Sähkövarausmateriaali
Tarkkaile yhtä ympärilläsi olevaa esinettä. Jos tuhoat esineen, esimerkiksi kiven, se hajoaa useiksi pienemmiksi paloiksi. Jos kivi murskataan uudelleen, se muuttuu vielä pienemmiksi paloiksi. Entä jos kivenpalat murskataan uudelleen? Tietenkin kivenpalat murskautuvat ja muuttuvat vielä pienemmiksi paloiksi. Voidaanko kiviä jakaa vielä pienemmiksi paloiksi, kunnes ne ovat äärettömiä? Tosiasia on, että mikä tahansa esine, jos se jaetaan pienempiin osiin, saapuu pisteeseen, jossa esineen pienintäkään osaa ei voida enää jakaa pienempiin osiin. Esineen pienintä osaa, jota ei voida jakaa enempää, kutsutaan atomiksi. Joten atomi on pienin osa kaikesta aineesta maailmankaikkeudessa.
Sähkövaraus atomeissa
Atomit koostuvat elektroneista, protoneista ja neutroneista. Protonit ja neutronit muodostavat atomin ytimen, jonka koko on noin 10–15 metriä . Elektronit sijaitsevat ytimen ulkopuolella ja kiertävät sitä kuten planeetat kiertävät aurinkoa. Olettaen, että atomin halkaisija on useita kilometrejä, ydin on suunnilleen biljardipallon kokoinen, ja elektronit sijaitsevat ytimen sisällä ja ulottuvat noin 10–10 metrin etäisyydelle . Ytimen ja elektronin välissä on tyhjää tilaa.
Negatiivisesti varautuneet elektronit sijaitsevat atomin reunoilla ja positiivisesti varautuneet protonit sijaitsevat ytimessä. Jotta elektronit pysyisivät ytimen ympärillä eivätkä karkaisi atomista, positiivisesti varautuneen ytimen on kohdistettava elektroneihin vetovoima. Tätä voimaa, joka pitää elektronit ytimen ympärillä kiertämässä ja estää niitä pakenemasta, kutsutaan sähkövoimaksi.
Kääntäen, atomin ytimen sisällä on positiivisesti varautuneita protoneja, joten ne luonnollisesti hylkivät toisiaan, koska niillä on sama varaus. Jotta protonit pysyisivät yhdessä atomin ytimessä ja estäisivät niitä irtoamasta atomista, niiden on pidettävä yhdessä voima. Voimaa, joka pitää protonit yhdessä atomin ytimessä, kutsutaan ydinvoimaksi.
Protonin massa on lähes sama kuin neutronin massa. Noin 99,9 % atomin massasta on keskittynyt ytimeen, kun taas elektronien massa on hyvin pieni. Elektronin massa (m e ) = 9,1093897 x 10⁻³³ kg , neutronin massa (m n ) = 1,6749286 x 10⁻³³ kg ja protonin massa (m p ) = 1,6726231 x 10⁻³³ kg.
Sähkövarauksen määrä
Elektronit ovat negatiivisesti varautuneita, protonit positiivisesti varautuneita ja neutronit sähköisesti neutraaleja. Atomin ytimen muodostavat protonit ja neutronit koostuvat kvarkeista, joiden varaukset ovat noin 1/3 ja noin 2/3 kertaa elektronien varaukset. Kvarkit ovat atomien pienimpiä hiukkasia, mutta toistaiseksi kvarkkien ei ole havaittu esiintyvän yksinään yksittäisinä hiukkasina.
Elektronin tai protonin varauksen suuruus on varauksen perusyksikkö. Kappaleen sähkövarauksen suuruus on elektronin tai protonin varauksen monikerta. Tätä kutsutaan kvantisoiduksi varaukseksi . Jos esimerkiksi pienin käyttämämme rahayksikön nimellisarvo on 100 rupiaa, henkilön rahamäärä ilmaistaan pienimmän valuutan, eli 100 rupian, monikertoina. Esimerkiksi rahani määrä on 100 000 ja tämä 100 000 voidaan jakaa 100:lla. Olisi outoa, jos rahani määrä olisi 100 002, koska 2 rupian nimellisarvoa ei ole olemassa. Samoin esineen varauksen määrä. Elektronin varauksen määrä on -e ja protonin varauksen määrä on +e. Esineen varauksen määrä on e:n monikerta eli 1,60 x 10-19 Coulombin ja se voidaan ilmaista kaavalla Q = ±Ne. Q = varauksen määrä, ± edustaa varauksen tyyppiä, N = kokonaisluku, e = 1,60 x 10⁻¹⁹ Coulomb.
Sähkövaraus esineissä
Jos atomilla on yhtä monta elektronia kuin protoneja, atomin kokonaissähkövaraus on nolla ja atomi on neutraali eli sillä ei ole sähkövarausta. Neutraalin atomin protonien tai elektronien lukumäärää kutsutaan järjestysluvuksi (Z) . Jos elektroneja on enemmän kuin protoneja, atomi on negatiivisesti varautunut. Käänteisesti, jos elektroneja on vähemmän kuin protoneja, atomi on positiivisesti varautunut. Negatiivisesti varautuneita atomeja kutsutaan negatiivisiksi ioneiksi , kun taas positiivisesti varautuneita atomeja kutsutaan positiivisiksi ioneiksi . Elektronien absorboitumista tai vapauttamista atomista kutsutaan ionisaatioksi . Kun sanomme, että atomi on varattu, tarkoitamme kokonaisvarausta tai nettovarausta. Esimerkiksi atomissa on 10 elektronia ja 7 protonia. Tämä atomi on negatiivisesti varautunut, koska sillä on 3 ylimääräistä negatiivisesti varautunutta elektronia. Joten tämän atomin nettovaraus on 3 ja atomin varauksen tyyppi on negatiivinen. Luvut 3, 7 ja 10 ovat vain esimerkkejä ymmärtämisen helpottamiseksi. Todellisuudessa kappaleen sähkövarauksen määrä on elektronin tai protonin varauksen monikerta.
Jos kappaleessa on yhtä monta elektronia kuin protoneja, kappale on neutraali eli sillä ei ole sähkövarausta. Jos kappaleessa on enemmän elektroneja kuin protoneja, kappaleella on negatiivinen varaus. Kääntäen, jos kappaleessa on vähemmän elektroneja kuin protoneja, kappaleella on positiivinen varaus. Alun perin neutraali kappale voidaan varata negatiivisesti lisäämällä siihen elektroneja, kun taas kappale voidaan varata positiivisesti pelkistämällä sen elektroneja.
