Elektrický náboj

Elektrický náboj
dva bodové náboje
Název veličiny a její značka	Elektrický náboj Q
Hlavní jednotka SI a její značka	coulomb C
Rozměrový symbol SI	I⋅T
Dle transformace složek	skalární
Zařazení jednotky 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 v elektromagnetickém poli. Jsou dva druhy elektrického náboje: kladný, přenášený protony, a záporný, přenášený elektrony. Pokud je celkový náboj roven nule, říká se, že je neutrální. Shodné náboje se odpuzují a opačné přitahují.

Elektrický náboj vytváří elektrické pole. Pohybující se elektrický náboj vytváří také magnetické pole, kombinace elektrického a magnetického pole pak tvoří elektromagnetické pole, které je zdrojem Lorentzovy síly, jedné ze čtyř základních sil. Celkový elektrický náboj se zachovává.

George Stoney navrhl po objevu kvantovaní elektrického náboje, aby se základnímu kvantu elektrického náboje říkalo elektron. To bylo před odhalením elektronu jako částice J. J. Thomsonem v roce 1897. Dnes je tato jednotka označována jako elementární náboj $e$. Elektrický náboj je skalární a extenzivní veličinou. Odvozená jednotka elektrického náboje v soustavě SI je coulomb $C$, pojmenovaná po francouzském fyzikovi Charlesi-Augustinovi de Coulombovi, je definována jako množství náboje, který projde kolmým průřezem elektrického vodiče s proudem jeden ampér za jednu sekundu. Jednotka coulomb byla navržena v roce 1946 a ratifikována v roce 1948. V elektrotechnice bývá také zvykem používat jednotku ampérhodina $Ah$, například u kapacity elektrických článků, ve fyzice a chemii se jako jednotka používá elementární náboj $e$. Elektrický náboj se měří přímo pomocí elektrometru či elektroskopu a nepřímo pomocí galvanometru.

Definice

Celkový elektrický náboj $q$ (quantum) izolované soustavy zůstává konstantní bez ohledu na změny uvnitř samotné soustavy. Tento zákon je vlastní všem procesům známým ve fyzice a lze jej v lokální podobě odvodit z měřítkové invariance vlnové funkce. Výsledkem zachování náboje je rovnice kontinuity náboje a proudu:

$-q=\int i(t)\ dt$.

Obecně, rychlost změny hustoty náboje $\rho$ v objemu $V$ je rovna plošnému integrálu přes hustotu proudu $J$ procházejícího uzavřenou plochou $S$ pod úhlem $\theta$ rovnajícího se proudu $I$:

$-{\frac {d}{dt}}\int _{V}\rho \,\mathrm {d} V=\int _{S}J\cos \theta \ \mathrm {d} S=I$.

Pro elektrický náboj platí zákon zachování elektrického náboje, což znamená, že celkový náboj izolované soustavy se nemůže změnit. Hlavními nosiči 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, že jeho hodnota je 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 ¹⁄₃$\ e$, ale ty se vždy spojí do částice, která má jako náboj přirozený násobek $e$. Proton má náboj $+e$ a elektron $-e$.

Vlastnosti

• 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. $e_{c}=\sum _{i}e_{i}\,$, kde $e_{i}$ označuje elektrický náboj $i$-té části tělesa a $e_{c}$ 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 zkoumání makroskopických těles můžeme k popisu rozložení elektrických nábojů v tělese využít hustotu elektrického náboje. V některých případech však pro nás není rozložení náboje v tělese podstatné, a celé těleso můžeme nahradit tzv. bodovým nábojem. Pojem bodového náboje je analogií pojmu hmotného bodu v mechanice.
• 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

$e=1{,}602177\cdot 10^{-19}\,\mathrm {C}$

• Faradayova konstanta $F$ se někdy používá jako jednotka při výpočtech v elektrochemii, jedná se 'o velikost náboje jednoho molu elektronů, tj. $F=96485,332123\,\mathrm {C}$.
• 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).
• Experimentálně bylo také prověřeno, že velikost elektrického náboje se při jeho pohybu nemění. Tím se elektrický náboj odlišuje např. od hmotnosti, která podle teorie relativity s rostoucí rychlostí vzrůstá. Říkáme, že velikost elektrického náboje zůstává invariantní při transformacích vztažné soustavy.
• 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.

Literatura

• SEDLÁK, Bedřich; ŠTOLL, Ivan. Elektřina a magnetismus. 3. vyd. Praha: Karolinum, 2012. 595 s. ISBN 978-80-246-2198-2. 

Související články

• Elektrický proud
• Elektrické napětí
• Elektrický potenciál

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu elektrický náboj na Wikimedia Commons
• Maxwellův proud na WIKI Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy

Autoritní data	PSH: 3355 GND: 4151721-0

Portály: Fyzika