Υλικό ηλεκτρικού φορτίου
Παρατηρήστε ένα από τα αντικείμενα γύρω σας. Αν καταστρέψετε ένα αντικείμενο, για παράδειγμα μια πέτρα, η πέτρα θα διασπαστεί σε πολλά μικρότερα κομμάτια. Αν η πέτρα συνθλιβεί ξανά, η πέτρα θα μετατραπεί σε ακόμη μικρότερα κομμάτια. Τι γίνεται αν τα κομμάτια της πέτρας συνθλιβούν ξανά; Φυσικά, τα κομμάτια της πέτρας συνθλίβονται και μετατρέπονται σε ακόμη μικρότερα κομμάτια. Μπορούν οι βράχοι να διαιρεθούν σε ακόμη μικρότερα κομμάτια μέχρι να γίνουν άπειροι; Το γεγονός δείχνει ότι οποιοδήποτε αντικείμενο, αν διαιρεθεί σε μικρότερα κομμάτια, θα φτάσει σε ένα σημείο όπου το μικρότερο μέρος του αντικειμένου δεν μπορεί να διαιρεθεί σε μικρότερα κομμάτια. Το μικρότερο μέρος ενός αντικειμένου που δεν μπορεί να διαιρεθεί περαιτέρω ονομάζεται άτομο. Έτσι, ένα άτομο είναι το μικρότερο μέρος κάθε ύλης στο σύμπαν.
Ηλεκτρικό φορτίο στα άτομα
Τα άτομα αποτελούνται από ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια σχηματίζουν τον ατομικό πυρήνα, ο οποίος έχει μέγεθος περίπου 10-15 μέτρα . Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται έξω από τον πυρήνα και περιστρέφονται γύρω του όπως οι πλανήτες περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο. Υποθέτοντας ότι η διάμετρος ενός ατόμου είναι αρκετά χιλιόμετρα, ο πυρήνας έχει περίπου το μέγεθος μιας μπάλας μπιλιάρδου, με τα ηλεκτρόνια να βρίσκονται μέσα στον πυρήνα, φτάνοντας σε απόσταση περίπου 10-10 μέτρων . Μεταξύ του πυρήνα και ενός ηλεκτρονίου υπάρχει κενός χώρος.
Τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια βρίσκονται στις άκρες του ατόμου, ενώ τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια βρίσκονται στον πυρήνα. Για να διατηρούνται τα ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα και να μην διαφεύγουν από το άτομο, ο θετικά φορτισμένος πυρήνας πρέπει να ασκεί μια ελκτική δύναμη στα ηλεκτρόνια. Αυτή η δύναμη, η οποία διατηρεί τα ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα και τα εμποδίζει να διαφύγουν, ονομάζεται ηλεκτρική δύναμη.
Αντίθετα, μέσα στον ατομικό πυρήνα υπάρχουν θετικά φορτισμένα πρωτόνια, επομένως απωθούνται φυσικά το ένα το άλλο επειδή έχουν το ίδιο φορτίο. Για να συγκρατηθούν τα πρωτόνια μαζί στον ατομικό πυρήνα και να αποτραπεί ο διαχωρισμός τους από το άτομο, πρέπει να ασκηθεί μια δύναμη που τα συγκρατεί μαζί. Η δύναμη που συγκρατεί τα πρωτόνια μαζί στον ατομικό πυρήνα ονομάζεται πυρηνική δύναμη.
Η μάζα ενός πρωτονίου είναι σχεδόν η ίδια με τη μάζα ενός νετρονίου. Περίπου το 99,9% της μάζας ενός ατόμου είναι συγκεντρωμένο στον πυρήνα, ενώ τα ηλεκτρόνια έχουν πολύ μικρή μάζα. Η μάζα ενός ηλεκτρονίου (m e ) = 9,1093897 x 10 -31 kg, η μάζα ενός νετρονίου (m n ) = 1,6749286 x 10 -27 kg και η μάζα ενός πρωτονίου (m p ) = 1,6726231 x 10 -27 kg.
Ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου
Τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα, τα πρωτόνια είναι θετικά φορτισμένα και τα νετρόνια είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν τον ατομικό πυρήνα αποτελούνται από κουάρκ, τα οποία έχουν φορτίο περίπου 1/3 και περίπου 2/3 φορές μεγαλύτερο από αυτό των ηλεκτρονίων. Τα κουάρκ είναι τα μικρότερα σωματίδια που αποτελούν τα άτομα, αλλά μέχρι στιγμής, τα κουάρκ δεν έχουν βρεθεί να υπάρχουν μόνα τους ως μεμονωμένα σωματίδια.
Το μέγεθος του φορτίου ηλεκτρονίου ή φορτίου πρωτονίου είναι η βασική μονάδα φορτίου. Το μέγεθος του ηλεκτρικού φορτίου ενός αντικειμένου είναι πολλαπλάσιο του φορτίου ηλεκτρονίου ή φορτίου πρωτονίου. Αυτό ονομάζεται κβαντισμένο φορτίο . Για παράδειγμα, εάν η μικρότερη ονομαστική αξία νομίσματος που χρησιμοποιούμε είναι 100 ρουπίες, τότε το χρηματικό ποσό που έχει ένα άτομο εκφράζεται σε πολλαπλάσια του μικρότερου νομίσματος, δηλαδή των 100 ρουπιών. Για παράδειγμα, το ποσό των χρημάτων μου είναι 100.000 και αυτό το 100.000 μπορεί να διαιρεθεί με το 100. Θα ήταν περίεργο αν το ποσό των χρημάτων μου ήταν 100.002 επειδή δεν υπάρχει ονομαστική αξία 2 ρουπιών. Ομοίως, το ποσό του φορτίου ενός αντικειμένου. Το ποσό του φορτίου ενός ηλεκτρονίου είναι -e και το ποσό του φορτίου ενός πρωτονίου είναι +e. Το ποσό του φορτίου ενός αντικειμένου είναι πολλαπλάσιο του e ή 1,60 x 10 -19 Coulomb και μπορεί να εκφραστεί ως Q = ±Ne. Q = ποσότητα φορτίου, ± αντιπροσωπεύει τον τύπο φορτίου, N = ακέραιος, e = 1,60 x 10 -19 Coulomb.
Ηλεκτρικό φορτίο σε αντικείμενα
Αν ένα άτομο έχει τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων με τα πρωτόνια, τότε το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο στο άτομο είναι μηδέν και το άτομο είναι ουδέτερο, που σημαίνει ότι δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο. Ο αριθμός των πρωτονίων ή ηλεκτρονίων σε ένα ουδέτερο άτομο ονομάζεται ατομικός αριθμός (Z) . Αν υπάρχουν περισσότερα ηλεκτρόνια από πρωτόνια, το άτομο είναι αρνητικά φορτισμένο. Αντίθετα, αν υπάρχουν λιγότερα ηλεκτρόνια από πρωτόνια, το άτομο είναι θετικά φορτισμένο. Τα αρνητικά φορτισμένα άτομα ονομάζονται αρνητικά ιόντα , ενώ τα θετικά φορτισμένα άτομα ονομάζονται θετικά ιόντα . Η διαδικασία απορρόφησης ή απελευθέρωσης ηλεκτρονίων από ένα άτομο ονομάζεται ιονισμός . Όταν λέμε ότι ένα άτομο είναι φορτισμένο, εννοούμε το συνολικό φορτίο ή καθαρό φορτίο. Για παράδειγμα, ένα άτομο έχει 10 ηλεκτρόνια και 7 πρωτόνια. Αυτό το άτομο είναι αρνητικά φορτισμένο επειδή έχει 3 επιπλέον αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Έτσι, το καθαρό φορτίο αυτού του ατόμου είναι 3 και ο τύπος του ατομικού φορτίου είναι αρνητικός. Οι αριθμοί 3, 7, 10 είναι απλώς παραδείγματα για να γίνει πιο εύκολο να κατανοηθεί. Στην πραγματικότητα, η ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου ενός αντικειμένου είναι πολλαπλάσιο του φορτίου ηλεκτρονίου ή του φορτίου πρωτονίου.
Αν ένα αντικείμενο έχει τόσα ηλεκτρόνια όσα και πρωτόνια, τότε είναι ουδέτερο ή δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο. Αν ένα αντικείμενο έχει περισσότερα ηλεκτρόνια από πρωτόνια, τότε έχει αρνητικό φορτίο, ενώ αντίθετα, αν ένα αντικείμενο έχει λιγότερα ηλεκτρόνια από πρωτόνια, τότε έχει θετικό φορτίο. Ένα αντικείμενο που ήταν αρχικά ουδέτερο μπορεί να φορτιστεί αρνητικά προσθέτοντας ηλεκτρόνια στο αντικείμενο, ενώ ένα αντικείμενο μπορεί να φορτιστεί θετικά μειώνοντας τα ηλεκτρόνια στο αντικείμενο.
