Električni naboj

Električni naboj je temeljno očuvano svojstvo nekih subatomskih čestica, koje određuje njihovu elektromagnetnu interakciju. Električno nabijena materija utiče na, i stvara, elektromagnetna polja. Međudjelovanje između naboja i polja je izvor jedne od četiri fundamentalne sile, i to elektromagnetne sile.

Pregled

Električni naboj je karakteristika subatomskih čestica i kvantiziran je. Kada se izražava kao višekratnik takozvanog elementarnog naboja e, elektron ima naboj −1. Naboj elektrona iznosi približno 1.602176462×10⁻¹⁹ C. Elementarni naboj predstavlja jednu od osnovnih konstanti fizike.

Proton ima suprotni naboj +1. Kvark ima dio naboja od −1/3 or +2/3, dok njihovi antičestični ekvivalenti ima suprotni naboj. Postoje i druge nabojske čestice.

Električni naboj makroskopskog objekta je suma električnih naboja njegovih sastavnih dijelova. Često je ukupni iznos električnog naboja jednak nuli, iako je u stvari broj elektrona u svakom atomu jednak broju protona, pa se njihovi naboji poništavaju. Situacije u kojima suma električnih naboja nije jednaka nuli se često manifestiraju kao statički elektricitet. Ako naboj nije jednako raspoređen (iako je suma jednaka nuli) kažemo da je materijal polariziran. Ako se dio nabijenih čestica kreće u određenom smjeru (to su tipično elektroni) tada oni stvaraju električnu struju.

SI jedinica za mjerenje električnog naboja je kulon (po fizičaru Charles-Augustin de Coulombu)), koji predstavlja približno 6.24 x 10¹⁸ elementarnog naboja (naboja jednog elektrona ili protona). Kulon se definira kao količina naboja koji protiče kroz presjek provodnika nošen električnom strujom od jednog ampera u jednoj sekundi. Simbol Q se koristi za označavanje količine električnog naboja.

Električni naboj se može direktno mjeriti korištenjem elektrometra. Diskretnu prirodu električnog naboja demostrirao je Robert Millikan u svom eksperimentu s padanjem uljnih kapljica.

Formalno bi izmjereni naboj trebao biti višekratnik elementarnog naboja e (naboj je kvantiziran), ali je isto tako u prosjeku, makroskopski gledano, više redova veličina veći od elementarnog naboja, zbog čega može efektivno imati bilo koju realnu vrijednost.

Historija

Kao što je zapisao Grčki filozof Tales oko 600 godina PNE, naboj (ili elektricitet) se može akumulirati trljanjem krzna po različitim materijalima, kao što je jantar. Grci su znali da nabijena jantarna dugmad mogu privlačiti lake objekte kao što je kosa. Isto su tako znali da ako dovoljno dugo vremena trljaju jantar mogu dobiti iskakanje iskre. Ovo svojstvo potiče iz triboelektričnog efekta. Riječ elektricitet potiče od ηλεκτρον (elektron), Grčke riječi za jantar.

C. F. Du Fay je 1733. godine iznio stajalište da elektricitet dolazi u dvije verzije koje poništavaju jedna drugu, i izrazio to izrazima teorije o dvojnosti fluida. Kada se staklo trlja sa svilom, Du Fay je rekao da se staklo nabilo staklenim elektricitetom, a kad se jantar trljao s krznom, rekao je da se jantar nabio smolnim elektricitetom.

Proučavanje elektriciteta je postalo popularno u 18. vijeku. 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 naelektrisana kad posjeduje premalo tog fluida, a da je pozitivno naelektrisana 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.

Danas znamo da je Franklin/Watsonov model približno tačan, ali pojednostavljen. Materija je zapravo sastavljena od nekoliko vrsta električno nabijenih čestica, najčešće poznajemo pozitivno nabijeni proton i negativno nabijeni elektron. Umjesto izraza električna struja pravilnije je koristiti neki od izraza: tok elektrona, tok elektronskih šupljina koje djeluju kao pozitivne čestice, ili u elektrolitskom slučaju, tok pozitivnih i negativnih čestica poznatih kao ioni koji se kreću u suprotnim smjerovima. Zbog pojednostavljivanja ove složenosti, električari i dalje koriste Franklinovu konvenciju i električnu struju (tehničku struju) predstavljaju kao tok isključivo pozitivnih čestica. Tehnička struja pojednostavljuje električne koncepte i proračune, ali zanemaruje činjenicu da unutar nekih provodnika (elektrolita, poluprovodnika, i plazme), dvije ili više vrsta električnih naboja teku u suprotnim smjerovima. Smjer toka tehničke struje je također suprotan u odnosu na stvarno kretanje elektrona za vrijeme protjecanja električne struje kroz metale, karakteristične provodnike elektriciteta, što predstavlja izvor konfuzije kod početnika u elektrotehnici.

Svojstva

Naboj je relativistički invarijantan. Što 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 kreću se u jezgri nevjerovatnim brzinama) jednak naboju dvije deuterijske jezgre (jedan proton i jedan neutron spojeni zajedno, ali koje se kreću puno sporije nego da su bile u jezgri helija).

Održanje naboja

Ukupni električni naboj izoliranog sistema ostaje konstantan bez obzira na promjene unutar samog sistema. Ovaj je zakon svojstven svim fizikalno poznatim procesima i može se izvesti za poznati sistem iz Maxwellovih jednačina kao neprekinuta jednačina. Općenitije, ukupna promjena gustoće naboja $\rho$ unutar integracijskog volumena $V$ jednaka je površinskom integralu po gustoći struje $J$ na površini volumena $S$, što je zapravo jednako ukupnoj struji $I$:

$-{\frac {\partial }{\partial t}}\int _{V}\rho dV=\int _{S}\mathbf {J} \cdot \mathbf {dS} =I$