Elektřina
Elektřina (2/13) · 8:48

Zákon zachování elektrického náboje Podobně jako energie, náboj nemůže být vytvořen ani zničen. Celkový součet nábojů je vždy konstantní.

Ve fyzice existuje zákon, který obstál zkoušku času. Zákony přicházejí a odcházejí. Občas objevíme nové věci. Staré musíme zahodit, doplnit nebo upravit, ale jeden zákon máme už velmi dlouho a ještě se jej nikdo nepokusil zpochybnit, nebo nenarazil na pokus, který by prokázal jeho chybnost. Tím zákonem je zákon zachování náboje, v našem případě konkrétně elektrického náboje. Co to znamená? Představ si, že máš krabici a do té krabice dáš nějaké náboje. Mám tady částici a ta má náboj +2 coulomby. Pak tu poletuje další náboj, -3 coulomby. Tady máme, já nevím, +5 coulombů. Poletují tady. Zákon zachování náboje tvrdí, že pokud tuto krabici zavřeme tak, aby žádný náboj nemohl proniknout dovnitř ani ven… Nepustím žádný náboj dovnitř ani ven. Pokud to zařídím, celkový náboj uvnitř, když ho sečteš, musí být konstantní. Chceš-li matematický zápis, je tu součet… Sigma je písmeno značící sčítání… Máme součet všech nábojů v dané oblasti a za předpokladu, že žádný náboj nejde dovnitř ani ven, celkový součet náboje v té oblasti musí být konstantní. Tato matematika vypadá složitě, ale je snadná. Říkám jen, že když posčítáš všechny tyto náboje, +2 coulomby plus 5 coulombů minus 3 coulomby, vyjde číslo představující celkovou velikost náboje uvnitř. To bude 5 plus 2 je 7, minus 3 jsou 4. +4 coulomby. Ať už tu krabici otevřeš kdykoli, vždy v ní najdeš 4 coulomby. To se může zdát zřejmé. Můžeš říct, „Jasně, pokud nepustím náboj dovnitř ani ven, jasně, že tam budu mít vždy ty 4 coulomby, protože mám jen tyto tři náboje.“ Ale tak tomu být nemusí. Fyzikové vědí, že dvě částice se mohou při srážce měnit na jiné. Časem můžu skončit třeba s osmi částicemi. Pokud posčítám jejich náboje, pořád dostanu 4 coulomby. To je hlavní myšlenka. Není to jen tak nějaké tvrzení. Je to užitečné, protože kdyby to byly protony… Nejsou, protože mají +2 coulomby a proton má úplně jiný náboj, ale řekněme, že to je proton, co velmi rychle narazí do elektronu. Pokud má opravdu hodně energie, nemusí ani vypadnout proton a elektron. Ze srážky mohou vypadnout miony nebo kvarky, nebo, kdyby toto byl další proton, Higgsovy bosony nebo jiné věci. Někdy později, a proto je ten zákon tak důležitý, protože toto je důkladně uzavřené a všechno, co se tu odehrává, mají na svědomí jen tyto částice a jejich potomci, v nějakém pozdějším čase tu můžu mít… Třeba toto nemusí mít stejný náboj. Možná to má +1 coulomb. Pak tady mám náboj -7 coulombů. Kdyby toto byly elementární částice, měly by mnohem menší náboje, ale abych to vysvětlil, použiji velká čísla. Řekněme, že toto má -4 coulomby. Musím tu tedy mít nějakou další částici, kterou jsme tu původně ani neměli. Žádnou z těchto částic jsme tu původně neměli. Mám nějaký náboj „q“. Skončili jsme s čtyřmi různými částicemi. Odehrála se tu nějaká zvláštní reakce a vznikly tyto částice. Jaký je náboj tohoto q? Na tuto otázku už známe odpověď a není vůbec složitá. Známe všechy ostatní náboje. Víme, že když tyto všechny sečteme, musíme dostat stejný náboj, jaký jsme měli předtím, to říká zákon zachování náboje. Nepustíme-li žádný náboj dovnitř ani ven, celkový náboj uvnitř musí zůstat stejný. Pojďme na to. Co uděláme? Sečteme je. Zapíšeme +1 plus -7 coulombů plus -4 coulomby plus neznámý náboj. Víme, čemu se to má rovnat. Čemu se to má rovnat? Musí se to rovnat celkovému náboji, protože toto číslo se nemění. Toto byl celkový náboj předtím, +4 coulomby. Musí to být i celkový náboj po čemkoli, co se tam událo. To tvrdí zákon zachování náboje. Toto se musí rovnat +4. -7 a -4 je -11, plus 1 je -10. Vyjde mi, že -10 coulombů plus… Tato písmena „q“ vypadají jako číslice 9, omlouvám se. Toto je zákon zachování náboje. Přidám malý ocásek. Není to zákon zachování devítek. Toto je malé q, ne číslo 9. …tedy plus q rovná se 4. Teď už víme, že náboj musí být +14 coulombů, aby vyhověl této rovnici. Nepotřebujete mít ani krabici. Nikdo nedělá fyziku v krabici od bot, takže řekněme, že provádíme pokus a je tu nějaká částice X, která má náboj +3 coulomby. To je obrovský náboj na jedinou částici, ale řekněme, že to jsou +3 coulomby. Tato částice se přeměňuje. Občas se některé částice přeměňují na jiné částice. Řekněme, že se přemění na částice Y a Z. Dáme jim náhodná jména. Zjistíš, že částice Y má náboj +2 coulomby a tato částice Z má náboj -1 coulomb. Je to možné? Ne, není. Pokud toto zjistíš, něco se pokazilo, protože tady na té straně jsme začali s +3 coulomby. Podle zákona zachování náboje tady musíme skončit také s +3 coulomby, ale +2 coulomby minus 1 coulomb dají dohromady jen 1 coulomb. 2 coulomby scházejí. Kam se poděly? Musela tu vzniknout nějaká další částice, která unikla naší pozornosti. Něco se stalo. Buď se nám pokazil detektor, nebo prostě nezachytil částici s jiným nábojem. Jaký náboj by měla mít? Toto vše musí dát dohromady 3. Začaly se 3 coulomby a tyto dvě, Y a Z, jsou dohromady jen 1 coulomb. To znamená, že zbytek, chybějící 2 coulomby, musí být někde tady. Musela nám uniknout nějaká částice nebo náboj o velikosti +2 coulomby. Je to další částice Y? Možná, proto je fyzika zábavná. Možná je tu, možná nám uteklo něco jiného. Zeptám se takto. Řekněme, že se zbavíme všech těchto nábojů. To lidi občas vykolejí. Zkus toto. Řekněme, že nemáme žádný náboj. Máme částici s 0 coulomby. Je možné z ní získat nabité částice? Ano, může se to stát. Máme-li třeba foton bez náboje, je možné, aby se přeměnil na nabité částice. Jak je to možné? Neporušuje to zákon zachování náboje? Ne, ale musíme se ujistit, že ať už to získá jakýkoli náboj, řekněme +3 coulomby, pak toto musí mít -3 coulomby, aby byl celkový náboj 0 coulombů, stejně jako předtím. To je divné, ale ano, foton, se může přeměnit na elektron. To znamená, že se zároveň musí přeměnit na anti-elektron, protože tady nesmí být žádný celkový náboj. Anti-elektron má stejný náboj jako elektron, ale je kladný místo záporného. Proto mu říkáme pozitron. Anti-elektronům říkáme pozitrony, protože jsou stejné jako elektrony, jen kladné. To ale nemusíš vědět. Nemusíš toho o částicové fyzice vědět moc. Stačí znát zákon zachování elektrického náboje a už můžeš mluvit o částicové fyzice, protože víš, že náboj se musí zachovat a to je při analyzování těchto reakcí silným nástrojem, chceš-li vědět, co je možné a co nikoli.
video