电荷守恒

---

引言

电荷是物质的一种属性，它会产生并受到电和磁的影响。电荷守恒的基本概念是系统的总电荷守恒。

它可以定义为

世界上所有的物质都是由原子和分子构成的。通常情况下，所有这些原子和分子都是电中性的，它们的电荷是平衡的。为了使中性物体带电，必须移除其中一种电荷。

带电体总是表示电子亏缺或电子过剩。电子被认为是带负电的。通过从原子中移除一些电子，物体可以带正电。同样地，通过获得一些电子，同一个物体可以带负电。现实生活中，当一个物体摩擦另一个物体时。

其中一个物体失去电子，另一个物体获得电子，从而带电。电荷的流动导致电流的流动。有些物质允许电流通过，而有些物质则不允许。这些材料被分类为导体或绝缘体。

导体

导体是可以允许电流通过的物质。它们具有可以相对自由地在导体体内移动的电荷（电子）。

例如：金属、人和动物的身体

绝缘体

绝缘体是不允许电流通过的物质。它们也具有电荷（电子），但它们不能在体内自由移动。因此，这种物体不能导电。

例如：木材、橡胶、衣物等。

电荷守恒

“电荷守恒定律是指在孤立系统中，总电荷量保持不变。宇宙中净电荷量（正电荷量减去负电荷量）总是守恒的。”

我们知道，系统是物体集合，其与电荷的相互作用类似于能量和动量守恒。然而，这个守恒定律更直观，因为物体的净电荷由电子和质子的数量决定。质子和电子不能凭空出现和消失；总电荷必须保持不变。这就是为什么物体总是具有相同数量的电子和质子。

每个原子都是电中性的，原子核中电子和质子的数量相同。物体的电荷也可以是基本电荷的整数倍：电子和质子包含电荷；物体所能具有的最小电荷是一个电子或质子的电荷。

例如，${1.6\:\times\:10^{−19}C\:或\:+1.6\:\times\:10^{−19}C}$

解释

电荷守恒定律指出，孤立系统的净电荷将始终保持不变。让我们尝试更好地理解它。对于一个包含多个物体的系统，基本上存在两种理想状态。

• 首先是所有物体都是净电中性的。

• 因此，整个系统中质子和电子的数量相同，并且对于每个质子，都有一个电子来平衡它。

• 另一种理想状态是系统的净电荷在物体中均匀分布。

• 而不是将负电荷集中在少数几个物体上，物体的电荷通过电子转移均匀地分布在整个物体中，这可以通过从较高极性到较低极性的电子转移来实现。

• 只有电子，而不是质子，可以参与电荷转移。

电荷守恒的例子

电荷守恒原理指出，不会产生净电荷。下面提供一些例子。

• 感应产生的电荷

• 在放射性衰变过程中，质子衰变成正电子和中子，但不会产生净电荷。

图片即将推出

根据上图，如果我们的系统不受任何其他电荷的影响，则电荷的净内部分布将继续以这样一种方式进行，即系统的整体净电荷将保持不变。换句话说，电荷既不能被创造也不能被消灭，并且存在总电荷守恒。

电子

电子是构成原子的三种主要粒子之一。与质子和中子（由更小、更简单的粒子构成）不同，电子是基本粒子，不包含更小的粒子。它们是轻子，一种基本粒子。每个轻子的电荷为 1 或 0。

电子是非常小的粒子。因为电子的质量只有质子或中子的 1/2000，所以电子对原子的总质量几乎没有贡献。电子的电荷为负一，与质子的电荷正一大小相等，但极性相反。因为每个原子中的电子和质子数量相同，所以正负电荷“抵消”，使原子电中性。

质子

质子是构成原子的三种主要粒子之一。质子位于原子核内。这是一个位于原子核心的小而致密的区域。质子的正电荷为正一 (+1)，质量为一个原子质量单位 (amu)，或大约 ${1.67\:\times\:10^{-27}}$ 千克。质子和中子一起构成了几乎原子全部的质量。

中子

除了大多数氢原子外，所有原子在其原子核中都含有中子。与带电的质子和电子不同，中子是电中性的。这就是为什么上图中的中子标记为 ${n^0}$。零表示“零电荷”。中子的质量略大于质子的质量，为 1 原子质量单位 (amu)。（一个原子质量单位大约为 ${1.67\:\times\:10^{-27}}$ 千克。）中子的直径与质子相同，为 ${1.7\:\times\:10^{-15}}$ 米。

常见问题

Q1. 一库仑电荷有多少电子？

A1. 使用公式 Q = ne，我们得到

$\mathrm{n = Q/e}$

$\mathrm{n = 1/ (1.6\: X\: 10^{-19})}$

因此，$\mathrm{n = 6.25\: x \:10^{18}}$

Q2. 当肥皂泡的电荷为负时，其半径会发生什么变化？

A2. 由于斥力，当肥皂泡的电荷变为负时，肥皂泡的半径会增大。

Q3. 是否可能存在值为 $\mathrm{1.6 \:x \:10^{-20}\:C}$ 的电荷？

A3. 不，$\mathrm{1.6 \:x \:10^{-20}\:C}$ 的电荷是不可能的，因为它只是电子电荷的 1/10，因此不是整数倍。

Q4. 考虑两个半径相等的铜球，一个实心，另一个空心。哪个铜球的电荷更高？

A4. 因为电荷位于材料的表面，所以两个铜球的电荷相等。由于两个球的半径相同，它们的电荷也相同。

Q5. 比荷是什么？

A5. 比荷是离子或亚原子粒子的电荷与其质量之比。