电荷守恒定律

更新时间:2024-07-22 20:40

在物理学里,电荷守恒定律(law of conservation of electric charge)是一种关于电荷的守恒定律。电荷守恒定律有两种版本,“弱版电荷守恒定律”(又称为“全域电荷守恒定律”)与“强版电荷守恒定律”(又称为“局域电荷守恒定律”)。弱版电荷守恒定律表明,整个宇宙的 总电荷量保持不变,不会随着时间的演进而改变。注意到这定律并没有禁止,在宇宙这端的某电荷突然不见,而在宇宙那端突然出现。强版电荷守恒定律明确地禁止 这种可能。强版电荷守恒定律表明,在任意空间区域内电荷量的变化,等于流入这区域的电荷量减去流出这区域的电荷量。

历史

美国科学家与政治家富兰克林于1747年与朋友通信:

在这里与欧洲,科学家已经发现,并且证实,电火是一种真实的元素或物质种类,不是因摩擦而产生,而是只能从搜集获得。

——本杰明·富兰克林

学术界归功富兰克林为这定律的创建者。“富兰克林电荷守恒定律”表明,在任何绝缘系统内,总电荷量不变。

概念

电荷守恒定律是物理学的基本定律之一 。它指出,对于一个孤立系统,不论发生什么变化 ,其中所有电荷的代数和永远保持不变。电荷守恒定律表明,如果某一区域中的电荷增加或减少了,那么必定有等量的电荷进入或离开该区域;如果在一个物理过程中产生或消失了某种电荷,那么必定有等量的异号电荷同时产生或消失。

电荷的多少称为电荷量,常简称为电量,故电荷守恒定律又称电量守恒定律。在国际单位制中,电荷量的单位是库仑,用字母Q表示,单位为C。通常正电荷的电荷量用正数表示,负电荷的电荷量用负数表示。

原则

守恒定律建立于一个基础原则,即电荷不能独自生成与湮灭。假设带正电粒子接触到带负电粒子,两个粒子带有电量相同,则因为这接触动作,两个粒子会变为中性,这物理行为是合理与被允许的。一个中子,也可以因贝塔衰变,生成带正电的质子、带负电的电子与中性的反中微子。但是,任何粒子,不可能独自地改变电荷量。物理学明确地禁止这种物理行为。更仔细地说,像电子、质子一类的亚原子粒子会带有电荷,而这些亚原子粒子可以被生成或湮灭。在粒子物理学里,电荷守恒意味着,在那些生成带电粒子的基本粒子反应里,虽然会有带正电粒子或带负电粒子生成,在反应前与反应后,总电荷量不会改变;同样地,在那些湮灭带电粒子的基本粒子反应里,虽然会有带正电粒子或带负电粒子湮灭,在反应前与反应后,总电荷量绝不会改变。

电磁学表述

流入某体积的净电流为

其中,是电流,是电流密度,是包围体积的闭曲面,是微小面矢量元素,垂直于从体积内朝外指出。

应用散度定理,将这方程写为

总电荷量与体积内的电荷密度的关系为

电荷守恒要求,流入体积的净电流,等于体积内总电荷量Q的变率:

所以,。

对于任意体积,上述方程都成立。所以,可以将被积式提取出来:

电荷守恒方程又称为电荷连续方程。

在十九世纪中期,詹姆斯·麦克斯韦发现安培定律(原本形式)不能满足电荷守恒的要求。于是,他将安培定律的方程加以修正为麦克斯韦-安培方程。由于这动作,麦克斯韦发觉包括这方程在内的麦克斯韦方程组,可以用来描述电磁波的物理行为,并且推导出电磁波以光速传播于自由空间。因此,他正确地断定光波是一种电磁波。更详尽细节,请参阅条目麦克斯韦方程组

确实无误,麦克斯韦方程组已概括了电荷守恒方程。思考麦克斯韦-安培方程,

其中,B是磁场,是磁常数,是电常数,E是电场

取这方程的散度

应用高斯定律

所以,电荷守恒成立,

属性

要使物体带电,可利用摩擦起电接触起电静电感应、(感应起电)、光电效应等方法。物体是否带电,通常可用验电器来检验。物体带电实际上是得失电子的结果。这意味着电荷不能离开电子、质子而存在。电荷乃是电子、质子等微观粒子所具有的一种属性。

由摩擦起电和其他起电过程的大量实验事实表明,一切起电过程其实都是使物体上正、负电荷分离或转移的过程中,在这种过程中,电荷既不能消灭,也不能创生,只能使原有的电荷重新分布。由此就可以总结出电荷守恒定律:一个孤立系统的总电荷(即系统中所有正、负电荷之代数和)在任何物理过程中始终保持不变。所谓孤立系统,就是指它与外界没有任何相互作用的系统,是一种理想状态。电荷守恒定律也是自然界中一条基本的守恒定律,在宏观和微观领域中普遍适用。

近代物理实验发现,在一定条件下,带电粒子可以产生和湮没。例如,一个高能光子在一定条件下可以产生一个正电子和一个负电子;一对正、负电子可以同时湮没,转化为光子。不过在这些情况下,带电粒子总是成对产生和湮没,两个粒子带电数量相等但正负相反,而光子又不带电,所以电荷的代数和仍然不变。因此,一个与外界没有电荷交换的系统,电荷的代数和保持不变。它是自然界重要的基本规律之一。

静电学

静电学里,电势乃是相对的,不是绝对的。假设在三维空间的电势为,现将电势加上一个常数 c,改为,则电场不会改变,这性质称为规范不变性。由于这性质,必需先设定在某参考位置的电势,在其它位置的电势才具有真实物理意义。因此,每一条方程只会涉及到相对电势,不会涉及到绝对电势。

电荷守恒与规范不变性密切相关。这可以用一个思想实验来论述。假设某种过程可以破坏电荷守恒(假若无法永久地破坏,至少可以暂时地破坏)。这过程会在空间里电势为的某位置生成电荷q,然后将这电荷迁移至在空间里电势为的位置,最后将这电荷湮灭。注意到这过程并没有破坏全域电荷守恒定律,只破坏了局域电荷守恒定律。

规定,在任意位置,生成电荷需要输入能量W,湮灭电荷会释出能量W。由于生成电荷或湮灭电荷的位置是任意位置,W不会与相对电势有关。W也不会与绝对电势有关。那么,整个过程会使得系统获得能量。但是,这样做会违反能量守恒。为了遵守能量守恒,必需要求局域电荷守恒。所以,由于规范不变性,电荷守恒定律成立。

实验证据

假若电荷不永远守恒,则可能会发生粒子衰变。检验电荷守恒最好的实验方法就是寻找这些粒子衰变。至今为止,物理学者尚未能找到任何这类衰变。例如,对于电子衰变为中微子与光子的反应,物理学者试着侦测这反应产生的高能光子:

但是,有理论提出,即使电荷不永远守恒,这种生成高能光子的衰变反应也永远不会发生。当然,也有实验试着侦测不产生高能光子的衰变,或者一些比较不寻常的电荷破坏过程,例如,电子可能会自发变成正电子、电子移入其它维度。最优良的实验值限为

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