Električni naboj

Prvi je Tales iz Mileta (600 pr. Kr.) pisao da jantar (grč. ἤλεϰτρον, ḗlektron), kada se tare, privlači sitne čestice tvari, a W. Gilbert otkrio je da i druge tvari, a ne samo jantar, imaju električno svojstvo. Pojavu električnoga odbijanja prvi je 1672. opazio Otto von Guericke, a 1663. konstruirao je prvi elektrostatički stroj na trenje. Razliku među vodičima i izolatorima otkrio je Stephen Gray. Francuski kemičar C. F. C. du Fay utvrdio je 1734. različitost električnog naboja nastalog trljanjem stakla od naboja nastalog trljanjem smole, a G. Ch. Lichtenberg nazvao je pozitivnim električni naboj nastao trljanjem stakla. Oko 1747. B. Franklin konstatirao je da se pri trenju stvaraju uvijek jednake količine pozitivnog i negativnog električnog naboja. Istraživanjem sila koje djeluju među električnim nabojima bavili su se H. Cavendish i J. Priestley, a zakon o ovisnosti privlačne ili odbojne sile o nabojima i udaljenosti među nabojima, a osnovi pokusa formulirao, Ch. A. de Coulomb, pa se po njemu mjerna jedinica električnog naboja naziva kulon (C). Prema Coulombovu zakonu sila F koja djeluje između dvaju točkastih električnih naboja q₁ i q₂ razmjerna je produktu naboja, a obrnuto razmjerna kvadratu njihova razmaka r,^[3]

${\displaystyle F={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\cdot {\frac {q_{1}\,q_{2}}{r^{2}}}}$ .

Ovdje je ε₀ - dielektrična permitivnost vakuuma. Sila jednoga naboj na drugi usmjerena je po njihovoj spojnici te je vektor te sile, kada su naboji na položajima ${\displaystyle {\vec {r}}_{1}}$  i ${\displaystyle {\vec {r}}_{2}}$  jednak^[4]

${\displaystyle F={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\cdot {\frac {q_{1}\,q_{2}}{|{\vec {r}}_{2}-{\vec {r}}_{1}|^{3}}}({\vec {r}}_{2}-{\vec {r}}_{1})}$ .

Sila F je vektor, pa je i jakost električnog polja E vektorska veličina, a kao smjer električnoga polja uzima se onaj smjer u kojem djeluju sile na pozitivni naboj. Električno polje može se opisati i skalarnim veličinama, potencijalima V. Električni naboji mogu pod utjecajem električnih sila obavljati mehanički rad, a to znači da u svakoj točki polja električni naboj q ima izvjesnu potencijalnu energiju (električni potencijal) s obzirom na neku referentnu točku u polju kojoj se pripisuje potencijal φ = 0. To je obično vrlo udaljena točka u polju ili Zemlja. Sve točke u polju koje imaju isti potencijal leže na ekvipotencijalnim plohama.

Za električni naboj q električni potencijal V neke točke na udaljenosti r iznosi:

${\displaystyle V(r)={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\cdot {\frac {q}{r}}}$ 

Budući da je razlika potencijala među dvjema točkama u elektrostatičkom polju jednaka električnom naponu među tim točkama, to će u elektrostatici, gdje naboji miruju, sve točke nekog vodiča biti na istom električnom potencijalu, jer bi inače zbog napona došlo do gibanja naboja. Iz odnosa U_ab = V_a – V_b proizlazi da se električni potencijal i električni napon mjere istom mjernom jedinicom volt (V), a jakost električnog polja mjeri se u voltima po metru (V/m).

Električni naboj je karakteristika subatomskih čestica, kvantiziran je i izražava se kao višekratnik elementarnog naboja e, gdje taj naboj iznosi približno e = 1,602176462×10^-19 C i jedna je od osnovnih fizikalnih konstanti. Elektron posljedično ima električni naboj -e, proton +e, jezgra helija +2e i tako dalje. Kvark, ovisno o vrsti, ima dio naboja od −1/3 do +2/3, dok njihovi antičestični ekvivalenti imaju suprotni naboj. Kvarkovi su, međutim, uvijek vezani te do sada nije zapaženo samostalno postojanje čestice s nabojem manjim od jednoga elementarnog naboja.

Električni naboj makroskopskog objekta je suma električnih naboja njegovih sastavnih dijelova. Često je ukupni iznos električnog naboja jednak nuli, kao posljedica jednakog broja elektrona i protona u svakom atomu, gdje se djelovanje njihovih naboja međusobno poništava. Prilike u kojima suma električnih naboja nije jednaka nuli često se očituju kao statički elektricitet. Statički elektricitet djeluje u okolini elektrostatičkom silom i privlači suprotno nabijene čestice tvari, a odbija jednako nabijene čestice. Električni naboj se može detektirati posredstvom elektrometra. Diskretnu prirodu električnog naboja demostrirao je R. A. Millikan u svom eksperimentu s padanjem uljnih kapljica.Nije li naboj jednoliko raspoređen u tvari (iako je suma naboja jednaka nuli), kažemo da je tvar polarizirana. Ako se dio nabijenih čestica giba u određenom smjeru (to su najčešće elektroni) tada govorimo o tijeku električne struje.

SI jedinica za mjerenje električnog naboja je 1 C ili 1 kulon (po fizičaru Charles-Augustin de Coulombu)), koji predstavlja približno 6,242 x 10¹⁸ elementarnih naboja. Kulon se definira kao količina naboja koji protječe kroz presjek vodiča nošen električnom strujom jakosti jednog ampera u jednoj sekundi, stoga vrijedi da je 1 As = 1 C. Oznaka za količinu električnog naboja je q ili Q.

Naboj čestice je relativistička invarijanta. To znači da će se svakoj čestici naboja q uvijek mjeriti naboj q, bez obzira na brzinu njenoga kretanja. Ovo je svojstvo eksperimentalno dokazano tako da se pokazalo da je naboj jezgre jednog atoma helija (dva protona i dva neutrona vezana zajedno i gibaju se u jezgri velikom brzinom) jednak naboju dvije deuterijske jezgre (jedan proton i jedan neutron spojeni zajedno, ali koje se gibaju puno sporije nego da su bile u jezgri helija).^[provjeriti]

Ukupni električni naboj izoliranog sustava je konstantan, bez obzira na promjene unutar samog sustava. Ovaj je zakon svojstven svim fizikalno poznatim procesima, pa čak i u reakcijama u kojima se elementarne čestice poništavaju ili se stvaraju nove.

Klasično, zakon očuvanja naboja može se izvesti iz Maxwellovih jednadžbi kao jednadžba kontinuiteta. Ukupna promjena gustoće električnoga naboja ${\displaystyle \rho }$  unutar volumena ${\displaystyle V}$  jednaka je toku gustoće električne struje ${\displaystyle J}$  kroz površinu ${\displaystyle S}$  koja zatvara volumen, što je zapravo jednako ukupnoj struji ${\displaystyle I}$ ,

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