Elektromos töltés

Az elektromos töltés az elemi részecskék egyik alapvető megmaradó tulajdonsága, mely meghatározza, hogy milyen mértékben vesznek részt az elektromágneses kölcsönhatásban, ami egyike az alapvető kölcsönhatásoknak. Az elektromosan töltött anyag az elektromágneses tér forrása, és a külső elektromágneses tér befolyásolja a mozgását.

Áttekintés

Az elektromos töltés kvantált, azaz minden test töltése egy legkisebb töltés többszöröse. Ez a legkisebb egység az elektron töltése, ami megegyezés szerint az elemi töltés -1-szerese.

Az azonos előjelű töltések taszítják, az ellentétesek vonzzák egymást. A vezető anyagokban a töltések elmozdulhatnak, ami elektromos áram létrejöttéhez vezet. A vezetőkben a határfelületeken mindig több töltés gyűlik össze, mivel kívűlről nem tud érvényesülni az azonos töltésű részecskék taszító hatása. Az éleken, csúcsokon a töltéssűrűség, és ezért a térerő mindig nagyobb. Azért kell lekerekíteni a nagyfeszültségű forgókondenzátor lemezeinek szélét, hogy ne tudjon kialakulni az átütéshez szükséges térerősség. Másrészt a villámhárítót azért kell kihegyezni, hogy a hegyén kialakuló nagy térerő meginditsa a koronakisülést, még mielött a lavinaszerű töltéskiegyenlítődés - a villám - bekövetkezne. (Lásd még az Antennák villámvédelme szócikket)

A szigetelőkben az elektronok nem tudnak elmozdulni, ezért fel tudnak gyűlni bizonyos helyeken. Ilyenkor beszélünk sztatikus elektromosságról. A szigetelő anyagok másik fontos elektromos jelensége a polarizáció: ekkor a felületen töltések jelennek meg annak következtében, hogy az anyagot alkotó molekulák eletronfelhője külső elektromos tér hatására deformálódik.

Töltés az elektrotechnikában

Az SI egysége a coulomb, amely az elemi töltés 6,24· 10¹⁸-szorosa. A coulomb a definíciója szerint az egy amper áram esetén egy másodperc alatt a vezető keresztmetszetén átáramló töltésmennyiség.

Kifejezései: As (amperszekundum) és az Ah (amperóra)
Átszámítása: 1 Ah = 3600 C

A próbatöltés egységnyi pozitív töltés.

Történeti háttér

Milétoszi Thalész az i.e. 6. században leírta, hogy elektromosság kelthető számos anyagnak, pl. borostyánkőnek szőrme való megdörzsölésével. A görögök észrevették, hogy a töltött borostyángömbök magukhoz vonzanak könnyű anyagokat, mint a szőrszálakat. Azt is megfigyelték, hogy elég hosszú dörzsöléssel szikrát is tudnak pattintani. Ez az elektrosztatikus feltöltődés a triboelektromos jelenség (dörzselektromosság) eredménye.

1600-ban az angol William Gilbert visszatért ehhez a jelenséghez a De Magnete c. munkájában és megalkotta modern latin nyelv electricus szót a görög nyelv ηλεκτρον (elektron, "borostyán") szóból, ami hamarosan az angol "electric, electricity" szavak megszületéséhez vezetett. 1660-ban Otto von Guericke feltalálta a valószínűleg első elektrosztatikus generátort. 1675-ben Robert Boyle kijelentette, hogy az elektromos vonzás és taszítás vákuumon keresztül is hat. Stephen Grey 1729-ben osztályozta az anyagokat mint vezetőket és szigetelőket. C. F. Du Fay 1733-ban javasolta, hogy az elektromosságnak két fajtája van, amik kioltják egymást (azaz a pozitív és negatív töltések létét jelezte), amit ő "kétfolyadék-elméletnek" nevezett. Amikor üveget dörzsöltek selyemmel, akkor Du Fay azt mondta, hogy az üveg "üveges" elektromossággal töltődött, és amikor szőrmével borostyánt, akkor a borostyán "gyantás" elektromossággal.

A 18. században Benjamin Franklin volt az elektromosság egyik legjobb szakértője, aki az "egyfolyadék-elmélet" mellett érvelt. Franklin olyan folyadéknak képzelte az elektromosságot, ami minden anyagban jelen van, mint a gáz a Leideni palackban. Azt állította, hogy a szigetelő felületek összedörzsölése ezt a folyadékot helyváltoztatásra kényszeríti és a folyadék áramlása elektromos áramot hoz létre. Azt is kijelentette, hogy ha egy anyagban túl kevés a folyadék, akkor a töltése negatív, ha pedig túl sok akkor pozitív. Önkényesen vagy fel nem jegyzett okból a "pozitív" kifejezést az "üveges" elektromossággal, a "negatívot" pedig a "gyantás" elektromossággal azonosította. William Watson ugyanerre a magyarázatra jutott nagyjából ugyanebben az időben.

Ma tudjuk, hogy a Franklin-Watson modell közel volt az igazsághoz, de túlegyszerűsített. Az anyag sokféle töltött részecskéből áll, zömében a pozitív töltésű protonból és a negatív töltésű elektronból. Egyféle elektromos áram helyett sokféle van: elektronok árama, "elektronlyukak" árama, amelyek pozitív részecskeként viselkednek, vagy elektrolitikus oldatokban mind negatív, mind pozitiv ionok ellentétes irányú árama. Ezt az összetettséget egyszerűsítve az elektromos szakemberek még mindig Franklin konvencióját követik és úgy képzelik, hogy az elektromos áram kizárólag pozitív részecskék áramlása. Ezt a modellt konvencionális áramnak hívják. A konvencionális áram egyszerűsíti az elektromos elveket és számolásokat, de figyelmen kívül hagyja azt a tényt, hogy egyes vezetőkben (elektrolitokban, félvezetőkben, plazma|plazmában két- vagy többféle elektromos töltés áramlik ellentétes irányban. A konvencionális áram iránya ellentétes az elektronok tényleges áramlási irányával fémekben, a tipikus elektromos vezetőkben, ami félreértések forrása az elektronika kezdői számára.

Töltés a részecskefizikában

Az elektromos töltés egy kvantumszám. A részecskefizikában általában a töltést az elemi töltés többszörösében mérjük, és nem írunk egységet. Az elektronnak van elektromos töltése, melyet a hagyomány miatt −1-nek veszünk. A protoné hasonlóan +1. A kvarkoknak van csak tört töltésük −1/3 vagy +2/3, ezek viszont egész töltésű hadronokba vannak „bezárva”. Mindegyik antirészecskéje azonos, de ellentétes elektromos töltésű. Ezek csak a legismertebb töltött részecskék, vannak továbbiak is.

A részecskefizikában az elektromos töltés megmaradása egy belső szimmetria következménye, amiből az elektromosság mértékelméleti leírása, a kvantumelektrodinamika származtatható.