Oddziaływanie z innymi ładunkami

Wartość ${\displaystyle F}$ oddziaływania dwóch punktowych lub posiadających symetrię sferyczną ładunków ${\displaystyle q_{1}}$ i ${\displaystyle q_{2}}$ jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi ${\displaystyle r.}$ Można to przedstawić za pomocą wzoru:

${\displaystyle F=k\cdot {\frac {q_{1}\cdot q_{2}}{r^{2}}},}$

w którym:

${\displaystyle k}$ – to współczynnik proporcjonalności. Jeżeli ładunki są jednoimienne, oddziaływanie jest odpychaniem. W przypadku ładunków różnoimiennych ładunki przyciągają się.

Oddziaływanie z polem elektrycznym

Ładunki wytwarzają pole elektryczne. Wartość natężenia pola elektrycznego w otoczeniu ładunku punktowego ${\displaystyle Q}$ wyraża się przez

${\displaystyle E=k\cdot {\frac {Q}{r^{2}}},}$

w którym:

${\displaystyle r}$ – odległość od ładunku ${\displaystyle Q.}$

Jeżeli w polu elektrycznym znajdzie się ładunek ${\displaystyle q,}$ zadziała na niego siła o wartości

${\displaystyle F={qE}}$

Oddziaływanie z polem magnetycznym

W polu magnetycznym na poruszające się ładunki działa siła

Poruszające się ładunki wytwarzają pole magnetyczne. Pole magnetyczne wytworzone w danym miejscu przestrzeni przez poruszający się ruchem jednostajnym ładunek określa prawo Biota-Savarta:

${\displaystyle {\vec {B}}={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {q{\vec {v}}\times {\hat {r}}}{r^{2}}}}$

gdzie:

${\displaystyle {\vec {r}}}$ – wektor łączący ładunek z punktem pola,

${\displaystyle {\vec {v}}}$ – prędkość ładunku,

${\displaystyle \mu _{0}}$ – przenikalność magnetyczna próżni,

${\displaystyle q}$ – ładunek elektryczny.

Na ładunki poruszające się w polu magnetycznym działa siła proporcjonalna do ich wartości, prędkości i wartości indukcji pola magnetycznego. Jej kierunek jest prostopadły do kierunku ruchu ładunku i do kierunku pola magnetycznego.

${\displaystyle {\vec {F}}=q{\vec {v}}\times {\vec {B}}}$

gdzie:

${\displaystyle {\vec {F}}}$ – siła,

${\displaystyle {\vec {B}}}$ – indukcja magnetyczna,

${\displaystyle q}$ – ładunek elektryczny,

${\displaystyle {\vec {v}}}$ – prędkość ładunku.

Zasada zachowania ładunku

Całkowita suma ładunków w układzie zamkniętym jest stała. Oznacza to w praktyce, że zmiana ładunku elektrycznego układu musi być rezultatem wymiany ładunku z otoczeniem. Elektryzowanie ciał polega na rozdzieleniu istniejących już ładunków. Jeżeli zaś w jakimś procesie fizycznym powstaje ładunek, zawsze towarzyszy mu wytworzenie ładunku o przeciwnym znaku, takiego samego co do wartości bezwzględnej.

Matematycznym ujęciem zasady zachowania ładunku jest równanie ciągłości.

Z zasady zachowania ładunku wynika, że całkowity ładunek obecny we wszechświecie jest stały, ale nie daje ona odpowiedzi na pytanie, jaka jest wartość tego ładunku. Nie zaobserwowano jednak żadnych zjawisk, które mogłyby świadczyć o tym, że jest różny od zera.

Relatywistyczna niezmienniczość ładunku

Mierzalna wartość ładunku jest jednakowa we wszystkich inercjalnych układach odniesienia. Oznacza to, że ruch cząstki nie ma wpływu na wartość jej ładunku^[3].

Ładunek elementarny

Ładunek elektryczny jest wewnętrzną własnością części cząstek elementarnych. Za jednostkowy ładunek elementarny uznaje się ładunek protonu. Ładunek elektronu, taki sam co do wartości bezwzględnej, jest ujemny.

Ładunek jest wielkością skwantowaną, co oznacza, że ładunek każdego obiektu jest zawsze całkowitą wielokrotnością ładunku elementarnego.

W ramach Modelu Standardowego cząstek elementarnych kwarki mają ładunek ułamkowy równy −1/3 lub +2/3 ładunku elementarnego, a antycząstki posiadają ładunek o znaku przeciwnym. Kwarki nigdy jednak nie występują osobno, lecz zawsze tworzą układy złożone, których łączny ładunek jest sumą ładunków kwarków składowych, w ten sposób cząstki mają ładunek całkowity.

Kwazicząstki nie są rzeczywistymi cząstkami, ale obiektami sztucznie zdefiniowanymi i jako takie mogą mieć ładunek niebędący wielokrotnością ładunku elementarnego. W 1982 Robert Laughlin wyjaśnił ułamkowy efekt Halla za pomocą kwazicząstek o ułamkowym ładunku, ale nie uważa się by było to złamanie zasady skwantowania ładunku elektrycznego.

Ładunek elementarny jest jedną z podstawowych stałych fizycznych.

Gęstość ładunku

Gęstość ładunku elektrycznego to ilość ładunku elektrycznego ${\displaystyle q}$ przypadająca na miarę objętości ${\displaystyle V,}$ powierzchni ${\displaystyle S}$ lub długości ${\displaystyle l;}$ mówi się wtedy odpowiednio o gęstościach:

• objętościowej (krótko: gęstości)

  ${\displaystyle \varrho ={\frac {q}{V}},}$

• powierzchniowej

  ${\displaystyle \sigma ={\frac {q}{S}}}$

• i liniowej

  ${\displaystyle \lambda ={\frac {q}{l}},}$

których jednostkami (pochodnymi) w układzie SI są kulomb na kolejno metr sześcienny, metr kwadratowy i metr. Ładunki rozciągłe, których gęstość jest stała nazywa się jednorodnymi, a ciała naładowane takimi ładunkami naładowanymi jednorodnie.

Ładunek punktowy

Ładunek punktowy jest to wyidealizowany model, ciało o nieskończenie małych rozmiarach zawierające ładunek elektryczny. W rzeczywistości ciała naładowane są rozciągłe, ale model ten jest użyteczny i dobrze opisuje oddziaływanie naładowanych ciał, gdy odległość między naładowanymi ciałami jest znacznie większa od rozmiarów tych ciał, lub ładunki mają symetrię sferyczną.

Ładunek sferyczny

Jednorodnie naładowane sfery oddziałują tak, jakby cały ich ładunek był skupiony w geometrycznym środku sfery. Wewnątrz takiego ładunku sferycznego pole elektryczne zanika (natężenie pola elektrycznego jest równe zeru).