Ładunki elektryczne w przyrodzie

Kurs fizyki poświęcony cząstkom i polom rozpoczynamy od nauki o elektryczności.
Pierwsze, nieświadome obserwacje zjawisk elektrycznych, to niewątpliwie oglądane z lękiem przed wiekami - wyładowania atmosferyczne. Przyciąganie skrawków pergaminu przez potarty suknem bursztyn, opisane było już w czasach starożytnych przez Talesa z Miletu i właśnie od greckiej nazwy bursztynu "elektron" wywodzi się termin "elektryczność".

Fot. 1.1. Zrozumienie praw fizyki spowodowało zmianę stanowiska człowieka - od strachu przed piorunem, do powszechnego wykorzystania energii elektrycznej. Czy jednak względem energii jądrowej jesteśmy jeszcze wciąż w Średniowieczu?

Za prawdziwy rozwój wiedzy o elektryczności uznać można sformułowanie przez Coulomba w 1785 roku prawa oddziaływania wzajemnego ładunków elektrycznych. Poznanie praw opisujących zachowanie się cząstek niosących ładunki elektryczne oraz pól przez te ładunki wytwarzanych umożliwiło człowiekowi zarówno zrozumienie niebezpieczeństw związanych z wyładowaniami elektrycznymi w atmosferze jak i wykorzystanie ruchu ładunków elektrycznych w różnorodnych zastosowaniach praktycznych. Obecnie, energia elektryczna znajduje zastosowanie w niemalże wszystkich dziedzinach działalności człowieka.

Ładunek elektryczny stanowi własność niektórych cząstek; na przykład ładunek elektronów jest ujemny, protonów dodatni, neutrony są zaś elektrycznie obojętne. Wiemy już z pierwszej lekcji kursu "Fizyka I", że elektron jest cząstką elementarną, natomiast protony i neutrony zbudowane są z trójek kwarków o ułamkowych ładunkach. Sumaryczny ładunek kwarków jest dla protonu równy co do wartości ładunkowi elektronu ale znak tego ładunku jest przeciwny; sumaryczny ładunek kwarków dla neutronu równy jest zeru. Pamiętając, że kwarków nie obserwujemy w stanie swobodnym będziemy za jednostkowy ładunek ujemny traktować ładunek elektronu, a ładunek protonu za jednostkowy ładunek dodatni. Ładunek ciał naładowanych elektrycznie jest więc zawsze wielokrotnością ładunku elementarnego. Taką elementarną wartość jakiejś wielkości nazywamy kwantem. Mówimy więc, że ładunek elektryczny podlega kwantowaniu czyli może być wyrażony w postaci

gdzie q jest ładunkiem danego ciała, e jest ładunkiem elementarnym, a N jest liczbą naturalną.

Jednostką ładunku elektrycznego w układzie SI jest 1 kulomb (1C). Kulomb jest jednostką pochodną i zdefiniowany jest jako ładunek przenoszony przez prąd elektryczny o natężeniu jednego ampera w czasie jednej sekundy; . (Jednostkę natężenia prądu zdefiniujemy w sposób systematyczny w jednej z następnych lekcji.) Ładunek elementarny wyrażony w kulombach wynosi: . Wartość ładunku elementarnego jest tak mała, że w zjawiskach makroskopowych nie zauważamy zwykle tej "ziarnistości" ładunku i traktujemy zmiany ładunków jako zachodzące w sposób ciągły.

Sumaryczny ładunek elektryczny pozostaje stały w dowolnych procesach zachodzących w układach elektrycznie izolowanych, czyli nie wymieniających ładunków z otoczeniem. Fakt ten jest treścią zasady zachowania ładunku.

Całkowity ładunek układu elektrycznie izolowanego jest stały.

Ładunki mogą jednak pojawiać się i znikać, czego przykładem są reakcje jądrowe zachodzące przy wysokich energiach, gdzie produkowane są tysiące cząstek naładowanych (patrz, Fot.10.4. w kursie Fizyka I.). W procesach anihilacji para elektron-pozyton zamienia się zaś w nie posiadające ładunku fotony. Procesy te nie są jednak sprzeczne z prawem zachowania ładunku. Prawo to stwierdza bowiem, że sumaryczny ładunek czyli arytmetyczna suma ładunków w układzie, liczona z uwzględnieniem ich znaku, pozostaje stała. Jeśli więc produkowane są ładunki o znaku dodatnim, musza być też produkowane ładunki znaku ujemnego, to samo dotyczy procesów anihilacji.

W tej lekcji będziemy zakładać, że ładunki elektryczne znajdują się w próżni. Pozwoli nam to na zdefiniowanie podstawowych pojęć i praw elektrostatyki. W następnej lekcji pokażemy wzajemne relacje pomiędzy polem elektrycznym i własnościami ośrodków materialnych.