Električni naboj

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Elektromagnetizam
VFPt Solenoid correct2.svg
Elektricitet · Magnetizam
Elektrostatika
Električni naboj · Coulombov zakon · Električno polje · Električni tok · Gaussov zakon · Električni potencijal · Elektrostatska indukcija · Električni dipolni moment · Gustoća polarizacije

Električni naboj je temeljno očuvano svojstvo nekih subatomskih čestica, koje određuje njihovu elektromagnetsku interakciju. Električki nabijena materija utječe na, i stvara, elektromagnetska polja. Međudjelovanje između naboja i polja je izvor jedne od četiri fundamentalne sile, i to elektromagnetske sile.

Povijest[uredi VE | uredi]

Kao što je otkrio još grčki filozof Tales (7.-6. st. pr. Kr.), naboj (ili elektricitet) može se akumulirati trljanjem krzna o različite materijale, kao što je jantar. Grci su znali da nabijeni jantarni gumbi mogu privlačiti lake objekte kao što je, na primjer kosa. Isto su tako znali da ako dovoljno dugo vremena trljaju jantar mogu dobiti iskakanje iskre. Ovo svojstvo potječe iz triboelektričnog efekta. Riječ elektricitet potječe od grčke riječi za jantar (ἤλεκτρον).

Charles François de Cisternay du Fay 1733. je godine iznio stajalište da elektricitet dolazi u dvije inačice koje poništavaju jedna drugu, i izrazio to izrazima teorije o dvojnosti fluida.[1] Kada se staklo trlja sa svilom, Du Fay je rekao da se staklo nabilo sa staklenim elektricitetom, a kad se jantar trljao s krznom, rekao je da se jantar nabio smolnim elektricitetom.[2]

Proučavanje elektriciteta je postalo popularno u 18. st. Jedan od vodećih stručnjaka je bio Benjamin Franklin koji je zastupao jedno-fluidnu teoriju elektriciteta. Franklin je elektricitet zamišljao kao vrstu nevidljivog fluida koji postoji u svim predmetima; na primjer, vjerovao je da je u Leydenovoj staklenci staklo to koje drži akumulirani naboj. On je postavio postulat koji kaže da međusobno trljanje površina različitih izolacijskih materijala uzrokuje promjenu lokacije tog fluida, a da tok tog fluida stvara električnu struju. Isto je tako postulirao da je materija negativno elektrizirana kad posjeduje premalo tog fluida, a da je pozitivno elektrizirana kada ima višak tog fluida. Samovoljno (ili iz razloga koji nisu zapisani) je zamijenio izraze stakleni elektricitet sa pozitivni elektricitet i smolni elektricitet sa negativni elektricitet. Otprilike u isto vrijeme je do istih spoznaja došao i William Watson. Kako su magnetska i druga djelovanja električne struje u fizici otkrivena još početkom XIX stoljeća kada se još praktički ništa nije znalo o atomskoj strukturi materije, za smjer električne struje odabran je smjer u kojem bi se, kako se kasnije ustanovilo, pod utjecajem električnog polja unutar vodiča gibao pozitivni električni naboj. Međutim, razmatrajući danas brojne vrste nabijenih ioniziranih čestica ili na primjer “šupljina” kao nosilaca naboja u poluvodičima, već ustaljeni dogovorni smjer električne struje ostaje samo stvar predznaka u izračunima.

Elementarni električni naboj[uredi VE | uredi]

Električni naboj je karakteristika subatomskih čestica, kvantiziran je i izražava se kao višekratnik elementarnog naboja e, gdje taj naboj iznosi približno e=1.602176462×10-19 C i jedna je od osnovnih fizikalnih konstanti.

Elektron posljedično ima električni naboj -e, proton +e, jezgra helija +2e i td. Kvark, ovisno o vrsti, ima dio naboja od −1/3 do +2/3, dok njihovi antičestični ekvivalenti imaju suprotni naboj, gdje u prirodi nikada nije zapaženo samostalno postojanje čestice s nabojem manjim od jednog elementarnog naboja.

Statički elektricitet[uredi VE | uredi]

Električni naboj makroskopskog objekta je suma električnih naboja njegovih sastavnih dijelova. Često je ukupni iznos električnog naboja jednak nuli, kao posljedica jednakog broja elektrona i protona u svakom atomu, gdje se djelovanje njihovih naboja međusobno poništava. Prilike u kojima suma električnih naboja nije jednaka nuli često se očituju kao statički elektricitet. Statički elektricitet djeluje u okolini elektrostatičkom silom i privlači suprotno nabijene čestice tvari, a odbija jednako nabijene čestice. Električni naboj se može detektirati posredstvom elektrometra. Diskretnu prirodu električnog naboja demostrirao je Robert Millikan u svom eksperimentu s padanjem uljnih kapljica.

Nije li naboj jednoliko raspoređen u tvari (iako je suma naboja jednaka nuli), kažemo da je tvar polarizirana. Ukoliko se dio nabijenih čestica giba u određenom smjeru (to su najčešće elektroni) tada govorimo o tijeku električne struje.

Mjerna jedinica[uredi VE | uredi]

SI jedinica za mjerenje električnog naboja je 1 C kulon (po fizičaru Charles-Augustin de Coulombu)), koji predstavlja približno 6.24 x 1018 elementarnih naboja. Kulon se definira kao količina naboja koji protječe kroz presjek vodiča nošen električnom strujom jakosti jednog ampera u jednoj sekundi, stoga vrijedi da je 1 As = 1 C. Oznaka za količinu električnog naboja je q ili Q.

Invarijantnost električnog naboja[uredi VE | uredi]

Neovisno o svojstvima, naboj je relativistički invarijantan. To znači da svaka čestica koja ima naboj q, bez obzira koliko brzo se kreće, ima uvijek naboj q. Ovo je svojstvo eksperimentalno dokazano tako da se pokazalo da je naboj jezgre jednog atoma helija (dva protona i dva neutrona vezana zajedno i gibaju se u jezgri velikom brzinom) jednak naboju dvije deuterijske jezgre (jedan proton i jedan neutron spojeni zajedno, ali koje se gibaju puno sporije nego da su bile u jezgri helija).

Očuvanje naboja[uredi VE | uredi]

Ukupni električni naboj izoliranog sustava ostaje konstantan bez obzira na promjene unutar samog sustava. Ovaj je zakon svojstven svim fizikalno poznatim procesima (pa čak i u reakcijama u kojima elementarne čestice nestaju, poništavaju se ili se stvaraju nove). Klasično, zakon očuvanja naboja može se izvesti iz Maxwellovih jednadžbi kao jednadžba kontinuiteta. Općenitije, ukupna promjena gustoće naboja \rho unutar integracijskog volumena V jednaka je plošnom integralu po gustoći struje J na površini volumena S, što je zapravo jednako ukupnoj struji I:

- \frac{\partial}{\partial t} \int_V \rho dV = \int_S \mathbf{J} \cdot \mathbf{dS} = I

Izvori[uredi VE | uredi]

  1. Charles François de Cisternay DuFay: Two Kinds of Electrical Fluid: Vitreous and Resinous, 1733.
  2. Charles François de Cisternay DuFay: A Discourse concerning Electricity, in: Philosophical Transactions of the Royal Society, Vol. 38, 1734.