Materiał ładunku elektrycznego
Proszę, obserwuj jeden z obiektów wokół ciebie. Jeśli zniszczysz obiekt, na przykład skałę, rozpadnie się ona na kilka mniejszych kawałków. Jeśli skała zostanie ponownie rozkruszona, rozpadnie się na jeszcze mniejsze kawałki. Co się stanie, jeśli kawałki skały zostaną ponownie rozkruszone? Oczywiście, kawałki skały zostaną rozkruszone i zamienione na jeszcze mniejsze kawałki. Czy skały można dzielić na jeszcze mniejsze kawałki, aż będą nieskończone? Fakt ten pokazuje, że każdy obiekt podzielony na mniejsze części dotrze do punktu, w którym najmniejszej części obiektu nie da się podzielić na mniejsze części. Najmniejsza część obiektu, której nie można już dalej podzielić, nazywa się atomem. Zatem atom jest najmniejszą częścią każdej materii we wszechświecie.
Ładunek elektryczny w atomach
Atomy składają się z elektronów, protonów i neutronów. Protony i neutrony tworzą jądro atomowe, którego średnica wynosi około 10-15 metrów . Elektrony znajdują się na zewnątrz jądra i krążą wokół niego jak planety wokół Słońca. Zakładając, że średnica atomu wynosi kilka kilometrów, jądro ma rozmiar zbliżony do kuli bilardowej, a elektrony znajdują się w jego wnętrzu, pokonując odległość około 10-10 metrów . Pomiędzy jądrem a elektronem znajduje się pusta przestrzeń.
Elektrony o ładunku ujemnym znajdują się na krawędziach atomu, a protony o ładunku dodatnim w jądrze. Aby elektrony krążyły wokół jądra i nie uciekały z atomu, dodatnio naładowane jądro musi wywierać na nie siłę przyciągającą. Siła ta, która utrzymuje elektrony na orbicie jądra i zapobiega ich ucieczce, nazywana jest siłą elektryczną.
Z kolei wewnątrz jądra atomowego znajdują się dodatnio naładowane protony, które naturalnie się odpychają, ponieważ mają ten sam ładunek. Aby utrzymać protony razem w jądrze atomowym i zapobiec ich oderwaniu się od atomu, musi istnieć siła, która je ze sobą połączy. Siła, która utrzymuje protony razem w jądrze atomowym, nazywa się siłą jądrową.
Masa protonu jest niemal taka sama jak masa neutronu. Około 99,9% masy atomu jest skoncentrowane w jądrze, podczas gdy elektrony mają bardzo małą masę. Masa elektronu (m e ) = 9,1093897 × 10 -31 kg, masa neutronu (m n ) = 1,6749286 × 10 -27 kg, a masa protonu (m p ) = 1,6726231 × 10 -27 kg.
Ilość ładunku elektrycznego
Elektrony mają ładunek ujemny, protony dodatni, a neutrony są elektrycznie obojętne. Protony i neutrony, z których zbudowane jest jądro atomowe, składają się z kwarków, których ładunki są około 1/3 i około 2/3 razy większe od ładunków elektronów. Kwarki to najmniejsze cząstki budujące atomy, ale jak dotąd nie odkryto ich występowania jako pojedynczych cząstek.
Wielkość ładunku elektronu lub ładunku protonu jest podstawową jednostką ładunku. Wielkość ładunku elektrycznego obiektu jest wielokrotnością ładunku elektronu lub ładunku protonu. Nazywa się to ładunkiem skwantowanym . Na przykład, jeśli najmniejszym nominałem waluty, której używamy, jest 100 rupii, to ilość pieniędzy, jaką posiada dana osoba, jest wyrażona w wielokrotnościach najmniejszej waluty, mianowicie 100 rupii. Na przykład, kwota moich pieniędzy wynosi 100 000 i to 100 000 można podzielić przez 100. Dziwne byłoby, gdyby kwota moich pieniędzy wynosiła 100 002, ponieważ nie ma nominału 2 rupii. Podobnie, ilość ładunku obiektu. Ilość ładunku elektronu wynosi -e, a ilość ładunku protonu to +e. Ilość ładunku obiektu jest wielokrotnością e lub 1,60 x 10 -19 Coulomba i można ją wyrazić za pomocą Q = ±Ne. Q = ilość ładunku, ± oznacza rodzaj ładunku, N = liczba całkowita, e = 1,60 x 10 -19 Kulomba.
Ładunek elektryczny w obiektach
Jeśli atom ma taką samą liczbę elektronów jak protonów, to całkowity ładunek elektryczny atomu wynosi zero, a atom jest neutralny, co oznacza, że nie ma ładunku elektrycznego. Liczba protonów lub elektronów w neutralnym atomie nazywana jest liczbą atomową (Z) . Jeśli elektronów jest więcej niż protonów, atom jest naładowany ujemnie. I odwrotnie, jeśli elektronów jest mniej niż protonów, atom jest naładowany dodatnio. Atomy naładowane ujemnie nazywane są jonami ujemnymi , podczas gdy atomy naładowane dodatnio nazywane są jonami dodatnimi . Proces pochłaniania lub uwalniania elektronów z atomu nazywa się jonizacją . Kiedy mówimy, że atom jest naładowany, mamy na myśli całkowity ładunek lub ładunek wypadkowy. Na przykład, atom ma 10 elektronów i 7 protonów. Ten atom jest naładowany ujemnie, ponieważ ma 3 nadmiarowe ujemnie naładowane elektrony. Tak więc całkowity ładunek tego atomu wynosi 3, a rodzaj ładunku atomowego jest ujemny. Liczby 3, 7, 10 to tylko przykłady, które mają ułatwić zrozumienie. W rzeczywistości ładunek elektryczny obiektu jest wielokrotnością ładunku elektronu lub protonu.
Jeśli obiekt ma tyle samo elektronów, co protonów, to jest on neutralny lub nie ma ładunku elektrycznego. Jeśli obiekt ma więcej elektronów niż protonów, to ma ładunek ujemny, i odwrotnie, jeśli obiekt ma mniej elektronów niż protonów, to ma ładunek dodatni. Obiekt, który początkowo był neutralny, można naładować ujemnie, dodając do niego elektrony, natomiast obiekt można naładować dodatnio, redukując liczbę elektronów w obiekcie.
