电荷守恒

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简介

电荷守恒是自然的基本定律之一。18世纪，一位名叫本杰明·富兰克林的物理学家发现了电荷。他早在1740年就开始了对电的研究。为了这一发现，他进行了一些实验，发现了正电荷和负电荷的存在。但是，只有在电池出现后，这一概念才得以应用。

电荷的定义

电荷是物质的基本物理属性之一，由一些基本粒子如电子、质子、轻子、氪和介子携带。电荷决定了这些粒子如何受电场或磁场的影响。简单来说，电荷定义为某些粒子持有或携带的电量。

当电子被移除或转移到物体中时，就会产生电荷。通常情况下，电子是带负电的粒子，当这些粒子添加到物体中时，物体就会带负电。如果我们移除这些电子，物体就会带正电。

电荷的特性

电荷的可加性

基本上，电荷是可加的。系统的总电荷应等于系统内部不同位置的各个电荷的代数和。这也被称为电荷的叠加原理。

电荷守恒

根据电荷守恒原理，我们既不能创造也不能消灭电荷。我们只能将电荷从一个物体转移到另一个物体。

在亚原子水平上，电荷可以被创造。但这种创造总是成对进行的，正负电荷相等。因此，电荷的总量保持不变。

电荷的公式是：

$$\mathrm{q =\int_{ti}^{tf} I\:dt}$$

其中 q = 电荷

ti = 初始时间

tf = 终止时间

I = 净外向电流

dt = 时间变化。

电荷的量子化

电荷的量子化意味着电荷只能取离散值。通常情况下，电荷是量子化的。换句话说，电荷只能以一个电子或质子电荷的整数倍的形式存在于自然界中。电荷的大小表示为e= 1.6 x 10^-19 C。电荷的SI单位是库仑。

电荷的不变性

电荷总是保持不变，简单来说，电荷不会随速度的变化而变化。根据相对论，质量、时间和长度会随速度的变化而变化，但电荷不会变化。

电荷间的力

同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。带电物体能吸引轻小的中性物体。

电荷的类型

一般来说，宇宙中有三种电荷：正电荷、负电荷和中性电荷。原子由三个主要的粒子组成：质子、电子和中子。

在这些粒子中，电子携带负电荷，质子携带正电荷，而中子携带中性电荷。

因此，电荷主要指两种粒子：带正电的粒子和带负电的粒子。

有三种方法可以使物体带电或改变物体的电荷：摩擦、传导和感应。利用这三种方法，可以使空物体带正电或负电，也可以改变物体的电荷。

如何测量电荷？

测量电荷的SI单位是库仑。这是由18世纪法国物理学家查尔斯·奥古斯丁·库仑发明的。他建立了这个定律，指出同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引，这是电荷的主要特性之一。

库仑通过将带同样电荷的轻球靠近任何一根针来进行实验。然后，他通过球的分离函数确定了球之间的斥力，由此得出吸引定律。

通常，电荷量可以用直接和间接两种方法测量。直接测量是用静电计，间接测量是用冲击式电流计。

电荷单位“库仑”的定义是：1安培电流在1秒内传输的电量。

库仑定律

根据库仑定律，两个带电体之间的吸引力和排斥力与电荷的乘积成正比，与距离的平方成反比。

库仑定律的公式是：

$$\mathrm{F= k\frac{q_1 q_2}{r^2}}$$

这里，F = 电力

k = 比例常数

q₁ 和 q₂ = 点电荷

r = 两个点电荷之间的距离。

该定律主要用于计算两个带电粒子之间的电力。两个静止带电体之间产生的电力称为静电力或库仑力。

结论

电荷以离散的自然单位出现。电荷既不能被创造也不能被消灭。本教程解释了电荷的定义、基本性质、类型、库仑定律以及如何在物体中测量电荷。

常见问题

Q1. 库仑定律的重要性是什么？

A1. 库仑定律的方程可以精确地描述当物体作为点电荷时，作用在两个物体之间的力。库仑定律在其矢量形式中也具有重要意义。

Q2. 库仑定律的局限性是什么？

A2. 库仑定律仅适用于点电荷处于静止状态的情况。该定律也仅适用于遵守平方反比定律的某些特定情况。在点电荷形状不规则的情况下，实施库仑定律非常困难。在这种情况下，我们无法确定两个点电荷之间的距离。

Q3. 电荷在我们的日常生活中有什么应用？

A3. 电荷在日常生活中最好的例子之一是复印机。在复印机中，原稿放置在玻璃屏幕上，原稿可以转移到一个已经带正电的滚筒上，而通常使用的墨粉是带负电的。

Q4. 库仑定律在所有情况下都适用吗？（或）在所有条件下我们都能使用或实施库仑定律吗？

A4. 不适用。由于点电荷的位置和物体的形状，库仑定律并非在所有情况下和所有条件下都适用。