Ngarkesa elektrike

Ngarkesa elektrike është një veti themelore e konservuar e disa thërrmijave nënatomike, e cila përcakton bashkëveprimin elektromagnetik. Lënda që është elektrikisht e ngarkuar, ndikohet nga, dhe në të njëjtën kohë prodhon një fushë elektromagnetike. Bashkëveprimi midis një ngarkese lëvizëse dhe një fushe elektromagnetike është burimi i forcës elektromagnetike, e cila është një nga katër forcat themelore.

Një shikim i përgjithshëm

Ngarkesa është veti themelor e formave të materies që ekspozojnë veprime elektrostatike ose shtytje në prezencë të një materieje tjetër. Ngarkesa elektrike është veti karakteristike për shumë grimca subatomike. Michael Faraday, në eksperimentin e tij me elektrolizë, ishte i pari që shënoi natyrën diskrete të ngarkesës elektrike. Eksperimenti i rënies së vajit i Millikanit demostroi këtë fakt direkt, dhe mati ngarkesën elektrike.

Me marrëveshje, ngarkesa e një elektroni është -1, derisa ajo e një protoni është +1. Grimcat e ngarkuar, ngarkesat e së cilave kanë shenjë të njëjtë e shtyjnë njëra-tjetrën, dhe grimcat, ngarkesat e të cilave kanë shenja të kundërta tërhiqen. Ligji i Kulonit jep vlerën sasiore të forcës elektrostatike në mes të dy grimcave duke pohuar se forca është proporcionale me produktin e ngarkesave të tyre, dhe disproporcionale me katrorin e largësisë në mes tyre.

Ngarkesa e një antigrimce e barazon atë me grimcën korresponduese, por me shenjë të kundërt. Kuarkët kanë ngarkesa ose -¹⁄₃ ose +²⁄₃, por kurakët e lira të qëndrueshme nuk janë vëzhguar asnjëherë (arsyeja teorike për këtë fakt është liria asimptotike).

Ngarkesa elektrike e një objekti makroskopik është shuma e ngarkesave elektrike të grimcave që e përbëjnë. Kjo ngarkesë është shpesh e vogël sepse materia është e përbër nga atomet, dhe atomet tipikisht kanë numër të njëjtë të protoneve dhe elektroneve, në të cilin rast ngarkesave e tyre anulohet, duke dhënë ngarkesën përfundimtare zero, dhe kështu e bëjnë atomin netural.

Një jon është një atom (ose grup atomesh) që ka humbur një ose më shumë elektrone, duke dhënë një ngarkesë përfundimtare pozitive (kation), ose që ka marrë një ose më shumë elektrone, duke dhënë ngarkesë përfundimtare negative (anion). Jonet monatomike janë themeluar nga atome të vetme, ndërsa jonet poliatomike janë themeluar nga dy ose më shumë atome që janë bashkuar, në secili rast duke dhënë një jon me ngarkesë përfundimtare negative ose pozitive.

Electric field induced by a positive electric charge (left) and a field induced by a negative electric charge (right) Fusha elektrike e shkaktuar nga një ngarkesë elektrike pozitive (majtas) dhe një fushë e shkaktuar nga një ngarkesë elektrike negative (majtas).

Gjatë përpunimit të objekteve makroskopike, jonet dhe atomet konstituente zakonish kombinohet për të krijuar struktura të përbëra nga përbërës jonik neutral nga ana elektrike të lidhur me atome neturale. Kështu objektet makroskopike tentojnë të jenë neutrale por në raste të rralla arrijnë të jenë neturale në mënyrë të përkryer.

Nganjëherë objektet makroskopike përmbajnë jone të shpërndara nëpër material, ngurtësisht të lidhura në vend, duke dhënë ngarkesë përfundimtare negative ose pozitive në atë objekt. Po ashtu, objektet makroskopike të përbëra nga elemente përçuese, mund të japin ose të marrin më lehtë elektrone (varësisht nga elementi), dhe pastaj mbajnë ngarkesë përfundimtare negative ose pozitive palimit. Kur ngarkesa elektrike përfundimtare e një objekti është jo-zero dhe e palëvizshme, fenomeni njihet si elektricitet statik. Kjo mund të krijohet lehtë duke i fërkuar dy materiale jo-të ngjashme në mes vete, si për shembull qelibarin me lesh ose xhamin me mëndafsh. Në këtë mënyrë materialet jo-përçuese mund të ngarkohet në një shkallë të dukshme, ose pozitivisht ose negativisht. Ngarkesa e marrë nga njëri material lëviz të materiali tjetër, duke lënë një ngarkesë të kundërt por me të njëjtën madhësi pas. Ligji i shpërndarjes së ngarkesave gjithmonë zbatohet.

Edhe kur ngarkesa përfundimtare e një objekti është zero, ngarkesa mund të shpërndahet në mënyrë jo-uniforme në objekt (p.sh. për shkak të fushës elektromagnetike të jashtme, ose lidhjes së molekulave polare). Në rastet e tilla objekt thuhet se është polarizuar. Ngarkesa për shkak të polarizimit është e njohur si ngarkesë e lidhur, derisa ngarkesa në një objekt e krijuar nga marrja ose humbja e elektroneve nga jashtë objektit quhet ngarkesë e lirë. Lëvizja e elektroneve në metale përçuese në një drejtim specifik është e njohur si rrymë elektrike.

Njësitë

Njësia e ngarkesës elektrike në sistemin SI është kuloni, i cili është ekuivalent me rreth 6.242×10¹⁸ = e (e është ngarkesa e një protoni). Prandaj, ngarkesa e një elektroni është përafërsisht −1.602×10^-19 C. Kuloni definohet si sasi e ngarkesës që kalon nëpër prerjen tërthore të një përçuesi elektrik me vlerë prej një amperi brenda një sekonde. Simboli Q zakonisht përdoret për të treguar sasinë e elektricitetit ose ngarkesën. Sasia e ngarkesës elektrike mund të matet direkt me një elektrometër, ose indirekt me një galvanometër balistik.

Pas gjetjes së karakterit sasior të ngarkesës, në vitin 1891 George Stoney propozoi njësinë ‘elektron’ për këtë njësi themelore të ngarkesës elektrike. Kjo ishte para zbulimit të grimcave nga J. J. Thomson në vitin 1897. Njësia sot trajtohet si e paemër, duke iu referuar si “ngarkesë elementare”, “njësia themelore e ngarkesës”, ose thjesht “e”. Matja e ngarkesës mund të jetë mbledhje e ngarkesave elementare e, edhe pse ngarkesa e shkallës së lartë sillet si një sasi reale. Në disa kontekste është e nevojshme të flasim për fraksionet e një ngarkese; për shembull në ngarkimin e një kondensatori.

Në sistemin e njësive të tjera si cgs, ngarkesa elektrike shprehet si kombinimi i vetëm tri madhësive themeolre si gjatësisë, masës dhe kohës dhe jo katër madhësive si në SI ku ngarkesa elektrike është kombinim i gjatësisë, masës, kohës dhe rrymës elektrike.

Vetitë

Përveç vetive të përshkruara në artikujt në lidhje me elektromagnetizmin, ngarkesa është një madhësi e cila zotron invariancë relativistike. Kjo do të thotë se çdo grimcë që ka ngarkuar Q, pa marrë parasysh se sa shpejt shkon, gjithmonë ka ngarkesë P. Kjo veti është verifikuar eksperimentalisht duke treguar se ngarkesa e një bërthame heliumi (dy protone dhe dy neutrone të lidhuar së bashku në një bërthamë që lëviz me shpejtësi të lartë) është e njëjtë si dy bërthama deuteriumi (një proton dhe një neutron të lidhur së bashku, por duke ecur shumë më ngadalë se si do te ishin ne një bërthamë heliumi).

Ligji i ruajtjes së ngarkesës elektrike

Ngarkesa elektrike e përgjithëshme e një sistemi të izoluar ngelet konstante megjithë ndryshimet e ngarkesës brenda vetë sistemit . Ky ligj trashëgohet në të gjitha proceset e njohura në fizikë dhe mund të derivohet në një formë lokale nga invarianca e madhësive e funksionit valor. Konservimi i ngarkesës elektrike rezulton në ngarkesën e korrentit tek ekuacionin i vazhdimësisë. Në mënyrë më të përgjithshme, ngarkesa totale në dendësinë e ngarkesës $\rho$ brenda një volumi integrimi $V$ është e barabartë me integralin e sipërfaqes mbi densitetin e korrentit $J$ në sipërfaqen e elementit sipërfaqësor $S$ , i cili është i barabartë me korrentin $I$ :