Elektrisch geladen materiaal
Kijk eens naar een van de objecten om je heen. Als je een object, bijvoorbeeld een steen, vernietigt, zal de steen in verschillende kleinere stukken uiteenvallen. Als de steen vervolgens nogmaals wordt verpulverd, zal hij in nóg kleinere stukken uiteenvallen. Wat gebeurt er als die stukken steen nogmaals worden verpulverd? Natuurlijk worden de stukken steen dan weer verpulverd en vallen ze uiteen in nóg kleinere stukken. Kunnen stenen in oneindig veel kleinere stukken worden verdeeld? Het feit laat zien dat elk object, als het in kleinere stukken wordt verdeeld, een punt bereikt waarop het kleinste deel van het object niet verder kan worden verdeeld. Het kleinste deel van een object dat niet verder kan worden verdeeld, noemen we een atoom. Een atoom is dus het kleinste deeltje van alle materie in het universum.
Elektrische lading in atomen
Atomen zijn opgebouwd uit elektronen, protonen en neutronen. Protonen en neutronen vormen de atoomkern, die een doorsnede heeft van ongeveer 10⁻¹⁵ meter . Elektronen bevinden zich buiten de kern en draaien eromheen, net zoals planeten om de zon draaien. Ervan uitgaande dat de diameter van een atoom enkele kilometers is, is de kern ongeveer zo groot als een biljartbal, met elektronen binnenin de kern op een afstand van ongeveer 10⁻¹⁰ meter . Tussen de kern en een elektron bevindt zich lege ruimte.
Negatief geladen elektronen bevinden zich aan de randen van het atoom, terwijl positief geladen protonen zich in de kern bevinden. Om ervoor te zorgen dat de elektronen in een baan rond de kern blijven en niet uit het atoom ontsnappen, moet de positief geladen kern een aantrekkingskracht op de elektronen uitoefenen. Deze kracht, die de elektronen in een baan rond de kern houdt en voorkomt dat ze ontsnappen, wordt de elektrische kracht genoemd.
Omgekeerd bevinden zich in de atoomkern positief geladen protonen, die elkaar van nature afstoten omdat ze dezelfde lading hebben. Om de protonen in de atoomkern bij elkaar te houden en te voorkomen dat ze zich van het atoom scheiden, moet er een kracht zijn die ze bij elkaar houdt. Deze kracht wordt de kernkracht genoemd.
De massa van een proton is vrijwel gelijk aan de massa van een neutron. Ongeveer 99,9% van de massa van een atoom is geconcentreerd in de kern, terwijl elektronen een zeer kleine massa hebben. De massa van een elektron (me ) = 9,1093897 x 10⁻³¹ kg , de massa van een neutron (mn ) = 1,6749286 x 10⁻²⁷ kg en de massa van een proton (mp ) = 1,6726231 x 10⁻²⁷ kg.
Hoeveelheid elektrische lading
Elektronen zijn negatief geladen, protonen zijn positief geladen en neutronen zijn elektrisch neutraal. De protonen en neutronen waaruit de atoomkern bestaat, zijn samengesteld uit quarks, die een lading hebben die respectievelijk ongeveer 1/3 en 2/3 keer zo groot is als die van elektronen. Quarks zijn de kleinste deeltjes waaruit atomen zijn opgebouwd, maar tot nu toe is nog niet aangetoond dat quarks als afzonderlijke deeltjes bestaan.
De grootte van de lading van een elektron of proton is de basiseenheid van lading. De grootte van de elektrische lading van een object is een veelvoud van de lading van een elektron of proton. Dit wordt een gekwantiseerde lading genoemd . Als de kleinste munteenheid die we gebruiken bijvoorbeeld 100 roepia is, dan wordt het geldbedrag dat iemand heeft uitgedrukt in veelvouden van de kleinste munteenheid, namelijk 100 roepia. Mijn geldbedrag is bijvoorbeeld 100.000 en dit bedrag kan worden gedeeld door 100. Het zou vreemd zijn als mijn geldbedrag 100.002 was, omdat er geen munteenheid van 2 roepia bestaat. Hetzelfde geldt voor de lading van een object. De lading van een elektron is -e en de lading van een proton is +e. De lading van een object is een veelvoud van e, oftewel 1,60 x 10⁻¹⁹ Coulomb , en kan worden uitgedrukt als Q = ±Ne. Q = hoeveelheid lading, ± staat voor het type lading, N = geheel getal, e = 1,60 x 10⁻¹⁹ Coulomb.
Elektrische lading in objecten
Als een atoom evenveel elektronen als protonen heeft, is de totale elektrische lading van het atoom nul en is het atoom neutraal, wat betekent dat het geen elektrische lading heeft. Het aantal protonen of elektronen in een neutraal atoom wordt het atoomnummer (Z) genoemd . Als er meer elektronen dan protonen zijn, is het atoom negatief geladen. Omgekeerd, als er minder elektronen dan protonen zijn, is het atoom positief geladen. Negatief geladen atomen worden negatieve ionen genoemd , terwijl positief geladen atomen positieve ionen worden genoemd . Het proces waarbij een atoom elektronen opneemt of afstaat, heet ionisatie . Wanneer we zeggen dat een atoom geladen is, bedoelen we de totale lading of nettolading. Een atoom heeft bijvoorbeeld 10 elektronen en 7 protonen. Dit atoom is negatief geladen omdat het 3 overtollige negatief geladen elektronen heeft. De nettolading van dit atoom is dus 3 en het type atoomlading is negatief. De getallen 3, 7 en 10 zijn slechts voorbeelden om het gemakkelijker te begrijpen. In werkelijkheid is de hoeveelheid elektrische lading van een object een veelvoud van de lading van een elektron of een proton.
Als een voorwerp evenveel elektronen als protonen heeft, is het neutraal of heeft het geen elektrische lading. Als een voorwerp meer elektronen dan protonen heeft, heeft het een negatieve lading; omgekeerd, als een voorwerp minder elektronen dan protonen heeft, heeft het een positieve lading. Een voorwerp dat aanvankelijk neutraal was, kan negatief geladen worden door er elektronen aan toe te voegen, terwijl een voorwerp positief geladen kan worden door er elektronen uit te verwijderen.
