定理定義
電荷守恒定律是物理學的基本定律之一。它指出,對于一個孤立系統,不論發生什麼變化,其中所有電荷的代數和永遠保持不變。電荷守恒定律表明,如果某一區域中的電荷增加或減少了,那麼必定有等量的電荷進入或離開該區域;如果在一個物理過程中産生或消失了某種電荷,那麼必定有等量的異号電荷同時産生或消失。
電荷的多少稱為電荷量,常簡稱為電量,故電荷守恒定律又稱電量守恒定律。在國際單位制中,電荷量的單位是庫侖,用字母Q表示,單位為C。通常正電荷的電荷量用正數表示,負電荷的電荷量用負數表示。
驗證推導
要使物體帶電,可利用摩擦起電、接觸起電、靜電感應、(感應起電)、光電效應等方法。物體是否帶電,通常可用驗電器來檢驗。物體帶電實際上是得失電子的結果。這意味着電荷不能離開電子、質子而存在。電荷乃是電子、質子等微觀粒子所具有的一種屬性。
由摩擦起電和其他起電過程的大量實驗事實表明,一切起電過程其實都是使物體上正、負電荷分離或轉移的過程中,在這種過程中,電荷既不能消滅,也不能創生,隻能使原有的電荷重新分布。由此就可以總結出電荷守恒定律:一個孤立系統的總電荷(即系統中所有正、負電荷之代數和)在任何物理過程中始終保持不變。
所謂孤立系統,就是指它與外界沒有任何相互作用的系統,是一種理想狀态。電荷守恒定律也是自然界中一條基本的守恒定律,在宏觀和微觀領域中普遍适用。
近代物理實驗發現,在一定條件下,帶電粒子可以産生和湮沒。例如,一個高能光子在一定條件下可以産生一個正電子和一個負電子;一對正、負電子可以同時湮沒,轉化為光子。不過在這些情況下,帶電粒子總是成對産生和湮沒,兩個粒子帶電數量相等但正負相反,而光子又不帶電,所以電荷的代數和仍然不變。因此,一個與外界沒有電荷交換的系統,電荷的代數和保持不變。它是自然界重要的基本規律之一。
定理推廣
在離子方程式中的應用
書寫和配平電極反應式和離子方程式;判斷電極反應式和離子方程式的正誤;計算離子方程式中某離子中某種元素的化合價、某離子所帶的電荷數、某離子中某種元素原子的角碼數;确定離子方程式中各離子的計量數間的關系等。
在電解質溶液中的應用
電荷守恒是電解質溶液中各守恒關系中最重要、應用最廣、也最好用的。關鍵是是否知道用,什麼地方用和怎樣用的問題。
主要用于判斷和比較電解質溶液中離子濃度的大小;判斷電解質溶液中溶質的組成、可能存在的離子;确定離子的類别;書寫和判斷電解質溶液中其它守恒關系(如質子守恒關系);計算電解質溶液中某些離子的濃度等。
在其他方面的應用
用于固體物質(純淨物或混合物)組成的推斷和計算;計算反應前或反應後體系中某物質或離子的量等。
發展簡史
美國科學家與政治家富蘭克林于1747年與朋友通信:
在這裡與歐洲,科學家已經發現,并且證實,電火是一種真實的元素或物質種類,不是因摩擦而産生,而是隻能從搜集獲得。
——本傑明·富蘭克林
學術界歸功富蘭克林為這定律的創建者。“富蘭克林電荷守恒定律”表明,在任何絕緣系統内,總電荷量不變。
定理意義
在十九世紀中期,詹姆斯·麥克斯韋發現安培定律(原本形式)不能滿足電荷守恒的要求。于是,他将安培定律的方程加以修正為麥克斯韋-安培方程。由于這動作,麥克斯韋發覺包括這方程在内的麥克斯韋方程組,可以用來描述電磁波的物理行為,并且推導出電磁波以光速傳播于自由空間。因此,他正确地斷定光波是一種電磁波。