| 词条 | 电荷守恒定律 |
| 释义 | § 定义 电荷守恒定律 电荷的总量既不能创造，也不能消失，只能从一个物体转移到另一物体，或者从物体的一部分转移到另一部分。这就是电荷守恒定律，也就是说：在与外界没有电荷交换的一个系统内，总电荷量不变(电荷的代数和不变)。电荷守恒定律是物理学的基本定律之一。这个定律是从大量实验概括得出的自然界的基本规律，对宏观现象、微观现象都适用，对所有惯性参考系都成立。 在物理学里，电荷守恒定律（law of charge conservation）是一种关于电荷的守恒定律。电荷守恒定律有两种版本，“弱版电荷守恒定律”（又称为“全域电荷守恒定律”）与“强版电荷守恒定律”（又称为“局域电荷守恒定律”）。弱版电荷守恒定律表明，整个宇宙的净电荷量保持不变，不会随着时间的演进而改变。注意到这定律并没有禁止，在宇宙这端的某电荷突然不见，而在宇宙那端突然出现。强版电荷守恒定律明确地禁止这种可能。强版电荷守恒定律表明，在任意空间区域内电荷量的变化，等于流入这区域的电荷量减去流出这区域的电荷量。对于在区域内部的电荷与流入流出这区域的电荷，这些电荷的会计关系就是电荷守恒。 物质的量是国际单位制中7个基本物理量之一。其符号为n，单位为摩尔(mol)，简称摩。物质的量是表示物质所含微粒数(N)与阿伏加德罗常数(NA， NA = 6.0221415 × 1023 mol^-1 ) )之比,即n=N/NA。它是把微观粒子与宏观可称量物质联系起来的一种物理量。[1] § 解释 基本定律之一 物理学的基本定律之一 。它指出，对于一个孤立系统，不论发生什么变化 ，其中所有电荷的代数和永远保持不变。电荷守恒定律表明，如果某一区域中的电荷增加或减少了，那么必定有等量的电荷进入或离开该区域；如果在一个物理过程中产生或消失了某种电荷，那么必定有等量的异号电荷同时产生或消失。 得失电子的结果 要使物体带电，可利用摩擦起电、接触起电、静电感应、（感应起电）、光电效应等方法。物体是否带电，通常可用验电器来检验。物体带电实际上是得失电子的结果。这意味着电荷不能离开电子、质子而存在。电荷乃是电子、质子等微观粒子所具有的一种属性。 普遍适用 由摩擦起电和其他起电过程的大量实验事实表明，一切起电过程其实都是使物体上正、负电荷分离或转移的过程中，在这种过程中，电荷既不能消灭，也不能创生，只能使原有的电荷重新分布。由此就可以总结出电荷守恒定律：一个孤立系统的总电荷(即系统中所有正、负电荷之代数和)在任何物理过程中始终保持不变。所谓孤立系统，就是指它与外界没有任何相互作用的系统，电荷守恒定律也是自然界中一条基本的守恒定律，在宏观和微观领域中普遍适用。 另一种表述 电荷守恒定律也常表述为：在与外界没有电荷交换的一个系统内，总电荷量不变(电荷的代数和不变)。 近代物理实验证明，一切微观过程，如原子核反应和基本粒子转化等，也遵守电荷守恒定律。特别是在电子对湮没为光子对e++e－→γ+γ和K0介子衰变为π介子对K0→π++π－，在这类反应中，尽管粒子产生或消失了，但反应前后的总电荷仍保持不变。[2] § 实验历史 在一个孤立系统中正、负电荷的代数和保持为恒值。这个结论是根据B.富兰克林的摩擦起电实验和M.法拉第的静电感应起电实验得出的。 法拉第的实验是使用一个绝缘的金属桶连接到金箔验电器，此时验电器上没有指示。如果将绝缘丝线悬挂的带有电荷的金属小球逐渐伸入桶内而不与桶壁接触，则验电器的指示将逐渐增大并最后稳定在某一指示上。如果将金属球提出桶外，验电器的指示就又恢复为零。这说明在上述过程中，金属桶的外表面上所带电荷始终与内表面所带电荷符号相反而数量相等，即其代数和保持不变。 § 数学表示 电荷守恒定律的数学表示为： 式中J 为电流密度，ρ为电荷的体积密度,V 为由闭合面S 所包围的体积。此式表明在闭合面上各处流出的总电流，等于在闭合面所包围的容积中总电荷的时间减少率，或者说电荷是守恒的。 若将上述积分公式应用到空间任意处的容积元素上，并取其趋近于零的极限，则得出电荷守恒定律的微分形式的表达式： 采用算符上式可简记为 它是宏观电磁理论的基本方程式之一。 § 综述 电荷守恒 在含有带电粒子的电中性物质中，所有带正电粒子所带正电荷总数等于所有带负电粒子所带负电荷总数。那么，在含有阴、阳离子的电中性物质中，阳离子所带正电荷总数等于阴离子所带负电荷总数。即：阳离子物质的量(或浓度)与其所带电荷数乘积的代数和等于阴离子物质的量(或浓度)与其所带电荷数乘积的代数和。 电荷不能独自生成与湮灭。假设带正电粒子接触到带负电粒子，两个粒子带有电量相同，则因为这接触动作，两个粒子会变为中性，这物理行为是合理与被允许的。一个中子，也可以因贝塔衰变，生成带正电的质子、带负电的电子与中性的反中微子。但是，任何粒子，不可能独自地改变电荷量。物理学明确地禁止这种物理行为。更仔细地说，像电子、质子一类的亚原子粒子会带有电荷，而这些亚原子粒子可以被生成或湮灭。在粒子物理学里，电荷守恒意味着，在那些生成带电粒子的基本粒子反应里，虽然会有带正电粒子或带负电粒子生成，在反应前与反应后，总电荷量不会改变；同样地，在那些湮灭带电粒子的基本粒子反应里，虽然会有带正电粒子或带负电粒子湮灭，在反应前与反应后，总电荷量绝不会改变； 虽然全域电荷守恒定律要求宇宙的总电荷量保持不变，到底总电荷量是多少仍旧是有待研究问题。大多数迹象显示宇宙的电荷量为零，即正电荷量与负电荷量相同。 优点 基于宏观统览全局而避开细枝末节，在使用过程中不需要了解过多的中间过程，避免了繁杂的分析和多重化学反应，思路简单，关系明确，简化步骤，方便判断，计算快捷。 应用 由于含有带电粒子或阴、阳离子的电中性物质，可能是纯净物（如NaCl晶体），也可能是混合物（如NaCl溶液），可以是固体，也可以是液体，而含有阴、阳离子的电中性物质，可能是变化的初始状态，也可能是变化的最终状态。因此，电荷守恒可应用于任意电中性的体系。电荷守恒的选取：在电中性体系中，凡涉及到体系（如溶液，尤其是混合溶液）中离子的物质的量或物质的量浓度等问题时，可考虑选用电荷守恒。 注意 （1）要找出电中性体系中存在的所有带电粒子。如阴、阳离子，质子、电子等。 （2）电荷守恒指的是阴、阳离子所带电荷总数相等，而不是单个离子的电荷相等，更不是阴、阳离子总数相等。 （3）溶液呈电中性与溶液呈中性是两个不同的概念，溶液呈中性则说明存在如图示一关系。图示一 所以理解其概念就不会混淆了。 （4）表示阴、阳离子所带的电荷数，可用该离子的数目、物质的量或物质的量浓度乘以其所带的电荷数。 （5）列出的电荷守恒式中，各离子所带电荷数的表示形式要一致（如均用物质的量）；各离子物质的量或物质的量浓度前面的系数，也必须与其所带的电荷数一致。[3] § 具体应用 在离子方程式中的应用 书写和配平电极反应式和离子方程式；判断电极反应式和离子方程式的正误；计算离子方程式中某离子中某种元素的化合价、某离子所带的电荷数、某离子中某种元素原子的角码数；确定离子方程式中各离子的计量数间的关系等。 在电解质溶液中的应用 电荷守恒是电解质溶液中各守恒关系中最重要、应用最广、也最好用的。关键是是否知道用，什么地方用和怎样用的问题。 主要用于判断和比较电解质溶液中离子浓度的大小；判断电解质溶液中溶质的组成、可能存在的离子；确定离子的类别；书写和判断电解质溶液中其它守恒关系（如质子守恒关系）；计算电解质溶液中某些离子的浓度等。 在其他方面的应用 用于固体物质（纯净物或混合物）组成的推断和计算；计算反应前或反应后体系中某物质或离子的量等。 |
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