Ładunek elektryczny

Oddziaływanie ładunków o znakach zgodnych i przeciwnych.

Eksperymenty Benjamina Franklina z latawcami doprowadziły go do wykrycia natury elektryczności atmosferycznej.

Ładunek elektrycznyciała(lub układu ciał) – fundamentalna właściwośćmateriiprzejawiająca się woddziaływaniu elektromagnetycznymciał obdarzonych tym ładunkiem. Ciała obdarzone ładunkiem mają zdolność wytwarzaniapola elektromagnetycznegooraz oddziaływania z tym polem.Oddziaływanie ładunku z polem elektromagnetycznym jest określone przezsiłę Lorentzai jest jednym zoddziaływań podstawowych.

Ładunek elektryczny ciała może być dodatni lub ujemny. Dwa ładunki jednego znaku odpychają się, a pomiędzy ładunkiem dodatnim i ujemnym działa siła przyciągająca.

Ładunki elektryczne sąskwantowane,elektronowi przypisano elementarny ładunek ujemny, protonowi dodatni. Oddziaływania naładowanych cząstek elementarnych badaelektrodynamika kwantowa,opisuje się je za pomocą wymianyfotonu.

Często używa się skrótowego pojęciaładunek elektrycznydla ciała obdarzonego ładunkiem elektrycznym.

Uporządkowany ruch ładunków elektrycznych nazywany jestprądem elektrycznym.

Historia

• Oddziaływania elektrostatyczne były znane jużstarożytnym Grekom,którzy odkryli, żebursztyn(pogr.elektron) po potarciu przyciąga drobne przedmioty.
• W XVI wiekuWilliam Gilbertwykazał, że podobną właściwość mają różne inne ciała. On też utworzył nazwę sił elektrycznych, od greckiego słowa elektron – bursztyn.
• Istnienie dwóch typów ładunków elektrycznych wykazał w roku 1734Charles-François de Cisternay Du Fay.
• Benjamin Franklinzaproponował do ich opisu znaki dodatni i ujemny. Badał elektryczność atmosferyczną. Stwierdził, że znane dotychczas „rodzaje elektryczności” (statyczna, atmosferyczna, zwierzęca i prądu elektrycznego) są różnymi przejawami obecności ładunków elektrycznych.
• Ewald von Kleistw 1745 roku zbudowałbutelkę lejdejską,pierwszykondensatorumożliwiający gromadzenie ładunków.
• Około roku 1663Otto von Guerickezbudował pierwsząmaszynę elektrostatyczną,umożliwiającą ciągłe wytwarzanie ładunku elektrycznego.Zasadniczą częścią maszyny była obracająca się kula z siarki, która ładowała się poprzez tarcie.
• Charles Coulombw 1785 roku sformułowałprawookreślające siłę działającą pomiędzy dwoma ładunkami. Dało to początek ilościowemu opisowi zjawisk elektrycznych.
• Istnienie najmniejszych porcji (kwantów) ładunku odkrył doświadczalnie w1910rokuRobert Millikan,za co między innymi w roku 1923 otrzymałNagrodę Nobla.

Oddziaływanie ładunków z innymi ładunkami i polem elektromagnetycznym

Podstawową cechą ładunków elektrycznych jest zdolność oddziaływania z innymi ładunkami, a także wytwarzania pól elektrycznego i magnetycznego, oraz oddziaływania z nimi.

Schematyczny rysunek pola elektrycznego wytwarzanego przez ładunek dodatni

Oddziaływanie z innymi ładunkami

Wartość$F$oddziaływania dwóch punktowych lub posiadających symetrię sferyczną ładunków$q_{1}$i$q_{2}$jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi$r.$Można to przedstawić za pomocą wzoru:

$F=k\cdot {\frac {q_{1}\cdot q_{2}}{r^{2}}},$

w którym:

$k$– to współczynnik proporcjonalności. Jeżeli ładunki są jednoimienne, oddziaływanie jest odpychaniem. W przypadku ładunków różnoimiennych ładunki przyciągają się.

Oddziaływanie z polem elektrycznym

Ładunki wytwarzająpole elektryczne.Wartośćnatężenia pola elektrycznegow otoczeniu ładunku punktowego$Q$wyraża się przez

$E=k\cdot {\frac {Q}{r^{2}}},$

w którym:

$r$– odległość od ładunku$Q.$

Jeżeli w polu elektrycznym znajdzie się ładunek$q,$zadziała na niego siła o wartości

$F={qE}$

Oddziaływanie z polem magnetycznym

W polu magnetycznym na poruszające się ładunki działa siła

Poruszające się ładunki wytwarzają pole magnetyczne. Pole magnetyczne wytworzone w danym miejscu przestrzeni przez poruszający się ruchem jednostajnym ładunek określaprawo Biota-Savarta:

${\vec {B}}={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {q{\vec {v}}\times {\hat {r}}}{r^{2}}}$

gdzie:

${\vec {r}}$– wektor łączący ładunek z punktem pola,

${\vec {v}}$–prędkośćładunku,

$\mu _{0}$– przenikalność magnetyczna próżni,

$q$– ładunek elektryczny.

Na ładunki poruszające się wpolu magnetycznymdziała siła proporcjonalna do ich wartości, prędkości i wartościindukcji pola magnetycznego.Jej kierunek jest prostopadły do kierunku ruchu ładunku i do kierunku pola magnetycznego.

${\vec {F}}=q{\vec {v}}\times {\vec {B}}$

gdzie:

${\vec {F}}$– siła,

${\vec {B}}$– indukcja magnetyczna,

$q$– ładunek elektryczny,

${\vec {v}}$– prędkość ładunku.

Właściwości ładunku elektrycznego

Zasada zachowania ładunku

Całkowita suma ładunków w układzie zamkniętym jest stała. Oznacza to w praktyce, że zmiana ładunku elektrycznego układu musi być rezultatem wymiany ładunku z otoczeniem.Elektryzowanieciał polega na rozdzieleniu istniejących już ładunków. Jeżeli zaś w jakimś procesie fizycznym powstaje ładunek, zawsze towarzyszy mu wytworzenie ładunku o przeciwnym znaku, takiego samego co do wartości bezwzględnej.

Matematycznym ujęciem zasady zachowania ładunku jestrównanie ciągłości.

Z zasady zachowania ładunku wynika, że całkowity ładunek obecny wewszechświeciejest stały, ale nie daje ona odpowiedzi na pytanie, jaka jest wartość tego ładunku. Nie zaobserwowano jednak żadnych zjawisk, które mogłyby świadczyć o tym, że jest różny od zera.

Relatywistyczna niezmienniczość ładunku

Mierzalna wartość ładunku jest jednakowa we wszystkich inercjalnych układach odniesienia. Oznacza to, że ruch cząstki nie ma wpływu na wartość jej ładunku.

Ładunek elementarny

Ładunek elektryczny jest wewnętrzną własnością częścicząstek elementarnych.Za jednostkowyładunek elementarnyuznaje się ładunekprotonu.Ładunek elektronu, taki sam co do wartości bezwzględnej, jest ujemny.

Ładunek jest wielkościąskwantowaną,co oznacza, że ładunek każdego obiektu jest zawsze całkowitą wielokrotnością ładunku elementarnego.

W ramachModelu Standardowegocząstek elementarnychkwarkimają ładunek ułamkowy równy −1/3 lub +2/3 ładunku elementarnego, aantycząstkiposiadają ładunek o znaku przeciwnym. Kwarki nigdy jednak nie występują osobno, lecz zawsze tworzą układy złożone, których łączny ładunek jest sumą ładunków kwarków składowych, w ten sposób cząstki mają ładunek całkowity.

Kwazicząstkinie są rzeczywistymi cząstkami, ale obiektami sztucznie zdefiniowanymi i jako takie mogą mieć ładunek niebędący wielokrotnością ładunku elementarnego. W 1982Robert Laughlinwyjaśniłułamkowy efekt Hallaza pomocą kwazicząstek o ułamkowym ładunku, ale nie uważa się by było to złamanie zasady skwantowania ładunku elektrycznego.

Ładunek elementarny jest jedną z podstawowychstałych fizycznych.

Gęstość ładunku

Gęstość ładunku elektrycznegoto ilość ładunku elektrycznego$q$przypadająca na miaręobjętości$V,$powierzchni$S$lubdługości$l;$mówi się wtedy odpowiednio o gęstościach:

• objętościowej(krótko:gęstości)

  $\varrho ={\frac {q}{V}},$

• powierzchniowej

  $\sigma ={\frac {q}{S}}$

• iliniowej

  $\lambda ={\frac {q}{l}},$

którychjednostkami(pochodnymi) wukładzie SIsąkulombna kolejno metr sześcienny, metr kwadratowy i metr. Ładunki rozciągłe, których gęstość jest stała nazywa sięjednorodnymi,a ciała naładowane takimi ładunkaminaładowanymi jednorodnie.

Szczególne konfiguracje ładunku

Ładunek punktowy

Ładunek punktowyjest to wyidealizowany model, ciało o nieskończenie małych rozmiarach zawierające ładunek elektryczny. W rzeczywistości ciała naładowane są rozciągłe, ale model ten jest użyteczny i dobrze opisuje oddziaływanie naładowanych ciał, gdy odległość między naładowanymi ciałami jest znacznie większa od rozmiarów tych ciał, lub ładunki mają symetrię sferyczną.

Ładunek sferyczny

Jednorodnie naładowanesferyoddziałują tak, jakby cały ich ładunek był skupiony w geometrycznym środku sfery. Wewnątrz takiego ładunku sferycznego pole elektryczne zanika (natężenie pola elektrycznego jest równe zeru).

Jednostka ładunku

W układzieSIjednostką ładunku jestkulomb(C), 1 C jest równy około 6,24·10¹⁸ładunków elementarnych

$1{\text{C}}=6{,}24\cdot 10^{18}{\text{e}}$

$1{\text{e}}=1{,}602\cdot 10^{-19}{\text{C}}$

W fizyce wykorzystuje się również zaproponowany przezMaxa Planckasystemjednostek naturalnychzdefiniowanych wyłącznie jak kombinacjestałych fizycznych.W systemie tym jednostka ładunku wyraża się przez

$q_{P}={\sqrt {\hbar c4\pi \varepsilon _{0}}}$i wynosi 1,8755459 × 10⁻¹⁸C