요금 절약

Charge conservation
이 기사는 전하 절약에 관한 것입니다.일반적인 이론적 개념은 전하(물리학)를 참조하십시오.

물리학에서 전하 보존은 고립계의 총 전하량이 절대로 변하지 않는 원리입니다.[1]우주의 양전하량에서 음전하량을 뺀 순전하량은 항상 보존됩니다.전하량 보존은 물리적 보존 법칙으로 간주되며, 공간의 어떤 부피에서도 전하량의 변화는 부피로 유입되는 전하량에서 부피로 유출되는 전하량을 뺀 것과 정확히 같다는 것을 의미합니다.본질적으로, 전하 보존은 전하 밀도ρ (x) \ {x})}와 밀도J (x) {J x})} 사이의 연속 방정식에 의해 주어진, 한 영역의 전하량과 그 영역을 오가는 전하의 흐름 사이의 회계 관계입니다.

이것은 개별적인 양전하와 음전하가 생성되거나 파괴될 수 없다는 것을 의미하지 않습니다.전하는 전자와 양성자 같은 아원자 입자에 의해 운반됩니다.하전 입자는 기본 입자 반응에서 생성되고 파괴될 수 있습니다.입자물리학에서 전하량 보존(charge conservation)은 전하 입자를 생성하는 반응에서 항상 같은 수의 양의 입자와 음의 입자가 생성되어 순 전하량이 변하지 않는 것을 의미합니다.마찬가지로 입자가 파괴되면 같은 양전하와 음전하가 파괴됩니다.이 속성은 지금까지 모든 경험적 관측치에서 예외 없이 지원됩니다.[1]

비록 전하량의 보존은 우주의 전하량의 총합이 일정해야 하지만, 그 양이 무엇인지에 대한 의문을 남깁니다.대부분의 증거는 우주의 순전하가 0이라는 것을 나타냅니다.[2][3] 즉, 양전하와 음전하가 같다는 것입니다.

역사

전하 보존은 1746년 영국의 과학자 윌리엄 왓슨에 의해, 그리고 1747년 미국의 정치가이자 과학자인 벤자민 프랭클린에 의해 최초로 제안되었지만, 최초의 설득력 있는 증거는 1843년 마이클 패러데이에 의해 주어졌습니다.[4][5]

전기 화재가 마찰에 의해 생성된 것이 아니라 오직 수집된 진짜 원소, 즉 물질의 종이라는 것이 현재 국내와 유럽에서 발견되고 입증되고 있습니다.

— Benjamin Franklin, Letter to Cadwallader Colden, 5 June 1747[6]

법의 형식적 진술

참고 항목:연속 방정식

수학적으로 전하 보존 법칙을 연속 방정식으로 나타낼 수 있습니다.

여기서 / Q 는 시간 t에서 특정 부피의 전하 축적율입니다. IN {\rm {IN}}은(는) 볼륨으로 유입되는 하량이고 Q ˙ OUT {\displaystyle {\dot {Q}_{\rm {OUT}}은(는) 볼륨에서 유출되는 전하량이며, 두 양 모두 시간의 일반적인 함수로 간주됩니다.

두 시간 값 사이의 통합 연속성 방정식은 다음과 같습니다.

일반적인 해는 초기 조건 시간 을 고정하여 적분 방정식으로이어집니다.

조건 ( )= Q ( 0 ) ∀ t > t 0, {\displaystyle Q(t) = Q(t_{0})\;\forall t > t_{0}는 제어 볼륨에 전하량 변화가 없는 것에 해당합니다. 시스템이 정상 상태에 도달했습니다.위 조건에서 다음 사항이 참이어야 합니다.

˙{\dot {Q}}_rm {IN}}과 Q ˙ OUT {\displaystyle {\dot {Q}_{\rm {OUT}}은(꼭 일정하지는 않음) 시간이 지남에 따라 동일합니다. 그러면 컨트롤 볼륨 내부의 전체 전하량은 변하지 않습니다.정상 ∂ / ∂ t = 0 \partial Q/\partial t=0}이가) 되고 ˙ IN(t) = Q ˙ OUT(t) {\displaystyle {\dot {Q}_{\rm {IN}}(t)= {\dot {Q}_{\rm {OUT}(t)}이(가) 방정식에서 직접 도출될 수 있습니다.

전자기장 이론에서 벡터 미적분학은 전하 밀도 ρ(입방미터당 쿨롬 단위)과 전류 밀도 J(입방미터당 암페어 단위)로 법칙을 표현하는 데 사용될 수 있습니다.이를 전하 밀도 연속 방정식이라고 합니다.

왼쪽 항은 한 점에서 전하 밀도 ρ의 변화율입니다.오른쪽 항은 같은 지점에서 전류 밀도 J의 발산입니다.이 방정식은 이 두 요인을 동일시하는데, 이것은 한 점의 전하 밀도가 변화하는 유일한 방법은 전하의 전류가 그 점으로 흘러 들어가거나 나가는 것이라는 것을 의미합니다.이 문장은 4전류 보존에 해당합니다.

수학적 유도

볼륨의 순 전류는

여기서 S = ∂V는 바깥쪽 pointing 법선에 의해 배향된 V의 경계이고, dS는 경계 ∂V의 바깥쪽 포인팅 법선인 NdS의 축약어입니다.여기서 J는 볼륨 표면의 전류 밀도(단위 시간당 단위 면적당 전하)입니다. 벡터는 전류의 방향을 가리킵니다.

발산 정리에서 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

전하량 보존을 위해서는 부피의 순 전류가 부피 내 전하량의 순 변화량과 같아야 합니다.

(1)

부피 V의 총 전하 q는 V의 전하 밀도의 적분(합)입니다.

라이프니츠 적분 법칙에 의해

(2)

(1)과 (2)를 같게 하면 다음과 같습니다.

이것은 모든 볼륨에 적용되기 때문에, 우리는 일반적으로


게이지 불변성에 대한 연결부

전하 보존은 또한 각각의 보존 법칙이 기본 물리학의 대칭과 관련되어 있다고 주장하는 이론 물리학의 중심 결과인 노에테르 정리를 통한 대칭의 결과로 이해될 수 있습니다.전하 보존과 관련된 대칭은 전자기장의 전역 게이지 불변성입니다.[7]이것은 전기장과 자기장이 정전기 퍼텐셜ϕ{\displaystyle\phi}의 영점을 나타내는 값의 다른 선택에 의해 변경되지 않는다는 사실과 관련이 있습니다. 그러나 전체 대칭은 더 복잡하고 또한 벡터 A A}}를 포함합니다.게이지 불변성의 전체 설명은 스칼라와 벡터 퍼텐셜이 임의의 스칼라장χ{\displaystyle \chi}의 기울기로 이동할 때 전자기장의 물리학은 변하지 않는다는 것입니다.

양자역학에서 스칼라장은 하전 입자의 파동함수의 위상 이동과 같습니다.

따라서 게이지 불변성은 파동함수의 위상 변화가 관측 불가능하다는 잘 알려진 사실과 같으며 파동함수의 크기 변화만이 확률함수ψ 2 ^{2}}의 변화를 초래합니다. 이것이 전하 보존의 궁극적인 이론적 기원입니다.

게이지 불변성은 전자기장의 매우 중요하고 잘 확립된 특성이며 많은 시험 가능한 결과를 가져옵니다.전하 보존에 대한 이론적 정당성은 이 대칭과 연관됨으로써 크게 강화됩니다.예를 들어, 게이지 불변성은 광자가 질량이 없어야 하므로 광자가 질량이 0이라는 좋은 실험적 증거는 전하가 보존된다는 강력한 증거이기도 합니다.[8]

그러나 게이지 대칭이 정확하더라도 전하가 정상적인 3차원 공간에서 숨겨진 추가 차원으로 누출될 수 있다면 명백한 전하 비보존이 있을 수 있습니다.[9][10]

실험증거

단순 인수는 일부 전하 비보존 유형을 배제합니다.예를 들어, 양성자와 전자의 경우 양과 음의 입자에 대한 기본 전하의 크기는 10배−21 이하로 차이가 나야 합니다.[11]보통의 물질은 양과 음의 입자인 양성자와 전자를 같은 양으로 포함하고 있습니다.만약 전자와 양성자의 기본 전하가 조금이라도 다르다면, 모든 물질은 큰 전하를 가지고 있을 것이고 상호 반발력을 가질 것입니다.

전하 보존에 대한 가장 좋은 실험적 테스트는 전하가 항상 보존되지 않는 경우 허용되는 입자 부식에 대한 검색입니다.그런 쇠퇴는 본 적이 없습니다.[12]가장 좋은 실험 테스트는 중성미자와 단일 광자로 붕괴하는 전자의 에너지 광자를 찾는 것입니다.

e → ν + + 평균 수명이 6.6×10년보다28 큽니다(90% 신뢰 수준).[13][14]

그러나 비록 전하가 보존되지 않더라도 그러한 단일 photon 붕괴는 결코 일어나지 않을 것이라는 이론적인 주장들이 있습니다.전하 소멸 테스트는 에너지가 넘치는 광자가 없는 붕괴, 전자가 자발적으로 양전자로 변화하는 것과 같은 다른 특이한 전하 위반 과정,[16] 그리고 다른 차원으로 이동하는 전하에 민감합니다.전하 소멸에 대한 최상의 실험 한계는 다음과 같습니다.

e → 아무거나 평균 수명이 6.4×10년보다24 큽니다(68% CL).[17]
n → p + ν + + 전하 비보존 붕괴는 모든 중성자 붕괴의[18] 8 × 10−27 (68% CL) 미만입니다.

참고 항목

메모들

  1. ^ a b Purcell, Edward M.; Morin, David J. (2013). Electricity and magnetism (3rd ed.). Cambridge University Press. p. 4. ISBN 9781107014022.
  2. ^ S. Orito; M. Yoshimura (1985). "Can the Universe be Charged?". Physical Review Letters. 54 (22): 2457–2460. Bibcode:1985PhRvL..54.2457O. doi:10.1103/PhysRevLett.54.2457. PMID 10031347.
  3. ^ E. Masso; F. Rota (2002). "Primordial helium production in a charged universe". Physics Letters B. 545 (3–4): 221–225. arXiv:astro-ph/0201248. Bibcode:2002PhLB..545..221M. doi:10.1016/S0370-2693(02)02636-9. S2CID 119062159.
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  5. ^ Purrington, Robert D. (1997). Physics in the Nineteenth Century. Rutgers University Press. pp. 33. ISBN 978-0813524429. benjamin franklin william watson charge conservation.
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