Elektrický náboj

Elektrický náboj je charakteristický pro subatomární částice a je kvantován. Pokud je vyjádřen jako násobek tzv. elementárního náboje e, elektrony mají náboj −1. Protony mají opačný náboj +1. Kvarky mají frakční náboj −1/3 nebo +2/3. Antičásticové ekvivalenty těchto mají opačný náboj. Existují i jiné nabité částice.

Elektrický náboj makroskopického objektu je součtem elektrických nábojů jeho základních částic. Čistý elektrický náboj je často nulový, protože přirozeně se počet elektronů v každém atomu rovná počtu protonů, takže se jejich náboje vyruší. Situace, kdy je čistý náboj nenulový, se často označují jako statická elektřina. Navíc i když je čistý náboj nulový, může být rozložen nerovnoměrně (např. v důsledku vnějšího elektrického pole) a pak je materiál údajně polarizován a náboj související s polarizací je znám jako vázaný náboj (zatímco přebytečný náboj přivedený zvenčí se nazývá bezplatný náboj). Uspořádaný pohyb nabitých částic v určitém směru (typicky se jedná o elektrony) je znám jako elektrický proud.

Jednotkou elektrického náboje SI je coulomb, který představuje přibližně 6,24 × 1018 elementárních nábojů (náboj na jednom elektronu nebo protonu). Coulomb je definován jako množství náboje, které během jedné sekundy prošlo průřezem vodiče nesoucího jeden ampér. Symbol Q se používá k označení množství elektrického náboje.

Elektrický náboj lze přímo měřit elektroměrem. Diskrétnost elektrického náboje demonstroval Robert Millikan ve svém experimentu s kapkou oleje.

Formálně by míra náboje měla být násobkem elementárního náboje e (náboj je kvantován), ale protože se jedná o průměrnou makroskopickou veličinu, o mnoho řádů větší než jeden elementární náboj, může efektivně nabývat jakékoli reálné hodnoty.

Jak uvádí starověký řecký filozof Thales z Milétu kolem roku 600 př. n. l., náboj (nebo elektřina) se může hromadit třením srsti o různé látky, jako je jantar. Řekové poznamenali, že nabité jantarové knoflíky mohou přitahovat lehké předměty, jako jsou vlasy. Také poznamenali, že pokud by jantar třeli dostatečně dlouho, mohli by dokonce získat jiskru ke skoku. Tato vlastnost je odvozena od triboelektrického efektu. Slovo elektřina je odvozeno od ηλεκτρον (elektron), řeckého slova pro jantar.

Du Fay v roce 1733 navrhl, že elektřina přichází ve dvou odrůdách, které se navzájem ruší, a vyjádřil to teorií dvou tekutin. Když bylo sklo potřeno hedvábím, DuFay řekl, že sklo bylo nabito sklivcovou elektřinou, a když byl jantar potřen srstí, jantar byl prý nabit pryskyřičnou elektřinou.

V 18. století se studium elektřiny stalo populárním. Jedním z předních odborníků byl Benjamin Franklin, který argumentoval ve prospěch teorie elektřiny o jedné tekutině. Franklin si představoval elektřinu jako typ neviditelné tekutiny přítomné ve veškeré hmotě; například věřil, že to bylo sklo v Leydenově nádobě, které drželo nahromaděný náboj. Předpokládal, že tření izolačních ploch o sebe způsobilo, že tato tekutina změnila místo a že tok této tekutiny představuje elektrický proud. Také předpokládal, že když hmota obsahovala příliš málo tekutiny, byla „negativně“ nabita, a když měla přebytek, byla „pozitivně“ nabita. Arbitrárně (nebo z důvodu, který nebyl zaznamenán) identifikoval pojem „pozitivní“ se sklivcovou elektřinou a „negativní“ s pryskyřičnou elektřinou. William Watson dospěl ke stejnému vysvětlení přibližně ve stejnou dobu.

Kromě vlastností popsaných v článcích o elektromagnetismu je náboj relativistický invariant. To znamená, že každá částice, která má náboj q, bez ohledu na to, jak rychle se pohybuje, má vždy náboj q. Tato vlastnost byla experimentálně ověřena tak, že náboj jednoho jádra helia (dva protony a dva neutrony svázané v jádře a pohybující se neuvěřitelnou rychlostí) je stejný jako náboj dvou jader deuteria (jeden proton a jeden neutron svázané dohromady, ale pohybující se mnohem pomaleji, než kdyby byly v jádře helia).

Celkový elektrický náboj izolovaných soustav zůstává konstantní bez ohledu na změny uvnitř samotného systému. Tento zákon je vlastní všem fyzikálně známým procesům a může být odvozen v lokální podobě z Maxwellovy rovnice jako rovnice kontinuity. Obecněji řečeno, čistá změna hustoty náboje v rámci objemu integrace se rovná ploše integrálu nad proudovou hustotou na povrchu objemu , která se zase rovná čistému proudu :