电荷守恒的理论分析及应用实例探讨

董轩竹

电荷守恒是电磁理论的重要内容，在高中物理学习中占据关键位置.本文首先立足高二物理的书本知识，对电荷守恒的理论内容进行系统的描述.在此基础上，本文借助实际案例，探究电荷守恒的应用实况，通过实际案例揭示电荷守恒定律在高中物理中的重要性.

一、电荷守恒的相关理论

在介绍电荷守恒定律之前，首先要明确元电荷的概念.元电荷就是指电荷量，具体大小为1.6×10-19C.元电荷不分正负电性，从宏观角度来看，带电体的电荷量一定是元电荷的整数倍.从微观角度来看，元电荷是计算电荷量的基础单位.在实际运用中，常见的认知误区是认为元电荷是指具体的带电物质.

所谓电荷守恒，实际上就是指在电解质溶液当中溶液呈电中性.换言之，阴离子带有的负电荷总浓度与阳离子带有的正电荷总浓度相等，即处于电荷守恒状态.物理学中的电荷守恒也可运用于化学浓度的计算，实现了物理学与化学的有机沟通.值得强调的是，电荷守恒蕴藏在电磁场基本理论体系中.根据现有的文献来看，电荷守恒定律的基本性质已经得到了充分的验证，即：在与外界不存在电荷交换的系统中，该系统的正负电荷的代数不会发生任何变化.

二、运用电荷守恒定律解题实例

1.运用电荷守恒定律解决物理问题.

例1 在排除外界环境影响的前提下，两个完全相同的带电绝缘金属小球A和小球B，带有的电荷量分别是QA=6.4×10-9C、QB=-3.2×10-9C.现在使这两个金属小球接触，请问在该接触过程当中，小球上的电子如何转移？转移情况如何？

解析：在两球进行接触的过程中，带有负电的小球B会将多余的电子转移到小球A上.期间，小球A会不断地中和，直到小球B上不带电.与此同时，由于小球A带有正电荷，所以小球B上的电子也会继续转移到小球A上，直到两个小球拥有相等的正电荷.具体而言，两球接触之后，各自带有的电荷量是：Q′A=Q′B=Q′A+Q′B2=1.6×10-9C，接触过程中转移的电荷总量△Q=-QB+Q′B=4.8×10-9C，转移的电子数则为3×1010个.

诸如此类的问题还有很多，例如“两小球相吸问题”等.在分析此类问题时，只需回归电荷守恒定律的本身，紧抓电荷守恒的两个核心内容，即：电荷既不会产生也不会消灭，只会从一个物体转移到另一个物体，且转移过程中电荷总量不变；若某个电荷交换系统与外界无任何接触，那么其电荷的代数总和保持不变.在这两个核心内容的指引下，我们能够解决很多数的物理问题.

2.运用电荷守恒定律解决化学问题.

结合物理和化学的知识来看，电荷守恒定律是指：在电解质溶液中，阴离子的负电荷浓度与阳离子的正电荷浓度相等.基于此，我们也可以巧妙地解决相关的化学问题.

例2 现将500mL的BaCl2和KCl的混合溶液均等地分成五份，装在五个玻璃容器当中.再取其中一份，加入a摩尔的硝酸钠溶液，刚好能够使其中的钡离子全部沉淀.再取其中一份，加入b摩尔的硝酸根溶液，刚好能够使其中的氯离子完全沉淀.那么请问混合液中钾离子的浓度是多少？

解析：在以上问题中，BaCl2和KCL的混合溶液分别进行了两次实验，第一次钡离子全部沉淀，第二次氯离子完全沉淀.我们可以据此列出Bacl2和KCL的混合溶液的电荷守恒公式，即：2n（Ba2+）+n（K+）=n（Cl-）.再结合题意，n（Ba2+）=amol、n（Cl-）=bmol.代入前文中提到的電荷守恒公式可以得出：b=2a+n（K+），（b-2a）mol=n（K+），则BaCl2和KCL的混合溶液中，钾离子的浓度是10（b-2a）mol/L.

可见，电荷守恒定律也能够用于解决化学方面的问题，尤其是计算溶液中离子的浓度.事实上，在高中阶段的物理学习中，电荷守恒定律占据着至关重要的位置，不仅仅是因为其贯穿电磁、磁场等学习内容，更是因为其贯通物理、化学等多门学科，是理科学习中起到核心作用的知识点.

文章从电荷守恒定律的理论概念着手，重点讨论了该定律在物理中的应用情况，同时也创新性地引入化学知识，突出了电荷守恒定律在解决化学问题时发挥的作用.研究发现，电荷守恒定律在物理和化学中都有着非常重要的应用，对解决电场问题、电荷计算问题和溶液中离子浓度等问题发挥着尤为关键的作用.此外，随着电荷守恒领域研究的逐渐深入，其在其他学科中的应用也会逐渐凸显出来，值得进一步的研究.