Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое закон сохранения заряда, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое закон сохранения заряда , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Теория электромагнитного поля.
В физике и теории электромагнитного поля сохранение заряда — это принцип экспериментального характера, согласно которому общий электрический заряд в изолированной системе никогда не меняется. Чистое количество электрического заряда, количество положительного заряда за вычетом количества отрицательного заряда во Вселенной, всегда сохраняется . Сохранение заряда, рассматриваемое как физический закон сохранения , подразумевает, что изменение количества электрического заряда в любом объеме пространства в точности равно количеству заряда, втекающего в объем, за вычетом количества заряда, вытекающего из объема. По сути, сохранение заряда — это учетное соотношение между количеством заряда в области и потоком заряда в эту область и из нее, заданное уравнением непрерывности между плотностью заряда ρ(х) и плотность тока 
.
Это не означает, что отдельные положительные и отрицательные заряды не могут быть созданы или уничтожены. Электрический заряд переносится субатомными частицами , такими как электроны и протоны . Заряженные частицы могут создаваться и уничтожаться в реакциях элементарных частиц. В физике элементарных частиц сохранение заряда означает, что в реакциях, создающих заряженные частицы, всегда создается равное количество положительных и отрицательных частиц, сохраняя чистое количество заряда неизменным. Аналогично, когда частицы уничтожаются, уничтожается равное количество положительных и отрицательных зарядов. Это свойство подтверждается без исключения всеми эмпирическими наблюдениями до сих пор.
Хотя сохранение заряда требует, чтобы общее количество заряда во Вселенной было постоянным, оно оставляет открытым вопрос о том, каково это количество. Большинство свидетельств указывают на то, что чистый заряд во Вселенной равен нулю; то есть существуют равные количества положительного и отрицательного заряда.
Сохранение заряда было впервые предложено британским ученым Уильямом Уотсоном в 1746 году и американским государственным деятелем и ученым Бенджамином Франклином в 1747 году, хотя первое убедительное доказательство было дано Майклом Фарадеем в 1843 году.
Теперь открыто и доказано, как здесь, так и в Европе, что Электрический Огонь — это реальный Элемент, или Вид Материи, не созданный Трением, а только собранный .
— Бенджамин Франклин, Письмо Кэдвалладеру Колдену, 5 июня 1747 г.
Рассмотрим тело объемом V (рис.2.1), содержащее в себе электрические заряды, суммарная величина которых равна Q. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Пусть эти заряды постепенно выходят наружу, проникая через ограничивающую тело поверхность S.
Рисунок 2.1
В этом случае можно говорить, что через поверхность S протекает ток
. (2.1)
Если выразить левую и правую части данного равенства через объемные плотности тока и заряда, то нетрудно придти к следующему равенству:
(2.2)
которое представляет собой
закон сохранения заряда в интегральной форме.
Применим к левой части полученного равенства теорему Гаусса-Остроградского:
,
что дает право его записать в виде
.
Теперь перенесем все члены равенства в левую его часть и объединим их под знаком одного интеграла, что дает следующее выражение:
откуда следует равенство:
(2.3)
которое является математическим выражением закона сохранения заряда в дифференциальной форме, больше известного как уравнение непрерывности.
В словесной форме закон сохранения заряда формулируется следующим образом:
Всякому изменению величины заряда, сосредоточенного внутри некоторой области пространства, соответствует электрический ток, вытекающий из этой области или втекающий в нее.
Закон сохранения зарядов можно рассматривать как следствие уравнений Максвелла. Действительно, если во втором уравнении Максвелла контур / стянуть в точку, то получим, что контурный интеграл будет равен нулю, поверхность S окажется замкнутой
Воспользовавшись третьим уравнением, находим, что
Это соотношение формулирует закон сохранения заряда. Изменение зарядов внутри некоторого объема, ограниченного замкнутой поверхностью, равно току, протекающему через эту поверхность.
Если в первом уравнении Максвелла стянуть контур в точку, то контурный интеграл будет равен нулю, поверхность S окажется
замкнутой и мы получим
то есть
причем согласно четвертому уравнению
const = 0.
Таким образом, из второго и третьего уравнений Максвелла вытекает закон сохранения электрических зарядов, а из первого и четвертого уравнений вытекает закон сохранения своего рода
«магнитных зарядов», т. е. всегда действует суммарный «магнитный заряд», равный нулю.
Иначе говоря, в природе не существует магнитных зарядов, аналогичных электрическим.
Вспомним, что плотность потока электрического заряда есть просто плотность тока. Тот факт, что изменение заряда в объеме равно полному току через поверхность, можно записать в математической форме:
Здесь Ω — некоторая произвольная область в трехмерном пространстве, ∂Ω — граница этой области, ρ — плотность заряда, 
— плотность тока (плотность потока электрического заряда) через границу.
Переходя к бесконечно малому объему и используя по мере необходимости теорему Остроградского — Гаусса, можно переписать закон сохранения заряда в локальной дифференциальной форме (уравнение непрерывности):
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.
Исследование, описанное в статье про закон сохранения заряда, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое закон сохранения заряда и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Теория электромагнитного поля
Из статьи мы узнали кратко, но содержательно про закон сохранения заряда
Комментарии