Električni naboj

Naelektrisanje (električni naboj ili količina elektriciteta, oznaka Q) je osnovno svojstvo subatomskih čestica, kojim se odlikuju elektromagnetne interakcije. Naelektrisana tvar stvara elektromagnetno polje. Naelektrisanje je uzrok, a takođe podleže dejstvu elektromagnetnih polja. Međudejstvo naelektrisanja i polja je uzrok elektromagnetne sile koja predstavlja jednu od četiri osnovne sile u prirodi.

Vrste interakcije (privlačenje ili odbijanje), ovisno o naelektrisanju čestica.

Elektromagnetizam

Ključne stavke

Elektricitet • Magnetizam

Elektrostatika

Električni naboj • Coulombov zakon • Električno polje • Električni fluks • Gaussov zakon • Električni potencijal • Elektrostatična indukcija • Električni dipolni moment

Magnetostatika

Ampèreov zakon • Električna struja • Magnetno polje • Magnetni fluks • Biot–Savartov zakon • Magnetni dipolni moment • Gaussov zakon za magnetizam

Elektrodinamika

Vakuum • Lorentzova sila • EMS • Elektromagnetska indukcija • Faradayjev zakon • Lenzov zakon • Struja pomaka • Maxwellove jednačine • EM polje • Elektromagnetna radijacija • Liénard-Wiechertov potencijal • Maxwellov tenzor • Vrtložne struje

Električna mreža

Električna provodljivost • Električni otpor • Kapacitivnost • Induktivnost • Impedanca • Resonantne šupljine • Talasovod

Kovarijantna formulacija

Elektromagnetni tenzor • EM tenzor napon-energija • Četiri-tok • Elektromagnetni četiri-potencijal

Naučnici Ampère • Coulomb • Faraday • Heaviside • Henry • Hertz • Lorentz • Maxwell • Tesla • Weber · Ostali

Ova kutijica: pogledaj • razgovor • uredi

Postoje dve vrste naelektrisanja, pozitivno i negativno, a obeležavaju se znacima plus (+) i minus (-). Različita naelektrisanja se privlače, a ista odbijaju.

Naelektrisanje se nekada smatralo neprekidnom i beskonačno deljivom osobinom. Danas je poznato da postoji najmanja količina naelektrisanja. Ona se vezuje za elementarno naelektrisanje elektrona. Svako naelektrisano telo u prirodi ima višak ili manjak elektrona. Stoga se kaže da je količina naelektrisanja konačan skup elementarnih količina elektriciteta.^[1]

Količina naboja Q u nekom provodniku jednaka je umnošku naboja elektrona e i broja tih elektrona N, odnosno ${\displaystyle Q=e\cdot N}$

U hidrauličnoj analogiji, ekvivalent količini elektriciteta je količina vode.

Objašnjenje

Naelektrisanje je svojstvo subatomskih čestica i u prirodi se javlja samo kao celobrojni umnožak elementarnog naelektrisanja. Zato se kaže da je naelektrisanje diskretno odnosno kvantovano. Kada se izražava kao umnožak elementarnog naelektrisanja, elektron ima naelektrisanje -1 a proton naelektrisanje +1. Kvark, zavisno od vrste, može da ima naelektrisanje −1/3 ili +2/3. Antičestice imaju naelektrisanja suprotna od odgovarajućih čestica (pozitron +1, antiproton -1). Postoje i druge naelektrisane čestice (tau, mion...).

Nalektrisanje makroskopskog tela je zbir naelektrisanja svih čestica od kojih je telo sastavljeno. Često, ukupno nalektrisanje je jednako nuli, pošto je broj elektrona u svakom atomu jednak broju protona, pa se njihova naelektrisanja poništavaju. Pojava u kojoj ukupno naelektrisanje nije jednako nuli, i pritom su ta naelektrisanja nepokretna i njihova količina se ne menja u vremenu, naziva se statički elektricitet. Dalje, čak i kada je zbir naelektrisanja jednak nuli, pozitivna i negativna nelektrisanja ne moraju biti ravnomerno raspoređena unutar tela (na primer pod uticajem spoljnjeg električnog polja), i onda se za materijal kaže da je polarizovan, a naelektrisanje koje nastaje usled polarizacije naziva se vezano naelektrisanje (dok se dodatno naelektrisanje doneto spolja u telo nnaziva slobodno naelektrisanje). Uređeno kretanje naelektrisanih čestica u određenom smeru naziva se električna struja.

Strogo, količina naelektrisanja mora biti umnožak elementarnog naelektrisanja e (naelektrisanje je kvantovano). Ali, pošto je količina naelektrisanja prosečna, makroskopska veličina, mnogo redova veličine veća od elementarnog naelektrisanja, efektivno može imati bilo koju realnu vrednost.

Jedinice

SI jedinica naelektrisanja naziva se kulon i označava se sa C.^[2] Kulon je izveden kao količina naelektrisanja koja prolazi kroz poprečni presek električnog provodnika noseći jedan amper u sekundi.^[2] Količina naelektrisanja u 1 elektronu (elementrarno naelektrisanje) je aproksimativno Šablon:FormattingError, a 1 kulon korespondira količini naelektrisanja od oko Šablon:FormattingError. Količina električnog naboja se može direktno meriti pomoću elektrometra, ili indirektno pomoću galvanometra.

U modernoj praksi, fraza „količina naelektrisanja” se koristi umesto „kvantitet naelektrisanja”.^[3]

Nakon utvrđivanja kvantizovanog karaktera naelektrisanja, 1891. godine Džordž Stoni je predložio jedinicu 'elektron' za ovu fundamentalnu jedinicu električnog naelektrisanja. To je bilo pre nego što je česticu otkrio Džozef Tomson 1897. godine. Ova jedinica se u današnje vreme tretira kao bezimena, te se naziva elementarnim naelektrisanjem, fundamentalnom jedinicom naelektirsanja, ili jednostavno e. Mera naelektirsanja je umnožak elementarnog naelektrisanja e, iako se čini da se velika naelektirsanja ponašaju kao realni kvantiteti. U pojedinim kontekstima je smisledno da se govori o frakcijama naelektirsanja; na primer pri naelektrisavanju kondenzatora, ili u opisu frakcionog kvantnog Holovog efekta.

Jedinica faradej se ponekad koristi u elektrohemiji. Jedan faradej naelektrisanja je magnituda naelektrisanja jednog mola elektrona,^[4] i.e. 96485.33289(59) C.

U sistemima jedinica izvan SI, kao što je cgs, električno naelektrisanje se izražava kao kombinacija samo tri fundamentalna kvantiteta (dužine, mase, i vremena), a ne četiri, kao u SI, gde je električno naelektirsanje kombinacija dužine, mase, vremena, i električne struje.^[5][6]

Istorija

Vidi takođe: Istorija elektromagnetne teorije i Elektricitet

Kulonova torziona vaga

Od davnina su ljudi poznavali četiri tipa pojava, sve od kojih bi se danas mogli objasniti upotrebom koncepta električnog naboja: (a) munje, (b) električna raža, (c) vatra svetog Elma i (d) da trljanje ćilibara krznom dovodi do privlačenja malih, lakih predmete.^[7] Prvi opis efekta ćilibara često se pripisuje drevnom grčkom matematičaru Talesu iz Mileta, koji je živeo od c. 624 – c. 546 godine pre nove ere, mada postoje sumnje da li je Tales ostavio bilo kakve spise;^[8] njegov izveštaj o ćilibaru poznat je iz jednog zapisa iz ranih 200-ih.^[9] Ovaj zapis se može uzeti kao dokaz da je pojava bila poznata još od oko 600. godine pne, mada je Tales objasnio ovaj fenomen kao dokaz da neživi predmeti imaju dušu.^[9] Drugim rečima, nije bilo indikacije o postojanju bilo kakvog razumevanja koncepta električnog naboja. Generalno, stari Grci nisu razumeli povezanost između ove četiri vrste pojava. Grci su primetili da naelektrisana ćilibarska dugmad mogu privući lagane predmete poput kose. Takođe su otkrili da ako dovoljno dugo trljaju jantar, mogu čak uzrokovati da i električna iskra skoči, mada postoje i tvrdnje da se električne iskre ne spominju do kraja 17. veka.^[10] Ovo svojstvo proizilazi iz triboelektričnog efekta. Krajem 1100-ih, primećeno je da supstanca gagat, zbijeni oblik uglja ispoljava ćilibarski efekat,^[11] a sredinom 1500-ih Đirolamo Frakastoro je otkrio da i dijamant pokazuje ovo dejstvo.^[12] Izvesne napore su uložili Frakastoro i drugi, a posebno Đirolamo Kardano, da se razvije objašnjenja ovog fenomena.^[13]

Za razliku od astronomije, mehanike i optike, koja su kvantitativno proučavane još od antike, početak sadašnjih kvalitativnih i kvantitativnih istraživanja električnih pojava može se obeležiti objavljivanjem dela De Magnete od strane engleskog naučnika Vilijama Gilberta 1600. godine.^[14] U ovoj knjizi nalazio se mali odeljak gde se Gilbert vratio efektu ćilibara (kako ga je nazvao) u adresiranju mnogih ranijih teorija,^[13] i skovao novolatinsku reč electrica (od (elektron), grčke reči za ćilibar). Latinska reč je prevedena na engleski jezik kao electrics.^[15] Gilbert je takođe zaslužan za termin električni, dok je izraz za električnu energiju došao kasnije, pri čemu se prva upotreba pripisuje ser Tomasu Braunu u njegovom delu Pseudodoxia Epidemica iz 1646. godine.^[16] (Za dodatne jezičke detalje pogledajte etimologiju električne energije.) Gilbert je hipotetisao da se ovaj efekt ćilibara može objasniti efluvijumom (malim tokom čestica koje teku iz električnog objekta, bez umanjivanja njegove mase ili težine) koji deluje na druge objekte. Ova ideja materijalnog električnog efluvijuma bila je uticajna u 17. i 18. veku. Ona je bila preteča ideja razvijenih u 18. veku o „električnom fluidu” (Dufaj, Nolet, Franklin) i „električnom naboju”.^[17]

Osobine

Količina naelektrisanja je relativistički invarijantna. To znači da naelektrisanje čestice q, ostaje konstantno bez obzira koliko se brzo čestica kreće. Ova osobina je i eksperimentalno potvrđena. Pokazano je da je naelektrisanje jednog jezgra helijuma (dva protona i dva neutrona) koje se kreće velikom brzinom isto kao i naelektrisanje dva jezgra deuterijuma (jedan proton i jedan neutron) koja se kreću mnogo sporije nego jezgro helijuma.

Zakon održanja naelektrisanja

Ukupna količina naelektrisanja izolovanog sistema ostaje konstantna nezavisno od promena u samom sistemu. Ovaj zakon je nasledan za sve procese poznate u fizici. U opštem slučaju, ukupna promena u vremenu gustine naelektrisanja ${\displaystyle \rho }$ unutar neke zapremine ${\displaystyle V}$ jednaka je površinskom integralu gustine struje kroz površinu ${\displaystyle S}$ te zapremine, što je dalje jednako struji ${\displaystyle I}$:

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

Odnosno da bi unutar neke zapremine ${\displaystyle V}$ došlo do promene ukupne količine naelektrisanja (a samim tim i promene gustine naelektrisanja ${\displaystyle \rho }$), određena količina naelektrisanja mora da uđe u tu zapreminu, ili da izađe iz nje. Prolaskom tih naelektrisanja kroz površinu ${\displaystyle S}$ te zapremine, dobija se struja ${\displaystyle I}$. Ukoliko ista količina naelektrisanja uđe i izađe iz zapremine, onda imamo dve struje tih naelektrisanja kroz površinu ${\displaystyle S}$, +${\displaystyle I}$ i -${\displaystyle I}$. Zbir ove dve struje je 0, pa je i ukupna promena naelektrisanja u zapremini ${\displaystyle V}$ jednaka nuli. Iz ovoga se vidi da je prvi Kirhofov zakon specijalni slučaj zakona o održanju količine naelektrisanja.

Literatura

• Jovan Surutka, Osnovi elektrotehnike, Prvi deo, Elektrostatika, III izdanje, Naučna knjiga, Beograd, 1980, s1-3

Izvori

1. „CODATA Value: elementary charge”. The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. US National Institute of Standards and Technology. June 2015. Pristupljeno 2015-09-22.
2. „CIPM, 1946: Resolution 2”. BIPM. Arhivirano iz originala na datum 2018-10-10. Pristupljeno 2020-08-15.
3. International Bureau of Weights and Measures (2006), The International System of Units (SI) (8th izd.), ISBN 92-822-2213-6, p. 150
4. Gambhir, RS; Banerjee, D; Durgapal, MC (1993). Foundations of Physics, Vol. 2. New Dehli: Wiley Eastern Limited. str. 51. Pristupljeno 10. 10. 2018.
5. Carron, Neal J. (21. 5. 2015). „Babel of units: The evolution of units systems in classical electromagnetism”. str. 5. Pristupljeno 31. 3. 2018.
6. Purcell, Edward M.; David J. Morin (2013). Electricity and Magnetism (3rd izd.). Cambridge University Press. str. 766. ISBN 9781107014022.
7. Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1954). The development of the concept of electric charge: Electricity from the Greeks to Coulomb. Cambridge, MA: Harvard University Press. str. 1.
8. O'Grady, Patricia F. (2002). Thales of Miletus: The Beginnings of Western Science and Philosophy. Ashgate. str. 8. ISBN 978-1351895378.
9. Lives of the Eminent Philosophers by Diogenes Laërtius, Book 1, §24
10. Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1953). „The Prenatal History of Electrical Science”. American Journal of Physics 21 (5): 348. Bibcode 1953AmJPh..21..343R. DOI:10.1119/1.1933449. ISSN 0002-9505.
11. Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1953). „The Prenatal History of Electrical Science”. American Journal of Physics 21 (5): 351. Bibcode 1953AmJPh..21..343R. DOI:10.1119/1.1933449.
12. Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1953). „The Prenatal History of Electrical Science”. American Journal of Physics 21 (5): 353. Bibcode 1953AmJPh..21..343R. DOI:10.1119/1.1933449.
13. Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1953). „The Prenatal History of Electrical Science”. American Journal of Physics 21 (5): 356. Bibcode 1953AmJPh..21..343R. DOI:10.1119/1.1933449.
14. Roche, J.J. (1998). The mathematics of measurement. London: The Athlone Press. str. 62. ISBN 978-0387915814.
15. Roller, Duane; Roller, D.H.D. (1954). The development of the concept of electric charge: Electricity from the Greeks to Coulomb. Cambridge, MA: Harvard University Press. str. 6–7.
    Heilbron, J.L. (1979). Electricity in the 17th and 18th Centuries: A Study of Early Modern Physics. University of California Press. str. 169. ISBN 978-0-520-03478-5.
16. Brother Potamian; Walsh, J.J. (1909). Makers of electricity. New York: Fordham University Press. str. 70.
17. Baigrie, Brian (2007). Electricity and magnetism: A historical perspective. Westport, CT: Greenwood Press. str. 11.

Povezano

• Elektricitet
• Električna struja
• Električni napon
• Kulonov zakon
• Električno polje

Vanjske veze

• Onlajn konverzija jedinica - konvertovanje između različitih jedinica naelektrisanja, kao što su kulon, EMU naelektrisanja, franklin, amper-sat, faradej itd.
• Elektrostatičko naelektrisanje Lako razumljiva strana o elektrostatičkom naelektrisanju. Na engleskom.