Закон сохранения электрического заряда понятным языком

Изучая различные электромагнитные явления, можно видеть, что во многих случаях основу возникающих эффектов составляет перемещение зарядов. В качестве примеров можно привести электрический ток, возникновение магнитного поля, зарядку аккумулятора, накопление зарядов на пластинах конденсатора и многое другое. Закон сохранения электрического заряда является одним из фундаментальных законов. Его знание позволяет лучше понять природу электричества.

Что такое электрический заряд

Данная физическая величина имеет следующие свойства:

• Электрический заряд в физике нельзя рассматривать в качестве неотъемлемой характеристики определённого тела. Он может изменяться в результате взаимодействия с окружающей средой.
• Электрические заряды могут быть положительными и отрицательными. Их величина определяется избытком или недостатком электронов.
• Электрозаряд измеряют в Кулонах. 1 Кулон представляет собой огромную величину, которая практически не встречается в природе. Поэтому на практике удобнее использовать микрокулоны, нанокулоны и пикокулоны. Первые составляют миллионную долю, вторые — миллиардную, а третьи — миллионную от миллионной доли Кулона.
• Заряженные тела взаимодействуют друг с другом. При этом одноимённые заряды отталкиваются, а противоположные притягиваются.
• Любой заряд по величине представляет собой целое количество элементарных зарядов, которые имеют электроны.

На практике иногда необходимо учитывать пространственное распределение электрических зарядов. Если речь идёт о проводе, то применяется понятие линейной плотности:

Для плоских объектов используется поверхностная плотность:

Существует и такое понятие, как объёмная плотность:

В чем суть закона

Если потереть шерстью пластмассовую палочку, на ней появляется заряд. До этого она была электрически нейтральна. На первый взгляд может показаться, что заряд возник ниоткуда. Однако на шерстяной ткани также образуется электрозаряд, который будет противоположным по знаку и равным по величине тому, который имеется у пластмассовой палочки.

Как видим, в системе, состоящей из этих двух предметов и имеющей ранее нулевой заряд, после выполнения эксперимента появилось два заряда, которые в сумме равны нулю. Следовательно, в изолированной электростатической системе суммарный электрозаряд остался прежним и это соответствует тому, что утверждает закон сохранения заряда. Этот закон формулируется так: в объёме пространства, которое замкнуто и изолировано, алгебраическая сумма зарядов никогда не меняется.

Эта относительно простая формулировка порождает вопрос о том, количество каких зарядов здесь рассматривается. Чтобы разобраться в этом, необходимо вспомнить об особенностях строения вещества. Как известно, оно состоит из атомов. Каждый из них представляет собой ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого вращается определённое количество электронов. Эти частицы имеют очень небольшую массу.

При этом протоны заряжены положительно, электроны отрицательно, а нейтроны являются электрически нейтральными. Заряд у каждого электрона в любом атоме имеет одну и ту же величину. Любой отрицательный заряд, который проявляет себя в электротехнике, равен целому числу зарядов электрона.

Движение зарядов в цепи называют электрическим током. Он представляет собой перемещение электронов, которые покинули свои атомы. Если бы этого не произошло, атом был бы электрически нейтральным. Однако, потеряв свои электроны, он становится положительным, так как заряд протонов, находящихся в ядре, теперь не скомпенсирован. В результате скопления таких атомов вещество приобретает положительный заряд.

Следует отметить, что в данном объяснении рассматривается электрически изолированный объём. Это означает, что его не покидают и в него не прибывают электроны. Сумма электрозарядов рассматривается в алгебраическом смысле с учетом величины и знака каждого заряда.

Теперь становится понятно, что при натирании пластмассовой палочки шерстью часть электронов покинула свои атомы. Там, где образовался их избыток, скопился отрицательный заряд, а там, откуда они переместились — положительный. Следовательно, на основании закона сохранения заряда можно утверждать, что количество элементарных зарядов не изменилось, просто их носители переместились внутри воображаемого замкнутого объёма.

При трении электроны с внешних оболочек атомов, входящих в состав шерстяной ткани, отсоединяются и переходят в пластмассовую палочку. На прежнем месте образуется положительный заряд, а на новом — отрицательный.

Передача заряда в электростатике не обязательно происходит в результате касания. Это может быть следствием воздействия электрического поля. Данное явление можно объяснить на следующем примере. К незаряженному шару подносится положительно заряженная палочка, но без касания. Это приведёт к скоплению электронов в той части, которая находится ближе всего к палочке. В результате в разных частях шара накопятся противоположные заряды.

Ещё один опыт, который иллюстрирует такое воздействие, можно показать с использованием наэлектризованной расчёски и мелких кусочков фольги. Последние будут притягиваться, несмотря на свою электрическую нейтральность. Для этого достаточно поднести к ним расчёску на близкое расстояние.

Электрическое поле отрицательно заряженной расчёски оттолкнёт электроны на противоположную сторону в каждом кусочке фольги. Ближняя их часть приобретёт положительный заряд, обеспечив притяжение к отрицательно заряженной расчёске.

Перераспределение зарядов внутри нейтрально заряженных тел называется электростатической индукцией.

Взаимодействие неподвижных зарядов изучал французский физик Шарль Кулон. В 1785 году он открыл закон, касающийся этого явления.

Взаимодействие неподвижных электрозарядов получило название электростатических или кулоновских взаимодействий. Также именем Кулона названа единица измерения электрического заряда.

История открытия

Закон сохранения электрического заряда был открыт американским учёным Бенджамином Франклином в 18 веке. Им был не только сформулирован закон, но и доказано существование электрических зарядов, имеющих различные знаки. Это произошло в 1750 году. Однако более точную формулировку рассматриваемый закон получил в 19 веке.

Многие учёные изучали процесс получения зарядов. Один из вопросов заключался в том, как определить знак полученного при трении заряда. Было проведено множество экспериментов, результатом которых стало определение трибоэлектрических рядов. Их смысл заключается в следующем:

• Различные вещества располагаются в строго определённом порядке.
• Если потереть два различных вещества из одного ряда друг о друга, то которое находится в ряду раньше, приобретёт положительный заряд, а второе — отрицательный.

Было предложено несколько таких рядов.

Было еще сформулировано правило Коэна, согласно которому вещество, имеющее большую диэлектрическую проницаемость, при трении будет заряжаться положительно. Но и это правило, и трибоэлектрические ряды остались чисто эмпирическими закономерностями. Исчерпывающего теоретического объяснения различных случаев электризации найдено не было. В качестве примера парадоксальной ситуации в этой сфере можно привести следующую закономерность, которая обнаруживается при использовании 3 различных материалов:

• Если шёлком потереть стекло, то у них, соответственно, появится положительный и отрицательный заряд.
• При взаимодействии стекла и цинка последний станет положительным, а стекло приобретёт отрицательный заряд.
• Если же потереть цинк шёлком, то первый будет положительным, а второй отрицательным.

Таким образом, можно убедиться, что в приведённых здесь случаях упорядоченность отсутствует и не нарушает закона сохранения энергии, электрического заряда и аналогичных.

При проведении исследований первое время предполагалось, что электричество представляет собой род материи, причём Франклин утверждал, что последняя его впитывает подобно тому, как губка поглощает воду.

В 1838 году Фарадей провёл серию опытов, которые показали, что электрический заряд не может быть особым видом вещества. Он предположил, что если речь идёт о своего рода жидкостях, то ввиду существования положительных и отрицательных зарядов, их количество можно будет произвольно изменять независимо друг от друга. Проведённые им опыты опровергли это и доказали справедливость алгебраической суммы зарядов, а также окончательно подтвердили закон сохранения электрического заряда.

Другая формулировка закона сохранения зарядов

Выше была рассмотрена ситуация в электрически изолированном объёме. При этом подразумевается, что через его границу не проходит ни один заряд. Теперь можно рассмотреть ситуацию, когда заряды перемещаются через оболочку и постараться понять, что в данном случае происходит.

Понятно, что перемещение зарядов через границу области представляет собой электрический ток. Таким образом, рассматриваемый закон сохранения в электрической цепи можно сформулировать следующим образом: изменение алгебраической суммы зарядов в определённом объёме равно потоку заряда через его поверхность.

Рассматривая электрический заряд в объеме, закон сохранения электрического заряда можно представить следующей интегральной формулой:

Для бесконечно малого объёма может быть применена дифференциальная формула:

Эту формулу также называют уравнением непрерывности.

Сохранение энергии в электрических цепях

Неподвижные электрозаряды обладают потенциальной электростатической энергией.

Энергия электрической цепи — это сумма энергии, которую имеют конденсаторы, катушки индуктивности и прочие элементы.

Закон сохранения энергии для любой электроцепи можно записать в таком виде:

В зависимости от характера движения электрона или протона, а также от природы сил, возникающих между данными частицами, изменение энергии может проявляться как протекание электротока, механическая работа, передача теплоты, изменение внутреннего состояния тел, распространение электромагнитных колебаний и тому подобное.

Применение закона сохранения энергии и электрического заряда позволяет рассчитать механические силы, действующие в электрополе, намного проще по сравнению с тем методом, при котором рассматривается непосредственное действие поля на отдельные элементы системы.

Видео по теме