Elektromos töltés anyaga
Kérlek, figyelj meg egy tárgyat magad körül. Ha elpusztítasz egy tárgyat, például egy követ, a kő több kisebb darabra esik szét. Ha a követ ismét összetöröd, még kisebb darabokra esik szét. Mi van, ha a kődarabokat ismét összetöröd? Természetesen a kődarabok összetörnek és még kisebb darabokra esnek szét. Fel lehet-e osztani a kőzeteket még kisebb darabokra, amíg végtelenné nem válnak? A tény azt mutatja, hogy ha bármely tárgyat kisebb darabokra osztunk, az elérkezik egy olyan ponthoz, ahol a tárgy legkisebb része sem osztható tovább. Egy tárgy legkisebb részét, amelyet már nem lehet tovább osztani, atomnak nevezzük. Tehát az atom a világegyetemben lévő minden anyag legkisebb része.
Elektromos töltés az atomokban
Az atomok elektronokból, protonokból és neutronokból állnak. A protonok és a neutronok alkotják az atommagot, amely körülbelül 10-15 méter hosszú . Az elektronok a magon kívül helyezkednek el, és úgy keringenek körülötte, mint a bolygók a Nap körül. Feltételezve, hogy egy atom átmérője több kilométer, a mag körülbelül egy biliárdgolyó méretű, az elektronok a magban helyezkednek el, és körülbelül 10-10 méter távolságot érnek el . Az atommag és az elektron között üres tér található.
A negatív töltésű elektronok az atom szélein, a pozitív töltésű protonok pedig az atommagban helyezkednek el. Ahhoz, hogy az elektronok a mag körül keringjenek, és ne szökjenek ki onnan, a pozitív töltésű atommagnak vonzóerőt kell gyakorolnia az elektronokra. Ezt az erőt, amely az elektronokat a mag körül keringve tartja, és megakadályozza, hogy kiszökjenek, elektromos erőnek nevezzük.
Ezzel szemben az atommagban pozitív töltésű protonok találhatók, így természetes módon taszítják egymást, mivel azonos töltéssel rendelkeznek. Ahhoz, hogy a protonokat az atommagban egyben tartsuk, és megakadályozzuk az atomtól való elszakadásukat, egy erőnek kell összetartania őket. Az erőt, amely a protonokat az atommagban egyben tartja, magerőnek nevezzük.
Egy proton tömege majdnem megegyezik egy neutronéval. Az atom tömegének körülbelül 99,9%-a a magban koncentrálódik, míg az elektronok tömege nagyon kicsi. Egy elektron tömege (m e ) = 9,1093897 x 10⁻³³ kg , egy neutron tömege (m n ) = 1,6749286 x 10⁻³³ kg , és egy proton tömege (m p ) = 1,6726231 x 10⁻³³ kg.
Az elektromos töltés mennyisége
Az elektronok negatív, a protonok pozitív töltésűek, a neutronok pedig elektromosan semlegesek. Az atommagot alkotó protonok és neutronok kvarkokból állnak, amelyek töltése körülbelül 1/3-szor, illetve körülbelül 2/3-szorosa az elektronok töltésének. A kvarkok az atomokat alkotó legkisebb részecskék, de eddig nem találtak olyan kvarkokat, amelyek önmagukban léteznének egyetlen részecskeként.
Az elektron vagy proton töltésének nagysága a töltés alapegysége. Egy tárgy elektromos töltésének nagysága az elektron vagy proton töltésének többszöröse. Ezt kvantált töltésnek nevezzük . Például, ha a legkisebb pénznem, amit használunk, 100 rúpia, akkor egy személy pénzösszegét a legkisebb pénznem, nevezetesen 100 rúpia többszöröseiben fejezzük ki. Például a pénzem összege 100 000, és ez a 100 000 osztható 100-zal. Furcsa lenne, ha a pénzem összege 100 002 lenne, mert nincs 2 rúpiás címlet. Hasonlóképpen, egy tárgy töltésének mennyisége. Az elektron töltésének mennyisége -e, a proton töltésének mennyisége pedig +e. Egy tárgy töltésének mennyisége az e többszöröse, vagyis 1,60 x 10-19 Coulomb , és Q = ±Ne formában fejezhető ki. Q = a töltés mennyisége, ± a töltés típusát jelöli, N = egész szám, e = 1,60 x 10⁻¹⁹ Coulomb.
Elektromos töltés tárgyakban
Ha egy atomnak ugyanannyi elektronja van, mint protonja, akkor az atom teljes elektromos töltése nulla, és az atom semleges, ami azt jelenti, hogy nincs elektromos töltése. A semleges atomban lévő protonok vagy elektronok számát rendszámnak (Z) nevezzük . Ha több elektron van, mint proton, az atom negatív töltésű. Fordítva, ha kevesebb elektron van, mint proton, az atom pozitív töltésű. A negatív töltésű atomokat negatív ionoknak , míg a pozitív töltésű atomokat pozitív ionoknak nevezzük . Az elektronok atomból történő elnyelésének vagy felszabadulásának folyamatát ionizációnak nevezzük . Amikor azt mondjuk, hogy egy atom töltésű, a teljes töltést vagy nettó töltést értjük alatta. Például egy atomnak 10 elektronja és 7 protonja van. Ez az atom negatív töltésű, mert 3 felesleges negatív töltésű elektronja van. Tehát ennek az atomnak a nettó töltése 3, és az atom töltése negatív. A 3, 7, 10 számok csak példák a könnyebb megértés érdekében. A valóságban egy tárgy elektromos töltésének mennyisége az elektron vagy a proton töltésének többszöröse.
Ha egy tárgynak ugyanannyi elektronja van, mint protonja, akkor a tárgy semleges, vagyis nincs elektromos töltése. Ha egy tárgynak több elektronja van, mint protonja, akkor a tárgy negatív töltésű, fordítva, ha egy tárgynak kevesebb elektronja van, mint protonja, akkor a tárgy pozitív töltésű. Egy kezdetben semleges tárgy negatív töltésűvé tehető elektronok hozzáadásával, míg egy tárgy pozitív töltésűvé tehető elektronok redukciójával.
