Przeczytaj
Warto przeczytać
Kluczowym pojęciem potrzebnym do wyjaśnienia wszystkich zjawisk związanych z elektrycznością jest pojęcie ładunku elektrycznegoładunku elektrycznego. Ładunek elektryczny jest to cecha ciała umożliwiająca mu oddziaływanie elektromagnetyczneoddziaływanie elektromagnetyczne, w szczególności z innymi ciałami, mającymi ładunek (mówimy też: naładowanyminaładowanymi). Oddziaływanie to polega na przyciąganiu bądź odpychaniu jednego ciała przez drugie.
Aby dobrze zrozumieć, co to dokładnie oznacza, warto przyjrzeć się temu, jak zbudowana jest materia. Ciała dookoła nas składają się z atomów. Jednak atomy nie są najmniejszymi, niepodzielnymi składnikami materii – składają się z mniejszych cząstek: protonówprotonów, neutronówneutronów i elektronówelektronów. Z protonów i neutronów zbudowane jest jądro atomowe, elektrony zaś tworzą „chmurę” wokół jądra.
Ładunkiem elektrycznym obdarzone są protony i elektrony, natomiast neutrony nie mają ładunku: mówimy, że są elektrycznie obojętne.
Okazuje się, że ładunek cząstki niepodzielnej jest jej niezmienną cechą, a wszystkie cząstki naładowane elektrycznie można podzielić na dwie kategorie. O tych, które są odpychane przez proton mówimy, że mają ładunek dodatni. O tych, które są odpychane przez elektron mówimy, że mają ładunek ujemny. Ładunki o tych samych znakach nazywamy jednoimiennymi, a ładunki o różnych znakach – różnoimiennymi.
Ładunki jednoimienne odpychają się, natomiast ładunki różnoimienne przyciągają się. Przykładem tego zjawiska jest wzajemne przyciąganie elektronu i protonu oraz wzajemne odpychanie dwóch protonów. O właściwościach siły, z jaką działają na siebie ciała naładowane, mówi prawo Coulomba.
Ponieważ w każdym atomie jest taka sama liczba protonów i elektronów, atomy są obojętne elektrycznie: nie odpychają ani nie przyciągają się. Obojętne są więc również obiekty, które są z atomów złożone. Może się jednak zdarzyć, że równowaga między ładunkami dodatnimi i ujemnymi w ciele zostanie zachwiana, tak że jednych będzie więcej niż drugich. Mówimy wtedy, że na ciele został zgromadzony ładunek lub, że zostało ono naelektryzowane.
Ilość ładunku zgromadzonego na ciele możemy zmierzyć. W układzie SI jednostką miary ładunku elektrycznego jest kulombkulomb. Symbol kulomba to C. Nazwa pochodzi od nazwiska fizyka Charlesa Coulomba. Dokładne pomiary ładunku naelektryzowanych ciał wskazują, że ładunek elektryczny nie jest wielkością ciągłą – nie może przyjąć dowolnej wartości. Ładunek dowolnego ciała fizycznego jest zawsze całkowitą wielokrotnością wartości, którą nazywamy ładunkiem elementarnymładunkiem elementarnym i oznaczamy małą literą . Proton ma ładunek +, elektron ma ładunek -. Wartość ładunku elementarnego wynosi . Można też powiedzieć inaczej: jeden kulomb to ładunek odpowiadający ładunkom elementarnym (zwróć uwagę, że to po prostu odwrotność liczby ).
Z ładunkiem elektrycznym jest związane prawo, które nazywamy zasadą zachowania ładunkuzachowania ładunku. Można je sformułować następująco:
W izolowanym układzie ciał całkowity ładunek elektryczny nie ulega zmianie.
Zastanówmy się, czy dobrze rozumiemy to zdanie. Izolowany układ ciał to taki, z którego ładunek nie może odpłynąć do „otoczenia”, czyli nie może zostać uniesiony przez inne ciała, których nie zaliczamy do tego układu. Całkowity ładunek elektryczny to algebraiczna suma ładunków dodatnich i ujemnych. Na przykład w układzie dwóch ciał, z których pierwsze jest naładowane ładunkiem +5 mC, a drugie ładunkiem -7 mC całkowity ładunek ma wartość -2 mC.
Zasada zachowania ładunku oznacza, że ładunek elektryczny nie może być ani utworzony, ani zniszczony. Ilustracją tej zasady może być elektryzowanie ciał przez pocieranie. Gdy dwa ciała początkowo obojętne są o siebie pocierane, elektrony „przechodzą” z jednego ciała na drugie. W ten sposób jedno z ciał zyskuje ładunek ujemny w postaci nadmiarowych elektronów, drugie ciało zyskuje ładunek dodatni w postaci dodatnich jonów czy pozbawionych elektronów cząsteczek. Następuje rozdzielenie ładunku dodatniego i ujemnego, jednak po naelektryzowaniu, tak jak przed naelektryzowaniem, całkowity ładunek elektryczny ciał układu wynosi zero.
Przy okazji tego przykładu warto zwrócić uwagę, że ładunek między ciałami „przechodzi” porcjami, każdy „przeskakujący” elektron przenosi ze sobą ładunek elementarny. Właśnie dlatego ładunek ciała zawsze jest całkowitą wielokrotnością .
Protony i neutrony są zbudowane z mniejszych cząstek: kwarków, które mają ładunek będący ułamkiem .
Jednak wyniki doświadczeń i teoria oddziaływań silnych sugerują, że natura wiązania kwarków zdaje się praktycznie wykluczać możliwość otrzymania kwarku pojedynczego, a więc cząstki o ułamkowym ładunku elektrycznym. Natomiast układy wielu takich cząstek to osobny problem. We wczesnych stadiach rozwoju Wszechświata istniał przedział czasu, w którym dominującą formą materii była tzw. plazma kwarkowo‑gluonowa. Materię taką udało się uzyskać w laboratorium.
Z zasady zachowania ładunku można wyprowadzić niektóre inne prawa fizyki. Przykładem może być pierwsze prawo Kirchhoffa, które dotyczy prądu elektrycznego. Mówi ono, że w obwodzie elektrycznym ilość ładunku wpływającego w określonym czasie do węzła jest równa ilości ładunku wypływającego z węzła w tym samym czasie. Wynika to wprost z zasady zachowania ładunku: ładunek, który wpłynął do węzła, nie może zniknąć; musi z niego wypłynąć. Nie jest też możliwe, aby w węźle ładunek się wytworzył czy zniknął.
Warto zaznaczyć, że zasada zachowania ładunku obowiązuje również w świecie atomowym i subatomowymsubatomowym. Na przykład w przemianie promieniotwórczej beta obojętny elektrycznie neutron przemienia się w dodatni proton, ujemny elektron i obojętne antyneutrino elektronowe. Całkowity ładunek elektryczny przed i po przemianie wynosi zero.
Zasada zachowania ładunku nie jest jedyną zasadą w fizyce, w której jakaś wielkość „jest zachowana”, czyli jest stale taka sama. Wiemy, że w izolowanym układzie zachowane są energia i pęd, a także moment pędu. Zasady zachowania odgrywają we współczesnej fizyce ogromną rolę.
Słowniczek
dotyczący zjawisk, które zachodzą w skalach mniejszych niż rozmiary atomu, na przykład w jądrze atomowym, wewnątrz nukleonów.
jedno z oddziaływań fundamenalnych w przyrodzie. Zachodzi między ciałami obdarzonymi ładunkiem elektrycznym.
cecha ciała polegająca na zdolności do oddziaływania elektromagnetycznego z innymi ciałami obdarzonymi takim ładunkiem.
cząstka, która posiada niezerowy ładunek elektryczny. Cząstkami naładowanymi są na przykład proton i elektron.
jeden z dwóch rodzajów cząstek, z których zbudowane jest jądro atomowe. Ma dodatni ładunek elektryczny o wartości ładunku elementarnego. Proton zbudowany jest z trzech kwarków – cząstek fundamentalnych.
jeden z dwóch rodzajów cząstek, z których zbudowane jest jądro atomowe. W przeciwieństwie do protonu jest obojętny elektrycznie – nie ma ładunku elektrycznego. Neutron, podobnie jak proton, zbudowany jest z trzech kwarków – cząstek fundamentalnych.
jedna z cząstek, z których zbudowany jest atom. Elektrony w atomie tworzą „chmurę” wokół jądra atomowego. Elektron ma ładunek ujemny o wartości ładunku elementarnego. Elektron jest cząstką fundamentalną – nie składa się z żadnych mniejszych cząstek.
jednostka ładunku elektrycznego w układzie SI. Symbolem kulomba jest duża litera C. Ładunek o wartości 1 C odpowiada ładunkom elementarnym.
najmniejszy ładunek elektryczny ciała możliwy do zaobserwowania w przyrodzie. Wynosi . Protony i elektrony mają ładunek równy co do wartości bezwzględnej ładunkowi elementarnemu. Ładunek każdego ciała jest całkowitą wielokrotnością ładunku elementarnego.
zasada mówiąca, że w izolowanym układzie ciał całkowity ładunek elektryczny jest zachowany.