電荷守恆

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簡介

電荷守恆是自然的基本定律之一。18世紀，一位名叫本傑明·富蘭克林的物理學家發現了電荷。他早在1740年就開始了對電的研究。為了這一發現，他進行了一些實驗，發現了正電荷和負電荷的存在。但是，只有在電池出現後，這一概念才得以應用。

電荷的定義

電荷是物質的基本物理屬性之一，由一些基本粒子如電子、質子、輕子、氪和介子攜帶。電荷決定了這些粒子如何受電場或磁場的影響。簡單來說，電荷定義為某些粒子持有或攜帶的電量。

當電子被移除或轉移到物體中時，就會產生電荷。通常情況下，電子是帶負電的粒子，當這些粒子新增到物體中時，物體就會帶負電。如果我們移除這些電子，物體就會帶正電。

電荷的特性

電荷的可加性

基本上，電荷是可加的。系統的總電荷應等於系統內部不同位置的各個電荷的代數和。這也被稱為電荷的疊加原理。

電荷守恆

根據電荷守恆原理，我們既不能創造也不能消滅電荷。我們只能將電荷從一個物體轉移到另一個物體。

在亞原子水平上，電荷可以被創造。但這種創造總是成對進行的，正負電荷相等。因此，電荷的總量保持不變。

電荷的公式是：

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

其中 q = 電荷

ti = 初始時間

tf = 終止時間

I = 淨外向電流

dt = 時間變化。

電荷的量子化

電荷的量子化意味著電荷只能取離散值。通常情況下，電荷是量子化的。換句話說，電荷只能以一個電子或質子電荷的整數倍的形式存在於自然界中。電荷的大小表示為e= 1.6 x 10^-19 C。電荷的SI單位是庫侖。

電荷的不變性

電荷總是保持不變，簡單來說，電荷不會隨速度的變化而變化。根據相對論，質量、時間和長度會隨速度的變化而變化，但電荷不會變化。

電荷間的力

同種電荷互相排斥，異種電荷互相吸引。帶電物體能吸引輕小的中性物體。

電荷的型別

一般來說，宇宙中有三種電荷：正電荷、負電荷和中性電荷。原子由三個主要的粒子組成：質子、電子和中子。

在這些粒子中，電子攜帶負電荷，質子攜帶正電荷，而中子攜帶中性電荷。

因此，電荷主要指兩種粒子：帶正電的粒子和帶負電的粒子。

有三種方法可以使物體帶電或改變物體的電荷：摩擦、傳導和感應。利用這三種方法，可以使空物體帶正電或負電，也可以改變物體的電荷。

如何測量電荷？

測量電荷的SI單位是庫侖。這是由18世紀法國物理學家查爾斯·奧古斯丁·庫侖發明的。他建立了這個定律，指出同種電荷互相排斥，異種電荷互相吸引，這是電荷的主要特性之一。

庫侖透過將帶同樣電荷的輕球靠近任何一根針來進行實驗。然後，他透過球的分離函式確定了球之間的斥力，由此得出吸引定律。

通常，電荷量可以用直接和間接兩種方法測量。直接測量是用靜電計，間接測量是用衝擊式電流計。

電荷單位“庫侖”的定義是：1安培電流在1秒內傳輸的電量。

庫侖定律

根據庫侖定律，兩個帶電體之間的吸引力和排斥力與電荷的乘積成正比，與距離的平方成反比。

庫侖定律的公式是：

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

這裡，F = 電力

k = 比例常數

q₁ 和 q₂ = 點電荷

r = 兩個點電荷之間的距離。

該定律主要用於計算兩個帶電粒子之間的電力。兩個靜止帶電體之間產生的電力稱為靜電力或庫侖力。

結論

電荷以離散的自然單位出現。電荷既不能被創造也不能被消滅。本教程解釋了電荷的定義、基本性質、型別、庫侖定律以及如何在物體中測量電荷。

常見問題

Q1. 庫侖定律的重要性是什麼？

A1. 庫侖定律的方程可以精確地描述當物體作為點電荷時，作用在兩個物體之間的力。庫侖定律在其向量形式中也具有重要意義。

Q2. 庫侖定律的侷限性是什麼？

A2. 庫侖定律僅適用於點電荷處於靜止狀態的情況。該定律也僅適用於遵守平方反比定律的某些特定情況。在點電荷形狀不規則的情況下，實施庫侖定律非常困難。在這種情況下，我們無法確定兩個點電荷之間的距離。

Q3. 電荷在我們的日常生活中有什麼應用？

A3. 電荷在日常生活中最好的例子之一是影印機。在影印機中，原稿放置在玻璃螢幕上，原稿可以轉移到一個已經帶正電的滾筒上，而通常使用的墨粉是帶負電的。

Q4. 庫侖定律在所有情況下都適用嗎？（或）在所有條件下我們都能使用或實施庫侖定律嗎？

A4. 不適用。由於點電荷的位置和物體的形狀，庫侖定律並非在所有情況下和所有條件下都適用。