SI jednotky | coulomb (C) |
---|---|
Ostatní jednotky | ampérhodina (Ah) |
Dimenze | TO |
SI základna | S |
Příroda | Velikost skalární konzervativní rozsáhlá |
Obvyklý symbol | Q , q |
Odkaz na jiné velikosti | dq / dt = I ; q = n * e |
Elektrický náboj je základní vlastnost materiálu , který umožňuje komunikovat prostřednictvím elektromagnetických polí . Jde o skalární veličinu , která hraje pro elektromagnetickou interakci stejnou roli jako hmotnost pro gravitační interakci . Na rozdíl od druhého však existují dva typy elektrických nábojů, které lze rozlišit podle jejich znamének, kladných nebo záporných. Poplatky stejného znaménka se navzájem odpuzují, zatímco poplatky opačných znamení přitahují. V běžné hmotě existuje rovnováha mezi kladnými a zápornými náboji, mluvíme o elektrické neutralitě .
Obvyklou měrnou jednotkou náboje je coulomb (C) . V některých kontextech se však někdy používají jiné jednotky, například ampérhodina ( A h ).
Elektrický náboj je vždy zachován a představuje základní vlastnost elementárních částic vystavených elektromagnetické interakci. Elektricky nabitá hmota je ovlivňována elektromagnetickými poli a vytváří je. Od Millikanova experimentu v roce 1909 bylo prokázáno, že elektrický náboj je kvantifikován : jakýkoli náboj Q je celočíselný násobek elementárního náboje označeného e , který odpovídá absolutní hodnotě náboje elektronu s e ≈ 1,602 × 10 -19 C . Vzhledem k maličkosti této hodnoty je však často možné při zohlednění makroskopických množství nábojů zobrazit náboj jako spojitou veličinu. V elektronice se diskrétní povaha elektrického náboje projevuje zvláštním typem šumu, který se nazývá „ hluk výstřelu “.
Elektrický náboj je abstraktní pojem srovnatelný s hmotným , který pomáhá vysvětlit určitá chování. Na rozdíl od hmoty může mít elektrický náboj dvě formy, které zkušenost vede k tomu, že jsou považovány za „protichůdné“; jsou libovolně nazývány „pozitivní“ a „negativní“.
Dva náboje stejné povahy, například dva kladné náboje, se navzájem odpuzují, zatímco dva náboje opačné povahy se navzájem přitahují. Tento jev se nazývá elektromagnetická interakce.
Interakce mezi náboji a elektromagnetickým polem je zdrojem jedné ze čtyř základních sil . Tato elektromagnetická pole v klasické mechanice poslouchají Maxwellovy rovnice .
Elektrický náboj lze přímo měřit elektrometrem . Jeho jednotkou je coulomb . Pozorované částice mají náboje, které jsou celočíselnými násobky elementárního náboje, což je základní fyzikální konstanta (kromě částic nazývaných kvark, které mají elektrický náboj odpovídající celému číslu vynásobenému e / 3). Kvarky mají zlomkové náboje -1/3 nebo +2/3, ale volné kvarky nebyly nikdy pozorovány. Teoretickým důvodem vysvětlujícím toto pozorování je asymptotická svoboda . Diskrétní povahu elektrického náboje demonstroval Robert Millikan v experimentu pojmenovaném po něm .
Elektrický náboj objevili staří Řekové, kteří zjistili, že tření kožešiny o různé látky, jako je jantar , vedlo k nerovnováze elektrického náboje ( triboelektrický jev ). Řekové poznamenávají, že nabité oranžové knoflíky mohou přitahovat lehké předměty, jako jsou vlasy. Všimli si také, že pokud jantar třou dostatečně dlouho, mohou dokonce jiskřit. Slovo „elektřina“ pochází z „ ηλεκτρον “, řeckého slova pro „jantar“.
V XVIII -tého století, studium elektřiny se stává populární. Provádějí se elektrostatické experimenty, během nichž se pomocí zařízení fungujících jako kondenzátory , jako je Leydenova nádoba , dosahuje dostatečně vysokého napětí, které by způsobilo otřesy. Prostřednictvím řady experimentů (1733) rozlišil intendant Fay dva druhy elektřiny: skelnou elektřinu (+) a pryskyřičnou elektřinu (-) odpovídající dvěma typům chování hmoty během elektrizace třením.
Ve stejné době, Benjamin Franklin představí elektrické energie jako druh neviditelné tekutiny přítomné v celé oblasti. Předpokládá, že tření izolačních povrchů uvede tuto tekutinu do pohybu a že tok této tekutiny tvoří elektrický proud . Předpokládá také, že hmota obsahující příliš málo této tekutiny je záporně nabitá, jinak kladně nabitá. Svévolně, alespoň z nějakého důvodu, který nám není znám, identifikuje pojem „pozitivní“ s typem náboje získaného skleněnou tyčinkou otřenou o hedvábí a „negativní“ s tím, který získá natřená oranžová tyč s kožešinou . Možná kvůli elektrickému potenciálu hmoty.
Nyní víme, že Franklinův model byl příliš jednoduchý. Hmota se ve skutečnosti skládá ze dvou druhů elektřiny: částic nazývaných „ protony “ nesoucích kladný elektrický náboj a částic nazývaných „ elektrony “ nesoucích záporný elektrický náboj.
Elektrický proud může mít různé příčiny: tok záporně nabitých částic, například kovový vodič, nebo tok pozitivních částic nebo tok kladných a záporných částic v opačných směrech, například v roztoku iontové.
Aby se snížila tato složitost, elektrikáři stále používají Franklinovu konvenci a představují si elektrický proud, známý jako „konvenční proud“, který se skládá z toku výlučně pozitivních částic.
Konvenční proud zjednodušuje koncepty a výpočty, ale maskuje skutečnost, že v některých vodičích ( elektrolyty , polovodiče a plazma ) se dva typy elektrických nábojů pohybují v opačných směrech, nebo že v kovech jsou záporné náboje téměř výlučně odpovědné za tok proud.
Kromě popsaných vlastností týkajících se elektromagnetismu je náboj invariantem teorie relativity : částice náboje q , bez ohledu na jeho rychlost , si náboj q udržuje .
V mezinárodním systému jednotek má elektrický náboj pro jednotky coulomb , symbol C, který tvoří odvozenou jednotku , jejíž jméno pochází od francouzského fyzika Charlese-Augustina Coulomba . Podle definice je to množství náboje neseného za jednu sekundu elektrickým proudem o intenzitě jednoho ampéru . Proto 1 C = 1 A s a elektrický náboj Q má rozměry [Q] = IT
V průmyslovém nebo strojírenském kontextu se místo coulombu běžně používá ampérhodina ( A h , také psaná ampérhodina ) nebo její dílčí příklady, například pro indikaci kapacity baterie, s 1 A h = 3600 C . Výhodou této jednotky je schopnost rychle vyhodnotit provozní dobu baterie dodávající proud dané intenzity, takže například baterie s kapacitou 30 A h dodávající proud 1 A může teoreticky pracovat třicet hodin, patnáct hodin v případě, že proud je 2 , atd.
Zvýrazněn v roce 1785 francouzským fyzikem Charlesem-Augustinem Coulombem, Coulombův zákon umožňuje vyjádřit sílu vyvíjenou elektrickým nábojem hodnoty na jiný elektrický náboj hodnoty , oba považované za bodové, a fixované v referenčním rámci studie .
Coulombův zákon je napsán:
,s:
Je zřejmé, že pokud mají náboje stejné znaménko, pak je síla odpudivá , zatímco jinak je přitažlivá.
Coulombův zákon má podobnou formu jako Newtonův zákon pro univerzální gravitaci , který vyjadřuje sílu vyvíjenou jednou hmotou na jinou hmotu , považovanou za bodovou a která je psána se stejnými konvencemi jako výše:
,s G konstantou univerzální gravitace, G = 6 674 08 × 10 −11 m 3 kg −1 s −2 .
Při srovnání těchto dvou výrazů je zřejmé, že tyto dvě síly se mění nepřímo s druhou mocninou vzdálenosti, obě mají nekonečný rozsah a že elektrický náboj hraje pro elektrostatický stejnou roli jako hmotnost (gravitační) pro univerzální gravitaci .
Je však třeba poznamenat dva hlavní rozdíly: