Elektromos töltés

Az elektromos töltés néhány elemi részecske alapvető megmaradó tulajdonsága, mely meghatározza, hogy milyen mértékben vesz részt az elektromágneses kölcsönhatásban, ami egyike az alpvető kölcsönhatásoknak. Az elektromosan töltött anyag elektromágneses teret hoz létre, és a külső elektromágneses tér befolyásolja a mozgását.

Áttekintés

Az elektromos töltés kvantált, azaz minden test töltése egy legkisebb töltés többszöröse. Az kvarkok feltételezéséig úgy tűnt, ez a legkisebb egység az elektron töltése, amit így konvencionálisan -1-nek mondunk, miután az ún. elemi töltés mínusz egyszerese. A többi közvetlenül megfigyelhető részecske ezzel a konvencióval egész szám. A kvarkok és antikvarkok töltése azonban 1/3, 2/3 vagy ezek -1-szerese lehet. Az azonos előjelű töltések taszítják, az ellentétesek vonzzák egymást. Az elektromos töltések diszkrét (kvantált) voltát Millikan-kísérlet demonstrálta először.

A makroszkopikus testek töltése a benne levő részecskék töltésének összege, ami gyakran nulla, ha a pozitív és negatív töltések semlegesítik egymást. Ha az összeg nem nulla, azt gyakran sztatikus elektromosságnak hívjuk. A töltések eloszlása az anyagban lehet egyenletes, ilyenkor mindenhol nulla az eredő töltés, és lehet egyenlőtlen, amikor a különböző előjelű töltések más-más helyen vannak többségben. Ez utóbbi helyzetben töltéspolarizációról beszélünk. Az elektromos töltések mozgását elektromos áramnak hívjuk.

Története

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

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.