Elektrický náboj
Obsah boxu
Šablona:Infobox - fyzikální veličina Elektrický náboj je základní fyzikální veličina a vlastnost hmoty, která popisuje její schopnost vstupovat do elektromagnetické interakce. Hmota, která nese elektrický náboj, vytváří ve svém okolí elektrické pole a zároveň v takovém poli na ni působí Lorentzova síla. Pohybující se elektrický náboj pak představuje elektrický proud a vytváří magnetické pole.
Existují dva druhy elektrického náboje: kladný a záporný. Podle konvence nesou protony kladný náboj a elektrony záporný. Tělesa s náboji stejné polarity (souhlasnými náboji) se navzájem elektrostaticky odpuzují, zatímco tělesa s náboji opačné polarity (nesouhlasnými náboji) se přitahují. Těleso s celkovým nulovým nábojem se označuje jako elektricky neutrální.
Hlavní jednotkou SI je coulomb (značka C), pojmenovaný po francouzském fyzikovi Charlesi-Augustinovi de Coulombovi.
⏳ Historie
První pozorování elektrických jevů jsou připisována starověkému řeckému filozofovi Thalétovi z Milétu kolem roku 600 př. n. l. Zjistil, že jantar (řecky ēlektron) po tření přitahuje lehké předměty, jako je peří. Tento jev dnes známe jako statická elektřina.
Systematický vědecký výzkum začal až v 17. a 18. století. William Gilbert v roce 1600 zavedl termín "elektrický" a provedl první vědecké studie. Benjamin Franklin v 18. století svými experimenty s draky prokázal, že blesk je formou elektřiny, a zavedl konvenci kladného a záporného náboje.
Na konci 18. století formuloval Charles-Augustin de Coulomb Coulombův zákon, který kvantitativně popisuje sílu mezi dvěma bodovými náboji. V 19. století pak vědci jako Alessandro Volta (vynálezce prvního elektrického článku), Michael Faraday (objevitel elektromagnetické indukce) a James Clerk Maxwell položili základy modernímu chápání elektromagnetismu. V roce 1897 J. J. Thomson objevil elektron jako částici nesoucí záporný náboj. Hodnotu elementárního náboje pak přesně změřil Robert Millikan v letech 1909–1913.
⚛️ Podstata náboje
Elektrický náboj je vnitřní vlastností některých elementárních částic. V běžné hmotě jsou hlavními nosiči náboje protony a elektrony.
- Protony: Nacházejí se v atomovém jádře a nesou kladný elementární náboj +e.
- Elektrony: Tvoří elektronový obal atomu a nesou záporný elementární náboj -e.
- Neutrony: Jsou také v jádře, ale jsou elektricky neutrální (jejich náboj je 0).
Atom je v základním stavu elektricky neutrální, protože má stejný počet protonů a elektronů. Pokud atom ztratí jeden nebo více elektronů, stává se z něj kladně nabitý iont (kation). Pokud naopak elektron přijme, stane se záporně nabitým iontem (aniontem).
📜 Základní zákony a vlastnosti
Elektrický náboj má tři fundamentální vlastnosti:
Zákon zachování náboje
V elektricky izolované soustavě zůstává celkový algebraický součet elektrických nábojů konstantní. Náboj nelze vytvořit ani zničit, pouze přemístit z jednoho tělesa na druhé. Tento zákon je jedním z nejdůležitějších principů ve fyzice.
Kvantování náboje
Elektrický náboj je kvantovaný, což znamená, že se vyskytuje pouze v diskrétních, nejmenších možných množstvích. Toto nejmenší, dále nedělitelné množství náboje se nazývá elementární náboj a značí se e. Jeho hodnota byla po redefinici SI v roce 2019 pevně stanovena na:
- e = 1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ C.
Každý volně existující náboj je celočíselným násobkem této hodnoty (např. +e, -2e, +15e). Ačkoliv kvarky, stavební kameny protonů a neutronů, mají zlomkové náboje (např. +⅔ e nebo -⅓ e), nikdy nebyly pozorovány jako volné částice.
Invariantnost náboje
Velikost elektrického náboje částice je nezávislá na její rychlosti. Na rozdíl od hmotnosti, která podle speciální teorie relativity s rychlostí roste, hodnota náboje zůstává pro všechny pozorovatele stejná.
📏 Měření a jednotky
Hlavní jednotkou elektrického náboje v soustavě SI je coulomb (C). Jeden coulomb je definován jako náboj, který projde průřezem vodiče při stálém proudu jednoho ampéru za jednu sekundu (1 C = 1 A⋅s).
V praxi se používají i další jednotky:
- Ampérhodina (Ah): Používá se často pro udávání kapacity akumulátorů. 1 Ah = 3600 C.
- Elementární náboj (e): Používá se v atomové a částicové fyzice.
K detekci a měření náboje se používají přístroje jako:
- Elektroskop: Jednoduché zařízení, které indikuje přítomnost náboje na základě elektrostatického odpuzování.
- Elektrometr: Přesnější přístroj pro měření velikosti náboje nebo elektrického potenciálu.
↔️ Silové působení a pole
Coulombův zákon
Coulombův zákon popisuje sílu (F), kterou na sebe působí dva bodové náboje (Q₁ a Q₂) ve vakuu. Velikost této síly je přímo úměrná součinu velikostí obou nábojů a nepřímo úměrná druhé mocnině jejich vzdálenosti (r).
Matematicky je vyjádřen vztahem:
kde k je Coulombova konstanta, přibližně 9×10⁹ N·m²·C⁻².
Elektrické a magnetické pole
Elektrický náboj je zdrojem elektromagnetického pole.
- Elektrické pole: Každý náboj vytváří ve svém okolí elektrické pole, které působí silou na jiné náboje. Intenzita tohoto pole klesá se čtvercem vzdálenosti.
- Magnetické pole: Pohybující se elektrický náboj (tedy elektrický proud) navíc vytváří magnetické pole. Tento jev je základem elektromagnetů a elektromotorů.
Spojení elektrických a magnetických jevů popisují Maxwellovy rovnice.
💡 Pro laiky
Představte si elektrický náboj jako malé "plusy" (+) a "mínusy" (-), které mají všechny věci kolem nás.
- Stejné se odpuzují: Když k sobě přiblížíte dva plusy nebo dva mínusy, budou se od sebe odstrkovat. Je to jako když se snažíte spojit dva stejné póly magnetu.
- Opačné se přitahují: Plus a mínus se naopak chtějí spojit. Přitahují se k sobě jako dva opačné póly magnetu.
- Neutrální stav: Většina věcí (třeba stůl nebo židle) má stejný počet plusů a mínusů, takže se navenek tváří, že žádný náboj nemají – jsou neutrální.
Když si například v zimě svlékáte svetr a slyšíte praskání, je to proto, že třením se některé "mínusy" (elektrony) přesunuly z vašeho těla na svetr (nebo naopak). Svetr a vaše tělo tak mají najednou opačné náboje a přitahují se – proto vám vlasy vstávají a svetr se na vás "lepí".
Zdroje
Wikipedia Eduportál Techmania Khan Academy Aldebaran Glossary Fyzika 007 E-manuel.cz MuzeumEnergie.cz