Elektriese lading

Elektriese lading is 'n fundamentele, behoue eienskap van sommige subatomiese deeltjies wat hul elektromagnetiese interaksies bepaal. Elektronies gelaaide materie word beïnvloed deur- en wek elektromagnetiese velde op. Die interaksie tussen bewegende lading en 'n elektromagnetiese veld veroorsaak die elektromagnetiese krag wat een van die vier fundamentele kragte is.

Elektriese lading is 'n eienskap van sommige subatomiese deeltjies, en word gediskretiseer wanneer uitgedruk word as 'n veelvoud van die sogenaamde elementêre lading e. Elektrone het volgens konvensie 'n lading van -1, terwyl protone die teenoorgestelde lading van +1 het. Kwarke het 'n breukdeel lading van -1/3 of +2/3. Die ekwivalente antideeltjies het teenoorgestelde ladings. Daar is ook ander gelaaide deeltjies.

In die algemeen stoot gelaaide deeltjies met dieselfde-teken lading mekaar af, terwyl deeltjies met teenoorgestelde-teken ladings mekaar aantrek. Hierdie effek word kwantitatief deur Coulomb se wet uitgedruk, wat sê dat die grootte van die afstootkrag is eweredig aan die produk van die twee ladings, en verswak eweredig tot die kwadraat van die afstand tussen die ladings.

Die elektriese lading van 'n makroskopiese voorwerp is die som van die elektriese ladings van die voorwerp se saamgestelde dele. Die netto elektriese lading is gewoonlik nul, aangesien die natuurlike getal elektrone in elke atoom gelyk is aan die getal protone, en die ladings dus uitkanselleer. Die gevalle waar die netto lading nie nul is nie word gereeld na verwys as statiese elektrisiteit. Verder, selfs al is die netto lading nul, kan dit nie-uniform versprei wees (bv. a.g.v. 'n eksterne elektriese veld), en die materiaal is dan gepolariseer, met die lading verwant aan die polarisasie staan bekend as gebinde lading (terwyl die oortollige lading van buite die materiaal bekend staan as vrye lading). 'n Ge-ordende beweging van gelaaide deeltjies in 'n spesifieke rigting (in metale is dit elektrone) staan bekend as elektriese stroom. Die diskrete natuur van elektriese lading was deur Michael Faraday voorgestel in sy elektroliese eksperimente, en direk gedemonstreer deur Robert Millikan in sy oliedruppel eksperiment.

Die SI eenheid vir elektrisiteit kwantiteit of elektriese lading is die coulomb, wat benaderd 6.24 × 10¹⁸ elementêre ladings is(die lading is 'n enkele elektron of proton). Die coulomb word gedefinieer as die hoeveelheid lading wat in een sekonde deur die deursnit van 'n elektriese geleier, wat een ampere dra, vloei. Die simbool Q word gereeld gebruik om die hoeveelheid elektrisiteit of lading aan te toon. Die hoeveelheid elektriese lading kan direk gemeet word met 'n elektrometer, of indirek gemeet met 'n ballistiese galvanometer.

In formele terme moet die hoeveelheid lading as 'n veelvoud van die elementêre lading e (lading is diskreet, maar dit is 'n gemiddelde , macroskopiese waarde, vele grotte ordes meer as 'n enkele elementêre lading, kan dit effektiewelik enige reële waarde aanneem. Verder, in sommige gevalle is dit meer betekenisvol om van breukdele van 'n lading te praat; bv. tydens die laai van 'n kapasitor.

Geskiedenis

Coulomb's torsion balance

Soos gerapporteer deur die Antieke Griekse Filosoof Thales van Miletus in ca 600vC, kan lading (of elektrisiteit bymekaar gemaak word deur pels teen verskeie materiale te vryf, soos amber. Die Grieke het gemerk dat die gelaaide amber knopies ligte voorwerpe soos hare kon aantrek. Hulle het ook gemerk dat as hulle die amber vir lank genoeg vryf kon hulle 'n vonk laat spring. Hierdie eienskap lei vanaf die en:triboelectric effect.

In 1600 het die Engelse wetenskaplike William Gilbert teruggekeer na die onderwerp in De Magnete, en het die Nieu-Latyn woord electricus geskep van ηλεκτρον , die Griekse woord vir "amber", wat gelei het tot die Engelse woorde "electric" en "electricity". Hy is in 1660 deur Otto von Guericke gevolg, wat, moontlik die eerste, elektrostatiese generator uitgevind het. Ander Europese pioniers was Robert Boyle, wat in 1675 verklaar het dat elektriese aantrekking en afstoting oor 'n vakuum uitgeoefen kan word; Stephen Gray, wat in 1729 materiale as geleiers en isolators geklassifiseer het; en C.F. du Fay, wat in 1733 [1] voorgestel het dat elektrisiteit in twee tipes voorkom wat mekaar uitkanselleer, en het dit uitgedruk in terme van 'n twee-vloeistof teorie. Wanneer glas met sy gevryf is , het du Fay gesê dat die glas met vitreous elektrisiteit gelaai is, en wanneer amber met pels gevryf was, dat die amber gelaai is met resinous elektrisiteit. In 1839 het Michael Faraday gewys dat die skynbare skeiding tussen statiese elektrisiteit, stroom elektrisiteit en bioelektrisiteit verkeerd was, en dat almal die gevolg was van die optrede van 'n enkele tipe elektrisiteit wat in teenoorgestelde polariteite te voorskyn kom. Dit is arbitrêr watter polariteit positief genoem word. Positiewe lading kan gedefinieer word as die oorblywende lading op 'n glas staaf nadat dit met sy gevryf is.^[1]

Eienskappe

Benewens die eienskappe beskryf in artikels oor elektromagnetisme, is lading 'n relatiwistiese invariant. Dit beteken dat wanneer 'n partikel 'n lading q het, ongeag van die snelheid waarteen dit beweeg, behou dit die lading q. Hierdie eienskap is eksperimenteel bevestig deur te bewys dat een helium kern (twee protone en twee neutrone saamgebind in 'n kern en beweeg rond teen hoë spoed) is dieselfde as twee deuterium kerne (een proton en een neutron saamgebind, maar wat baie stadiger beweeg as wanneer hulle in 'n helium kern sou wees).

Behoud van Lading

Die totale elektriese lading van 'n geïsoleerde stelsel bly konstant ongeag van veranderings binne die stelsel. Hierdie wet is inherent deel van alle prosesse bekend in die fisika en kan afgelei word in 'n lokale vorm vanaf die guage invariance van die golfvergelyking. Die behoud van lading veroorsaak die lading-stroom kontinuïteitsvergelyking. Meer algemeen, die netto verandering in lading digtheid ${\displaystyle \rho }$ binne 'n volume van integrasie ${\displaystyle V}$ is gelyk aan die area-integraal oor die stroom digtheid ${\displaystyle J}$ op die oppervlak van die area ${\displaystyle S}$, wat op sy beurt weer gelyk is aan die netto stroom ${\displaystyle I}$:

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

Dus, die omskakeling van elektreise lading, soos deur die kontinuïteitsvergelyking, gee die resultaat:

${\displaystyle I=-{\frac {dQ}{dt}}}$

waar I die netto uitwaartse stroom deur 'n geslote opppervlak is, en Q die elektriese lading is binne die volume gedefinieer deur die oppervlak.

Verwysings

1. Electromagnetic Fields (2nd Edition), Roald K. Wangsness, Wiley, 1986. ISBN 0-471-81186-6 (intermediêre vlak handboek)