Elektrický náboj

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání
Elektrický náboj
dva bodové náboje
dva bodové náboje
Název, značka Elektrický náboj, Q
Hlavní jednotka SI coulomb
Značka hlavní jednotky SI C
Rozměrový symbol SI I⋅T
Dle transformace složek skalární
Zařazení v soustavě SI odvozená

Elektrický náboj je fyzikální veličina a vlastnost hmoty, která vyjadřuje schopnost působit elektrickou silou a způsobuje tuto sílu, pokud jsou nabitá tělesa umístěna do elektromagnetického pole. Jsou dva druhy elektrického náboje: kladný, přenášený protony, a záporný, přenášený elektrony. Pokud je celkový náboj roven nule, říká se, že je neutrální. Stejné náboje se odpuzují a opačné přitahují.

Na elektrický náboj platí zákon zachování elektrického náboje,[1] což znamená, že celkový náboj izolované soustavy se nemůže změnit. Hlavními přenašeči elektrického náboje jsou nepohyblivé kladné protony a pohyblivé záporné elektrony. Celkový elektrický náboj tělesa je záporný, pokud celkový počet jeho elektronů je větší než celkový počet jeho protonů, kladný v opačném případě. Tělesa se stejným počtem protonů a elektronů nemají náboj a jsou označována jako elektricky neutrální. Náboj je také kvantovaný, což znamená je jeho hodnota vždy násobkem elementárního náboje e, což je nejmenší elektrický náboj, který může volně existovat. Tato vlastnost se také někdy nazývá zákon kvantování náboje. Kvarky mají menší náboje, násobky 13e, ale ty se vždy spojí do částice, která má jako náboj přirozený násobek e. Proton má náboj +e a elektron -e.

SI odvozená jednotka elektrického náboje je coulomb (C), pojmenovaný po francouzském fyzikovi Charlesu-Augustinovi de Coulombovi. V elektrotechnice bývá také zvykem používat jednotku ampérhodina, například u kapacity elektrických článků, a ve fyzice a chemii se jako jednotka také používá elementární náboj e. V chemii se také můžeme setkat s Faradayovou konstantou, která vyjadřuje celkový náboj jednoho molu částic s elementárním nábojem. Náboj se značí velkým Q, v zahraničí (např. v angličtině) se můžeme setkat i s malým q.

Elektrický náboj vytváří elektrické pole[2]. Elektrické náboje také vytvářejí magnetické pole, pokud se pohybují. Interakce mezi elektrickým nábojem a elektromagnetickým polem (kombinace elektrického a magnetického pole) je zdrojem Lorentzovy síly, která je jednou ze čtyř základních sil.

Elektrický náboj vyjadřuje určitou vlastnost částic, která je spojována se vznikem vzájemného působení mezi tělesy (částicemi) podobným způsobem, jako je hmotnost spojována s existencí gravitačního pole. Přítomnost elektrického náboje je tedy nutná pro vznik elektrického nebo magnetického pole.

Souhrn[editovat | editovat zdroj]

Jednotka[editovat | editovat zdroj]

SI odvozená jednotka elektrického náboje je coulomb (symbol: C). Coulomb je definován jako množství náboje, který projde kolmým průřezem elektrického vodiče s proudem 1 ampér za 1 sekundu. Jednotka coulomb byla navržena v roce 1946 a ratifikována v roce 1948. Celý název veličiny Q je množství nebo velikost el. náboje.[1] K přímému měření el. náboje se používá přístroj zvaný elektrometr, jednoduchým druhem elektrometru je elektroskop, tvořený odpuzujícími se plátky kovu, nebo je možné náboj měřit nepřímo pomocí galvanometru, který měří proud, a času. Při nepřímém měření platí vztah z definice el. náboje:

Velikost náboje 1 elektronu (elementární náboj) je číselně definována jako jedna ze základních konstant SI (od 20. května 2019). Hodnota elementárního náboje e v coulombech je přesně 1,602 176 634×10−19 C.

George Stoney navrhl po objevu kvantovaní el. náboje, aby se této základní jednotce el. náboje říkalo elektron. To bylo před odhalením částice elektron J. J. Thomsonem v roce 1897. Dnes je tato jednotka označována jako elementární náboj nebo jenom e.

Faradayova konstanta se někdy používá jako jednotka při výpočtech v elektrochemii. Jedno F je velikost náboje jednoho molu elektronů, tedy 96485.33289(59) C.

V soustavách jiných než SI, jako například v soustavě CGS, může být el. náboj vyjádřen pouze pomocí tří základních veličin (dráhy, hmotnosti a času) a ne čtyř, jak je tomu v SI, kde je náboj vyjádřen pomocí délky, času, hmotnosti a el. proudu.

Vlastnosti[editovat | editovat zdroj]

  • Tělesa (částice) s nulovým elektrickým nábojem se nazývají elektricky neutrálními tělesy. Tělesa (částice) s elektrickým nábojem (říkáme o nich, že nesou elektrický náboj), se označují jako nabitá tělesa.
  • Elektrický náboj může mít kladnou nebo zápornou hodnotu, čímž se odlišuje od hmotnosti, která je vždy kladná. O tělesech nesoucích kladný náboj říkáme, že jsou kladně nabitá, a tělesa se záporným elektrickým nábojem označujeme jako záporně nabitá.
  • Síly působící mezi dvěma nabitými (nepohybujícími se) tělesy jsou přitažlivé, jestliže mají tělesa náboje s opačnými znaménky, a odpudivé, pokud mají tělesa náboje se shodnými znaménky. Tyto síly se označují jako elektrostatické. Pohybující se nabitá tělesa na sebe navíc působí magnetickými silami. Pohybující se elektrický náboj je popisován pomocí elektrického proudu.
  • Volba kladného a záporného náboje je dána pouze konvencí ještě před objevem elektronu, podle které byl směr elektrického proudu stanoven jako směr od kladného pólu k zápornému; tím pádem došlo k tomu, že elektronu byl posléze přisouzen záporný náboj.
  • Pokud se v tělese nachází více elektrických nábojů, je výsledný elektrický náboj tělesa roven algebraickému součtu elektrických nábojů jednotlivých částí, tzn. , kde označuje elektrický náboj -té části tělesa a je jeho celkový elektrický náboj.
  • Některá tělesa mohou obsahovat nositele kladného i záporného náboje (často ve velkém množství), přičemž celková hodnota elektrického náboje takového tělesa může být nulová, tzn. těleso jako celek je elektricky neutrální. Přestože je celkový elektrický náboj tělesa nulový, bude i takové těleso působit na své okolí určitými elektrickými silami. Nebudou-li nositelé náboje rozptýleni po tělese rovnoměrně, bude se působení těchto sil projevovat i v makroskopickém měřítku. Taková tělesa pak označujeme jako polarizovaná.
  • Při vzájemném působení (interakci) elektricky nabitých částic bylo zjištěno, že celkový elektrický náboj systému, v němž k interakci dochází se nemění, tzn. nedochází k samovolnému vzniku nebo zániku elektrického náboje. Celkové množství náboje v elektricky izolované soustavě tedy zůstává konstantní. Tato skutečnost se označuje jako zákon zachování elektrického náboje. Podle tohoto zákona nelze elektrický náboj vytvořit ani zničit, lze jej jen přemístit.
  • Elektrické náboje, které se mohou volně pohybovat (např. ve vodičích), se označují jako volné náboje. Při polarizaci dielektrika se objevuje také polarizační náboj. Polarizační náboje se na rozdíl od nábojů ve vodičích nemohou v dielektriku přemisťovat na makroskopické vzdálenosti. Proto bývají označovány jako vázané náboje. Celková hodnota vázaných nábojů vzniklých polarizací v celém objemu tělesa je vždy nulová. Existence a rozložení těchto polarizačních nábojů je spojena s přítomností elektrostatického (popř. jiného fyzikálního) pole.
  • Přestože je ve fyzice elektrický náboj často považován za veličinu, které lze přiřadit jakoukoli hodnotu, je dnes již známo, že celkový elektrický náboj je vždy celočíselným násobkem tzv. elementárního náboje (elektrický náboj je tedy kvantován). Velikost tohoto elementárního náboje je rovna náboji elektronu. I malé množství látky však obsahuje velké množství elektrických nábojů, což nás opravňuje přiřazovat celkovému náboji makroskopického tělesa hodnoty, které nemusí být celočíselným násobky elementárního náboje.
  • Nositeli elementárního elektrického náboje jsou u běžných látek protony (kladný náboj) a elektrony (záporný náboj). Náboje obou částic mají stejnou velikost, proto je atom, který má stejně elektronů jako protonů, elektricky neutrální. Elementární náboj má hodnotu
  • Nositelem elektrického náboje jsou i další elementární částice (s výjimkou neutrálních). Náboj hadronů, leptonů i intermediálních částic je vždy roven celému násobku elementárního náboje. U kvarků je roven minus jedné třetině nebo dvěma třetinám elementárního náboje.
  • Elektricky nabitý atom se nazývá ion (kation jestliže atom přijde o elektrony a anion jestliže atom přijme elektrony).

Literatura[editovat | editovat zdroj]

  • Doc. Ing. Ivan Štoll, CSc.: Elektřina a magnetismus, Vydavatelství ČVUT

Související články[editovat | editovat zdroj]

  1. a b physics.mff.cuni.cz [online]. [cit. 2020-11-18]. Dostupné online. 
  2. CHABAY, Ruth; SHERWOOD, Bruce. Matter and interactions. 4th. vyd. [s.l.]: Wiley, 2015. S. 867. (anglicky)