Elektrisk ladning , eller ladningsmengde , er en skalar størrelse knyttet til en hvilken som helst partikkel , og mer generelt et hvilket som helst system av partikler, for a karakterisere den elektromagnetiske vekselvirkninger mellom dem. Ladning er en av de grunnleggende størrelser innenfor fysikken . I SI-systemet males størrelsen i enheten coulomb . ^[1] Fra det latinske uttrykket quantum har en avledet symbolet ${\displaystyle Q}$ eller ${\displaystyle q}$ som brukes i matematiske sammenhenger. Elektrisk ladning er en egenskap ved elementærpartikler . Elektrisk ladede partikler er gjenstand for elektromagnetisk vekselvirkning som er en av de fire fundamentalkrefter i fysikken . Kreftene mellom elektriske ladninger føre til at atomer , molekyler og faste stoffer holder seg sammen, samt fysiske fenomener relatert til elektrisitet som tordenvær og at det knitrer nar en grer haret.

Den totale ladningen i et gitt fysisk system er lik summen av ladningene til delene. Det finnes nøytrale, positive og negative ladninger: I et system der den totale positive ladninger er lik summen av de negative ladninger er nettoladning lik null, og systemet er elektrisk nøytral. For et lukket system er den totale ladningen uforanderlig, noe som er kjent som konservering av ladning . Fysiske systemer kan ikke ha en hvilken som helst størrelse av ladningen, men bare heltall av multipler av elementærladningen ${\displaystyle e}$.

Ladninger spiller en spesiell rolle i elektriske systemer. Flytting av elektrisk ladning betyr at det gar en elektrisk strøm som i sin tur er koblet til magnetisme . Transport av elektriske ladninger utnyttes bade for energioverføring i kraftsystemer, for signaloverføring og signalbehandling i datamaskiner, samt en rekke andre tekniske sammenhenger.

Den elektrisk ladning er et spesialtilfelle av det mer generelle ladningsbegrepet i fysikken som bade kan omfatte elektrisk ladning, fargeladning og svak ladning . Hvis en sammenblanding av begrepene ikke vil kunne skje bruker en bare begrepet ≪ladning≫.

Observasjoner i hverdagen [ rediger | rediger kilde ]

Et spektakulært fenomen i forbindelse med elektriske ladninger er triboelektrisk effekt som fører til lyn . Luft er vanligvis en effektiv elektrisk isolator , men ved store potensialforskjeller kan det inntreffe et overslag. Ved lyn inntreffer et plutselig ladningsutjevning mellom forskjellig ladede omrader i et stormsenter, eller i mer sjelden tilfeller, fra et omrade i tordenværsentret og bakken. Sma gnister ledsaget av en knitrende lyd, kan ogsa oppsta ved pa og avkledning av klær eller nar en grer haret.

Mennesket har ingen spesifikke sanseorganer for a oppfatte elektrisk ladning. Derimot kan et menneske indirekte oppfatte elektrisk ladning hvis det skjer en ladningsoverføring, altsa at det gar en elektrisk strøm gjennom kroppen. En kan oppfatte et svakt elektrisk støt nar en tar pa eller av klær, eller om en gar over et teppe og deretter berører et dørhandtak. Elektrisk strøm kan utløse smerter i nervene i en tann ved elektrokjemiske reaksjoner som forarsaker spenning om forskjellige metall kommer i munnen, for eksempel om en tygger pa aluminiumfolie og har amalgam i en tannfylling. Det oppstar da en liten elektrisk celle som i et elektrisk batteri . Tilsvarende kan en føle iling pa tungen forarsaket av strøm om den berører begge polene pa et batteri.

Ladede artikler kan ogsa bli sanset ved krefter som oppstar. For eksempel kan sma polystyren partikler tilsynelatende utfører bevegelser uten noen fysisk pavirking, dette kan være forarsaket av tiltrekning av samme eller ulikt ladde partikler i nærheten. En kaller dette for statisk elektrisitet der det oppstar pavirkning mellom ladninger i ro, eller tilnærmet ro. ^[2]

Nesten all observerbare dagligdagse fysiske fenomener kan pa forskjellige mater enten tilskrives sterk vekselvirkning eller samspillet mellom elektriske ladninger. For a forklare kjemisk reaksjoner og generelt egenskaper til materie er elektromagnetiske krefter mellom elektronskallene til atomene en vesentlig del av forklaringen, selv om en full forstaelse ofte krever bruk av kvantemekaniske fenomener som spin .

Historie [ rediger | rediger kilde ]

Navngivning [ rediger | rediger kilde ]

Sannsynligvis var det Tales fra Milet (624-547 ar før Kristus), som levde i antikkens Hellas, som først gjennomførte eksperimenter der en kunne observere kraften fra elektriske ladninger. Et eksempel er at et stykke av rav (gresk ηλεκτρ?ν, uttalt elektron ) hadde en tiltrekningskraft som virket pa fuglefjær eller har, etter at en hadde gnidd et stykke rav mot en tørr pels. ^[2]

Hofflegen til Dronning Elizabeth I , William Gilbert (1544-1603) fortsatte arbeidet til Petrus Peregrinus de Maricourt fra 1200-tallet, og fant ut at ogsa andre stoffer kan bli elektrifisert ved friksjon. ^[3] I sin bok fra 1600 De Magnete, Magnetisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (norsk: Om magneter, magnetisk legemer og den store magneten jorden ) skrevet pa latin, der han lante begrepet "electrica" for de fenomener som han oppdaget i forbindelse med rav. Senere har dette begrepet blitt omformet til elektron for a referere til bærere av den negative elementærladning. Denne ble beskrevet av George Johnstone Stoney i 1891, og senere i 1897 pavist av Joseph John Thomson (ogsa ravet forutsetter en negativ ladning). ^[4]

En eller to ladningstyper? [ rediger | rediger kilde ]

William Gilbert regnes som grunnleggeren av teorien for elektrisitet. Han var den første til a skilte mellom elektrisk og magnetiske tiltrekning. Hans forklaring for tiltrekningen mellom rav og andre partikler var at han antok en iboende egenskap i alle legemer ved at friksjon gir "imponderables" (altsa imponderable lys) gjennom en væske. Varmene som blir avgitt i friksjon omgir legemet som en sky av damp. Andre materialer vil bli tiltrukket nar de blir gjennomtrengt av denne disen, dette pa samme mate som tiltrekningen av en stein gjennom jorden. ^[4] Fra Gilberts ≪Fluidumhypothese≫ skriver seg ogsa dagens oppfatning av begrepet om en felt . Forskjellene er imidlertid stor, spesielt pa grunn av at hans hypotese om en dis inkluderer et lekket fluid.

Otto von Guericke (1602- 1686 ) behandlet i sine senere verker statisk elektrisitet, men det er lite av hans arbeid som er kjent. Han oppfant i 1672 en enkel elektrostatisk generator ^[3] som kunne skape en hel rekke fenomener, som for eksempel elektrostatisk induksjon , ledning av elektrisk ladning, lys emittering ( Elektroluminescens ) og fenomenet med at to like elektriske ladninger frastøtes. Inntil da var det bare kjent en tiltrekkende virkningen av elektrisitet, dermed er ikke lener Gilberts forklaring som inkluderer en væske lenger god nok. ^[4]

Charles du Fay (1698-1739) gjennomførte i 1733 eksperimenter med statisk elektrisitet som viste at de to typene elektrisitet kan nøytralisere hverandre nar det gar en elektrisk strøm. Han beskrev typene av elektrisitet som glasselektrisitet (fransk: ≪electricite vitreuse≫) og harpikselektrisitet (fransk: electricite resineuse). Glasselektrisitet tilsvarende i dagens terminologi den positive ladningen. ^[3] Jean-Antoine Nollet (1700-1770) utviklet kunnskapen videre fra disse eksperimentene, med den sakalte "Teorien om to væsker" ^[4] eller dualistisk teori , som ogsa Robert Symmer (1707-1763) tok opp. ^[5] Følgelig ble de to strømvariantene omringet av ≪to væsker≫ ( effluvium og Affluvium ) rundt de elektrifisert legemene. ^{[3] [4]} Et elektrisk nøytralt legeme inneholder ifølge denne teorien samme mengde av begge væsker. I den nær kontakten mellom de to legemene overfører det ene legemet en positiv fluid til det andre, mens det andre legemet avgir den samme mengde av negative fluid til det første. Denne talematen om elektrisitet fra 1700-tallet har fortsatt frem til na ved at en taler om to typer ladning; positiv ladning versus negativ ladning.

Benjamin Franklin (1706-1790) skrev boken Experiments and Observations on Electricity hvor han er den første som nevner begrepet ladning (engelsk ≪charge≫). Tidligere snakket en om ≪legemer som har vært kommet i en elektrisk tilstand≫, men Franklin tok et perspektiv der han sammenligner med en fylt eller overtrukket konto avhengig av redistribusjon ved friksjon. ^[3] William Watson (1715-1787 ) kom pa samme tid frem til en tilsvarende vurdering. Etter denne unitarianisme teorien eller teori om innflytelse er det eneste fluid i en normal elektrisk tilstand nøytralt legemer. Ved friksjon mellom to legemer mot hverandre gar en viss mengde av denne væske over pa det ene, slik at endringen av plasseringen av fluid fører til at legemet lades positivt, mens det andre blir negativt ladet. Franklin kunne ikke forklare hvorfor to like ladete legemer frastøte hverandre med sin teori, men Franz Ulrich Theodor Aepinus (1724-1802) kunne korrigert denne mangelen. I dagens talemate beskrev han partikler som var i en ionisert tilstand. ^[3]

I henhold til Franklins teori om at elektrisiteten av glasselektrisitet og harpikselektrisitet er en mangel, og at elektrisitet alltid strømmer ved a trykke pa ladede og uladede legemer i kun en retning, ble det foreslatt at (i dagens terminolog) det alltid er de positive ladningene som beveger seg. Antagelig ble Franklin ledet til denne antagelsen av sine observasjoner av lysfenomener i sine eksperimenter med ladede metallstrimler.

Fra denne siste teorien om elektrisitet som "flytende" kom ideen om bevaring av ladning som et gjennombrudd. Ladningene blir ikke generert ved friksjon, men er bare adskilt fra hverandre. Siden retningen av kraften mellom to ladninger ved bruk av to-fluidmodellen kan beskrives med typen av ladninger involvert, kom Charles Augustin Coulomb (1736-1806 ) opp med en dualistiske modellen med "to væsker" og foreslo at det finnes to typer ladning. Dagens perspektiv at begge modeller gir samme resultat. ^[3]

Kvantitative eksperimenter [ rediger | rediger kilde ]

Robert Boyle (1627-1692) oppdaget i 1675 at elektrisk tiltrekning og frastøting ogsa skjer gjennom vakuum, ^[3] Francis Hauksbee utdypet disse studiene ved hjelp av elektriske lysende fenomener i vakuum. Stephen Gray (1666-1736)fant i 1729 pa a dele materialer i ledende og ikke-ledende . Han paviste ogsa at det menneskelige legeme kan lede elektrisk strøm. ^[4]

I siste kvartal av 1700-tallet forskjøv fokuset seg fra a komme opp med teorier om elektrisitet til kvantitative studier innenfor elektrostatikk. Arsaken til dette var oppfinnelsen av leidenflasken som viste seg a være meget hensiktsmessig for slike eksperimenter. Spesielle har forskningen utført av Joseph Priestley (1733-1804) og Coulomb gitt viktige bidrag. Coulomb publiserte i 1785 naturloven som har fatt navn etter ham, altsa Coulombs lov , der det sies at størrelsen av kraften ${\displaystyle F}$ mellom to ladede kuler er proporsjonal med produktet av de to ladningsmengder ${\displaystyle q_{1}}$ og ${\displaystyle q_{2}}$ og omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden mellom sentrene av kulene ${\displaystyle r}$. Avhengig av fortegnet av ladningene virker kraften tiltrekkende eller frastøtende med retning pa forbindelseslinjene av midtpunktene til kulene. Loven skrives slik:

${\displaystyle F=k{\frac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}}\,}$

der ${\displaystyle k}$ er en konstant avhengig av hvilke maleeneheter som benyttes. I SI-systemet konstanten ${\displaystyle k}$ gitt av:

${\displaystyle k={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}=8,987742438\times 10^{9}\,\mathrm {Nm^{2}C^{-2}} }$

hvor ${\displaystyle \epsilon _{0}}$ er permittiviteten til vakuum.

I 1820 ble det for første gang pavist en sammenheng mellom magnetiske og elektriske ladninger i bevegelse. Hans Christian Ørsted (1777-1851) paviste at en kompassnal blir pavirket av en elektrisk leder som fører en strøm. Ogsa Andre-Marie Ampere (1775-1836) drev med lignende undersøkelser. Noen fa ar senere oppdaget Michael Faraday (1791-1867) og Joseph Henry (1797-1878) at en magnet som beveges over en elektrisk ledersløyfe vil forarsake elektrisk strøm i den. Dermed ble fenomenet elektromagnetisk induksjon oppdaget og beskrevet. Senere fant en ut at det er nær sammenheng mellom elektrisk og magnetiske fenomener. ^[6]

Da Faradays elektrolyselov ble formulert i 1832 av Faraday ble det etablert en relasjon mellom elektrisk ladning og konvertering av masse (mengden materie avsatt pa elektroden under elektrolyseprosessen). I et foredrag han holdt i 1833 for Royal Society viste Faraday at ≪forskjellig elektrisitet≫ kunne inndeles i ≪statisk elektrisitet ≫ (eller ≪vanlig elektrisitet≫), den ≪atmosfærisk elektrisitet≫, den ≪fysiologisk elektrisitet≫ (eller ≪dyrisk elektrisitet≫), den ≪voltaiske elektrisitet≫ (eller ≪berørings elektrisitet≫) og den ≪termoelektriske elektrisitet≫. Alle disse var i virkeligheten bare ulike aspekter av et fysisk prinsipp som han kalte ≪magnetisk elektrisitet≫. ^[3] Det som ogsa var klart var at den elektriske ladningen er en grunnleggende egenskap ved materien for alle disse fenomenene. Et viktig bidrag fra Faraday til teorien om elektrisitet var systematisk innføring av felt-begrepet for beskrivelse av elektriske og magnetiske fenomener.

I 1873 oppdaget fysikeren Frederick Guthrie (1833-1886) at en positivt ladet elektroskop ble ladet nar et jordet, glødende metallstykke ble brakt i dets nærhet. ^[7] I tilfelle med et negativt ladet elektroskop skjer det ingenting, noe som tilsier at glødende metall bare kan avgi negativ ladninger, samt at elektrisk strøm bare kan flyte i en retning. Thomas Edison (1847-1931) gjenoppdaget dette fenomenet i 1880 med eksperimenter med glødelamper og søkte om en patent basert pa denne oppdagelsen i 1883. ^[8] Den ≪gløde-elektriske effekt≫ har fatt sitt navn fra Edison og Owen Willans Richardson (1879-1959). For denne oppdagelsen fikk Richardson nobelprisen i 1928, videre er fenomenet er kjent som Edison-Richardson-effekten .

I 1897 var Joseph John Thomson i stand til a bevise at katodestraler bestar av elektroner. Gjennom et sterkt vakuum var han i stand til a bestemme forholdet mellom ladning og masse. Thomson antok at elektronene allerede var til stede i atomer som katoden bestar av, dermed fikk han ideen til den første atommodellen i 1903 som tilskriver at atomene har en indre struktur.

Den diskret karakter til elektrisk ladning som ble forutsett av Faraday pa grunnlag av elektrolyseeksperimentet pa 1800-tallet, ble bekreftet av Robert Andrews Millikan (1868-1953) i det sakalte Millikan-ekserimentet . I dette eksperimentet ble det vist at ladede oljedraper alltid blir ladet med et helt multiplum av elementærladning. Millikan oppga ogsa et godt anslag for tallverdien til elementærladningen.

Egenskaper til elektrisk ladning [ rediger | rediger kilde ]

Elektrisk ladning er en skalar størrelse knyttet til en hvilken som helst partikkel, og generelt et hvilket som helst system av ladninger, som brukes for a karakterisere deres elektromagnetiske vekselvirkninger. ^[9]

Total ladning [ rediger | rediger kilde ]

Den elektriske ladningen kan anta positive eller negative verdier. En taler som oftest om to typer elektriske ladninger. ^[10] For eksempel har et elektron eller et myon ladningen -e , mens et positron eller et proton har ladningen +e .

En partikkel og dens antipartikkel har nøyaktig motsatt samme mengde ladning. For eksempel bærer antiprotonet , antipartikkel til protonet, ladningen -1  e .

Den absolutte ladningen til et legeme eller en vesentlig mengde materie er summen av alle elementærladninger som det inneholder. Derfor brukes ogsa begrepene total ladning , netto ladning eller overskytende ladning . Betydningen av disse begrepet er basert pa det faktum at de elektriske virkninger av positive og negative ladninger opphever hverandre da deres innbyrdes avstand er ubetydelig sammenlignet med avstanden til virkningsstedet (der legemet betraktes). Dermed kan et lithiumion pa avstander av bare noen fa nanometers avstand betraktes som en enkelt ladningsbærer med kun en enkel positiv ladning og skreves som dette; Li ⁺ , se illustrasjon til høyre. Denne typen oppheving av enkeltladninger i et legeme fungerer pa samme mate selv med hundrevis av milliarder av ladningsbærere, slik som i tidligere beskrevet Millikan-eksperimentet.

For a gi et legeme en netto negativ ladning ma det enten tilføres negativ ledning eller tas vekk positiv ladning. Pa samme mate ma det tilføres positiv ladning eller fjernes negativ ladning for a gi et legeme netto positiv ladning. I de fleste tilfeller er det snakk om a tilføre eller fjerne elektroner, siden disse partiklene er svært mobile. Dermed er et positiv ladet legeme et som har mistet noen av sine normalt tilstedeværende elektroner. Vanligvis vil nettoladningen alltid utgjøre en svært liten del av den totale positive eller negative ladningen i legemet. Nettoladning utgjør gjerne ikke mer enn 10 ^?12 av totalladningen. ^[11]

En elektrisk nøytral partikkel har ikke har noen ladning (for eksempel et nøytron , som er markert som gra i illustrasjonen av litiumionet til høyre). Pa den annen side er et legeme nøytral om det bærer det samme antallet av positive og negative elementærladninger, for eksempel et heliumatom med to protoner og to elektroner.

Et atom som har fatt fjernet ett eller flere av sine elektroner kalles et positivt ion , mens et atom som har fatt flere elektroner enn det normalt har kalles for et negativt ion . Tilførsel eller fjerning av elektroner kalles ionisering . ^[11]

Med en ladningsseparasjon er det tale om visse romlige omrader der en av ladningstypene dominerer, dermed er ikke den absolutt ladning null. Ved ladningsseparasjon i et legeme eller i partikler er angivelse av den totale ladning utilstrekkelig. For eksempel kan den totale ladningen for bade ladet og utladet kondensatorer være null. Mens platene i en uladet kondensator hver for seg er elektrisk nøytralt, bærer platene i en ladet kondensatoren like mye og et motsatt overskudd av ladninger som genererer et elektrisk felt mellom dem. Sett et stykke fra kondensatoren kan selv den ladede kondensatoren betraktes som elektrisk nøytral.

Bevaring av ladning [ rediger | rediger kilde ]

Med bevaring av ladning forstas fenomenet at i et lukket system er den elektriske ladningen til en hver tid konstant. Om for eksempel en elektrisk nøytral plaststav gnis mot en nøytral pels, sa vil plaststaven bli negativ og pelsstykket like mye positivt. Dette fordi pelsstykket har mistet like mange elektroner som staven har mottatt. Men den totale elektriske ladningen for de to objektene til sammen har ikke endret seg. Slik er det i alle fenomener med elektrisk ladningsprosesser, det er alltid snakk om forflytning av ladninger. ^[12]

Fenomenet med bevaring av ladning har som konsekvens at om systemet utsettes for elektromagnetisk straling eller fotoner vil dette ikke genereres noen ladning. Resultatet av dette er at under det som i fysikken kalles pardannelse , for eksempel at det samtidig som det dannes et elektron, dannes ogsa dens antipartikkel positronet. Dermed blir den total ladningen pa null skapt, men ladingsmengden blir den samme. Det samme er tilfelle i det motsatte av denne prosessen, i fysikken kalt annihilasjon av et par av en partikkel og anti-partikkel, hvor den total ladning ogsa blir null.

Som med alle grunnleggende bevaring i fysikken baserer loven om bevaring av elektrisk ladning seg pa observasjoner og eksperimenter. Sa langt har alle relevante eksperimenter bekreftet at elektrisk ladning bevares, noen med svært høy nøyaktighet. I den formelle teoretisk beskrivelsen av bevaring av elektrisk ladningen uttrykkes ved en kontinuitetsligning , som er en konsekvens av Maxwells ligninger . En mer abstrakt egenskap innenfor elektromagnetisme er dens invarians (ofte kalt symmetri ) under gaugetransformasjoner . Derfor er kvanteelektrodynamikk kjent som en gaugeteori . I henhold til Noethers teorem betyr invarians under gaugetransformasjoner i elektrodynamikken at den elektriske ladningen er bevart.

I tilsynelatende motsetningen til bevaring av ladningen er omtalen av en ladningsgenerering eller utladning. Dette betyr imidlertid en lokal opphopning av positiv eller negativ ladning, noe som faktisk er en ladningsseparasjon (altsa ikke generering).

Opplading [ rediger | rediger kilde ]

For a lade, i betydningen a skape et overskudd av ladning, av et tidligere nøytralt legeme ma det absorbere eller avgi ladningsbærere. Men selv i tilfelle av en ujevn ladningsfordeling i et helt nøytral legeme, snakker man om ≪ladingen≫. Dette skjer for eksempel pa grunn av et patrykt elektriske felt eller ved bevegelser pa en molekylær skala. I tilfelle av et polarisert materiale er ladningen bundet, og med innflytelse av ≪fritt bevegelig≫ ladningsbærere forskyves disse i en leder.

Et velkjent hverdagslig fenomen er mekanisme for separasjon av ladninger ved friksjon . Hvis for eksempel en ballong blir gnidd mot en genser, sa vil elektroner overføres fra ett materiale til det andre. Det som da skjer er at elektroner og de resterende atomkjernene blir separert og gir opphav til sakalt berøringselektrisitet . I en Van de Graaff-generatoren skjer bade berøringselektrisitet og elektrostatisk induksjon.

I elektriske batterier og akkumulatorer er det kjemiske reaksjoner som brukes til a omfordele en stor mengde av ladningsbærere (elektroner eller ioner ). Som i en kondensator er den totale ladningen null. Men i motsetning til i en kondensator, der spenningen stiger nesten lineært, forblir spenningen i et batteri tilnærmet konstant. Derfor er kapasiteten til en kondensator som energilager oppgitt i Farad (coulomb pr volt), mens kapasiteten til et batteri males som en ladningsmengden i Ah (amperetimer), der 1 Ah er lik 3600 coulomb.

Ladningsseparasjon kan ogsa være forarsaket av elektromagnetiske bølger, som for eksempel lys. Om det har en tilstrekkelig høy frekvens og treffer en metalloverflate, frigjøres elektroner ved den fotoelektriske effekten . Disse kan sa oppfanges ved ved en positiv anode .

Relativistisk invarians [ rediger | rediger kilde ]

Ladningen Q til et legeme er ikke bare en konservert kvantitet, men ogsa uavhengig av legemets hastighet . Det vil si at den elektriske ladning er en relativistisk invariant , noe som innebærer at den totale ladning av et objekt ikke pavirkes av lengdekontraksjon . Denne egenskapen har ladningen til felles med den invariant masse i et system, men skiller seg for eksempel fra energi . Eksempel viser at relativistiske invarians ikke er selvinnlysende for bevaring av mengder, men er i seg selv en ytterligere egenskap.

Pa teoretisk niva kan relativistisk invarians til ladningen Q oppfattes som et volumintegral av ladningstettheten ${\displaystyle \rho }$:

${\displaystyle Q=\int \rho \,d^{3}x}$

Ved Lorentz-transformasjon forvandler ladningstetthet som tidskomponenten i en firevektor . Denne gjennomgar en endring analogt til tidsdilatasjon . Derimot vil det differensielle volumelementet ${\displaystyle d^{3}x}$ gjennomga en Lorentz-sammentrekning. Disse to effektene opphever hverandre akkurat slik at ladningen selv forblir uendret.

Interferensforsøk , for eksempel utført av Claus Jonsson (1930-), med elektroner i forskjellige hastigheter viser at deres ladninger er uavhengig av hastigheten. Ved temperaturendringer vil ladningen til et fast legeme endres pa grunn av at hastigheten av dets elementærpartikler øker, som et resultat av økt termisk energi. Her er det elektronene som gjennomsnittlig far en mye større hastighet enn de positive atomkjernene med mye større masse.

Kvantekarakter [ rediger | rediger kilde ]

Elektrisk ladet materie kan ikke bære hvilken som helst kontinuerlig ladningsmengde. Ladningen til alle kjente elementærpartikler har blitt malt eksperimentelt med det resultat at alle leptoner og antipartikler alltid er heltallige multipler av elementærladningen ${\displaystyle e}$. Byggesteinene til atomer, altsa protonet og elektronet har ladningen ${\displaystyle +e}$ og ${\displaystyle -e}$, mens nøytronet er uten elektrisk ladning. Den naværende (2015) nøyaktig verdi av denne natur konstanten er ${\displaystyle e=16021766208(98)\cdot 10^{-19}\ \mathrm {C} }$ ^[13] . Tallene i parentes indikerer usikkerhet i de siste sifrenes verdi, hvor CODATA har angitte tallverdien med usikkerhet.

Nukleoner som nøytroner og protoner bestar av kombinasjoner av andre partikler kalt kvarker . Disse har ladningen ${\displaystyle -{\tfrac {1}{3}}~e}$ eller ${\displaystyle +{\tfrac {2}{3}}~e}$. Imidlertid er det aldri observert kvarker i fri tilstand, bare i bundet tilstander. Nøytroner og protoner bestar alltid av flere heltallige multipler av kvarker. Dermed er alle elementærpartikler som oppstar i fri tilstand multipler av elementærladningen. ^[14]

Denne kvantekarakteren er teoretisk begrunnet i den elektrosvake modellen der elektriske ladningen er en attributt ved svake hyper-ladning og svak isospin . Imidlertid kan denne modellen ikke forklare hvorfor svake hyperladning og svak isospin bare kan anta visse verdier. Sa langt er ≪arsaken≫ til den observerte kvantifiseringen av ladning uforklarlig; dette er en av de største gater innenfor fysikken. ^[15] I henhold til Paul Diracs (1902-1984) teori om eksistensen av en magnetisk monopol og dermed ogsa magnetiske ladninger, bety at elektrisk ladning er kvantisert . Slike magnetiske monopoler er til na ikke pavist.

Utenfor atomstrukturer er det imidlertid relevant a betrakte ladninger som kontinuerlige størrelser. Selv en liten strøm pa bare en nano ampere innebærer en ladningstransport pa rundt seks milliarder elektroner per sekund. Dermed er det innenfor elektroteknikken uinteressant a betrakte enkeltladninger. Et unntak er imidlertid shot støy en type forstyrrelser som oppstar ved elektronisk bildebehandling.

Elektrisk ladning i kvantefeltteori [ rediger | rediger kilde ]

I sammenheng med kvantefeltteori er elementærladningen koblingskonstanten for elektromagnetiske interaksjon. Fra stastedet til renormaliseringgruppen er koblingskonstantene innenfor kvantefeltteori ikke konstanter, men er avhengig av energiskalaen. Dessuten er elementærladningen ogsa avhengig av energiskalaen, fordi den øker med økende energi. Dette betyr at ved meget høye energier oppstar sterkere vekselvirkning mellom ladede partikler. Som et resultat er det mer sannsynlig med partikkelreaksjoner ved høye energier ved elektromagnetiske vekselvirkning. Sannsynligheten for at for eksempel en kollisjon mellom to elektroner fører til dannelse av et elektron-positron-par øker med energien i sammenstøtet.

Den elektrosvake modellen sier at elektromagnetisme er et effektivt samspill ved lave energier, som blir igjen etter et spontant symmetribrudd ved hjelp av Higgs mekanismen . Ved høyere energier tar derfor to interaksjoner plassen til elektromagnetisme, og elektrisk ladning blir erstattet av den svake hyperladning og svak isospin. Følgelig kan den elektriske ladning i en viss forstand betraktes som sammensatt av disse to typer ladning.

Symmetrien av positiv og negativ ladning er av betydning innenfor kvantefeltteori. Transformasjonen som reverserer alle tegn pa de elektriske ladninger i en partikkelsystem kalles C . En ytterligere viktige forandringer i det følgende er P som er punktspeilingen av rommet pa nullpunktet, og T reversering av retning til tiden. CPT-teoremet som er et grunnleggende utsagn om alle kvantefeltteorier, sier at spredningsprosesser er nøyaktig like nar alle de tre transformasjoner anvendes pa systemet. Dette gjelder imidlertid ikke for en enkelte transformasjon. Det er paritetsbrudd prosesser som forløper annerledes hvis bare P er brukt, og ved CP -brudd (ladningsparitets-brudd) oppstar nar en prosess forløper annerledes enn sin romlige og lade speilet motstykke.

Sammen med andre størrelser [ rediger | rediger kilde ]

Elektrisk ladning som grunnlaget for elektrisitetslæren [ rediger | rediger kilde ]

Elektrisk ladete legemer omgir seg med et elektrisk felt og blir selv pavirket av slike felter. Mellom de ladede legemene virker Coulomb kraften , som sammenlignet med gravitasjonskraften mellom ladningsbærerne er svært sterk, mellom to protoner er for eksempel den elektriske frastøtingen 10 ³⁵ ganger sterkere enn gravitasjonskraften mellom dem. Kraften forarsaker tiltrekking mellom en positiv og en negativ ladning, men frastøting mellom to like ladninger. En skulle kanskje tror at frastøtingen mellom protonene i atomkjernen fikk disse til a fare fra hverandre. Imidlertid virker den sterke kjernekraft til a holde nukleonene i atomkjernen sammen til tross for frastøtningskreftene mellom protonene. ^[16] Elektrostatikken handler om elektriske ladninger i ro, deres distribusjon av ladning og det elektriske felt mellom dem.

Ved utlading av legemer avgis energi, som opprinnelig ble brukt for a skille motsatte ladninger som tiltrekker hverandre. Denne energien som trengs til ladningsseparasjon forekommer som elektrisk feltenergi. Elektrisk spenning indikerer hvor mye energi som er nødvendig for a flytte et objekt med en viss elektrisk ladning i det elektriske feltet.

Nar elektriske ladninger beveger seg snakker en om elektrisk strøm. Bevegelse av elektriske ladninger er arsak til elektromagnetiske felter . Om en ladning beveges gjennom et magnetisk felt oppstar en resulterende kraft pa ladningen, kalt Lorentzkraften . Det samme vil ogsa skje med en elektrisk leder i et magnetfelt. Dette er det grunnlegende prinsippet bak elektriske motorer . Motsatt vil et varierende magnetfelt forarsake at det induseres spenning i en elektrisk ledersløyfe. Dette kalles elektromagnetisk induksjon og beskrives av Faradays lov . Loven sier at den induserte elektromotoriske spenningen i en krets er lik forandringen av den magnetisk fluks som omslutter kretsen. Matematisk uttrykkes dette slik:

${\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi _{\mathrm {B} }} \over dt}\ }$

der ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ er elektromotorisk spenning (EMS) og Φ _B er magnetisk fluks. Uttrykket sier altsa at det er den tidsderiverte av fluksen som gir en indusert EMS. Dette fenomenet utnyttes i elektriske generatorer .

En mer generell beskrivelse av dette er gitt med Maxwells ligninger og den spesielle relativitetsteori . Bevegelige ladninger i generelle form studeres i elektrodynamikken . Vekselvirkning mellom ladete partikler som finner sted ved hjelp av fotoner er tema innenfor kvanteelektrodynamikken .

Ladningstetthet og elektrisk felt [ rediger | rediger kilde ]

Beskrivelsen av elektriske vekselvirkninger mellom elementærpartikler er praktisk bare i systemer med fa partikler. For mange formal er det imidlertid helt tilstrekkelig a arbeide med romlig og tidsmessige gjennomsnittsstørrelser siden de sma detaljene er ubetydelig for den makroskopiske fremstillingen. I utgangspunktet ble de grunnleggende likningene for elektromagnetismen etablert uten a vite om submikroskopiske strukturer. Ved a benytte teknikker for middelverdiberegninger forblir de grunnleggende likninger for elektromagnetisme uendret. Hvorvidt de midlere eller de nøyaktige likningene benyttes er gitt ut fra sammenhengen.

Ladningsfordeling i rommet er beskrevet ved en ladningstetthet ρ . Denne gir opphav til et elektrisk felt E som er gitt av Gauss' lov . Ved bruk av Nabla-operatoren kan den uttrykkes ved divergensen

${\displaystyle {\boldsymbol {\nabla }}\cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\epsilon _{0}}}}$

hvor ε er permittiviteten til vakuum, ogsa kalt den elektrisk feltkonstanten. Dette betyr at elektrisk feltlinjer har sin kilde i positive ladninger og negative ladninger tar dem opp.

I kovariant relativitetsteori kan det elektriske feltet kombineres med det magnetiske feltet i Faradays felttensor . Romladningstetthet ρ multiplisert med lysets hastighet c danner sammen med elektrisk strømtetthet J en firevektor J ^μ = ( cρ , J ) .

Ladning og elektrisk strøm [ rediger | rediger kilde ]

Nar en elektrisk strøm flyter betyr det at ladningsbærere passerer gjennom et omrade, for eksempel tverrsnitt av en elektrisk leder, per tidsenhet (ogsa bare kalt ≪strøm≫). Denne parameteren gis symbolet ${\displaystyle I}$.

Enkelt sagt er forholdet mellom elektrisitet ${\displaystyle I}$ og ladning ${\displaystyle Q}$ gitt av uttrykket:

${\displaystyle I={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} t}}}$.

Hvor mye elektrisk ladning som er flyttet i tiden mellom ${\displaystyle t_{0}}$ og ${\displaystyle t}$ følger av integrering pa begge sider av uttrykket:

${\displaystyle Q(t)=Q(t_{0})+\int \limits _{t_{0}}^{t}I(t)\ \mathrm {d} t}$

For et konstant strøm er forholdet mellom ladning og strøm:

${\displaystyle I={\frac {Q}{t}}\quad \Leftrightarrow \quad Q=I\cdot t}$.

Basert pa denne ligningen sees det at coulomb kan representeres som ${\displaystyle 1\,\mathrm {C} =1\,\mathrm {As} }$. Dette forholdet angir grunnenhetene ampere og sekund er coulomb i SI-systemet .

Pa grunn av konservering av ladningen vil ladningsmengden i et gitt romlig omrade varierer bare i den grad ladningen strømme inn eller ut av dette omradet. Dette tilsvarer tilsvarer kontinuitetsligningen . Ladningen regnes lik volumintegralet av ladningstettheten ${\displaystyle \rho }$ innenfor det gitte rommet ${\displaystyle V}$. Endringen av denne ladningen er lik flateintegralet av strømtettheten J  over den lukkede overflaten ${\displaystyle S}$ til volumet ${\displaystyle V}$ ( ${\displaystyle S=\partial V}$, ≪randen av ${\displaystyle V}$≫), og er lik den elektriske strømmen ${\displaystyle I}$. Strømretningen ut av volumet er definert som positiv:

${\displaystyle -{\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\iiint _{V}\rho \,\mathrm {d} V=\iint _{\partial V}\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\;\;\;\subset \!\supset \mathbf {J} \;\cdot \mathrm {d} \mathbf {S} =I}$.

Ved bruk av divergensteoremet finner man herav kontinuitetsligningen pa vanlig form.

Maling av elektrisk ladning [ rediger | rediger kilde ]

Ladningsmengden for en Coulomb tilsvarer rundt 6,24 · 10 ¹⁸ elementærladninger. For bestemmelse av den totale ladningen for et system er det i regelen ikke lett a telle ladninger. Indirekte kan den av eller paløpte ladningen til et omrade (for eksempel et legeme) bestemmes ved a male strømstyrken: Nar en strøm flyter med konstant intensitet ${\displaystyle I}$ i perioden ${\displaystyle t}$ transporteres en ladningsmengde pa ${\displaystyle Q=I\cdot t}$. Generelt er den ladning som har gatt inn i, eller gjennom et legeme, integralet av elektriske strøm over tid.

I utgangspunktet kan verdien av en ladning q ogsa bestemmes ved at et elektrisk felt av kjent feltstyrke E maler den kraften F som virker pa et ladningen. Definisjonen av feltstyrken gir

${\displaystyle \mathbf {F} =q\mathbf {E} }$.

Denne metoden er underlagt strenge restriksjoner: Prøven ma være liten, bevegelig og være svært godt elektrisk isolert. Ladningen til testlegmet ma ikke pavirke det elektriske feltet, noe som er vanskelig a verifisere. Derfor bør ladningen være lav, men da vil kraften ogsa være vanskelig a male.

Ulempene som er beskrevet med metoden over har ingen videre tiltak for, men en metode for a male store ladninger finnes. Den er basert pa forholdet mellom kapasitans C til en kondensator og spenning U :

${\displaystyle Q=CU}$

En kondensator med kjent kapasitet kan lades opp med den ladningen som skal males, for deretter a male spenningen som oppstar over dens terminaler. Denne malingen ma utføres med høy motstand, det vil si at den bare ma oppta en ubetydelig mengde av den ladning fra den ladningen som skal males. Dette gjøres med en elektroskop eller bedre med en impedans-omformer. Imidlertid ma kapasiteten av ladningskilden være kjent siden noe av ladningen forblir der. En spenningsløs maling med en integrator (uten inngangsmotstand ogsa kjent som en kostnad forsterker) unngar dette problemet.

Referanser [ rediger | rediger kilde ]

Litteratur [ rediger | rediger kilde ]

• Karoly Simonyi (1995). Kulturgeschichte der Physik (tysk) . Harri Deutsch, Thun. ISBN   3-8171-1379-X .  

• Hans-Peter Sang (1999). Geschichte der Physik (Band 1) (tysk) . borrelas. ISBN   3-12-770230-2 .  
• Richard P. Feynman: Feynman-Vorlesungen uber Physik. Oldenbourg, Munchen/Wien 2007, ISBN 978-3-486-58444-8 .
• Paul A. Tipler: Physik. 3. korrigierter Nachdruck der 1. Auflage. 1994, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg/Berlin, 2000, ISBN 3-86025-122-8 .
• Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer: Elektromagnetismus. In: Lehrbuch der Experimentalphysik. Bd. 2, 9. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2006, ISBN 978-3-11-018898-1 .
• Wolfgang Nolting: Elektrodynamik. In: Grundkurs Theoretische Physik. Bd. 3, 8. Auflage. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-71251-0 .
• Hugo D. Young og Roger A. Freedman (2008). University Physics (engelsk) (XII utg.). Addison Wesley. ISBN   978-0-321-50130-1 .  

Eksterne lenker [ rediger | rediger kilde ]

• Elektrisk laddning (svensk).
• Forelesning om elektriske ladninger og elektriske krefter (engelsk).
• Historien om de elektriske enhetene (engelsk).