Електричен набој

Електричниот набој (полнеж) — физичко својство на материјата што предизвикува да се доживее сила кога се става во електромагнетно поле. Постојат два вида на електрични полнежи:  позитивни  и  негативни  (чии носители соодветно се протоните и електроните). Привлечни полнежи и непривлечни. Отсуството на целосен полнеж се нарекува "" ". Објектот е негативно наполнет ако има вишок од електрони, а обратно, е позитивно наполнет или ненаполнет. Изведената единица одSI на електричен полнеж е кулон (C). Во електротехниката, исто така е вообичаено да се користи амперчас (Ah), а во хемијата, вообичаено е да се користи елементарен полнеж (' e ) како единица. Симболот "Q" често означува полнење. Раното познавање на тоа како дејствуваат наелектризираните супстанци сега се нарекува класична електродинамика и сè уште е точно за проблемите кои не бараат разгледување на квантните ефекти на квантната механика. Електрично полнење  е фундаментален конзервирани својства на некоја субатомска честичка, која ја одредува нивната електромагнетна интеракција. Електричното полнење на материја е под влијание на и произведува електромагнетни полиња. Интеракцијата помеѓу движечкото полнење и електромагнетното поле е извор на електромагнетна сила, што е една од четирите фундаментални сили на фундаменталната интеракција] (Поврзано: magnetic field).

Експериментите од дваесеттиот век] покажуваат дека електрично полнење е  квантизиран ]; т.е., доаѓа во целобројни множители на поединечни мали единици наречени елементарен полнеж,  e , приближно еднаков на  (освен честички наречени кварк, кои имаат полнежи кои се целобројни множители на   e ). Протонот има полнеж +  e , а електронот има полнеж –  e . Проучувањето на наелектризираните честички, како и нивните интеракции се посредувани од фотони, се нарекува квантна електродинамика.

Преглед

Полнењето е фундаментално својство на облици на материи кои покажуваат електростатичко привлечност или одбивност во присуство на друга материја. Електричното полнење е карактеристично својство на многу субатомски честички. Полнежите на слободните честички се множители на цели броеви елементарното полнење  e ; и велиме дека електрично полнење е "квантизирано". Мајкл Фарадеј, во своите електролиза експерименти, беше првиот што ја забележа дискретна природа на електричниот полнеж. Роберт Миликан експериментот со капка масло го покажа овој факт директно и го мери основното полнење.

По конвенцијата, полнежот на електронот е -1, додека оној на протонот е +1. Наполннетите честички чии полнежи имаат ист знак се одвраќаат еден со друг, а честичките чии полнежи имаат различни знаци се привлекуваат. Кулонов закон ја квантифицира електростатичката сила помеѓу две честички со тврдењето дека силата е пропорционална со производот на нивните полнежи и обратнопропорционално со квадратот на растојанието помеѓу нив.

Полнењето на античестичките е еднаква на онаа соодветната честичка, но со спротивен знак. Кварковите имаат фракциони полнежи за –  или + , но слободните кваркови никогаш не биле набљудувани (теоретската причина за овој факт е асимптотска слобода).

Електричниот полнеж на макроскопски објект е збир на електричните полнежи на честичките кои го прават тоа. Овој набој често е мал, бидејќи материјата е направена од атоми, а атомите обично имаат еднаков број на протони и електрони, во кој случај нивните полнења се откажуваат, давајќи полн полнеж еднаков на нула, со што атомот е неутрален полнеж. Јон  е атом (или група на атоми) што изгубил еден или повеќе електрони, давајќи му полн позитивен полнеж (катјон), или кој има стекнато еден или повеќе електрони, давајќи му полн негативен полнеж (анјон). Едноатомски јони се образуваат од единечни атоми, додека  повеќеатомските јони  се формираат од два или повеќе атоми кои се врзани заедно, во секој случај давајќи јон со позитивен или негативен полн полнеж.

За време на формирањето на макроскопските објекти, конститутивните атоми и јони обично се комбинираат за да формираат структури составени од неутрални  јонски соединенија  кои се електрично врзани за неутрални атоми. Така, макроскопските објекти имаат тенденција да бидат неутрални, но макроскопските објекти ретко се совршено неутрални.

Понекогаш макроскопските објекти содржат јони дистрибуирани низ материјалот, цврсто врзани на место, давајќи целокупен полн позитивен или негативен полнеж на објектот. Исто така, макроскопските предмети изработени од проводни елементи, можат повеќе или помалку лесно (во зависност од елементот) да ги преземат или да ги откријат електроните, а потоа да одржуваат полно негативно или позитивно полнење на неодредено време. Кога полниот електричен полнеж на некој објект не е нулти и неподвижен, феноменот е познат како статичка електрична енергија. Ова лесно може да се произведе со триење на два различни материјали, како што се триење на килибар со крзно или на стакло со свила. На овој начин, непроводливите материјали можат да се наполнатат во значителен степен, било позитивно или негативно. Полнежот земен од еден материјал се преместува во друг материјал, оставајќи спротивен полнеж со иста големина зад себе. Правилото на "конзервација на полнеж" секогаш се применува, на предметот од кој негативното полнење се зема, а се додава позитивен полнеж со иста големина, и обратно.

Дури и кога целосниот полнеж на објектот е нула, полнењето може да се дистрибуира неравномерно во објектот (на пример, поради надворешно електромагнетно поле, или врзани поларни молекули). Во такви случаи, објектот се вели дека е поларизиран. Полнежот што се должи на поларизацијата е познат како врзано полнење, додека полнењето на објект произведен од електрони добиени или изгубени од надвор на објектот се нарекува  бесплатно полнење . Движењето на електроните во проводник метал во одредена насока е познато како електрична струја.

Единици
Единицата на количина електричен полнеж е кулонот, што е еквивалентен на околу  ( e  е полнеж на протон). 
Оттука, полнежот на електронот е приближно . Кулонот е дефиниран како количина на полнење што поминала низ пресек на електричен проводник кој носи еден ампер во рамките на една секунда. Симболот "Q" често се користи за означување на количина електрична енергија или полнење. Количината на електричниот полнеж може директно да се мери со електрометар, или индиректно со галванометар балистички галванометар.

По откривањето на одликите на полнежот, во 1891 година Џорџ Стони ја предложил единицата "електрони" за основна единица на електрично полнење. Ова било пред откривањето на честичката од J.J. Томсон во 1897 година. Единицата денес се третира како безимена, наречена "елементарен полнеж", "основна единица на полнење", или едноставно како "е". Мерката за полнење треба да биде повеќекратно од елементарното полнење  e , дури и ако на големи скали се чини дека полнежот се однесува како вистинска количина. Во некои контексти, значајно е да се зборува за фракции на полнање; на пример во полнење на кондензатор], или во фракцијален квантен ефект на Хал.

Единицата Фарадеј понекогаш се користи во електрохемијата. Еден фарадеј на полнеж е големината на полнежот на еден мол на електрони, односно 96485.33289 (59) C.

Во системи на единици различни од СИ, како што се cgs, електричниот полнеж се изразува како комбинација од само три основни количини (должина, маса и време), а не четири, како во СИ, каде што електричниот полнеж е комбинација од должина, маса, време и електрична струја. 

Историја
Како што објавил античкиот грчки математичар (Талес од Милетус околу 600 п.н.е., полнењето (или  електричната енергија ) може да се акумулира со триење крзно на разни супстанции, како што се килибар. Грците забележале дека наелектризираните копчиња од килибар може да привлечат лесни предмети како што се на пример косата. Тие, исто така, откриле дека ако триете килибар доволно долго, дури може да се добие електрична искра. Ова произлегува од трибоелектричниот ефект.

Во 1600 година, англискиот научник Вилијам Гилберт (Вилијам Гилберт)] се вратил на темата во "Де Магнетите" и го напишал Новиот латински збор "електрик" од  (εlektron), грчки збор за  килибар , што довело до англиските зборови "електрични" и "електрична енергија". Тој беше проследен во 1660 од Ото фон Герике, кој го измислил веројатно првиот електростатички генератор. Други европски пионери биле Роберт Бојл, кој во 1675 година изјавил дека електричната привлечност и одбивност можат да дејствуваат преку вакуум; [[Стефан Греј (научник)] Стефен Греј], кој во 1729 класифицирал материјали како проводници и изолатори; и В. Ф. ду Феј, кој предложил во 1733 година [ref] Две вида на електрична течност: стаклесто и смолести — 1733. Чарлс Франсоа де Цистернај ДуФај (1698 — 1739) . sparkmuseum.com</ref> дека електричната енергија доаѓа во двљ вида кои се одбиваат едни со други, и тоа го изрази во смисла на теорија со два флуиди. Кога на стаклото се трие со свила, Дю Фај вели дека стаклото е наполнето со  стаклест електрицитет , и кога килибарот се трие со крзно, е наполнето  смолеста електрична енергија . Во 1839 година, Мајкл Фарадеј покажал дека очигледната поделба помеѓу статичката струја, струја и биоелектричната енергија е неточна, а истата била последица на однесувањето на еден вид на електрична енергија што се појавува како спротивна на поларитети. Произволно е тоа кој поларитет се нарекува позитивен а кој се нарекува негативен. Позитивниот полнеж може да се дефинира како наполнетост на стаклена прачка откако ќе се трие со свила. Roald K. Wangsness (1986) "Електромагнетни полиња" (2. Ед.). Вајли. .</ref>

Еден од најистакнатите стручњаци за електрична енергија во 18 век бил Бенџамин Френклин, кој своето тврдење го аргументирал во корист на една - течна теорија на електричната енергија. Френклин ја замислил електричната енергија како вид на невидлива течност присутна во целата материја; на пример, тој верувал дека тоа е стаклото во Leyden тегла што го држело акумулираниот полнеж. Тој претпоставувал дека изолационите површини за триење предизвикале оваа течност да ја смени локацијата, и дека протокот на оваа течност претставува електрична струја. Тој исто така тврдел дека кога материјата содржела премногу малку од течноста, била "негативно" наполнета, а кога имала вишок, била "позитивно" наполнета. Од причина што не е снимен, тој го идентификувал терминот "позитивен" со стаклестото влакно и "негативен" со смолеста струја. [[Вилијам Вотсон (научник)] Вилијам Вотсон] независно дошол до истото објаснување во приближно исто време (1746).

Статички електрицитет и електрична струја
Статичка електрична енергија и електрична струја се два одделни феномени. И двата вклучуваат електричен полнеж, и може да се појават истовремено во истиот објект. Статичко електрично напојување се однесува на електричното полнење на објектот и е поврзано со електростатичко празнење кога се спојуваат два објекти кои не се во рамнотежа. Електростатичко празнење создава промена во полнењето на секој од двата објекти. Спротивно на тоа, електричната струја е проток на електрично полнење преку објект, кој не произведува нето загуба или добивка на електричен полнеж.

Електрификација со триење

Кога едно парче стакло и парче смола — од кои ниту еден не покажуваат никакви електрични својства — се тријат заедно и додека остануваат во допир со површините што се тријат, тие сè уште немаат електрични својства. Кога ќе се разделат, тога тие се привлекуваат едни со други.

Второ парче стакло триено со втората парче смола, а потоа одделени и поставени во близина на претходните парчиња стакло и смола ги предизвикува следните феномени:
Двете парчиња стакло се одделуваат едно со друго.
Секое парче стакло го привлекува било кое парче на смола.
Двете парчиња смола се одбиваат едно со друго.

Ова привлекување и одбивност е "електричен феномен", а за телата што се изложени се вели дека се "електрифицирани" или "електрично наполнети". Телата можат да бидат електрифицирани на многу други начини, освен со триење. Електричните својства на двете парчиња стакло се слични едни на други, но спротивни на оние на двете парчиња смола: Стаклото го привлекува она што смолата го одбива и го одбива она што смолата го привлекува.

Ако некое тело електрифицирано на каков било начин се однесува како што е стаклото, односно, ако го одбие стаклото и ја привлекува смолата, се вели дека телото е "стаклесто" 'електрифицирано, и ако телото го привлекува стаклото и ја одбива смолата се вели дека е "смолесто" на електрифицирано. Сите електрифицирани тела се или стаклесто или смолестоо електрифицирани.

Утврдената конвенција од научната заедница ја дефинира стаклената електрификација како позитивна, а смолината електрификација како негативна. Точно спротивните својства на двата вида на електрификација го оправдуваат тоа што ги покажуваме со спротивни знаци, но примената на позитивниот знак наместо на друг вид мора да се смета како прашање на произволна конвенција — исто како што е прашањето на конвенцијата во математичкиот дијаграм за да ги сметаат позитивните растојанија кон десната рака.

Не може да се забележи никаква сила, привлекување или одбивање меѓу електрифицирано тело и тело кое не е електрифицирано. (James Clerk Maxwell (1891) "Трактат за електрична енергија и магнетизам" , стр. 32–33, Dover Publications Inc.</ref>

Всушност, сите тела се електрифицирани, но може да не се појават како електрифицирани поради релативно сличното полнење на соседните објекти во околината. Предмет што дополнително електрифицира + или – создава еквивалентно или спротивно полнење во соседните објекти, додека тие полнежи не можат да се изедначат. Ефектите на привлекувањето може да се забележат во високонапонските експерименти, додека пониските напонски ефекти се само послаби и затоа се помалку очигледни. Силите на привлекување и одбивање се кодифицирани со Кулон-овиот закон (привлекувањето паѓа на квадратот на растојанието, што има последица за забрзување во гравитациското поле, што укажува дека гравитацијата може да биде само електростатички феномен помеѓу релативно слабите полнежи во однос на скалата). Поврзано Casimir ефект.

Сега е познато дека моделот Френклин-Вотсон е фундаментално точен. Има само еден вид на електрично полнење, и само една променлива е потребна за да се следи висината на полнежот.-од-charge.htm Една вид на полнење. av8n.com Од друга страна, ако се знае дека полнежот не е комплетен опис на ситуацијата. Материјата е составена од неколку видови на електрично наелектризирани честички, а овие честички имаат многу својства, а не само полнење.

Најчестите носители на полнење се позитивно наелектризираните протони и негативно наелектризираните електрони. Движењето на која било од овие наелектризирани честички претставува електрична струја. Во многу ситуации, доволно е да се зборува за "конвенционална струја", без оглед на тоа дали се пренесува со позитивни полнења кои се движат во насока на конвенционалната струја или од негативните полнења кои се движат во спротивна насока. Ова макроскопско гледиште е приближување кое ги поедноставува електромагнетните концепти и пресметки.

Од спротивната екстремна страна, ако се погледне од микроскопската ситуација, се гледа дека постојат многу начини за пренесување на електричната струја, вклучувајќи: проток на електрони; проток на електрони "дупки" кои дејствуваат како позитивни честички; и двете негативни и позитивни честички (јон или други наелектризирани честички) кои течат во спротивни насоки во електролитите [електролити] | раствор или [[плазма (физика)] плазма]].

Внимавајте, во обичниот и важен случај на метални жици, насоката на конвенционалната струја е спротивна на замислената брзина на вистинските носители на полнежи; односно, електроните. Ова може да претставува извор на конфузија за почетници.

Заштита на електичниот полнеж

Вкупниот електричен полнеж на изолиран систем останува константен, без оглед на промените во самиот систем. Овој закон е својствен на сите процеси познати на физиката и може да се изведе во локална форма од мерач на инвариантност на бранова функција. Зачувувањето на полнежот резултира со струја континуитет равенка. Општо земено, нето промената во полнежната густина  ρ  во рамките на обемот на интеграција  V  е еднаква на површинскиот интеграл над тековната густина  'J'  затворената површина  S  = ∂V , која пак е еднаква на нето струја  I :

Така, заштитата на електричниот полнеж, што е изразена со равенката на континуитет, дава резултат:

Полнењето кое се пренесува меѓу времето  and  се добива со интегрирање на двете страни:

каде што  I   е нето надворешна струја низ затворена површина и  Q '' е електрично полнење содржано во волуменот дефиниран од површината.

Релативистичка инвариантност
Освен од својствата опишани во статиите за електромагнетизмот, полнежот е релативистички инвариантен. Ова значи дека секоја честичка која има задолжен „Q“, без разлика колку брзо оди, секогаш има задолжен "Q". Оваа теорија е експериментално потврдена со прикажување дека наполнетоста на „едно“ хелиум атомско јадро (два протон и два неутрони врзани заедно во јадро и се движат со голема брзина) е ист како „две“ деутериумски јадра (еден протон и еден неутрон врзани заедно, но се движат многу побавно отколку што би биле ако беа во хелиум јадро). { {Цитат потребно | датум = декември 2011}}

Поврзано
Количина на електрична енергија
SI единици за електромагнетизам
Боја на полнење
Делумно полнење

Наводи

Надворешни врски
How fast does a charge decay?
Science Aid: Electrostatic charge  Easy-to-understand page on electrostatic charge.
History of the electrical units.

*
Категорија:Електромагнетизам
Категорија:Електрицитет
Категорија:Хемиски својства
Категорија:Физички величини