Czym jest ładunek elektryczny?

Czym jest ładunek elektryczny?

Czym jest ładunek elektryczny? Jakie są rodzaje ładunków? Jakie cząstki są naładowane? Garść informacji na temat najważniejszych zagadnień elektrostatyki.


Ładunek elektryczny jako cecha cząstki

Otaczająca nas materia zbudowana jest z małych cząsteczek, zwanych atomami, a te z jeszcze mniejszych protonów, neutronów i elektronów. Jeśli nie wiesz jak zbudowany jest atom i dlaczego każdy pierwiastek jest unikatowy, to zapraszam do nadrobienia poprzedniego artykułu:

Kilka słów o atomach – TeoriaElektryki.pl

Dziś skupimy się stricte na czymś, co zwane jest ładunkiem elektrycznym. A czymże owy ładunek jest? Pozwól, że zacznę od prostszego pytania: a czy wiesz czym jest masa? Każdy najdrobniejszy pył, każdy atom ma pewną masę. Dwa obiekty obdarzone masą potrafią ze sobą oddziaływać, co widzimy stając na zwykłej wadze i odczytując nasz ciężar. Ciężar reprezentuje siłę z jaką duża masa (Ziemia) i mała masa (my) się wzajemnie przyciągają. Owa siła przyciągania nazywa się grawitacją i każdy obiekt posiadający masę musi się z nią liczyć.

Z ładunkiem jest podobnie – również jest on pewną cechą materii. I tak jak siłę oddziaływania dwóch mas nazywamy grawitacją, tak siłę oddziaływania dwóch ładunków nazywamy siłą elektromagnetyczną. I o ile z masą jest sprawa prosta bo może ona być większa lub mniejsza, o tyle w przypadku ładunku rozróżniamy trzy scenariusze:

  • ładunek dodatni (symbol +q) – posiadają go na przykład protony,
  • ładunek ujemny (symbol -q) – uzbrojony w niego jest każdy elektron. 
  • cząstki neutralne – innymi słowy cząstki, których ładunek elektryczny wynosi 0. Cząstka neutralna może po prostu nie mieć ładunku, albo mieć tyle samo ładunku dodatniego i ujemnego, których to działanie wzajemnie się ,,znosi”. Rezultat jest tak czy owak jeden – cząstki neutralne są elektrycznie obojętne, a ich przykładem jest chociażby neutron.

Dlaczego istnieją aż trzy rodzaje ładunków? Nie wiemy. Wiemy natomiast, że ładunki, w zależności od rodzaju, mogą oddziaływać ze sobą na trzy sposoby:

  • ładunek dodatni z ujemnym będą się przyciągać,
  • ładunek dodatni z dodatnim (lub ujemny z ujemnym) będą się odpychać,
  • ładunki neutralne nie będą oddziaływać z żadnym ładunkiem.
Oddziaływanie elektromagnetyczne ładunków
Oddziaływanie elektromagnetyczne ładunków

Dlaczego atom nie eksploduje?

W fizyce znanych jest wiele cząstek obdarzonych ładunkiem, jeśli jednak mamy na moim blogu rozmawiać o elektryce, to istotne będą dla nas wcześniej wspomniane trzy:

  • Protony – o ładunku elektrycznym dodatnim
  • Elektrony – o ładunku elektrycznym ujemnym
  • Neutrony – o ładunku zerowym (neutralnym)

Wszystkie te cząstki to podstawowe „cegiełki” budujące znane nam atomy. Protony i neutrony ściśnięte są w jądrze atomu, zaś elektrony podróżują po tak zwanych orbitach rozlokowanych wokół jądra. O tym pisałem w poprzednim artykule, dlatego poniżej zamieszczam tylko obrazek w ramach przypomnienia. 

Model budowy atomu Nielsa Bohra
Dwuwymiarowa wizualizacja klasycznego modelu atomu zaproponowanego w 1913r. przez Nielsa Bohra [2]

Wcześniej wspomniałem, że dwa takie same ładunki będą się elektromagnetycznie odpychać. Jak to jest w takim razie możliwe, że wiele dodatnich protonów może znajdować się tak blisko siebie, a jądro atomowe się nie rozpada? Z drugiej strony jak to możliwe, że elektrony utrzymują się na orbitach i nie spadają na jądro z powodu przyciągania? Co trzyma je na odległość?

Układ sił w fizyce

Aby odpowiedzieć na te pytania musisz dowiedzieć się z jakimi siłami mamy w ogóle do czynienia. W całej znanej nam na dzień dzisiejszy fizyce występują 4 rodzaje oddziaływań między cząsteczkami:

  • Oddziaływania silne
  • Oddziaływania elektromagnetyczne
  • Oddziaływania słabe
  • Oddziaływania grawitacyjne

Oddziaływania silne są zdecydowanie najpotężniejsze z wymienionej czwórki. Działają one jedynie na bardzo krótką odległość (rzędu femtometrów czyli rozmiarów jądra atomowego) i tylko na niektóre cząstki – między innymi protony i neutrony. Ich siła sprawia, że odpychanie elektromagnetyczne nie ma tutaj nic do gadania. Neutrony i protony są tak dobrze ,,przyspawane” do siebie, że jedynie potężne bombardowanie ich za pomocą innych dużych cząstek jest w stanie rozbić tę strukturę.

W odległości większej od jądra atomowego oddziaływania silne przestają dominować i do głosu dochodzi elektromagnetyzm. Siła elektromagnetyczna, choć nieco słabsza, ma znacznie większy zasięg i odpowiada za niemal wszystkie zjawiska obserwowane przez nas na co dzień: siłę tarcia, siłę wiązań chemicznych, siły powstające w wyniku zderzeń.

Oddziaływania słabe to z kolei dość specjalistyczna grupa sił, słabsza od poprzedniej dwójki i widoczna jedynie w trakcie rozpadu cząstek. Dla nas nie jest ona zbyt istotna.

Ostatnia w zestawieniu grawitacja, choć towarzyszy nam przy każdym upadku, jest nieporównywalnie słabsza od wszystkich poprzedniczek. Aby obiekt odczuwał silne działanie grawitacji musi posiadać ogromną masę. Protony i elektrony są po prostu zbyt lekkie! Szczerze mówiąc gdyby nie ogromne skupiska materii, takie jak planety i gwiazdy, moglibyśmy tej siły w ogóle nie zauważyć…

Teraz już wiesz, że za spajanie ze sobą protonów odpowiadają oddziaływania silne. A co z drugą zagadką? Skoro powiedziałem, że elektromagnetyzm jest drugą siłą w szeregu, to dlaczego ujemne elektrony nie spadają na dodatnie protony? Na to pytanie odpowiedź istnieje, jednak nie jestem w stanie ci jej tutaj udzielić. W tym momencie do całego równania dochodzi nam niezwykle podstępna dziedzina, jaką jest fizyka kwantowa, której trzeba by na dobrą sprawę poświęcić dziesiątki osobnych artykułów. Jeśli mimo to dalej chcesz brnąć w ten temat, to na końcu artykułu znajdziesz bibliografię. Artykuł z 1983 roku, podany w pozycji nr [1] powinien zaspokoić twą ciekawość.

Czym są jony?

Wiesz już, że protony są dodatnie, a elektrony ujemne. Atomy mogą być zbudowane z setek tych małych cząstek, ale jaki tak właściwie jest ładunek całego atomu? Być może będziesz zaskoczony, ale w normalnych warunkach atomy są cząsteczkami neutralnymi. Fakt ten wynika z niezwykłej równowagi o jaką nieustannie dba przyroda – spokojny, niczym nie zmącony atom posiada zawsze identyczną liczbę protonów i elektronów. Powtórzę: identyczną. Taka sama liczba cząstek o ładunku ujemnym i dodatnim powoduje, że sumaryczny ładunek wynosi zero i to właśnie jest tajemnicą neutralności atomów.

Jeśli natomiast atom taki nieco pomęczymy i na przykład zabierzemy mu jeden elektron, to wspomniana równowaga zostanie zaburzona i stanie się on ,,naładowany”. Atom o niezerowym ładunku nazywamy jonem. Przy czym są dwie możliwości: Odrywając elektrony, tworzymy jon dodatni (tzw. kation), jeśli zaś spowodujemy nadmiar elektronów to otrzymamy jon ujemny (tzw. anion).

Atom żegna się z elektronem i staje się jonem!

Pisząc o oddziaływaniach silnych wspomniałem, że bardzo trudno jest rozbić jądro atomowe. A czy tak samo trudno jest zabrać atomowi elektrony? Okazuje się, że jest to… dziecinnie łatwe. Dam głowę, że sam dokonujesz tego wyczynu każdego dnia! Jak myślisz, dlaczego nadmuchany balon pocierany o kawałek materiału tak łatwo przykleja się do ściany? Dlaczego podczas czesania włosów słychać ,,iskrzenie”? Dlaczego wysiadając czasem z auta i dotykając jego karoserii, ta postanawia nas nieprzyjemnie ,,kopnąć”? Wszystko to sprawka zirytowanej natury, która przez takie zjawiska stara się odzyskać utracone elektrony. Z resztą nawet bez naszego udziału tworzenie się jonów to niezwykle powszechne zjawisko na przykład w ziemskiej atmosferze. Na dużych wysokościach, z powodu promieniowania słonecznego i ciągłego bombardowania cząsteczkami z poza naszej planety, atomy masowo tracą swoje elektrony i stają się jonami. Dzieje się to nieustannie, o każdej porze dnia i nocy.

Czy ładunek można zmierzyć?

Wspomniałem wcześniej, że ładunek jest cechą cząstki podobną do masy. Czy zatem ładunek też możemy jakoś ,,zważyć”? Może zważyć to złe słowo, ale z pewnością możemy go zmierzyć! Według obowiązującego nas systemu jednostek SI (gdzie mamy kilogramy, metry i sekundy) jednostką ładunku jest kulomb (ang. Coulomb, nie mylić z Kolumb), w skrócie oznaczany literką C. Na pewno jesteś sobie w stanie wyobrazić ile to jest 1 kg masy. Ale czy 1 C to duży ładunek? Jaki tak naprawdę ładunek posiadają proton i elektron?

Spieszę z odpowiedzią. Pojedynczy elektron obdarzony jest ładunkiem ujemnym równym -1,602 x 10-19 C. W klasycznym, nienaukowym sposobie zapisu będzie to  -0,0000000000000000001602 C.

Z protonem będzie łatwiej, bo jego ładunek jest taki sam jak elektronu, tyle że dodatni, zatem: +1,602 x 10-19 C. Przyznasz, że liczby te nie są łatwe do zapamiętania, ale bez obaw – fizycy wpadli na pomysł jak to uprościć. Ładunkowi pojedynczego elektronu przypisali nazwę ładunku elementarnego i nadali mu oznaczenie -e. Analogicznie identyczny co do wartości ładunek protonu określa się jako +e.


-e = -1,602 · 10-19 C
+e = +1,602 · 10-19 C


Słowo ,,elementarny” oznacza, że fizycy nie znaleźli jak dotąd pojedynczej cząsteczki o ładunku mniejszym od e. Niestety takie pojedyncze ładunki są zbyt małe by dokonać w normalnych warunkach rzeczy spektakularnych. Tak jak z kilku kropel wody nie powstanie ogromny wodospad, tak kilkoma ładunkami elementarnymi nie zasilimy telefonu. Tak, dobrze zrozumiałeś – ładunki to nieodzowny element w powstawaniu napięcia oraz prądu elektrycznego. Gdyby tylko istniał sposób na wytworzenie znacznie większego ładunku…

Jak stworzyć duży ładunek?

Woda wydaje się być jednorodną cieczą, choć tak naprawdę składa się z pojedynczych molekuł (cząsteczek H2O). W ten sam sposób należy rozumieć ładunek elektryczny. Gromadząc pojedyncze ładunki elementarne jesteśmy w stanie wytworzyć ładunek o znacznej wartości.

Jak to działa?

  • Jeden elektron to całkowity ładunek równy -e,
  • Dwa elektrony mają łącznie ładunek -2e,
  • Sześć protonów i dwa elektrony to ładunek +6e -2e = +4e.

Jak widzisz ładunki podlegają standardowym zasadom dodawania i odejmowania. Z tego powodu przy tworzeniu dużych ładunków warto uważać na matematykę. Dla przykładu załóżmy, że udało się złapać i wrzucić do jednego naczynia 2000 elektronów i 1999 protonów. Całkowity ładunek w naczyniu wyniesie:


-2000e + 1999e = -1e


Z punktu widzenia elektromagnetyzmu naczynie takie jest obiektem o znikomym ładunku, choć liczba cząstek go tworzących wydaje się być duża. Taki sam ładunek moglibyśmy wszak uzyskać wrzucając do naczynia zaledwie jeden elektron.

ladunki elektryczne w naczyniu
Pod względem elektromagnetycznym istotny jest całkowity ładunek obiektu.

Dlatego nie sztuką jest złapanie dużej ilości przypadkowych cząstek, a odseparowanie jednego rodzaju ładunku od drugiego. Najlepszym sposobem na to jest tworzenie wcześniej wspomnianych jonów. Około 300 lat temu, gdy nie istniały jeszcze baterie i generatory, odbieranie atomom elektronów przy pomocy siły tarcia było jedynym i zarazem całkiem niezłym sposobem na wytwarzanie elektryczności.

Niestety dzisiaj świat elektryczny wygląda już nieco inaczej i do zasilenia nawet najmniejszego zegarka siła tarcia nie wystarczy. Do wytworzenia odpowiedniej mocy elektrycznej potrzebujemy trylionów, trylionów, trylionów naładowanych cząstek. Ilości te stają się tak ogromne, że mówienie o pojedynczych ładunkach traci sens. Taki producent wody butelkowanej nigdy nie podaje ile w cząsteczek H2O w danej butelce się znajduje. Liczba ta byłaby absurdalna! Zamiast tego posługuje się on znacznie wygodniejszymi litrami, których odpowiednikiem w świecie ładunku są kulomby.

Ładunek to nie wszystko

To ile tych kulombów w końcu potrzebuję, żeby zasilić zegarek, żarówkę albo odkurzacz? Tutaj niestety nie ma jednej prostej odpowiedzi. W trakcie burzy pojedyncze wyładowanie atmosferyczne dostarcza do ziemi kilka kulombów ładunku. Sporo, prawda? A co powiesz na fakt, że zwykłe, małe baterie są w stanie w trakcie swojego życia dostarczyć ładunek o wartości… kilku tysięcy kulombów? Gdzie tu sens? Gdzie logika?

Ładunek to esencja elektryczności, ale samo jego pozyskanie nie wystarczy. Aby zasilił on nasze sprzęty musimy dowiedzieć się w jaki sposób go kontrolować i wykorzystać jego właściwości. Elektrostatyka jest dziedziną, która nam w tym pomoże, dlatego już teraz zapraszam do kolejnego artykułu, w którym opowiem co nieco o sile ładunku i tajemniczym polu elektrycznym, które go otacza:

Pole elektryczne i Prawo Coulomba – TeoriaElektryki.pl

Dzięki za poświęcony czas!

Bibliografia

  1. Why Doesn’t the Electron Fall Into the Nucleus? – Franklin Mason and Robert Richardson, J Chem. Ed. 1983 (40-42).
  2. Podstawy elektrodynamiki – David J. Griffith, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa,

Czekasz na więcej?

Napisanie jednego artykułu zajmuje mi około dwa tygodnie. Chcę by moje treści były maksymalnie przydatne, rzetelne i poparte wiedzą naukową. Jeśli masz ochotę dołączyć do grona znawców Teorii Elektryki to zapraszam do zapisania się na newsletter lub do zajrzenia na facebook’a. W ten sposób nie umknie ci żaden nowy artykuł!

.

Ten post ma 18 komentarzy

  1. Jan

    Ja jeszcze do końca nie czaję, co to jest ten ładunek elektryczny? Czy to są te kationy i aniony? Co właściwie leci w tych drutach, żeby się żarówka świeciła? Te oderwane elektrony, czy atomy pozbawione tych elektronów, czy wszystko razem? I to są atomy dowolnych pierwiastków, czy jakieś konkretne? Czy przez ten miedziany drut lecą atomy miedzi, czy jakieś inne? No nie mogę sobie tego poukładać.

    1. Artur Szulc

      Ładunek elektryczny nie jest cząstką. Jest CECHĄ CZĄSTKI. Tak jak cząstka może mieć masę, tak może mieć ładunek elektryczny. Ładunkiem obdarzonych jest wiele cząstek, jak chociażby elektrony i protony, mogą też go mieć cząstki tak duże jak kationy i aniony.
      To z czego składa się prąd elektryczny zależy od sytuacji. W drutach płyną elektrony, w baterii kationy i aniony. Polecam przeczytać kolejne moje artykuły, a na pewno wszystko stanie się jasne.

      1. Jan

        A kiedy cząstka nabywa tę cechę? Jak straci ten elektron?

        1. Artur Szulc

          Zasadniczo ładunek to cecha, którą cząstka ma od urodzenia. Tak jest w przypadku elektronów i protonów. Większe cząstki, takie jak atomy również mogą mieć ładunek, ale wtedy wynika on z nierównowagi protonów i elektronów, z których są zbudowane. Zyskując, bądź tracąc elektron stają się cząstkami naładowanymi (kationami lub anionami).

          1. Jan

            Rozumiem, że żeby nastąpił ruch tych cząsteczek czy elektronów, to potrzebna jest nierówność potencjałów. Ale co sprawia, że ten elektron, który opuścił atom, leci dalej, a nie wraca z powrotem do tego atomu, z którego wyleciał? W końcu ma do niego bliżej. Co sprawia, że te cząstki lecą tam, gdzie lecą, tworząc ten prąd?
            Elektrownia, węgiel, para, turbina, generator prądu – w miarę logiczne. Ale co się dzieje w tym generatorze, że ten prąd powstaje?

            Ja chyba najpierw zabiję dzieciaka, zanim mu coś wytłumaczę.

          2. Odpowiedź również jest w dalszych artykułach. W skrócie chodzi o to, że w metalach elektrony wcale nie są tak przywiązane do swojego atomu i bardzo chętnie przeskakują do innych. Stąd wystarczy dołożyć niewielką różnicę potencjałów, by sprawić, że całe morze takich elektronów zacznie skakać we wspólnym kierunku.

          3. Jan

            Oczywiście czytam kolejne artykuły, ale tam pojawiają się kolejne rzeczy. A najlepiej zaczynać od początku, a nie chcę pytaniami zaśmiecać kolejnych stron.
            Mogę rozumieć, że są w zasadzie dwie opcje? Albo ładunek elektryczny przenoszą elektrony, albo jony?

          4. Jan

            Pojawiło się kolejne pytanie. Nie wiem, czy dobrze rozumiem kulomba? Czy jeden kulomb to ilość ładunków, która jest potrzebna do wytworzenia jednego ładunku elektrycznego?

          5. Artur Szulc

            Kulomb to jednostka ładunku. Tak jak kilogramy są jednostką masy, a metry jednostką odległości. Jeden metr to 1000 milimetrów, tak jak 1 kulomb to 1000 milikulombów. Każdy elektron obdarzony jest ładunkiem o wartości 0,00000000000000000016 C. Stąd aby uzyskać ładunek równy 1 C, potrzeba aż 6000000000000000000 elektronów.

          6. Jan

            Aha. A taki kulomb to dużo jest? Taki 1A na sekundę, to zrobi krzywdę człowiekowi?

          7. 1 C to ogromny ładunek. Skutki porażenia prądem zależą od trzech rzeczy: natężenia, czasu przepływu i drogi przepływu. Inne skutki wywoła prąd płynący tylko przez nogę, a inne przez serce lub głowę. Jeśli przepływ prądu trwa kilka mikrosekund, to człowiek jest w stanie przeżyć natężenie wielu amperów. Wbrew pozorom większość ludzi przeżywa bezpośrednie trafienie piorunem, właśnie ze względu na krótki czas trwania przepływu prądu. Oczywiście nie bez obrażeń i rozległych poparzeń, ale przeżywa. Jeśli jednak czas ten będzie dłuższy – powyżej kilku, kilkunastu milisekund, to w praktyce już wartość 50 mA prowadzi do nieodwracalnych uszkodzeń ciała. Prąd 1 A płynący choćby przez 0,1 sekundy nie daje żadnych szans na przeżycie.

          8. Jan

            To znowu ja – pan słabokumający. Nie mogę załapać analogii napięcia do ciśnienia wody. Jeśli chodzi o natężenie, to jest to przepływ cząstek, zawierających pewny ładunek, w określonym czasie. Z kolei napięcie ma być ciśnieniem. Ale jak w wodzie zwiększymy ciśnienie, to jednocześnie woda zaczyna szybciej płynąć. Czy mam rozumieć, że jeśli zwiększymy napięcie, to natężenie też wzrośnie? Generalnie chodzi mi o zależność między natężeniem a napięciem. No chyba że jej nie ma.

          9. Artur Szulc

            Dokładnie tak jest – im wyższe ciśnienie (napięcie), tym więcej wody (prądu) płynie. Zależność ta nazywa się Prawem Ohma i więcej możesz na jej temat przeczytać tutaj: Prawo Ohma – artykuł

  2. Ilona

    zgadzam się z wcześniejszymi wypowiedziami – wytłumaczone w punkt, super

  3. Ola

    Coś wspaniałego! To pierwszy artykuł na tym blogu, z którym miałam przyjemność się zapoznać, dopiero co odkryłam tą stronę. Jestem kompletnie zielona jeśli chodzi o fizykę, był to dla mnie najtrudniejszy przedmiot w szkole, ale jednocześnie bardzo interesujący.
    Dziękuję za przedstawienie tematu w sposób zrozumiały nawet dla mnie 😉
    Ma Pan prawdziwy dar nauczania. Będę tu często zaglądać.
    Dziękuję i pozdrawiam.

  4. Wiesiek

    Super wytłumaczone 🙂

Dodaj komentarz