Ηλεκτρικό φορτίο

Με τον όρο ηλεκτρικό φορτίο εννοούμε μια ιδιότητα ορισμένων υποατομικών σωματιδίων, η οποία καθορίζει τις μεταξύ τους ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Ένα υλικό σώμα που έχει ηλεκτρικό φορτίο, επηρεάζεται και δημιουργεί ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.

Ιστορία

Οι πρώτες αναφορές σε φαινόμενα που σχετίζονται με το ηλεκτρικό φορτίο καταγράφονται από τον Θαλή το Μιλήσιο, ο οποίος διαπιστώνει ότι ορισμένα υλικά, όπως για παράδειγμα το ήλεκτρο ή κεχριμπάρι (αν το τρίψουμε με ξηρό ύφασμα) ή το γυαλί (αν το τρίψουμε με μετάξι), έχουν τη ιδιότητα να συγκρατούν ελαφριά αντικείμενα, όπως τρίχες. Στην αρχαία Ελλάδα επίσης, ήταν γνωστό ότι η ιδιαίτερα έντονη τριβή ενός υλικού μπορούσε να προκαλέσει σπινθήρα.

Μέχρι τις μέρες μας, διάφορα πειράματα έχουν δείξει ότι υπάρχουν δύο είδη ηλεκτρικού φορτίου, τα οποία ονομάστηκαν αρνητικό και θετικό (Η επιλογή έγινε από τον Βενιαμίν Φραγκλίνο αυθαίρετα, με την έννοια δηλαδή ότι θα μπορούσαν να είχαν ονομαστεί και ανάποδα - «θετικό» το «αρνητικό» και «αρνητικό» το «θετικό»).

Ιδιότητες ηλεκτρικού φορτίου

Το ηλεκτρικό φορτίο είναι μία ποσότητα που διατηρείται, δηλαδή σε οποιαδήποτε αλληλεπίδραση ο ολικός αριθμός των φορτίων πριν και μετά από αυτήν, διατηρείται σταθερός.

Το ηλεκτρικό φορτίο είναι μία ποσότητα που είναι κβαντισμένη. Δηλαδή υπάρχει μόνο σε διακριτές οντότητες, ακέραια πολλαπλάσια του θεμελιώδους φορτίου του ηλεκτρονίου (e-) για το αρνητικό φορτίο και του πρωτονίου για το θετικό.

Όταν λέμε ότι ένα σώμα είναι αρνητικά φορτισμένο εννοούμε ότι ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε αυτό είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των πρωτονίων. Αντίστοιχα, σε ένα θετικά φορτισμένο σώμα ο αριθμός των ηλεκτρονίων του είναι μικρότερος από τον αριθμό των πρωτονίων. Τέλος, όταν λέμε ότι το σώμα είναι ουδέτερα φορτισμένο, εννοούμε ότι ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων.

Μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου στο S.I. είναι το Κουλόμπ προς τιμή του Γάλλου φυσικού Τσαρλς Κουλόμπ για το σημαντικό έργο του στον τομέα του ηλεκτρισμού. Το ηλεκτρικό φορτίο του πρωτονίου είναι κατά απόλυτη τιμή ίσο με το αντίστοιχο του ηλεκτρονίου και ισούται με

$|e|=1.6*\;10^{-19}Cb$

Κατά την περιγραφή της κατανομής του φορτίου σε μακροσκοπικά σώματα, η διακριτή φύση του φορτίου μπορεί να αγνοηθεί και είναι συνήθως αρκετό να θεωρήσουμε το φορτίο ως ένα συνεχές ρευστό με πυκνότητα φορτίου (${\frac {Cb}{m^{3}}}$) που μεταβάλλεται λίγο ή πολύ ομαλά συναρτήσει της θέσης.

Σε ένα κρυσταλλικό στερεό, όπου ανεξάρτητα άτομα ενώνονται σε μια συμμετρική δομή, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων δεν παραμένουν μοιρασμένα στα άτομα αλλά μπορούν να κινηθούν ελεύθερα σε όλο τον όγκο του στερεού. Έτσι,οι φορείς του φορτίου στα μέταλλα είναι αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία ονομάζονται και ηλεκτρόνια σθένους.

Τα θετικά φορτία δεν μπορούν να κινηθούν ελεύθερα, όπως συμβαίνει στο γυαλί και σε άλλους μονωτές. Σε ορισμένους αγωγούς, όμως, όπως οι ηλεκτρολύτες (οξέα, βάσεις, άλατα), μπορούν να κινηθούν τόσο τα θετικά όσο και τα αρνητικά φορτία, επειδή η διαλυμένη ουσία μέσα σε αυτούς βρίσκεται σε μορφή ιόντος (όπως για παράδειγμα σε διάλυμα χλωριούχου νατρίου (άλας), έχουμε κατιόντα νατρίου και ανιόντα χλωρίου).