Elektrisk ladning

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 å karakterisere den elektromagnetiske vekselvirkninger mellom dem. Ladning er en av de grunnleggende størrelser innenfor fysikken. I SI-systemet måles størrelsen i enheten coulomb. Fra det latinske uttrykket quantum har en avledet symbolet  eller  som brukes i matematiske sammenhenger. Elektrisk ladning er en egenskap ved elementærpartikler. Elektrisk ladede partikler er gjenstand for elektromagnetisk vekselvirkning som er én 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 når en grer håret. 
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 . 
Ladninger spiller en spesiell rolle i elektriske systemer. Flytting av elektrisk ladning betyr at det går en elektrisk strøm som i sin tur er koblet til magnetisme. Transport av elektriske ladninger utnyttes både 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 både 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

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 områder i et stormsenter, eller i mer sjelden tilfeller, fra et område i tordenværsentret og bakken. Små gnister ledsaget av en knitrende lyd, kan også oppstå ved på og avkledning av klær eller når en grer håret.
Mennesket har ingen spesifikke sanseorganer for å oppfatte elektrisk ladning. Derimot kan et menneske indirekte oppfatte elektrisk ladning hvis det skjer en ladningsoverføring, altså at det går en elektrisk strøm gjennom kroppen. En kan oppfatte et svakt elektrisk støt når en tar på eller av klær, eller om en går over et teppe og deretter berører et dørhåndtak. Elektrisk strøm kan utløse  smerter i nervene i en tann ved elektrokjemiske reaksjoner som forårsaker spenning om forskjellige metall kommer i munnen, for eksempel om en tygger på aluminiumfolie og har amalgam i en tannfylling. Det oppstår da en liten elektrisk celle som i et elektrisk batteri. Tilsvarende kan en føle iling på tungen forårsaket av strøm om den berører begge polene på et batteri.
Ladede artikler kan også bli sanset ved krefter som oppstår. For eksempel kan små polystyren partikler tilsynelatende utfører bevegelser uten noen fysisk påvirking, dette kan være forårsaket av  tiltrekning av samme eller ulikt ladde partikler i nærheten. En kaller dette for statisk elektrisitet der det oppstår påvirkning mellom ladninger i ro, eller tilnærmet ro.
Nesten all observerbare dagligdagse fysiske fenomener kan på forskjellige måter enten tilskrives sterk vekselvirkning eller samspillet mellom elektriske ladninger. For å forklare kjemisk reaksjoner og generelt egenskaper til materie er elektromagnetiske krefter mellom elektronskallene til atomene en vesentlig del av forklaringen, selv om en full forståelse ofte krever bruk av kvantemekaniske fenomener som spin.

Navngivning

Sannsynligvis var det Thales fra Milet (624-547 år før Kristus) som levde i antikkens Hellas som rundt år 550 gjennomført eksperimenter der en kunne observere kraften fra elektriske ladninger. Et eksempel er at et stykke av rav (gresk ηλεκτρόν, uttalt elektron) hadde en tiltrekningskraft som virket på fuglefjær eller håret etter at en hadde gnidd et stykke rav mot en tørr pels.
Hofflegen til Dronning Elizabeth I, William Gilbert (1544-1603) fortsatte arbeidet til Petrus Peregrinus de Maricourt fra 1200-tallet, og fant ut at også andre stoffer kan bli elektrifisert ved friksjon. 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 på latin, der han lånte begrepet "electrica" for de fenomener som han oppdaget i forbindelse med rav. Senere har dette begrepet blitt omformet til elektron for å referere til bærere av den negative elementærladning. Denne ble beskrevet av George Johnstone Stoney i 1891, og senere i 1897 påvist av Joseph John Thomson (også ravet forutsetter en negativ ladning).

En eller to ladningstyper?

William Gilbert regnes som grunnleggeren av teorien for elektrisitet. Han var den første til å 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" (altså imponderable lys) gjennom en væske. Varmene som blir avgitt i friksjon omgir legemet som en sky av damp. Andre materialer vil bli tiltrukket når de blir gjennomtrengt av denne disen, dette på samme måte som tiltrekningen av en stein gjennom jorden. Fra Gilberts «Fluidumhypothese» skriver seg også dagens oppfatning av begrepet om en felt. Forskjellene er imidlertid stor, spesielt på 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 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.
Charles du Fay (1698-1739) gjennomførte i 1733 eksperimenter med statisk elektrisitet som viste at de to typene elektrisitet kan nøytralisere hverandre når det går en elektrisk strøm. Han beskrev typene av elektrisitet som glasselektrisitet (fransk: «électricité vitreuse») og harpikselektrisitet (fransk: électricité résineuse). Glasselektrisitet tilsvarende i dagens terminologi den positive ladningen. Jean-Antoine Nollet (1700-1770) utviklet kunnskapen videre fra disse eksperimentene, med den såkalte "Teorien om to væsker" eller dualistisk teori, som også Robert Symmer (1707-1763) tok opp. Følgelig ble de to strømvariantene omringet  av «to væsker» (effluvium og Affluvium) rundt de elektrifisert legemene. 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 talemåten om elektrisitet fra 1700-tallet har fortsatt frem til nå 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. William Watson (1715-1787 ) kom på 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 går en viss mengde av denne væske over på 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 talemåte beskrev han partikler som var i en ionisert tilstand.
I henhold til Franklins teori om at elektrisiteten av glasselektrisitet og harpikselektrisitet er en mangel, og at elektrisitet alltid strømmer ved å trykke på ladede og uladede legemer i kun én retning, ble det foreslått 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.

Egenskaper til elektrisk ladning

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 å karakterisere deres elektromagnetiske vekselvirkninger.

Total ladning

Den elektriske ladningen kan anta positive eller negative verdier. En taler som oftest om to typer elektriske ladninger. 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 også begrepene total ladning, netto ladning eller overskytende ladning. Betydningen av disse begrepet er basert på 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 på avstander av bare noen få nanometers avstand betraktes som en enkelt ladningsbærer med kun én enkel positiv ladning og skreves som dette; Li⁺, se illustrasjon til høyre. Denne typen oppheving av enkeltladninger i et legeme fungerer på samme måte selv med hundrevis av milliarder av ladningsbærere, slik som i tidligere beskrevet Millikan-eksperimentet.
For å gi et legeme en netto negativ ladning må det enten tilføres negativ ledning eller tas vekk positiv ladning. På samme måte må det tilføres positiv ladning eller fjernes negativ ladning for å gi et legeme netto positiv ladning. I de fleste tilfeller er det snakk om å 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.
En elektrisk nøytral partikkel har ikke har noen ladning (for eksempel et nøytron, som er markert som grå i illustrasjonen av litiumionet til høyre). På 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 fått fjernet ett eller flere av sine elektroner kalles et positivt ion, mens et atom som har fått flere elektroner enn det normalt har kalles for et negativt ion. Tilførsel eller fjerning av elektroner kalles ionisering.
Med en ladningsseparasjon er det tale om visse romlige områder 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 både 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

Med bevaring av ladning forstås 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, så 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.
Fenomenet med bevaring av ladning har som konsekvens at om systemet utsettes for elektromagnetisk stråling 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 også dens antipartikkel positronet. Dermed blir den total ladningen på 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 også blir null.
Som med alle grunnleggende bevaring i fysikken baserer loven om bevaring av elektrisk ladning seg på observasjoner og eksperimenter. Så 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 (altså ikke generering).

Opplading

For å lade, i betydningen å skape et overskudd av ladning, av et tidligere nøytralt legeme må 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 på grunn av et påtrykt elektriske felt eller ved bevegelser på 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, så 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 såkalt berøringselektrisitet. I en Van de Graaff-generatoren skjer både berøringselektrisitet og elektrostatisk induksjon.
I elektriske batterier og akkumulatorer er det kjemiske reaksjoner som brukes til å 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 måles som en ladningsmengden i Ah (amperetimer), der 1 Ah er lik 3600 coulomb.
Ladningsseparasjon kan også være forårsaket 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 så oppfanges ved ved en positiv anode.

Kvantekarakter

Elektrisk ladet materie kan ikke bære hvilken som helst kontinuerlig ladningsmengde. Ladningen til alle kjente elementærpartikler har blitt målt eksperimentelt med det resultat at alle leptoner og antipartikler alltid er heltallige multipler av elementærladningen . Byggesteinene til atomer, altså protonet og elektronet har ladningen  og , mens nøytronet er uten elektrisk ladning. Den nåværende (2015) nøyaktig verdi av denne natur konstanten er  . Tallene i parentes indikerer usikkerhet i de siste sifrenes verdi, hvor CODATA har angitte tallverdien med usikkerhet.
Nukleoner som nøytroner og protoner består av kombinasjoner av andre partikler kalt kvarker. Disse har ladningen  eller . Imidlertid er det aldri observert kvarker i fri tilstand, bare i bundet tilstander. Nøytroner og protoner består alltid av flere heltallige multipler av kvarker. Dermed er alle elementærpartikler som oppstår i fri tilstand multipler av elementærladningen.
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. Så langt er «årsaken» til den observerte kvantifiseringen av ladning uforklarlig; dette er en av de største gåter innenfor fysikken. I henhold til Paul Diracs (1902-1984) teori om eksistensen av en magnetisk monopol og dermed også magnetiske ladninger, bety at elektrisk ladning er kvantisert. Slike magnetiske monopoler er til nå ikke påvist.
Utenfor atomstrukturer er det imidlertid relevant å betrakte ladninger som kontinuerlige størrelser. Selv en liten strøm på bare en nano ampere innebærer en ladningstransport på rundt seks milliarder elektroner per sekund. Dermed er det innenfor elektroteknikken uinteressant å betrakte enkeltladninger. Et unntak er imidlertid shot støy en type forstyrrelser som oppstår ved elektronisk bildebehandling.

Elektrisk ladning i kvantefeltteori

I sammenheng med kvantefeltteori er elementærladningen koblingskonstanten for elektromagnetiske interaksjon. Fra ståstedet til renormaliseringgruppen er koblingskonstantene innenfor kvantefeltteori ikke konstanter, men er avhengig av energiskalaen. Dessuten er  elementærladningen også avhengig av energiskalaen, fordi den øker med økende energi. Dette betyr at ved meget høye energier oppstår 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 på de elektriske ladninger i en partikkelsystem kalles C. En ytterligere viktige forandringer i det følgende er P som er punktspeilingen av rommet på nullpunktet, og T reversering av retning til tiden. CPT-teoremet som er et grunnleggende utsagn om alle kvantefeltteorier, sier at spredningsprosesser er nøyaktig like når alle de tre transformasjoner anvendes på 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) oppstår når en prosess forløper annerledes enn sin romlige og lade speilet motstykke.