Zasada zachowania ładunku

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Zasada zachowania ładunku elektrycznego – jedna z zasad zachowania, którą można sformułować na kilka sposobów

W izolowanym układzie ciał całkowity ładunek elektryczny, czyli suma algebraiczna ładunków dodatnich i ujemnych, nie ulega zmianie
\left( \sum{q_{i}} \right)_{UI}=\text{const.}
Zmiana ładunku układu może zachodzić tylko na drodze przepływu ładunku
 \Delta {q} = q_{\text{dostarczone}} - q_{\text{oddane}}\,

Potocznie zasada zachowania ładunku znaczy tyle co: "ładunek elektryczny jest niezniszczalny; nigdy nie ginie i nie może być stworzony. Ładunki elektryczne mogą się przemieszczać z jednego miejsca w inne, ale nigdy nie biorą się znikąd. Mówimy więc, że ładunek elektryczny jest zachowany."[1] Mimo, iż ta definicja dobrze obrazuje samą zasadę, to jednak nie jest ona do końca ścisła, ponieważ, jak współczesne badania wykazały, nie jest prawdą twierdzenie, że ładunki są niezniszczalne i nie można ich wytworzyć. Podczas anihilacji dwie cząstki o przeciwnych ładunkach przestają istnieć zamieniając się na energię pola elektromagnetycznego. Znikają również ich ładunki, ale całkowity ładunek układu (równy 0) pozostaje niezmieniony. Odwrotnie dzieje się w procesie kreacji par (np. proton-antyproton), gdzie kosztem energii pola powstają dwie cząstki o przeciwnych ładunkach).

Przykłady i konsekwencje[edytuj | edytuj kod]

Jedną z bezpośrednich konsekwencji zasady zachowania ładunku jest pierwsze prawo Kirchhoffa. Może ono być sformułowane w sposób nawiązujący do zasady zachowania ładunku w następujący sposób:

Ilość ładunków wpływających do węzła sieci równa jest ilości ładunków wypływających z tego węzła.

Zasada zachowania ładunku a symetrie[edytuj | edytuj kod]

Zachowanie ładunku elektrycznego wynika z niezmienniczości względem transformacji cechowania funkcji falowej cząstki naładowanej (np. elektronu)

 \psi(\vec{x},t) \rightarrow \psi'(\vec{x},t)=e^{i \alpha} \psi(\vec{x},t)

Transformacje e^{i \alpha} generowane są przez ciągły kąt α, ich zbiór tworzy prostą grupę Liego jednowymiarowych macierzy unitarnych U(1). Lokalna ( gdy kąt α(x,t) jest zmienny w czasie i przestrzeni) grupa cechowania U(1) jest przyczyna istnienia fundamentalnego oddziaływania elektromagnetycznego.

Konsekwencją tej niezmienniczości jest bezmasowość fotonu (m=0), fakt, że światło w próżni propaguje się z prędkością fundamentalną c (nazywaną z powodów historycznych prędkością światła). Następną konsekwencją jest dalekozasięgowość oddziaływania elektromagnetycznego, potencjał

U(r)=\frac{q_1 q_2}{4 \pi \epsilon r}.

Zasada zachowania ładunku jest przykładem zasady, która wynika z symetrii różnych od symetrii czasu i przestrzeni.

Przypisy

  1. Richard P. Feynman: Feynmana wykłady z fizyki Tom II. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1974, s. 222.