电荷守恒定律

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高中物理阶段,电荷守恒定律表述为:电荷既不会消失,也不会产生,它只能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分转移到另一部分,在转移的过程中,电荷的总量保持不变。(或者还可以说:一个与外界没有电荷交换的系统,电荷的代数和总是保持不变的。)

在物理学里,电荷守恒定律(law of charge conservation)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。对于在区域内部的电荷与流入流出这区域的电荷,这些电荷的会计关系就是电荷守恒。

定量描述,这强版定律的方程乃是一种连续方程:

其中,Q(t)是在时间 t某设定体积内的电荷量, QIN、 QOUT是在时间间隔 内分别流入与流出这设定体积的电荷量。

上述两种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;

虽然全域电荷守恒定律要求宇宙的总电荷量保持不变,到底总电荷量是多少仍旧是有待研究问题。大多数迹象显示宇宙的电荷量为零,即正电荷量与负电荷量相同。

电荷守恒定律的历史

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。

 


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