Elektrisk ladning

Elektrisk ladning, eller ladningsmengde, er en skalar størrelse knyttet til en hvilken som helst partikkel, og mer generelt et hvilket som helst system av partikler, for å karakterisere den elektromagnetiske vekselvirkninger mellom dem. Ladning er en av de grunnleggende størrelser innenfor fysikken. I SI-systemet måles størrelsen i enheten coulomb. Fra det latinske uttrykket quantum har en avledet symbolet $Q$ eller $q$ som brukes i matematiske sammenhenger. Elektrisk ladning er en egenskap ved elementærpartikler. Elektrisk ladede partikler er gjenstand for elektromagnetisk vekselvirkning som er én av de fire fundamentalkrefter i fysikken. Kreftene mellom elektriske ladninger føre til at atomer, molekyler og faste stoffer holder seg sammen, samt fysiske fenomener relatert til elektrisitet som tordenvær og at det knitrer når en grer håret.

Håret til piken løftes mot plaststolen på grunn av tiltrekkning mellom ulike elektriske ladninger.

Foto: Christophe.Finot

Den totale ladningen i et gitt fysisk system er lik summen av ladningene til delene. Det finnes nøytrale, positive og negative ladninger: I et system der den totale positive ladninger er lik summen av de negative ladninger er nettoladning lik null, og systemet er elektrisk nøytral. For et lukket system er den totale ladningen uforanderlig, noe som er kjent som konservering av ladning. Fysiske systemer kan ikke ha en hvilken som helst størrelse av ladningen, men bare heltall av multipler av elementærladningen $e$.

Ladninger spiller en spesiell rolle i elektriske systemer. Flytting av elektrisk ladning betyr at det går en elektrisk strøm som i sin tur er koblet til magnetisme. Transport av elektriske ladninger utnyttes både for energioverføring i kraftsystemer, for signaloverføring og signalbehandling i datamaskiner, samt en rekke andre tekniske sammenhenger.

Den elektrisk ladning er et spesialtilfelle av det mer generelle ladningsbegrepet i fysikken som både kan omfatte elektrisk ladning, fargeladning og svak ladning. Hvis en sammenblanding av begrepene ikke vil kunne skje bruker en bare begrepet «ladning».

Observasjoner i hverdagen

Lyn mellom skyer.

Foto: André Karwath

Et spektakulært fenomen i forbindelse med elektriske ladninger er triboelektrisk effekt som fører til lyn. Luft er vanligvis en effektiv elektrisk isolator, men ved store potensialforskjeller kan det inntreffe et overslag. Ved lyn inntreffer et plutselig ladningsutjevning mellom forskjellig ladede områder i et stormsenter, eller i mer sjelden tilfeller, fra et område i tordenværsentret og bakken. Små gnister ledsaget av en knitrende lyd, kan også oppstå ved på og avkledning av klær eller når en grer håret.

Håret reiser seg er et fenomen knyttet til statisk elektrisitet.

Foto: Ken Bosma

Mennesket har ingen spesifikke sanseorganer for å oppfatte elektrisk ladning. Derimot kan et menneske indirekte oppfatte elektrisk ladning hvis det skjer en ladningsoverføring, altså at det går en elektrisk strøm gjennom kroppen. En kan oppfatte et svakt elektrisk støt når en tar på eller av klær, eller om en går over et teppe og deretter berører et dørhåndtak. Elektrisk strøm kan utløse smerter i nervene i en tann ved elektrokjemiske reaksjoner som forårsaker spenning om forskjellige metall kommer i munnen, for eksempel om en tygger på aluminiumfolie og har amalgam i en tannfylling. Det oppstår da en liten elektrisk celle som i et elektrisk batteri. Tilsvarende kan en føle iling på tungen forårsaket av strøm om den berører begge polene på et batteri.

Ladede artikler kan også bli sanset ved krefter som oppstår. For eksempel kan små polystyren partikler tilsynelatende utfører bevegelser uten noen fysisk påvirking, dette kan være forårsaket av tiltrekning av samme eller ulikt ladde partikler i nærheten. En kaller dette for statisk elektrisitet der det oppstår påvirkning mellom ladninger i ro, eller tilnærmet ro.

Nesten all observerbare dagligdagse fysiske fenomener kan på forskjellige måter enten tilskrives sterk vekselvirkning eller samspillet mellom elektriske ladninger. For å forklare kjemisk reaksjoner og generelt egenskaper til materie er elektromagnetiske krefter mellom elektronskallene til atomene en vesentlig del av forklaringen, selv om en full forståelse ofte krever bruk av kvantemekaniske fenomener som spin.

Historie

Navngivning

Begrepet "elektrisitet" er basert på det greske ordet for rav.

Foto: Roland Fuhrmann

Sannsynligvis var det Tales fra Milet (624-547 år før Kristus), som levde i antikkens Hellas, som først gjennomførte eksperimenter der en kunne observere kraften fra elektriske ladninger. Et eksempel er at et stykke av rav (gresk ηλεκτρόν, uttalt elektron) hadde en tiltrekningskraft som virket på fuglefjær eller hår, etter at en hadde gnidd et stykke rav mot en tørr pels.

Hofflegen til Dronning Elizabeth I, William Gilbert (1544-1603) fortsatte arbeidet til Petrus Peregrinus de Maricourt fra 1200-tallet, og fant ut at også andre stoffer kan bli elektrifisert ved friksjon. I sin bok fra 1600 De Magnete, Magnetisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (norsk: Om magneter, magnetisk legemer og den store magneten jorden) skrevet på latin, der han lånte begrepet "electrica" for de fenomener som han oppdaget i forbindelse med rav. Senere har dette begrepet blitt omformet til elektron for å referere til bærere av den negative elementærladning. Denne ble beskrevet av George Johnstone Stoney i 1891, og senere i 1897 påvist av Joseph John Thomson (også ravet forutsetter en negativ ladning).

En eller to ladningstyper?

William Gilbert regnes som grunnleggeren av teorien om elektrisitet

William Gilbert regnes som grunnleggeren av teorien for elektrisitet. Han var den første til å skilte mellom elektrisk og magnetiske tiltrekning. Hans forklaring for tiltrekningen mellom rav og andre partikler var at han antok en iboende egenskap i alle legemer ved at friksjon gir "imponderables" (altså imponderable lys) gjennom en væske. Varmene som blir avgitt i friksjon omgir legemet som en sky av damp. Andre materialer vil bli tiltrukket når de blir gjennomtrengt av denne disen, dette på samme måte som tiltrekningen av en stein gjennom jorden. Fra Gilberts «Fluidumhypothese» skriver seg også dagens oppfatning av begrepet om en felt. Forskjellene er imidlertid stor, spesielt på grunn av at hans hypotese om en dis inkluderer et lekket fluid.

Otto von Guericke (1602- 1686 ) behandlet i sine senere verker statisk elektrisitet, men det er lite av hans arbeid som er kjent. Han oppfant i 1672 en enkel elektrostatisk generator som kunne skape en hel rekke fenomener, som for eksempel elektrostatisk induksjon, ledning av elektrisk ladning, lys emittering (Elektroluminescens) og fenomenet med at to like elektriske ladninger frastøtes. Inntil da var det bare kjent en tiltrekkende virkningen av elektrisitet, dermed er ikke lener Gilberts forklaring som inkluderer en væske lenger god nok.

Charles du Fay (1698-1739) gjennomførte i 1733 eksperimenter med statisk elektrisitet som viste at de to typene elektrisitet kan nøytralisere hverandre når det går en elektrisk strøm. Han beskrev typene av elektrisitet som glasselektrisitet (fransk: «électricité vitreuse») og harpikselektrisitet (fransk: électricité résineuse). Glasselektrisitet tilsvarende i dagens terminologi den positive ladningen. Jean-Antoine Nollet (1700-1770) utviklet kunnskapen videre fra disse eksperimentene, med den såkalte "Teorien om to væsker" eller dualistisk teori, som også Robert Symmer (1707-1763) tok opp. Følgelig ble de to strømvariantene omringet av «to væsker» (effluvium og Affluvium) rundt de elektrifisert legemene. Et elektrisk nøytralt legeme inneholder ifølge denne teorien samme mengde av begge væsker. I den nær kontakten mellom de to legemene overfører det ene legemet en positiv fluid til det andre, mens det andre legemet avgir den samme mengde av negative fluid til det første. Denne talemåten om elektrisitet fra 1700-tallet har fortsatt frem til nå ved at en taler om to typer ladning; positiv ladning versus negativ ladning.

Benjamin Franklin eksperiment med en drage i tordenvær. Han er den første som oppfatter lyn som en gigantisk gnist

Benjamin Franklin (1706-1790) skrev boken Experiments and Observations on Electricity hvor han er den første som nevner begrepet ladning (engelsk «charge»). Tidligere snakket en om «legemer som har vært kommet i en elektrisk tilstand», men Franklin tok et perspektiv der han sammenligner med en fylt eller overtrukket konto avhengig av redistribusjon ved friksjon. William Watson (1715-1787 ) kom på samme tid frem til en tilsvarende vurdering. Etter denne unitarianisme teorien eller teori om innflytelse er det eneste fluid i en normal elektrisk tilstand nøytralt legemer. Ved friksjon mellom to legemer mot hverandre går en viss mengde av denne væske over på det ene, slik at endringen av plasseringen av fluid fører til at legemet lades positivt, mens det andre blir negativt ladet. Franklin kunne ikke forklare hvorfor to like ladete legemer frastøte hverandre med sin teori, men Franz Ulrich Theodor Aepinus (1724-1802) kunne korrigert denne mangelen. I dagens talemåte beskrev han partikler som var i en ionisert tilstand.

I henhold til Franklins teori om at elektrisiteten av glasselektrisitet og harpikselektrisitet er en mangel, og at elektrisitet alltid strømmer ved å trykke på ladede og uladede legemer i kun én retning, ble det foreslått at (i dagens terminolog) det alltid er de positive ladningene som beveger seg. Antagelig ble Franklin ledet til denne antagelsen av sine observasjoner av lysfenomener i sine eksperimenter med ladede metallstrimler.

Fra denne siste teorien om elektrisitet som "flytende" kom ideen om bevaring av ladning som et gjennombrudd. Ladningene blir ikke generert ved friksjon, men er bare adskilt fra hverandre. Siden retningen av kraften mellom to ladninger ved bruk av to-fluidmodellen kan beskrives med typen av ladninger involvert, kom Charles Augustin Coulomb (1736-1806 ) opp med en dualistiske modellen med "to væsker" og foreslo at det finnes to typer ladning. Dagens perspektiv at begge modeller gir samme resultat.

Kvantitative eksperimenter

Coulomb konstruert et dreieinstrument basert på torsjon for måling av kreftene som virker mellom ladninger.

Robert Boyle (1627-1692) oppdaget i 1675 at elektrisk tiltrekning og frastøting også skjer gjennom vakuum, Francis Hauksbee utdypet disse studiene ved hjelp av elektriske lysende fenomener i vakuum. Stephen Gray (1666-1736)fant i 1729 på å dele materialer i ledende og ikke-ledende. Han påviste også at det menneskelige legeme kan lede elektrisk strøm.

I siste kvartal av 1700-tallet forskjøv fokuset seg fra å komme opp med teorier om elektrisitet til kvantitative studier innenfor elektrostatikk. Årsaken til dette var oppfinnelsen av leidenflasken som viste seg å være meget hensiktsmessig for slike eksperimenter. Spesielle har forskningen utført av Joseph Priestley (1733-1804) og Coulomb gitt viktige bidrag. Coulomb publiserte i 1785 naturloven som har fått navn etter ham, altså Coulombs lov, der det sies at størrelsen av kraften $F$ mellom to ladede kuler er proporsjonal med produktet av de to ladningsmengder $q_{1}$ og $q_{2}$ og omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden mellom sentrene av kulene $r$. Avhengig av fortegnet av ladningene virker kraften tiltrekkende eller frastøtende med retning på forbindelseslinjene av midtpunktene til kulene. Loven skrives slik:

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

der $k$ er en konstant avhengig av hvilke måleeneheter som benyttes. I SI-systemet konstanten $k$ gitt av:

$k={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}=8,987742438\times 10^{9}\,\mathrm {Nm^{2}C^{-2}}$

hvor $\epsilon _{0}$ er permittiviteten til vakuum.

I 1820 ble det for første gang påvist en sammenheng mellom magnetiske og elektriske ladninger i bevegelse. Hans Christian Ørsted (1777-1851) påviste at en kompassnål blir påvirket av en elektrisk leder som fører en strøm. Også André-Marie Ampère (1775-1836) drev med lignende undersøkelser. Noen få år senere oppdaget Michael Faraday (1791-1867) og Joseph Henry (1797-1878) at en magnet som beveges over en elektrisk ledersløyfe vil forårsake elektrisk strøm i den. Dermed ble fenomenet elektromagnetisk induksjon oppdaget og beskrevet. Senere fant en ut at det er nær sammenheng mellom elektrisk og magnetiske fenomener.

Da Faradays elektrolyselov ble formulert i 1832 av Faraday ble det etablert en relasjon mellom elektrisk ladning og konvertering av masse (mengden materie avsatt på elektroden under elektrolyseprosessen). I et foredrag han holdt i 1833 for Royal Society viste Faraday at «forskjellig elektrisitet» kunne inndeles i «statisk elektrisitet » (eller «vanlig elektrisitet»), den «atmosfærisk elektrisitet», den «fysiologisk elektrisitet» (eller «dyrisk elektrisitet»), den «voltaiske elektrisitet» (eller «berørings elektrisitet») og den «termoelektriske elektrisitet». Alle disse var i virkeligheten bare ulike aspekter av et fysisk prinsipp som han kalte «magnetisk elektrisitet». Det som også var klart var at den elektriske ladningen er en grunnleggende egenskap ved materien for alle disse fenomenene. Et viktig bidrag fra Faraday til teorien om elektrisitet var systematisk innføring av felt-begrepet for beskrivelse av elektriske og magnetiske fenomener.

I 1873 oppdaget fysikeren Frederick Guthrie (1833-1886) at en positivt ladet elektroskop ble ladet når et jordet, glødende metallstykke ble brakt i dets nærhet. I tilfelle med et negativt ladet elektroskop skjer det ingenting, noe som tilsier at glødende metall bare kan avgi negativ ladninger, samt at elektrisk strøm bare kan flyte i én retning. Thomas Edison (1847-1931) gjenoppdaget dette fenomenet i 1880 med eksperimenter med glødelamper og søkte om en patent basert på denne oppdagelsen i 1883. Den «gløde-elektriske effekt» har fått sitt navn fra Edison og Owen Willans Richardson (1879-1959). For denne oppdagelsen fikk Richardson nobelprisen i 1928, videre er fenomenet er kjent som Edison-Richardson-effekten.

I 1897 var Joseph John Thomson i stand til å bevise at katodestråler består av elektroner. Gjennom et sterkt vakuum var han i stand til å bestemme forholdet mellom ladning og masse. Thomson antok at elektronene allerede var til stede i atomer som katoden består av, dermed fikk han ideen til den første atommodellen i 1903 som tilskriver at atomene har en indre struktur.

Den diskret karakter til elektrisk ladning som ble forutsett av Faraday på grunnlag av elektrolyseeksperimentet på 1800-tallet, ble bekreftet av Robert Andrews Millikan (1868-1953) i det såkalte Millikan-ekserimentet. I dette eksperimentet ble det vist at ladede oljedråper alltid blir ladet med et helt multiplum av elementærladning. Millikan oppga også et godt anslag for tallverdien til elementærladningen.

Egenskaper til elektrisk ladning

Elektrisk ladning er en skalar størrelse knyttet til en hvilken som helst partikkel, og generelt et hvilket som helst system av ladninger, som brukes for å karakterisere deres elektromagnetiske vekselvirkninger.

Total ladning

Den elektriske ladningen kan anta positive eller negative verdier. En taler som oftest om to typer elektriske ladninger. For eksempel har et elektron eller et myon ladningen -e, mens et positron eller et proton har ladningen +e.

En partikkel og dens antipartikkel har nøyaktig motsatt samme mengde ladning. For eksempel bærer antiprotonet, antipartikkel til protonet, ladningen -1 e.

Li⁺ med tre protoner (røde) og to elektroner (blå). I enheter av elementærladning er den totale ladningen (+3) +( - 2)=+- 1.

Den absolutte ladningen til et legeme eller en vesentlig mengde materie er summen av alle elementærladninger som det inneholder. Derfor brukes også begrepene total ladning, netto ladning eller overskytende ladning. Betydningen av disse begrepet er basert på det faktum at de elektriske virkninger av positive og negative ladninger opphever hverandre da deres innbyrdes avstand er ubetydelig sammenlignet med avstanden til virkningsstedet (der legemet betraktes). Dermed kan et lithiumion på avstander av bare noen få nanometers avstand betraktes som en enkelt ladningsbærer med kun én enkel positiv ladning og skreves som dette; Li⁺, se illustrasjon til høyre. Denne typen oppheving av enkeltladninger i et legeme fungerer på samme måte selv med hundrevis av milliarder av ladningsbærere, slik som i tidligere beskrevet Millikan-eksperimentet.

For å gi et legeme en netto negativ ladning må det enten tilføres negativ ledning eller tas vekk positiv ladning. På samme måte må det tilføres positiv ladning eller fjernes negativ ladning for å gi et legeme netto positiv ladning. I de fleste tilfeller er det snakk om å tilføre eller fjerne elektroner, siden disse partiklene er svært mobile. Dermed er et positiv ladet legeme et som har mistet noen av sine normalt tilstedeværende elektroner. Vanligvis vil nettoladningen alltid utgjøre en svært liten del av den totale positive eller negative ladningen i legemet. Nettoladning utgjør gjerne ikke mer enn 10⁻¹² av totalladningen.

En elektrisk nøytral partikkel har ikke har noen ladning (for eksempel et nøytron, som er markert som grå i illustrasjonen av litiumionet til høyre). På den annen side er et legeme nøytral om det bærer det samme antallet av positive og negative elementærladninger, for eksempel et heliumatom med to protoner og to elektroner.

Et atom som har fått fjernet ett eller flere av sine elektroner kalles et positivt ion, mens et atom som har fått flere elektroner enn det normalt har kalles for et negativt ion. Tilførsel eller fjerning av elektroner kalles ionisering.

Med en ladningsseparasjon er det tale om visse romlige områder der en av ladningstypene dominerer, dermed er ikke den absolutt ladning null. Ved ladningsseparasjon i et legeme eller i partikler er angivelse av den totale ladning utilstrekkelig. For eksempel kan den totale ladningen for både ladet og utladet kondensatorer være null. Mens platene i en uladet kondensator hver for seg er elektrisk nøytralt, bærer platene i en ladet kondensatoren like mye og et motsatt overskudd av ladninger som genererer et elektrisk felt mellom dem. Sett et stykke fra kondensatoren kan selv den ladede kondensatoren betraktes som elektrisk nøytral.

Bevaring av ladning

Med bevaring av ladning forstås fenomenet at i et lukket system er den elektriske ladningen til en hver tid konstant. Om for eksempel en elektrisk nøytral plaststav gnis mot en nøytral pels, så vil plaststaven bli negativ og pelsstykket like mye positivt. Dette fordi pelsstykket har mistet like mange elektroner som staven har mottatt. Men den totale elektriske ladningen for de to objektene til sammen har ikke endret seg. Slik er det i alle fenomener med elektrisk ladningsprosesser, det er alltid snakk om forflytning av ladninger.

Fenomenet med bevaring av ladning har som konsekvens at om systemet utsettes for elektromagnetisk stråling eller fotoner vil dette ikke genereres noen ladning. Resultatet av dette er at under det som i fysikken kalles pardannelse, for eksempel at det samtidig som det dannes et elektron, dannes også dens antipartikkel positronet. Dermed blir den total ladningen på null skapt, men ladingsmengden blir den samme. Det samme er tilfelle i det motsatte av denne prosessen, i fysikken kalt annihilasjon av et par av en partikkel og anti-partikkel, hvor den total ladning også blir null.

Som med alle grunnleggende bevaring i fysikken baserer loven om bevaring av elektrisk ladning seg på observasjoner og eksperimenter. Så langt har alle relevante eksperimenter bekreftet at elektrisk ladning bevares, noen med svært høy nøyaktighet. I den formelle teoretisk beskrivelsen av bevaring av elektrisk ladningen uttrykkes ved en kontinuitetsligning, som er en konsekvens av Maxwells ligninger. En mer abstrakt egenskap innenfor elektromagnetisme er dens invarians (ofte kalt symmetri) under gaugetransformasjoner. Derfor er kvanteelektrodynamikk kjent som en gaugeteori. I henhold til Noethers teorem betyr invarians under gaugetransformasjoner i elektrodynamikken at den elektriske ladningen er bevart.

I tilsynelatende motsetningen til bevaring av ladningen er omtalen av en ladningsgenerering eller utladning. Dette betyr imidlertid en lokal opphopning av positiv eller negativ ladning, noe som faktisk er en ladningsseparasjon (altså ikke generering).

Opplading

For å lade, i betydningen å skape et overskudd av ladning, av et tidligere nøytralt legeme må det absorbere eller avgi ladningsbærere. Men selv i tilfelle av en ujevn ladningsfordeling i et helt nøytral legeme, snakker man om «ladingen». Dette skjer for eksempel på grunn av et påtrykt elektriske felt eller ved bevegelser på en molekylær skala. I tilfelle av et polarisert materiale er ladningen bundet, og med innflytelse av «fritt bevegelig» ladningsbærere forskyves disse i en leder.

Et velkjent hverdagslig fenomen er mekanisme for separasjon av ladninger ved friksjon. Hvis for eksempel en ballong blir gnidd mot en genser, så vil elektroner overføres fra ett materiale til det andre. Det som da skjer er at elektroner og de resterende atomkjernene blir separert og gir opphav til såkalt berøringselektrisitet. I en Van de Graaff-generatoren skjer både berøringselektrisitet og elektrostatisk induksjon.

I elektriske batterier og akkumulatorer er det kjemiske reaksjoner som brukes til å omfordele en stor mengde av ladningsbærere (elektroner eller ioner). Som i en kondensator er den totale ladningen null. Men i motsetning til i en kondensator, der spenningen stiger nesten lineært, forblir spenningen i et batteri tilnærmet konstant. Derfor er kapasiteten til en kondensator som energilager oppgitt i Farad (coulomb pr volt), mens kapasiteten til et batteri måles som en ladningsmengden i Ah (amperetimer), der 1 Ah er lik 3600 coulomb.

Ladningsseparasjon kan også være forårsaket av elektromagnetiske bølger, som for eksempel lys. Om det har en tilstrekkelig høy frekvens og treffer en metalloverflate, frigjøres elektroner ved den fotoelektriske effekten. Disse kan så oppfanges ved ved en positiv anode.

Relativistisk invarians

Ladningen Q til et legeme er ikke bare en konservert kvantitet, men også uavhengig av legemets hastighet. Det vil si at den elektriske ladning er en relativistisk invariant, noe som innebærer at den totale ladning av et objekt ikke påvirkes av lengdekontraksjon. Denne egenskapen har ladningen til felles med den invariant masse i et system, men skiller seg for eksempel fra energi. Eksempel viser at relativistiske invarians ikke er selvinnlysende for bevaring av mengder, men er i seg selv en ytterligere egenskap.

På teoretisk nivå kan relativistisk invarians til ladningen Q oppfattes som et volumintegral av ladningstettheten $\rho$:

$Q=\int \rho \,d^{3}x$

Ved Lorentz-transformasjon forvandler ladningstetthet som tidskomponenten i en firevektor. Denne gjennomgår en endring analogt til tidsdilatasjon. Derimot vil det differensielle volumelementet $d^{3}x$ gjennomgå en Lorentz-sammentrekning. Disse to effektene opphever hverandre akkurat slik at ladningen selv forblir uendret.

Interferensforsøk, for eksempel utført av Claus Jönsson (1930-), med elektroner i forskjellige hastigheter viser at deres ladninger er uavhengig av hastigheten. Ved temperaturendringer vil ladningen til et fast legeme endres på grunn av at hastigheten av dets elementærpartikler øker, som et resultat av økt termisk energi. Her er det elektronene som gjennomsnittlig får en mye større hastighet enn de positive atomkjernene med mye større masse.

Kvantekarakter

Elektrisk ladet materie kan ikke bære hvilken som helst kontinuerlig ladningsmengde. Ladningen til alle kjente elementærpartikler har blitt målt eksperimentelt med det resultat at alle leptoner og antipartikler alltid er heltallige multipler av elementærladningen $e$. Byggesteinene til atomer, altså protonet og elektronet har ladningen $+e$ og $-e$, mens nøytronet er uten elektrisk ladning. Den nåværende (2015) nøyaktig verdi av denne natur konstanten er $e=16021766208(98)\cdot 10^{-19}\ \mathrm {C}$ . Tallene i parentes indikerer usikkerhet i de siste sifrenes verdi, hvor CODATA har angitte tallverdien med usikkerhet.

Nukleoner som nøytroner og protoner består av kombinasjoner av andre partikler kalt kvarker. Disse har ladningen $-{\tfrac {1}{3}}~e$ eller $+{\tfrac {2}{3}}~e$. Imidlertid er det aldri observert kvarker i fri tilstand, bare i bundet tilstander. Nøytroner og protoner består alltid av flere heltallige multipler av kvarker. Dermed er alle elementærpartikler som oppstår i fri tilstand multipler av elementærladningen.

Denne kvantekarakteren er teoretisk begrunnet i den elektrosvake modellen der elektriske ladningen er en attributt ved svake hyper-ladning og svak isospin. Imidlertid kan denne modellen ikke forklare hvorfor svake hyperladning og svak isospin bare kan anta visse verdier. Så langt er «årsaken» til den observerte kvantifiseringen av ladning uforklarlig; dette er en av de største gåter innenfor fysikken. I henhold til Paul Diracs (1902-1984) teori om eksistensen av en magnetisk monopol og dermed også magnetiske ladninger, bety at elektrisk ladning er kvantisert. Slike magnetiske monopoler er til nå ikke påvist.

Utenfor atomstrukturer er det imidlertid relevant å betrakte ladninger som kontinuerlige størrelser. Selv en liten strøm på bare en nano ampere innebærer en ladningstransport på rundt seks milliarder elektroner per sekund. Dermed er det innenfor elektroteknikken uinteressant å betrakte enkeltladninger. Et unntak er imidlertid shot støy en type forstyrrelser som oppstår ved elektronisk bildebehandling.

Elektrisk ladning i kvantefeltteori

I sammenheng med kvantefeltteori er elementærladningen koblingskonstanten for elektromagnetiske interaksjon. Fra ståstedet til renormaliseringgruppen er koblingskonstantene innenfor kvantefeltteori ikke konstanter, men er avhengig av energiskalaen. Dessuten er elementærladningen også avhengig av energiskalaen, fordi den øker med økende energi. Dette betyr at ved meget høye energier oppstår sterkere vekselvirkning mellom ladede partikler. Som et resultat er det mer sannsynlig med partikkelreaksjoner ved høye energier ved elektromagnetiske vekselvirkning. Sannsynligheten for at for eksempel en kollisjon mellom to elektroner fører til dannelse av et elektron-positron-par øker med energien i sammenstøtet.

Den elektrosvake modellen sier at elektromagnetisme er et effektivt samspill ved lave energier, som blir igjen etter et spontant symmetribrudd ved hjelp av Higgs mekanismen. Ved høyere energier tar derfor to interaksjoner plassen til elektromagnetisme, og elektrisk ladning blir erstattet av den svake hyperladning og svak isospin. Følgelig kan den elektriske ladning i en viss forstand betraktes som sammensatt av disse to typer ladning.

Symmetrien av positiv og negativ ladning er av betydning innenfor kvantefeltteori. Transformasjonen som reverserer alle tegn på de elektriske ladninger i en partikkelsystem kalles C. En ytterligere viktige forandringer i det følgende er P som er punktspeilingen av rommet på nullpunktet, og T reversering av retning til tiden. CPT-teoremet som er et grunnleggende utsagn om alle kvantefeltteorier, sier at spredningsprosesser er nøyaktig like når alle de tre transformasjoner anvendes på systemet. Dette gjelder imidlertid ikke for en enkelte transformasjon. Det er paritetsbrudd prosesser som forløper annerledes hvis bare P er brukt, og ved CP-brudd (ladningsparitets-brudd) oppstår når en prosess forløper annerledes enn sin romlige og lade speilet motstykke.

Sammen med andre størrelser

Elektrisk ladning som grunnlaget for elektrisitetslæren

Representasjon av elektriske feltlinjer mellom to motsatte ladninger av samme størrelse.

Elektrisk ladete legemer omgir seg med et elektrisk felt og blir selv påvirket av slike felter. Mellom de ladede legemene virker Coulomb kraften, som sammenlignet med gravitasjonskraften mellom ladningsbærerne er svært sterk, mellom to protoner er for eksempel den elektriske frastøtingen 10³⁵ ganger sterkere enn gravitasjonskraften mellom dem. Kraften forårsaker tiltrekking mellom en positiv og en negativ ladning, men frastøting mellom to like ladninger. En skulle kanskje tror at frastøtingen mellom protonene i atomkjernen fikk disse til å fare fra hverandre. Imidlertid virker den sterke kjernekraft til å holde nukleonene i atomkjernen sammen til tross for frastøtningskreftene mellom protonene. Elektrostatikken handler om elektriske ladninger i ro, deres distribusjon av ladning og det elektriske felt mellom dem.

Ved utlading av legemer avgis energi, som opprinnelig ble brukt for å skille motsatte ladninger som tiltrekker hverandre. Denne energien som trengs til ladningsseparasjon forekommer som elektrisk feltenergi. Elektrisk spenning indikerer hvor mye energi som er nødvendig for å flytte et objekt med en viss elektrisk ladning i det elektriske feltet.

Når elektriske ladninger beveger seg snakker en om elektrisk strøm. Bevegelse av elektriske ladninger er årsak til elektromagnetiske felter. Om en ladning beveges gjennom et magnetisk felt oppstår en resulterende kraft på ladningen, kalt Lorentzkraften. Det samme vil også skje med en elektrisk leder i et magnetfelt. Dette er det grunnlegende prinsippet bak elektriske motorer. Motsatt vil et varierende magnetfelt forårsake at det induseres spenning i en elektrisk ledersløyfe. Dette kalles elektromagnetisk induksjon og beskrives av Faradays lov. Loven sier at den induserte elektromotoriske spenningen i en krets er lik forandringen av den magnetisk fluks som omslutter kretsen. Matematisk uttrykkes dette slik:

${\mathcal {E}}=-{{d\Phi _{\mathrm {B} }} \over dt}\$

der ${\mathcal {E}}$ er elektromotorisk spenning (EMS) og Φ_B er magnetisk fluks. Uttrykket sier altså at det er den tidsderiverte av fluksen som gir en indusert EMS. Dette fenomenet utnyttes i elektriske generatorer.

En mer generell beskrivelse av dette er gitt med Maxwells ligninger og den spesielle relativitetsteori. Bevegelige ladninger i generelle form studeres i elektrodynamikken. Vekselvirkning mellom ladete partikler som finner sted ved hjelp av fotoner er tema innenfor kvanteelektrodynamikken.

Ladningstetthet og elektrisk felt

Beskrivelsen av elektriske vekselvirkninger mellom elementærpartikler er praktisk bare i systemer med få partikler. For mange formål er det imidlertid helt tilstrekkelig å arbeide med romlig og tidsmessige gjennomsnittsstørrelser siden de små detaljene er ubetydelig for den makroskopiske fremstillingen. I utgangspunktet ble de grunnleggende likningene for elektromagnetismen etablert uten å vite om submikroskopiske strukturer. Ved å benytte teknikker for middelverdiberegninger forblir de grunnleggende likninger for elektromagnetisme uendret. Hvorvidt de midlere eller de nøyaktige likningene benyttes er gitt ut fra sammenhengen.

Ladningsfordeling i rommet er beskrevet ved en ladningstetthet ρ. Denne gir opphav til et elektrisk felt E som er gitt av Gauss' lov. Ved bruk av Nabla-operatoren kan den uttrykkes ved divergensen

${\boldsymbol {\nabla }}\cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\epsilon _{0}}}$

hvor ε er permittiviteten til vakuum, også kalt den elektrisk feltkonstanten. Dette betyr at elektrisk feltlinjer har sin kilde i positive ladninger og negative ladninger tar dem opp.

I kovariant relativitetsteori kan det elektriske feltet kombineres med det magnetiske feltet i Faradays felttensor. Romladningstetthet ρ multiplisert med lysets hastighet c danner sammen med elektrisk strømtetthet J en firevektor J^μ = (cρ,J).

Ladning og elektrisk strøm

Utdypende artikkel: Elektrisk strøm

Når en elektrisk strøm flyter betyr det at ladningsbærere passerer gjennom et område, for eksempel tverrsnitt av en elektrisk leder, per tidsenhet (også bare kalt «strøm»). Denne parameteren gis symbolet $I$.

Enkelt sagt er forholdet mellom elektrisitet $I$ og ladning $Q$ gitt av uttrykket:

$I={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} t}}$.

Hvor mye elektrisk ladning som er flyttet i tiden mellom $t_{0}$ og $t$ følger av integrering på begge sider av uttrykket:

$Q(t)=Q(t_{0})+\int \limits _{t_{0}}^{t}I(t)\ \mathrm {d} t$

For et konstant strøm er forholdet mellom ladning og strøm:

$I={\frac {Q}{t}}\quad \Leftrightarrow \quad Q=I\cdot t$.

Basert på denne ligningen sees det at coulomb kan representeres som $1\,\mathrm {C} =1\,\mathrm {As}$. Dette forholdet angir grunnenhetene ampere og sekund er coulomb i SI-systemet.

På grunn av konservering av ladningen vil ladningsmengden i et gitt romlig område varierer bare i den grad ladningen strømme inn eller ut av dette området. Dette tilsvarer tilsvarer kontinuitetsligningen. Ladningen regnes lik volumintegralet av ladningstettheten $\rho$ innenfor det gitte rommet $V$. Endringen av denne ladningen er lik flateintegralet av strømtettheten J  over den lukkede overflaten $S$ til volumet $V$ ($S=\partial V$, «randen av $V$»), og er lik den elektriske strømmen $I$. Strømretningen ut av volumet er definert som positiv:

$-{\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\iiint _{V}\rho \,\mathrm {d} V=\iint _{\partial V}\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\;\;\;\subset \!\supset \mathbf {J} \;\cdot \mathrm {d} \mathbf {S} =I$.

Ved bruk av divergensteoremet finner man herav kontinuitetsligningen på vanlig form.

Måling av elektrisk ladning

Thompsons speilgalvanometer

Ladningsmengden for én Coulomb tilsvarer rundt 6,24 · 10¹⁸ elementærladninger. For bestemmelse av den totale ladningen for et system er det i regelen ikke lett å telle ladninger. Indirekte kan den av eller påløpte ladningen til et område (for eksempel et legeme) bestemmes ved å måle strømstyrken: Når en strøm flyter med konstant intensitet $I$ i perioden $t$ transporteres en ladningsmengde på $Q=I\cdot t$. Generelt er den ladning som har gått inn i, eller gjennom et legeme, integralet av elektriske strøm over tid.

I utgangspunktet kan verdien av en ladning q også bestemmes ved at et elektrisk felt av kjent feltstyrke E måler den kraften F som virker på et ladningen. Definisjonen av feltstyrken gir

$\mathbf {F} =q\mathbf {E}$.

Denne metoden er underlagt strenge restriksjoner: Prøven må være liten, bevegelig og være svært godt elektrisk isolert. Ladningen til testlegmet må ikke påvirke det elektriske feltet, noe som er vanskelig å verifisere. Derfor bør ladningen være lav, men da vil kraften også være vanskelig å måle.

Elektroskop fre en lærebok fra 1881.

Ulempene som er beskrevet med metoden over har ingen videre tiltak for, men en metode for å måle store ladninger finnes. Den er basert på forholdet mellom kapasitans C til en kondensator og spenning U:

$Q=CU$

En kondensator med kjent kapasitet kan lades opp med den ladningen som skal måles, for deretter å måle spenningen som oppstår over dens terminaler. Denne målingen må utføres med høy motstand, det vil si at den bare må oppta en ubetydelig mengde av den ladning fra den ladningen som skal måles. Dette gjøres med en elektroskop eller bedre med en impedans-omformer. Imidlertid må kapasiteten av ladningskilden være kjent siden noe av ladningen forblir der. En spenningsløs måling med en integrator (uten inngangsmotstand også kjent som en kostnad forsterker) unngår dette problemet.

Litteratur

• Károly Simonyi (1995). Kulturgeschichte der Physik (på tysk). Harri Deutsch, Thun. ISBN 3-8171-1379-X. 

• Hans-Peter Sang (1999). Geschichte der Physik (Band 1) (på tysk). borrelås. ISBN 3-12-770230-2. 
• Richard P. Feynman: Feynman-Vorlesungen über Physik. Oldenbourg, München/Wien 2007, ISBN 978-3-486-58444-8.
• Paul A. Tipler: Physik. 3. korrigierter Nachdruck der 1. Auflage. 1994, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg/Berlin, 2000, ISBN 3-86025-122-8.
• Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer: Elektromagnetismus. In: Lehrbuch der Experimentalphysik. Bd. 2, 9. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2006, ISBN 978-3-11-018898-1.
• Wolfgang Nolting: Elektrodynamik. In: Grundkurs Theoretische Physik. Bd. 3, 8. Auflage. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-71251-0.
• Hugo D. Young og Roger A. Freedman (2008). University Physics (på engelsk) (XII utg.). Addison Wesley. ISBN 978-0-321-50130-1. 

Eksterne lenker

• Elektrisk laddning (svensk).
• Forelesning om elektriske ladninger og elektriske krefter (engelsk).
• Historien om de elektriske enhetene (engelsk).