電荷守恆

---

引言

電荷是物質的一種屬性，它會產生並受到電和磁的影響。電荷守恆的基本概念是系統的總電荷守恆。

它可以定義為

世界上所有的物質都是由原子和分子構成的。通常情況下，所有這些原子和分子都是電中性的，它們的電荷是平衡的。為了使中性物體帶電，必須移除其中一種電荷。

帶電體總是表示電子虧缺或電子過剩。電子被認為是帶負電的。透過從原子中移除一些電子，物體可以帶正電。同樣地，透過獲得一些電子，同一個物體可以帶負電。現實生活中，當一個物體摩擦另一個物體時。

其中一個物體失去電子，另一個物體獲得電子，從而帶電。電荷的流動導致電流的流動。有些物質允許電流透過，而有些物質則不允許。這些材料被分類為導體或絕緣體。

導體

導體是可以允許電流透過的物質。它們具有可以相對自由地在導體體內移動的電荷（電子）。

例如：金屬、人和動物的身體

絕緣體

絕緣體是不允許電流透過的物質。它們也具有電荷（電子），但它們不能在體內自由移動。因此，這種物體不能導電。

例如：木材、橡膠、衣物等。

電荷守恆

“電荷守恆定律是指在孤立系統中，總電荷量保持不變。宇宙中淨電荷量（正電荷量減去負電荷量）總是守恆的。”

我們知道，系統是物體集合，其與電荷的相互作用類似於能量和動量守恆。然而，這個守恆定律更直觀，因為物體的淨電荷由電子和質子的數量決定。質子和電子不能憑空出現和消失；總電荷必須保持不變。這就是為什麼物體總是具有相同數量的電子和質子。

每個原子都是電中性的，原子核中電子和質子的數量相同。物體的電荷也可以是基本電荷的整數倍：電子和質子包含電荷；物體所能具有的最小電荷是一個電子或質子的電荷。

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

解釋

電荷守恆定律指出，孤立系統的淨電荷將始終保持不變。讓我們嘗試更好地理解它。對於一個包含多個物體的系統，基本上存在兩種理想狀態。

• 首先是所有物體都是淨電中性的。

• 因此，整個系統中質子和電子的數量相同，並且對於每個質子，都有一個電子來平衡它。

• 另一種理想狀態是系統的淨電荷在物體中均勻分佈。

• 而不是將負電荷集中在少數幾個物體上，物體的電荷透過電子轉移均勻地分佈在整個物體中，這可以透過從較高極性到較低極性的電子轉移來實現。

• 只有電子，而不是質子，可以參與電荷轉移。

電荷守恆的例子

電荷守恆原理指出，不會產生淨電荷。下面提供一些例子。

• 感應產生的電荷

• 在放射性衰變過程中，質子衰變成正電子和中子，但不會產生淨電荷。

圖片即將推出

根據上圖，如果我們的系統不受任何其他電荷的影響，則電荷的淨內部分佈將繼續以這樣一種方式進行，即系統的整體淨電荷將保持不變。換句話說，電荷既不能被創造也不能被消滅，並且存在總電荷守恆。

電子

電子是構成原子的三種主要粒子之一。與質子和中子（由更小、更簡單的粒子構成）不同，電子是基本粒子，不包含更小的粒子。它們是輕子，一種基本粒子。每個輕子的電荷為 1 或 0。

電子是非常小的粒子。因為電子的質量只有質子或中子的 1/2000，所以電子對原子的總質量幾乎沒有貢獻。電子的電荷為負一，與質子的電荷正一大小相等，但極性相反。因為每個原子中的電子和質子數量相同，所以正負電荷“抵消”，使原子電中性。

質子

質子是構成原子的三種主要粒子之一。質子位於原子核內。這是一個位於原子核心的小而緻密的區域。質子的正電荷為正一 (+1)，質量為一個原子質量單位 (amu)，或大約 ${1.67\:\times\:10^{-27}}$ 千克。質子和中子一起構成了幾乎原子全部的質量。

中子

除了大多數氫原子外，所有原子在其原子核中都含有中子。與帶電的質子和電子不同，中子是電中性的。這就是為什麼上圖中的中子標記為 ${n^0}$。零表示“零電荷”。中子的質量略大於質子的質量，為 1 原子質量單位 (amu)。（一個原子質量單位大約為 ${1.67\:\times\:10^{-27}}$ 千克。）中子的直徑與質子相同，為 ${1.7\:\times\:10^{-15}}$ 米。

常見問題

Q1. 一庫侖電荷有多少電子？

A1. 使用公式 Q = ne，我們得到

$\mathrm{n = Q/e}$

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

因此，$\mathrm{n = 6.25\: x \:10^{18}}$

Q2. 當肥皂泡的電荷為負時，其半徑會發生什麼變化？

A2. 由於斥力，當肥皂泡的電荷變為負時，肥皂泡的半徑會增大。

Q3. 是否可能存在值為 $\mathrm{1.6 \:x \:10^{-20}\:C}$ 的電荷？

A3. 不，$\mathrm{1.6 \:x \:10^{-20}\:C}$ 的電荷是不可能的，因為它只是電子電荷的 1/10，因此不是整數倍。

Q4. 考慮兩個半徑相等的銅球，一個實心，另一個空心。哪個銅球的電荷更高？

A4. 因為電荷位於材料的表面，所以兩個銅球的電荷相等。由於兩個球的半徑相同，它們的電荷也相同。

Q5. 比荷是什麼？

A5. 比荷是離子或亞原子粒子的電荷與其質量之比。