定理定义
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。
验证推导
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。
定理推广
在离子方程式中的应用
书写和配平电极反应式和离子方程式;判断电极反应式和离子方程式的正误;计算离子方程式中某离子中某种元素的化合价、某离子所带的电荷数、某离子中某种元素原子的角码数;确定离子方程式中各离子的计量数间的关系等。
在电解质溶液中的应用
电荷守恒是电解质溶液中各守恒关系中最重要、应用最广、也最好用的。关键是是否知道用,什么地方用和怎样用的问题。
主要用于判断和比较电解质溶液中离子浓度的大小;判断电解质溶液中溶质的组成、可能存在的离子;确定离子的类别;书写和判断电解质溶液中其它守恒关系(如质子守恒关系);计算电解质溶液中某些离子的浓度等。
在其他方面的应用
用于固体物质(纯净物或混合物)组成的推断和计算;计算反应前或反应后体系中某物质或离子的量等。
发展简史
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。
定理意义
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。