Elektřina
Elektřina (2/8) · 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? Představte si, že máte krabici a do té krabice dám nějaké náboje. Mám tady částice a ta má kladné 2 coulomby. A pak tu poletuje další náboj, záporné 3 coulomby. A tady máme, já nevím, kladných 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 sečtete, musí být konstantní. Chcete-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 posčítáte všechny tyto náboje, +2 coulomby plus 5 coulombů minus 3 coulomby, vyjde vám číslo představující celkovou velikost náboje uvnitř. To bude 5 plus 2 je 7, minus 3 jsou 4. +4 coulomby. Ať už tu krabici otevřete kdykoli, vždycky v ní najdete 4 coulomby. To se může zdát zjevné. Můžete říct, "no jasně, pokud nepustíš náboj dovnitř ani ven, "jasně že tam budeš mít vždycky ty 4 coulomby, "protože máš jenom tyhle tři náboje." Ale tak tomu být nemusí. Fyzikové vědí, že dvě částice se při srážce mohou 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 takové nějaké tvrzení. Je to užitečné, protože tyto protony… Toto nejsou protony, protože mají +2 coulomby a proton má úplně jiný náboj, ale řekněme, že tohle 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 tohle byl další proton, Higgsovy částice nebo jiné věci. A někdy později, a proto je ten zákon tak důležitý, protože tohle 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 tohle má +1 coulomb. A pak tady mám náboj -7 coulombů. Kdyby toto byly elementární částice, měly by mnohem menší náboje, ale abych to vysvětlil, použiji velká čísla. A řekněme, že toto má -4 coulomby. Musím tu tedy mít nějakou další částici, kterou jste tu původně ani neměli. Žádnou z těchto částic jsme tu původně neměli. A nějaký náboj q. Skončili jsme s těmito 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 tyhle všechny sečteme, musíme dostat stejné množství náboje, jaké jsme měli předtím, protože to říká zákon zachování náboje. Nepustíme-li žádný náboj dovnitř ani ven, celkový náboj uvnitř musí zůstat stejný. Pojďme na to. Co budeme dělat? Posčítáme 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 tohle číslo se nemění. Tohle byl celkový náboj předtím, +4 coulomby. Musí to být i celkový náboj po čemkoli, co se tam událo. To tvrdí zákon zachování náboje. Tohle se musí rovnat +4. No, -7 a -4 je -11, plus 1 je -10. Vyjde mi, že -10 coulombů plus… Hm, víte co, tato q vypadají jako čísla 9, omlouvám se. Toto je zákon zachování náboje. Přidám malý ocásek. Není to zákon zachování devítek. Tohle je malé q, ne číslo 9. A tedy plus q rovná se 4. Teď už víme, že ten náboj musí být +14 coulombů, aby vyhověl tétop rovnici. Ale 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. Ten náboj je v rozkladu. Některé částice se rozpadají, rozkládají se, mění na jiné částice. Řekněme, že se rozpadne na částici Y a Z. Dáme jim náhodná jména. A zjistíte, že částice Y má náboj +2 coulomby a tato částice z má náboj -1 coulomb. Je to možné? Ne, není. Pokud tohle zjistíte, něco se pokazilo, protože tady na té straně jste začali s +3 coulomby. Podle zákona zachování náboje tady musíte skončit také s +3 coulomby, ale +2 coulomby minus 1 coulomb dají dohromady jenom 1 coulomb. 2 coulomby tady scházejí. Kam se poděly? Musela tu vzniknout nějaká další částice, která unikla vaší pozornosti. Něco se stalo. Buď se pokazil váš detektor, nebo prostě nezachytil částici s jiným nábojem. Jaký náboj by měla mít? Tohle všechno musí dát dohromady 3. Začali se 3 a tyto dvě, Y a Z, jsou dohromady jen 1 coulomb. To znamená, že zbytek, chybějící 2 coulomby, musí být někde tady. Musela vám uniknout nějaká částice nebo náboj o velikosti +2 coulomby. Je to další částice Y? Možná, proto je fyzika zábavná. Možná je tu, možná vám uteklo něco jiného. Zeptám se takto. Řekněme, že se zbavíme všech těchto nábojů. Tohle lidi občas vykolejí. Zkuste tohle. Řekněme, že nemáme žádný náboj. Máte částici s 0 coulomby. Je možné získat z ní nabité částice? Ano, může se to stát. Máte-li třeba foton bez náboje, je možné, aby se přeměnil na nabité částice. Jak je to možné? Neporušuje to zákon zachování náboje? Ne, ale musíte se ujistit, že ať už tohle získá jakýkoli náboj, řekněme +3 coulomby, pak tohle musí mít -3 coulomby, aby celkový náboj byl 0, stejně jako předtím. Tohle je divné, ale ano, foton, paprsek světla, se může přeměnit na elektron. To ale 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 nemusíte vědět. Nemusíte toho o částicové fyzice vědět moc. Stačí znát zákon zachování elektrického náboje a už můžete mluvit o částicové fyzice, protože víte, že náboj se musí zachovat a to je při analyzování těchto reakcí silným nástrojem, chcete-li vědět, co je možné a co nikoli.
video