. § 8-в). Иначе весь заряд левого электроскопа сразу перейдёт по проволоке внутрь нашего тела, и мы не сможем наблюдать его деление на части при переходе на правый электроскоп.

Опытами американского учёного Р.Милликена и российского учёного А.Ф.Иоффе установлено, что заряды тел можно делить не бесконечно: в природе существует наименьшая порция электрического заряда – элементарный заряд – модуль заряда электрона или заряд протона:

qmin  ≈  1,6·10-19  Кл.

Следствие: заряд любого тела складывается из зарядов всех свободных электронов или оставшихся без «электронного партнёра» протонов.

Таким образом, возникновение и исчезновение (нейтрализация) зарядов тел при переходе свободных электронов – частный случай проявления закона сохранения электрического заряда.

Источник: https://questions-physics.ru/uchebniki/8_klass/zakon_sohraneniya_elektricheskogo_zaryada.html

I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся Старт в науке

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDFСОДЕРЖАНИЕ

Введение

  1. Обзор литературы……………………………………………………… .4-5

  1.  
    1. Из истории открытия закона……… ………………………………..4

    2. Применение закона сохранения электрического заряда в химии

при составлении формул ……………………………………… 5

  1.  
    1. Почему разрушается эмаль на зубах?…………………….………………6

  1. Материал и методика исследований……………………………………7

    1. Объект и программа исследования ……………………………….7

2.2.Методика лабораторных исследований…………………………….7

  1. Результаты собственных исследований………………………………8-10

3.1.Исследование применения закона сохранения электрического

заряда в физике……………………………………………………………8

3.2 Исследование применения закона сохранения электрического

заряда в химии …………………………………………………………….9

Реакция обмена……………………………………………………………9

Действие кислоты на апатит…………………………………………….10

  1. Выводы……………………………………………………………………11

  2. Список литературы

  3. Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Мы зачастую на разных уроках изучаем одни и те же законы, факты совершенно разрозненно, а они чаще всего имеют единую основу.

При изучении физики и химии, я отметила, что некоторые явления, процессы и законы природы рассматриваются с единой точки зрения. Так получилось и с законом сохранения электрического заряда.

Мы предположили, что в процессах, связанных с самыми разнообразными явле­ниями — физическими, химическими — этот закон действует без ограничения.

Важно

Исходя их этого, я поставила перед собой цель: показать взаимосвязь физики и химии и применение закона сохранения электрического заряда в химии.

Для выполнения работы были выделены следующие задачи:

  1. Изучить суть закона сохранения электрического заряда и выяснить где мы встречаемся с этим законом;

  2. Показать на опыте подчинение химических процессов закону сохранения электрического заряда;

  3. Выяснить, с точки зрения закона, почему надо чистить зубы.

Объектом данного исследования являются процессы, происходящие при контактной электризации тел, а также реакциях ионного обмена, чистке зубов.

Предметом изучения является действие закона сохранения электрического заряда в физических и химических процессах.

Методы исследования:

  1. Теоретический (обзор литературы)

  2. Эмпирический (сравнение и наблюдение)

  3. Специальный (составление химических формул и уравнений химических реакций)

  1.  
    1. Из истории открытия закона

Закон сохранения электрического заряда открыт Фарадеем в связи с исследованием электростатической ­индукции. Но Фарадей не дал четкой формулировки этого закона[5]. Впервые утверждение о неуничтожимости и несотворимости электрического заряда встречается у Максвелла [1].С развитием электродинамики было найдено и математическое обоснование закона.

Современная его формулировка такова: алгебраическая сумма электрических зарядов в замкнутой системе остается постоянной при любых процессах, происходящих в ней[4]. В телах, которые находятся в покое и электрически нейтральны, заряды противоположных знаков равны по величине и взаимно компенсируют друг друга.

В изолированной системе тел общий суммарный заряд всегда равен некоторой постоянной величине: q1+q2+⋯+qn=const, где q1, q2, …, qn заряды тел или частиц, входящих в систему[4]. Выполнение закона сохранения электрического заряда подтверждено экспериментально множество раз. Нет ни одного факта, который бы говорил об ином.

Поэтому, ученые полагают, что полный электрический заряд всех тел во Вселенной сохраняется неизменным и, скорее всего, равен нулю. То есть количество всех положительных зарядов равно количеству всех отрицательных зарядов[5]. Природа существования закона сохранения заряда пока непонятна. В частности, непонятно, почему заряженные частицы рождаются и аннигилируют только парами.

Однако, очевидно, что это часть мудрого устройства Вселенной, и она необходима для стабильного и продолжительного существования материи как таковой[2].

  1.  
    1. Применение закона сохранения электрического заряда в химии при составлении формул

Химические реакции сводятся к перераспределению электронов между частицами реагирующих веществ[2]. Поэтому вся химия — органическая и неорганическая — сфера действия закона сохранения электрического заряда, и следует уметь применять его как при объяснении теоретического материала, так и при решении практических задач.

Например, нужно составить формулу какого-либо соединения по валентности. Пусть это будет тот же оксид алюминия, о котором идет речь в учебнике химии. Как там сказано, составленная формула будет справедлива в том случае, если «сумма единиц валентности атомов алюминия будет равна сумме единиц валентности атомов кислорода».

Валентность — это способность атома химического элемента или группы атомов образовывать химические связи с другими атомами (группами атомов). Валентность атома определяется числом неспаренныx электронов, которые способны вступать во взаимодействия с электронами других атомов, вследствие чего образуются химические связи.

Совет

В молекулах, состоящих из одинаковых атомов, например в молекуле водорода, электронная пара, посредством которой образуется ковалентная связь, в равной мере принадлежит обоим атомам. Если же электронная пара связывает два разных атома она всегда оказывается «оттянутой» от одного атома к другому- это полярная ковалентная связь.

При образовании таких связей, как и при образовании ионных связей, происходит завершение электронного слоя атомов одного элемента за счет оттягивания электронов от атомов другого элемента.

Одни атомы теряют электроны, другие их принимают, но в молекуле соединения число электронов, потерянных одной группой атомов, равно числу электронов, принятых другой группой атомов: ни один электрон при их перераспределении во время образования соединения не может «потеряться» или появиться ниоткуда[4].

При образовании оксида алюминия из кислорода и алюминия перераспределение электронов между атомами этих элементов происходит следующим образом: атом алюминия может потерять три электрона, атом кислорода — приобрести два электрона.

Соединение будет устойчивым (не будет к себе притягивать положительные или отрицательны ионы) только в том случае, если его общий заряд станет равным нулю.

А это условие будет выполнено, если число электронов, потерянных одной группой атомов в соединении, будет равняться числу электронов, принятых другой группой атомов в том же соединении. Значит, формула оксида алюминия А12О3[2]

Образование химических веществ подчиняется одному из фундаментальных законов природы — закону сохранения электрического заряда.

  1.  
    1. Почему разрушается эмаль на зубах?

Зубы покрыты эмалью — самой твердой тканью человеческого тела – по твердости она приближает­ся к кварцу. На 93% эмаль состоит из неорганического вещества апатита Са5(РО4)зОН[1]. В кристаллическую решетку этого вещест­ва могут проникать посторонние ионы, оно не кислотоупорно.

И хо­тя мы не употребляем с пищей сильных кислот, но если не выпол­нять правила гигиены ротовой полости, на зубах появляется кисло­та, которая и разъедает эмаль. Кислота вырабатывается микро­организмами, для них ротовая полость — «настоящий рай». Здесь тепло, влажно и много пищи.

На неухоженных зубах появляются бактериальные наросты — кариозные бляшки. Они и начинают свою разрушительную работу. Микроорганизмы составляют более половины зубного налета, в одном его грамме находится около 300 млрд. живых существ — бактерий, микроскопических грибков, амеб.

Обратите внимание

Под действием бактерий сахар, попадающий в ротовую полость, сбраживается и превращается в кислоту, после чего начинается разрушение зуба[2].

  1. Материал и методика исследований.

2.1 Объект и программа исследования

Объектом данного исследования стали опыты с электрометром, а также процессы, происходящие при реакциях апатита с кислотой и ионного обмена

Исследования проводились в несколько этапов:

1.Проведение опытов с физическими приборами, доказывающих действие закона сохранения электрического заряда.

2. Проведение реакции обмена и доказательство проявления закона сохранения электрического заряда в химии.

3. Исследование действия кислоты на апатит, для доказательства того, почему надо чистить зубы и выявить действие закона сохранения электрического заряда.

4. Обобщение результатов исследования.

Исследования и анализ проводились с октября по декабрь 2015 года в школьном кабинете химии МБОУ СОШ с.Куяново.

  1.  
    1. . Методика лабораторных исследований

Исследование действия сохранения электрического заряда в физике

Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется

электрометр[4,I], состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Стержень со стрелкой закреплен в плексигласовой втулке и помещен в металлический корпус цилиндрической формы, закрытый стеклянными крышками.

Натиранием о мех или бумагу сообщают электрический заряд эбонитовой палочке, а затем прикасаются палочкой к стержню электрометра. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке.

Силы отталкивания, действующие между одноименными зарядами на стержне и стрелке, вызывают поворот стрелки [4]. Следовательно, по углу отклонения стрелки электрометра можно судить о значении электрического заряда, переданного стержню электрометра.

Далее следует соединить проводником стержни первого и второго электрометров.

Исследование действия сохранения электрического заряда в химии. Реакция обмена

Важно

Смешивают растворы хлорида магния и нитрата серебра. Записывается уравнение реакции и расставляются коэффициенты[3].

Действие кислоты на апатит

Читайте также:  Может ли выбивать автомат из-за стабилизатора напряжения?

На апатит воздействовать соляной кислотой. Проводят наблюдение и чтобы увидеть, каково соотношение между разрушающей кисло­той и апатитом (эмалью), следует в этом уравнении расставить коэффициенты[3].

3. Результаты собственных исследований

3.1.Исследование действия сохранения электрического заряда в физике

Использование описанных выше методик на практике позволило получить следующие результаты.

При соприкосновении заряженной эбонитовой палочки со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке. Силы отталкивания, действующие между одноименными зарядами на стержне и стрелке, вызывают поворот стрелки [I]. Следовательно, по углу отклонения стрелки электрометра можно судить о значении электрического заряда, переданного стержню электрометра.

При соединении проводником стержни первого и второго электрометров, стрелки обоих электрометров возвращаются в вертикальное положение[I]. Наблюдаемая в опыте взаимная нейтрализация зарядов показывает, что суммарный электрический заряд на двух дисках равен нулю. Аналогичные опыты, выполненные с соединенными электрометра

ми показали, что в результате электризации при соприкосновении на телах всегда возникают электрические заряды, равные по модулю и противоположные по знаку.

3.2. Исследование действия сохранения электрического заряда в химии.

Реакция обмена

При смешивании раствора хлорида кальция и нитрата серебра образуются новые вещества[II]. Как записать уравнение этой реакции и расставить в нем ионы?

Мg2++Cl-+Ag++NO3- =AgCl↓+Mg2++NO–3

Рассуждаем так: раствор образуется из нейтральных веществ, значит, до и после реакции его общий заряд должен быть равен нулю (в замкнутой системе при любых процессах алгебраическая сумма электрических зарядов остается неизменной).

Совет

Если в левой части уравнения перед ионом хлора не поставить коэффициент 2, то согласно уравнению раствор до реакции будет иметь положительный заряд. Из тех же соображений следует поставить коэффициент 2 перед ионом NO3– в правой части уравнения.

Согласно закону сохранения массы вещества следует поставить коэффициенты перед ионом Ag+ и молекулой AgCl:

Мg 2++2Cl–+2Ag+ + 2NO3–= Мg 2+ + 2NO3–+ 2AgCl↓

Если происходят какие-то химические изменения, вследствие которых из одних веществ образуются другие, то проявляется действие этого закона.

Действие кислоты на апатит

Чтобы увидеть, как происходит процесс разрушения эмали, взяли природный апатит и воздействовали на него соляной кислотой. Идет процесс разрушения апатита [III]. Он уменьшается в размерах. Значит, ионы водорода, которые появляются в слюне вследствие дис­социации кислот, вытесняют из молекулы апатита ионы кальция, в результате чего эмаль растворяется:Са5(Р04)з ОН + Н+ → Са2+ + НРО42- + Н2О

Чтобы увидеть, каково соотношение между разрушающей кисло­той и эмалью, следует в этом уравнении расставить коэффициенты. Учитывая, что при любых перераспределениях ионов в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов должна оставаться по­стоянной.

Знак равенства в уравнении можно поставить в том случае, если заряд ионов водорода, заместивших ионы кальция в Са5(РО4)3ОН, будет равен алгебраической сумме зарядов ионов Са2+ и НРО42-, образовавшихся после реакции:Са5(РО4)3ОН + 4Н+ = 5Са2+ + 3 НРО42- + Н2О;

+ 4 = ( + 10) + (—6); +4= +4

Алгебраическая сумма электрических зарядов в растворе, окру­жающем зуб, до и после реакции остается одной и той же: в нем уменьшилось число ионов водорода, но увеличилось число ионов кальция.

С точки зрения закона сохранения электрического заряда все осталось по-прежнему, но с точки зрения человека, страдаю­щего кариесом, произошли существенные изменения: ведь кислота, содержащаяся в слюне, частично растворила эмаль (соотноше­ние 4:1): на зубе появились белые пятнышки.

Если бляшки не удалять, то бактерии проникнут под эмаль, где находится дентин — менее твердое вещество, чем эмаль, и менее сопротивляющееся действию кислот.

Выводы

  1. Центральное место в физике, а именно разделе «Электродинамика» занимает закон сохранения электрического заряда, который подтвердили опытами на электрометрах. Мы убедились в одновременном появлении противоположных по знаку, но равных по модулю зарядов при контактной электризации тел.

  2. Если происходят какие-то химические изменения, вследствии которых из одних веществ образуются другие, то и тогда проявляется действие этого закона. Следует грамотно расставлять коэффициенты в химических реакциях и правильно записывать уравнения в ионном виде.

  3. Зубы покрыты эмалью — самой твердой тканью человеческого тела – на 93% состоящей из неорганического вещества апатита Са5(РО4)зОН.

    Ионы водорода, которые появляются в слюне вследствие дис­социации кислот, вытесняют из молекулы апатита ионы кальция, в результате чего эмаль растворяется, на зубе появляются белые пятнышки (этот процесс тоже подчиняется закону сохранения электрического заряда). Если бляшки не удалять, то можно остаться без зуба, поэтому зубы надо регулярно и правильно чистить.

  4. Таким образом, химия, как и физика – тоже одна из сфер действия закона сохранения электрического заряда, и можно сказать, что этот закон имеет фундаментальный характер: он выполняется в любых процессах рождения и уничтожения элементарных частиц.

Список литературы.

  •  
    1. Большая советская энциклопедия. – М.: Советская энциклопедия, 1996.
    2. Ильченко В.Р. Перекрестки физики, химии и биологии. – М.: Просвещение, 1986.
    3. Орлик Ю.Г. Химия после уроков. – Минск: Народная асвета, 1979.
    4. http://electrophysic.ru
    5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_сохранения_электрического_заряда

Приложение.

I. Исследование действия закона сохранения электрического заряда в физике

Фото Шамшеевой Г.Ш.

II. Исследование действия закона сохранения электрического заряда в химии. Реакция обмена

Образуется белый осадок AgCl.

Фото Шамшеевой Г.Ш.

III. Исследование действия закона сохранения электрического заряда в химии. Действие кислоты на апатит.

Фото Шамшеевой Г.Ш.

Источник: https://school-science.ru/1/13/28725

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.

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.

Обратите внимание

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).

Рис. 1.4. Взаимодействие одноименно заряженных султанов Рис. 1.5. Взаимодействие разноименно заряженных султанов

Источник: http://av-mag.ru/physics/index.php/electro/electrostatika/law-electric-charge/

Закон сохранения электрического заряда

Это основополагающий закон Вселенной. Именно благодаря этому закону Вселенная может существовать стабильно и продолжительно.

Формулировка закона сохранения заряда

Существует еще один подобный закон, который тоже является одним из основополагающих. Это закон сохранения электрического заряда.

В телах, которые находятся в покое и электрически нейтральны, заряды противоположных знаков равны по величине и взаимно компенсируют друг друга. Когда происходит электризация одних тел другими, заряды переходят с одного тела на другое, однако их общий суммарный заряд остается прежним.

В изолированной системе тел общий суммарный заряд всегда равен некоторой постоянной величине: q_1+q_2+⋯+q_n=const,  где q_1, q_2, …, q_n заряды тел или частиц, входящих в систему.

Как же быть с превращением частиц?

Существует один момент, который может вызывать вопросы превращение частиц. Действительно, частицы могут рождать и исчезать, переходя при этом в другие частицы, излучение или энергию.

При этом такие процессы могут происходить как с нейтральными, так и с несущими заряд частицами. Как же быть в таком случае с законом сохранения заряда?

Оказалось, что рождение и исчезновение частиц может происходить только парно. То есть частицы переходят в иной тип существования, например, в излучение только парой, когда исчезают одновременно и положительная и отрицательная частицы.

При этом появляется некий вид излучения и определенная энергия. В обратном случае, когда под влиянием некоего излучения и потреблением энергии рождаются заряженные частицы, то они тоже рождаются только парой: положительная и отрицательная.

Соответственно, общий заряд новоявленной пары частиц будет равен нулю и закон сохранения заряда выполняется.

Экспериментальное подтверждение закона

Выполнение закона сохранения электрического заряда подтверждено экспериментально множество раз. Нет ни одного факта, который бы говорил об ином.

Поэтому, ученые полагают, что полный электрический заряд всех тел во Вселенной сохраняется неизменным и, скорее всего, равен нулю. То есть количество всех положительных зарядов равно количеству всех отрицательных зарядов.

Важно

Природа существования закона сохранения заряда пока непонятна. В частности, непонятно, почему заряженные частицы рождаются и аннигилируют только парами.

Однако, очевидно, что часть мудрого устройства Вселенной, и она необходима для стабильного и продолжительного существования материи как таковой.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Электрический заряд и элементарные частицы | Физика, 10 класс
Следующая тема:   Закон Кулона: единица измерения электрического заряда

Источник: http://www.nado5.ru/e-book/zakon-sokhraneniya-ehlektricheskogo-zaryada

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector