Особливий клас законів у фізиці утворюють закони збереження. З одним із законів ви вже знайомі з шкільного курсу хімії – це закон збереження маси.
При будь-яких хімічних видозмінах речовини, її загальна маса залишається сталою.
Рис.18. Електризація наведенням (відео 1)
1750 року Бенджамін Франклін встановлює існування подібного закону для електричного заряду.
У замкнутій системі заряджених тіл алгебраїчна сума зарядів залишається сталою.
Обґрунтування цього закону слідує з наступних експериментів.
Розглянемо дослід на відео 1.
Два металевих циліндри на ізольованих підставках, з’єднані з електрометрами та торкаються один одного, утворюючи замкнуту систему. До циліндрів підносять наелектризовану палицю, не торкаючись поверхні циліндрів. У цей момент циліндри роз’єднують. Електрометри при цьому показують наявність у кожного з них, однакового за модулем, електричного заряду. Підносячи до кожного з циліндрів наелектризовану палицю, помічаємо, що циліндри мають різні за знаком заряди, оскільки покази електрометрів змінюються по різному. При подальшому з’єднанні циліндрів покази електрометрів зменшуються до нуля. Аналізуємо результати цього досліду. Циліндри є провідниками, отже всередині них можуть переміщуватися електрони. На початку досліду сума зарядів циліндрів рівна нулю, що видно з показів електрометрів. При піднесенні наелектризованої палиці, відбувається перерозподіл електричного заряду, за рахунок руху електронів, що взаємодіють з палицею. Відповідно, електрометри показали, що на циліндрах виник заряд, який зафіксували роз’єднавши циліндри. Підносячи палицю окремо до кожного з роз’єднаних циліндрів, спричиняють перерозподіл зарядів уже в кожному з них, на що електрометри реагують збільшенням або зменшенням відхилення стрілки. Різне відхилення стрілки вказує на різний знак заряду на циліндрах. Отже система циліндрів, залишаючись замкнутою, тепер складається з двох заряджених різними знаками тіл. При подальшому з’єднанні циліндрів, покази електрометрів знову стають рівними нулю, отже загальна сума електричних зарядів не змінилася.
Рис.19 Взаємодія позитивно зарядженого електроскопа з позитивно зарядженою паличкою (відео 2)
Розглянемо дослід на відео 2.
Цей дослід ви можете провести з саморобним електроскопом. Попередньо надавши електроскопу позитивного заряду, підносимо до петлі електроскопа позитивно заряджену паличку. Спостерігаємо збільшення кута відхилення пелюсток електроскопа. При віддаленні палички – зменшення. У даному експерименті ми бачимо перерозподіл електричного заряду по металевому стержню електроскопа. Проте загальний заряд замкнутої системи електроскопа залишається сталим, про що свідчить кут відхилення пелюсток по завершенню експерименту.
Рис.20 Взаємодія негативно зарядженого електроскопа з позитивно зарядженою паличкою (відео 3)
Дослід на відео 3 демонструє аналогічний ефект для позитивно зарядженої палички, яку підносять до негативно зарядженого електроскопа.
Закон збереження електричного заряду застосовується при розв’язуванні низки задач та використовується разом із законом збереження маси при запису рівнянь ядерних перетворень речовин . Про ядерні перетворення детально буде повідомлено у відповідному розділі.
Для прикладу рівняння взаємодії атомних ядер нітрогену та гелію згідно законів збереження запишеться так:
, де цифри вгорі відповідають масі атомних ядер у атомних одиницях, а цифри внизу – заряду ядер в одиницях, кратних елементарному заряду.
