מטען חשמלי

היסטוריה

המטען החשמלי התגלה בידי היוונים הקדמונים אשר גילו כי שפשוף פרווה על משטחים שונים, כמו ענבר למשל, יוצר חוסר איזון של מטען חשמלי. הם גילו גם שענבר טעון משך אליו עצמים קלים כמו שיער. היוונים שמו לב שאם הם שפשפו את הענבר לאורך זמן, הם אפילו הצליחו להוציא ניצוץ ממנו. המילה אלקטרון נובעת מהמילה היוונית ηλεκτρον שפירושה - ענבר, המילה חשמל לקוחה מספר יחזקאל, שם היא מופיעה בהקשר אחר לגמרי ותרגום השבעים מתרגם אותה למילה "אלקטרון".
במאה ה-18, חקר החשמל תפס תאוצה. אחד מהידענים החשובים ביותר היה בנג'מין פרנקלין, אשר סבר כי החשמל הוא סוג של נוזל אשר נמצא בכל החומרים הקיימים. הוא הניח ששפשוף משטחים מבדדים זה בזה גרם לנוזל זה לשנות מקום, ושזרם הנוזל הזה הוא שיוצר את הזרם החשמלי. הוא גם הניח שכאשר חומר מכיל מעט מדי מה"נוזל" הזה הוא היה טעון "שלילית", וכאשר היה לו עודף, הוא היה טעון "חיובית". הוא קבע שרירותית (או מסיבה שלא ידועה) שהמטען המתקבל על ידי שפשוף מקל זכוכית עם משי הוא מטען "חיובי" ואילו מטען המתקבל משפשוף מקל ענבר עם פרווה הוא מטען "שלילי".
כיום ידוע כי הדגם של פרנקלין היה קרוב למציאות, אך פשוט מדי. האטומים מורכבים למעשה משני סוגים של חלקיקים טעונים: הפרוטונים - בעל מטען חיובי, והאלקטרונים - בעלי מטען שלילי. זרם חשמלי במוליך (לשם הפשטה - חד ממדי) נוצר אך ורק כתוצאה מאלקטרונים הנעים בכיוון מסוים (ואז יימדד בכיוון זה זרם שלילי, או זרם חיובי בכיוון ההפוך). הפרוטונים, המצויים בגרעין האטום, אינם נעים כדי ליצור "זרם חיובי". במודלים מתקדמים של מצב מוצק, כמו למשל במוליכים למחצה, מניחים את קיומם של "חורים", המייצגים חוסר באלקטרון (באופן דומה לבועות המייצגות חוסר בנוזל) בנוסף לאלקטרונים, ולהם מיוחס מטען חשמלי חיובי (הפוך למטען האלקטרון), היוצר זרם חשמלי חיובי בכיוון התקדמותו. ניתן להסתכל על המוליך החשמלי כעל מבחנה מלאה בנוזל (המייצג אלקטרונים) המעלה בועות: בועות העולות מעלה מייצגות למעשה נוזל המתקדם מטה, והתנועה אנלוגית למעשה לגרעיני אטום ה"מושכים" אלקטרונים משכניהם, וכך נוצר הזרם החיובי בכיוון ההפוך.
כדי להפחית את מורכבות המודל, עובדי חשמל עדיין משתמשים בהנחות של פרנקלין ומתייחסים לזרם חשמלי (ידוע כ"זרם שגרתי") כזרם של חלקיקים חיוביים בלבד. הזרם השגרתי מפשט את המושגים ומקל על החישובים, אולם הוא מתעלם מכך שיש כמה סוגים של מוליכים (אלקטרוליטים, מוליכים למחצה ופלזמה), וכן מהעובדה שזרם יכול לנוע בכיוונים מנוגדים של חלקיקים שונים. כיוון הזרימה של הזרם השגרתי משווה במהופך אל תנועת האלקטרון המעשית אשר מתרחשת בזרמים חשמליים במתכות, המוליך הטבעי של חשמל, דבר אשר מהווה מקור לבלבול למתחילים באלקטרוניקה.

תכונות

פרט לתכונות הקשורות לאלקטרומגנטיות, המטען החשמלי הוא אינווריאנטי בתורת היחסות. כלומר מטענו של חלקיק לא משתנה בלי שום קשר למהירות בה הוא נע. תכונה זו הוכחה במספר ניסויים. לדוגמה, נמצא שמטענו של גרעין הליום (שני פרוטונים ושני נייטרונים המחוברים יחדיו) אשר נע במהירות עצומה, שווה למטענם של שני גרעיני דאוטריום (איזוטופ של מימן המכיל פרוטון ונייטרון) אשר נעים במהירויות נמוכות משמעותית ממהירות האור.

מטען יסודי

מטען יסודי או מטען אלמנטרי (מסומן כ-e) הוא המטען החשמלי שנושא פרוטון יחיד, או הערך הנגדי של המטען שנושא אלקטרון יחיד.
זהו קבוע פיזיקלי יסודי ויחידה למטען חשמלי במערכת של יחידות אטומיות.
ערכו הוא:  קולון או  ביחידות cgs.
מאז שנמדד לראשונה על ידי רוברט מיליקן בניסוי המפורסם שלו בשנת 1909, המטען היסודי נחשב לבלתי ניתן לחלוקה. כאמור, הקווארקים, אשר קיומם הונח בשנות ה-60 של המאה ה-20, נחשבים לחלקיקים שמטענם הוא שליש או שני שלישים מהמטען היסודי, אולם הם נצפו רק בחלקיקים עם מטען ביחידות שלמות של המטען היסודי ומעולם לא התגלו באופן חופשי.