Električni naboj

Izvor: Wikipedia
(Preusmjereno sa Naelektrisanje)

Naelektrisanje ili električni naboj je jedna od osnovnih osobina nekih subatomskih čestica kojom se karakterišu elektromagnetne iterakcije (interakcije čestica sa elektromagnetnim poljem). Naelktrisana materija stvara elektromagnetna polja. Takođe je i podvrgnuta dejstvu elektromagnetnih polja. Uzajamno dejstvo naelektrisanja i polja je uzrok elektromagnetne sile koja predstavlja jednu od četiri fundamentalne sile.

Uvod[uredi - уреди]

Naelektrisanje je svostvo subatomskih čestica i u prirodi se javlja samo kao celobrojni umnožak elementarnog naelektrisanja. Dakle, naelektrisanje je 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 nalektrisanje). Uređeno kretanje naelektrisanih čestica u određenom smeru naziva se električna struja.

SI jedinica naelektrisanja naziva se kulon i označava se sa C. Jedan kulon sadrži oko 6.24 × 1018 elementarnih naelektrisanja (naelektrisanje jednog protona ili jednog elektrona). Kulon se definiše kao količina naelektrisanja koju u toku jedne sekunde prenese struja od jednog ampera. Simbol Q se koristi da označi količinu naelektrisanja.

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.

Istorija[uredi - уреди]

Kao što je zapisao grčki filozof Tales oko 600 godina prije Krista, naboj (ili elektricitet) se može akumulirati trljanjem krzna po različitim materijalima, kao što je jantar. Grci su znali da nabijeni jantarni gumbi 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 potječe iz triboelektričnog efekta. Riječ elektricitet potječe od ηλεκτρον (elektron), Grčke riječi za jantar.

C. F. Du Fay je 1733. godine iznio stajalište da elektricitet dolazi u dvije inačice 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 sa staklenim elektricitetom, a kad se jantar trljao s krznom, rekao je da se jantar nabio smolnim elektricitetom.

Proučavanje elektriciteta je postalo popularno u 18. st. 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 elektrizirana kad posjeduje premalo tog fluida, a da je pozitivno elektrizirana 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 točan, ali pojednostavljen. Materija je zapravo sastavljena od nekoliko vrsta električki 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 gibaju 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 vodiča (elektrolita, poluvodiča, 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 vodiče elektriciteta, što predstavlja izvor konfuzije kod početnika u elektrotehnici.

Osobine[uredi - уреди]

Količina naelktrisanja 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 količine naelektrisanja[uredi - уреди]

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 \rho unutar neke zapremine V jednaka je površinskom integralu gustine struje kroz površinu S te zapremine, što je dalje jednako struji I:

- \frac{\partial}{\partial t} \int_V \rho\, dV = \int_S \mathbf{J} \cdot \mathbf{dS} = I

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

Povezano[uredi - уреди]

Eksterni linkovi[uredi - уреди]