Ładunek elektryczny – czym jest i jakie ma właściwości?

Ładunek elektryczny to właściwość, która towarzyszy wszystkim cząstkom elementarnym, czyli protonom, elektronom itp. Na każdym kroku możemy odnotować jego obecność. Odczuwamy przecież, że po dotykaniu niektórych materiałów „kopie nas prąd”. Już w antycznych czasach ludzie zauważyli, że potarty bursztyn może przyciągać kawałki słomy, czy inne niewielkie przedmioty. Nie bez kozery zatem w XVI w. William Gilbert nazwał ujemną cząstkę elementarną elektronem, gdyż to słowo pochodzi od greckiego „bursztyn”. Proton i elektron niosą ze sobą określony, równy co do wartości bezwzględnej ładunek. Nazywamy go ładunkiem elementarnym i oznaczamy go literką e. Jest on równy ok. 1,602 *1019 C (kulombów), przy czym ładunek elektronu będzie ze znakiem minus. Jak można się domyślić, jest to bardzo niewiele. Przykładowo, przez zapaloną żarówkę o mocy 100 W, w ciągu jedynie sekundy przepłynie 1019 takich ładunków!

Ładunek elektryczny a ładunek elementarny

Dlaczego ładunkiem elementarnym nie jest ładunek któregoś z kwarków? Przecież są to mniejsze cząstki i mają też mniejsze ładunki. To prawda, niemniej jednak zadecydowały o tym względy historyczne oraz istotniejszy powód – fakt, że kwarków nigdy nie możemy indywidualnie obserwować. Co, gdy mamy obok siebie kilka ładunków? Wszystko zależy od tego, czy mają one ten sam znak, czy przeciwny. W pierwszym wypadku nazwiemy je jednoimiennymi i będą się one odpychać, w drugim – różnoimiennymi i będą się przyciągały.

Co jeszcze kryje w sobie ładunek elektryczny? Należy zwrócić uwagę na to, że jest skwantowany, czyli jego wartość zawsze będzie wielokrotnością ładunku elementarnego. Innymi słowy, możemy mieć cząstkę o ładunku 11 e, ale nie o powiedzmy, 3,14 e. Także należy pamiętać, że ładunek jest zachowany. Oznacza to, że nie można go ani wytworzyć, ani zniszczyć zatem zmiana ładunku jakiegoś układu może się stać jedynie poprzez przemieszczenie naelektryzowanej cząstki. Postulat ten jako pierwszy wysunął Benjamin Franklin, a dziś wiemy, że jest słuszny zarówno dla dużych cząstek, jak i dla atomów, mimo że w ich przypadku założenia newtonowskiej mechaniki się nie sprawdzają. Z tej zasady wynikają inne prawa fizyki, np. pierwsze prawo Kirchhoffa, które ją bardzo dobrze obrazuje w obwodach elektrycznych.

Odkrycia Charlesa Coulomba dotyczące ładunku elektrycznego

W XVIII w. Charlesowi Coulombowi udało się opisać ilościowo oddziaływanie elektrostatyczne istniejące między dwoma ładunkami elektrycznymi. Co znaczy elektrostatyczne? Oznacza to, że rozpatrujemy je, gdy te ładunki nie są w ruchu. Prawo Coulomba ma następującą treść: jeśli dwie naładowane cząstki znajdują się w odległości równej r, to siła ich przyciągania (lub odpychania) ma wartość opisaną wzorem F = k* |q1|*|q2|/r2, gdzie k jest stałe i wynosi 8,99* 109 [N*m2/C2]. Siłę elektrostatyczną wyrażamy w kulombach. Jednostka ta została opisana w układzie SI jako ładunek, który przepływa między przewodnik w sekundę, gdy płynie przez niego prąd o natężeniu 1 A. Podobnie jak zasada zachowania ładunku, prawo Coulomba również jest słuszne dla wszystkich naładowanych ciał. Dzięki niemu możemy opisywać siły, które łączą atomy w cząsteczki, czy wyjaśniać wiązanie ich w ciała stałe bądź ciecze.

Możemy zauważyć pewne analogie między prawem Coulomba i prawami opisującymi grawitacje. Jakie? Po pierwsze, wzór opisujący siłę ciążenia jest bardzo podobny do wyżej wspominanego, gdyż ma postać F = G*m1*m2/r2 . Widzimy w nim również jakąś stałą (tu stałą grawitacyjną), właściwości dwóch cząstek oraz mamy uwzględnioną odległość między nimi do kwadratu. Jedyna różnica, konkretnie brak wartości bezwzględnych wynika z prostego faktu – nie ma czegoś takiego jak ujemna masa, ale istnieją ładunki dodatnie i ujemne. Obie te siły spełniają także zasadę superpozycji, to znaczy, że pole pochodzące z kilku źródeł jest wektorową sumą pól każdego z nich. Czyż nie jest fascynujące, jak wielką rolę odgrywa ładunek elektryczny w świecie cząstek?

Zastosowanie przyciągania się odmiennie naładowanych cząstek

W przemyśle znaleziono wiele sposobów wykorzystania tego zjawiska. Przykładem mogą być tu kserokopiarki. Każde takie urządzenie ma w swoim wnętrzu toner, którego cząsteczki są ujemnie naładowane. Bęben maszyny, na którym znajduje się obraz odbijanego przedmiotu, jest z kolei naładowany dodatnio i w związku z tym przyciąga toner. Umieszczając w kserokopiarce papier, który również ma swój ładunek, do jego powierzchni przyczepiają się cząsteczki tuszu. Tak powstaje identyczna kopia obrazu, która następnie jest utrwalana termicznie. Od lat 60. ubiegłego wieku powszechnie używana jest technologia malowania elektrostatycznego. Umożliwia ona ekonomiczne rozprowadzanie farby proszkowej na uziemionych obiektach. Na czym ona polega? Do całego zabiegu wykorzystujemy specjalny pistolet, w którym znajduje się elektroda. Wytwarza ona bardzo wysokie napięcie, którego skutkiem jest powstanie pola elektrostatycznego między nią a malowaną powierzchnią. Na niej, właśnie dzięki wytworzonemu polu, osiadają cząsteczki farby. A czy ty wiedziałeś jak ważny w fizyce jest ładunek elektryczny?