Ładunki elektryczne w przyrodzie

Pierwsze, nieświadome obserwacje zjawisk elektrycznych, to niewątpliwie oglądane z lękiem przed wiekami - wyładowania atmosferyczne. Przyciąganie skrawków pergaminu przez potarty suknem bursztyn, opisane było już w czasach starożytnych przez Talesa z Miletu i właśnie od greckiej nazwy bursztynu "elektron" wywodzi się termin "elektryczność".

Fot. 1.1. Zrozumienie praw fizyki  spowodowało zmianę stanowiska człowieka - od strachu przed piorunem,  do powszechnego wykorzystania energii elektrycznej. Nasuwa się analogia do energii jądrowej - czy względem tego rodzaju energii jesteśmy wciąż w Średniowieczu? 

Uczmy się fizyki!
Za prawdziwy rozwój wiedzy o elektryczności uznać można sformułowanie przez Coulomba w 1785 roku prawa oddziaływania wzajemnego ładunków elektrycznych. Poznanie praw opisujących zachowanie się cząstek niosących ładunki elektryczne oraz pól przez te ładunki wytwarzanych umożliwiło człowiekowi zarówno zrozumienie niebezpieczeństw związanych z wyładowaniami elektrycznymi w atmosferze jak i  wykorzystanie ruchu ładunków elektrycznych w różnorodnych zastosowaniach praktycznych. Obecnie, energia elektryczna znajduje zastosowanie w niemalże  wszystkich dziedzinach działalności człowieka. 

Ładunek elektryczny stanowi własność niektórych cząstek; na przykład ładunek elektronów jest ujemny, protonów dodatni,  neutrony są zaś elektrycznie obojętne. Elektron jest cząstką elementarną, natomiast protony i neutrony zbudowane są z trójek cząstek zwanych kwarkami o ułamkowych ładunkach. Sumaryczny ładunek kwarków jest dla protonu równy co do wartości ładunkowi elektronu ale znak tego ładunku jest przeciwny; sumaryczny ładunek kwarków dla neutronu równy jest zeru. Kwarków nie obserwujemy jednak w stanie swobodnym, za jednostkowy ładunek ujemny traktować więc będziemy ładunek elektronu, a ładunek protonu za jednostkowy ładunek dodatni. Ładunek ciał naładowanych elektrycznie jest więc zawsze wielokrotnością ładunku elementarnego. Taką elementarną wartość jakiejś wielkości nazywamy kwantem. Mówimy więc, że ładunek elektryczny podlega kwantowaniu czyli może być wyrażony w postaci 

gdzie q jest ładunkiem danego ciała, e jest ładunkiem elementarnym, a N jest liczbą naturalną. 

Jednostką ładunku elektrycznego w układzie SI jest 1 kulomb (1C). Kulomb jest jednostką pochodną i zdefiniowany jest jako ładunek przenoszony przez prąd elektryczny o natężeniu jednego ampera w czasie jednej sekundy; . (Jednostkę natężenia prądu zdefiniujemy w sposób systematyczny w jednym z następnych wykładów.) Ładunek elementarny wyrażony w kulombach wynosi: . Wartość ładunku elementarnego jest tak mała, że w zjawiskach makroskopowych nie zauważamy zwykle tej "ziarnistości" ładunku i traktujemy zmiany ładunków  jako zachodzące w sposób ciągły. 

Sumaryczny ładunek elektryczny pozostaje stały w dowolnych procesach zachodzących w układach elektrycznie izolowanych, czyli nie wymieniających ładunków z otoczeniem. Fakt ten jest treścią zasady zachowania ładunku.

Całkowity ładunek układu elektrycznie izolowanego jest stały.

Ładunki mogą jednak pojawiać się i znikać, czego przykładem są reakcje jądrowe zachodzące przy wysokich energiach, gdzie produkowane są tysiące cząstek naładowanych. W procesach anihilacji para elektron-pozyton zamienia się zaś w nie posiadające ładunku fotony. Procesy te nie są jednak sprzeczne z prawem zachowania ładunku. Prawo to stwierdza bowiem, że sumaryczny ładunek czyli arytmetyczna suma ładunków w układzie, liczona z uwzględnieniem ich znaku, pozostaje stała. Jeśli więc produkowane są ładunki o znaku dodatnim, musza być też produkowane ładunki znaku ujemnego, to samo dotyczy procesów anihilacji.  

W tym wykładzie zajmować się będziemy ładunkami, które nie poruszają się, dlatego ten dział fizyki nazywamy często elektrostatyką.