帯電物質
身の回りにある物体の一つを観察してみてください。例えば岩石を破壊すると、岩石はいくつもの小さな破片に砕けます。岩石を再び砕くと、さらに小さな破片になります。岩石の破片をさらに砕いたらどうなるでしょうか？もちろん、破片は砕かれ、さらに小さな破片になります。岩石は無限に小さな破片に分割できるのでしょうか？実際には、どんな物体でも、より小さな破片に分割していくと、それ以上分割できない最小の破片に到達します。これ以上分割できない物体の最小の破片を原子と呼びます。つまり、原子は宇宙に存在するすべての物質の最小単位なのです。
原子における電荷
原子は電子、陽子、中性子から構成されています。陽子と中性子は原子核を形成し、その大きさは約 10⁻¹⁵メートルです。電子は原子核の外側に位置し、惑星が太陽の周りを公転するように原子核の周りを公転しています。原子の直径が数キロメートルであると仮定すると、原子核はビリヤードの球ほどの大きさで、電子は原子核内部に位置し、原子核から約 10⁻¹⁰メートルの距離にあります。原子核と電子の間には空洞があります。
負に帯電した電子は原子の端に位置し、正に帯電した陽子は原子核に位置しています。電子が原子核の周りを周回し、原子から逃げ出さないようにするためには、正に帯電した原子核が電子に引力を及ぼす必要があります。電子を原子核の周りを周回させ、逃げ出さないようにするこの力を電気力と呼びます。
一方、原子核内部には正電荷を持つ陽子が存在するため、同じ電荷を持つ陽子同士は自然に反発し合います。陽子が原子核内でまとまって原子から分離しないようにするには、陽子同士を結合させる力が必要です。原子核内で陽子同士を結合させているこの力を核力といいます。
陽子の質量は中性子の質量とほぼ同じです。原子の質量の約99,9%は原子核に集中しており、電子の質量は非常に小さいです。電子の質量 (m e ) = 9,1093897 x 10 -31 kg、中性子の質量 (m n ) = 1,6749286 x 10 -27 kg、陽子の質量 (m p ) = 1,6726231 x 10 -27 kg です。
電荷量
電子は負の電荷を持ち、陽子は正の電荷を持ち、中性子は電気的に中性です。原子核を構成する陽子と中性子はクォークから成り立っており、クォークの電荷は電子の約1/3と約2/3です。クォークは原子を構成する最小の粒子ですが、今のところ、クォークが単独の粒子として存在する例は確認されていません。
電子電荷または陽子電荷の大きさは、電荷の基本単位です。物体の電荷の大きさは、電子電荷または陽子電荷の倍数です。これは量子化された電荷と呼ばれます。たとえば、使用する通貨の最小単位が 100 ルピアである場合、人が持っている金額は、最小通貨、つまり 100 ルピアの倍数で表されます。たとえば、私のお金の金額は 100.000 であり、この 100.000 は 100 で割り切れます。私のお金の金額が 100.002 であったら奇妙でしょう。なぜなら、2 ルピアという単位はないからです。同様に、物体の電荷の量です。電子の電荷の量は -e であり、陽子の電荷の量は +e です。物体の電荷の量は e または 1,60 x 10 -19クーロンの倍数であり、Q = ±Ne で表すことができます。 Q = 電荷量、± は電荷の種類を表し、N = 整数、e = 1,60 x 10 -19クーロン。
物体内の電荷
原子の電子の数と陽子の数が同じ場合、原子の総電荷はゼロとなり、原子は中性、つまり電荷を持たない状態になります。中性原子の陽子または電子の数を原子番号（Z）と呼びます。電子の数が陽子の数より多い場合、原子は負に帯電します。逆に、電子の数が陽子の数より少ない場合、原子は正に帯電します。負に帯電した原子は負イオンと呼ばれ、正に帯電した原子は正イオンと呼ばれます。原子から電子を吸収または放出する過程をイオン化と呼びます。原子が帯電していると言う場合、総電荷または正味電荷を意味します。たとえば、原子が10個の電子と7個の陽子を持っているとします。この原子は、負に帯電した電子が3個余分にあるため、負に帯電しています。したがって、この原子の正味電荷は3であり、原子電荷の種類は負です。3、7、10という数字は、理解を容易にするための単なる例です。実際には、物体の電荷量は、電子の電荷または陽子の電荷の倍数である。
物体が持つ電子の数と陽子の数が等しい場合、その物体は中性、つまり電荷を持たない。物体が持つ電子の数が陽子の数より多い場合、その物体は負の電荷を持ち、逆に電子の数が陽子の数より少ない場合、その物体は正の電荷を持つ。もともと中性だった物体は、電子を追加することで負に帯電させることができ、逆に物体内の電子を減らすことで正に帯電させることができる。
