Ładunek elektryczny (Q) to właściwość cząstek materii, przez którą oddziałują one ze sobą siłami elektrycznymi: ładunki jednoimienne się odpychają, a różnoimienne przyciągają. Wyraża się go w kulombach (C), a 1 C to ładunek, który przy prądzie 1 A przepływa przez przewodnik w ciągu 1 s.
Zostań elektrykiem z uprawnieniami SEP
Kurs online G1 / G2 / G3 + egzamin państwowy - 100% zdawalności
z kodem ELEKTRYCZKA = 10% rabatu!
Skąd biorą się ładunki elektryczne?
Cała materia składa się z atomów, a atom z jądra i otaczających je elektronów. Jądro tworzą protony i neutrony. Proton ma ładunek dodatni, elektron ujemny, a neutron jest obojętny. Atom, który ma tyle samo protonów co elektronów, nie wykazuje na zewnątrz żadnego ładunku, dlatego większość przedmiotów wokół ciebie jest elektrycznie obojętna.
W metalach część elektronów nie jest związana z konkretnym atomem. Te swobodne elektrony przenoszą ładunek przez przewodnik, a ich uporządkowany ruch jest prądem elektrycznym. W izolatorach elektrony pozostają przy swoich atomach, więc ładunek zostaje tam, gdzie go umieszczono.
Ładunek nie powstaje z niczego. Naelektryzowanie ciała polega na przesunięciu elektronów: ciało, które je zyskuje, ładuje się ujemnie, a to, które je traci, dodatnio. Dzieje się tak na trzy sposoby: przez tarcie (grzebień o suchą tkaninę, podeszwy o wykładzinę), przez zetknięcie z ciałem już naładowanym oraz przez indukcję, czyli zbliżenie naładowanego przedmiotu bez dotykania. Suma ładunków w układzie odizolowanym pozostaje przy tym stała i nazywa się to zasadą zachowania ładunku.
Siłę, z jaką oddziałują dwa ładunki punktowe, opisuje prawo Coulomba. Podwojenie odległości zmniejsza ją czterokrotnie. Samą strefę wpływu, którą ładunek tworzy wokół siebie, omawia hasło pole elektryczne.
F = k · |Q1 · Q2| / r²
- F – siła oddziaływania [N],
- Q1, Q2 – wartości obu ładunków [C],
- r – odległość między ładunkami [m],
- k – współczynnik proporcjonalności w próżni, w przybliżeniu 9 · 109 N·m²/C².
Czym jest kulomb i ładunek elementarny?
Kulomb (C) to jednostka ładunku w układzie SI, nazwana na cześć francuskiego fizyka Charles’a Augustina de Coulomba. Wynika wprost z jednostki prądu: 1 C = 1 A · 1 s. Jeden kulomb to bardzo dużo, bo odpowiada około 6,24 · 1018 elektronów. Dla skali: typowy piorun przenosi ładunek od kilku do kilkunastu kulombów.
Najmniejszy ładunek, jaki występuje swobodnie w przyrodzie, nazywa się ładunkiem elementarnym i oznacza się go literą e. Od 2019 roku jego wartość jest w układzie SI przyjęta jako dokładna: e = 1,602 176 634 · 10−19 C. Każdy ładunek, który zmierzysz, jest całkowitą wielokrotnością e, czyli jest skwantowany. Kwarki mają ułamkowe wartości ładunku, ale nie występują pojedynczo.
| Cząstka | Rodzaj ładunku | Wartość ładunku |
|---|---|---|
| Elektron | ujemny | −e ≈ −1,602 · 10−19 C |
| Proton | dodatni | +e ≈ +1,602 · 10−19 C |
| Neutron | obojętny | 0 |
Ładunek elektryczny jest więc wielkością fizyczną, a ładunek elementarny jej najmniejszą swobodnie występującą porcją, podobnie jak jedna sztuka jest najmniejszą porcją towaru liczonego na sztuki.
Jak się liczy ładunek elektryczny?
Gdy znasz natężenie prądu i czas jego przepływu, ładunek wynika wprost z definicji natężenia, opisanej w haśle natężenie prądu.
Q = I · t
- Q – ładunek [C],
- I – natężenie prądu [A],
- t – czas przepływu [s].
Gdy znasz liczbę nośników ładunku, na przykład elektronów, korzystasz z drugiej zależności.
Q = n · e
- n – liczba elementarnych nośników ładunku,
- e – ładunek elementarny [C].
Prąd 2 A płynący przez 30 minut, czyli 1800 s, przenosi ładunek Q = 2 A · 1800 s = 3600 C. To dokładnie 1 Ah, bo amperogodzina jest kulombami zapisanymi w innej skali czasu: 1 Ah = 3600 C. Pojemność akumulatora jest więc podawaniem ładunku, jaki może on oddać.
| Pojemność | Ładunek |
|---|---|
| 1 mAh | 3,6 C |
| 1 Ah | 3600 C |
| 60 Ah (typowy akumulator samochodowy) | 216 000 C |
Pomnóż 216 000 C przez napięcie 12 V, a dostaniesz około 2,6 MJ, czyli 0,72 kWh. W uproszczeniu tyle energii mieści taki akumulator, bo napięcie podczas rozładowania spada. Energię i jej jednostki opisuje hasło energia elektryczna.
Jak pozbyć się ładunku elektrostatycznego?
Naładowane ciało oddaje nadmiar ładunku, gdy zapewnisz mu drogę do ziemi. Przewodnik połączony z ziemią rozładowuje się niemal natychmiast, a izolator bardzo wolno, dlatego plastik i syntetyczne tkaniny trzymają ładunek najdłużej. Pomaga też wilgotne powietrze, bo cienka warstwa wody na powierzchni przewodzi ładunek, oraz środki antystatyczne.
W pracy elektryka i serwisanta zjawisko ma dwie strony. Pierwsza to wyładowania elektrostatyczne (ESD), które niszczą układy scalone, dlatego elektronikę montuje się przy stanowisku z opaską uziemiającą i matą antystatyczną, zgodnie z normą PN-EN 61340-5-1. Druga dotyczy kondensatorów, które po odłączeniu urządzenia od instalacji 230/400 V mogą zachować zgromadzony ładunek i porazić cię przy dotknięciu. Przed pracą przy takim urządzeniu upewnij się, że zostały rozładowane.
Rozumienie ładunku porządkuje kolejne pojęcia z podstaw elektrotechniki: natężenie prądu to ładunek przepływający w ciągu sekundy, a napięcie to praca przypadająca na jednostkę ładunku. Ten łańcuch zależności wraca w materiale do egzaminu SEP grupy 1. Pojęcie pokrewne, odnoszące się do energii ładunku w danym punkcie pola, opisuje hasło potencjał elektryczny.
Najczęściej zadawane pytania
Ładunki nie powstają z niczego, tylko przemieszczają się między ciałami. Atomy zawierają dodatnie protony i ujemne elektrony, więc ciało, które zyska elektrony, ładuje się ujemnie, a to, które je straci, dodatnio. Najczęściej dzieje się to przez tarcie, zetknięcie albo indukcję.
Nie. Ładunek elektryczny to wielkość fizyczna, którą mierzysz w kulombach. Ładunek elementarny e ≈ 1,602 · 10⁻¹⁹ C jest jego najmniejszą swobodnie występującą porcją, więc każdy zmierzony ładunek jest całkowitą wielokrotnością e.
Gdy znasz prąd i czas, mnożysz je: Q = I · t, gdzie Q jest w kulombach, I w amperach, a t w sekundach. Prąd 2 A płynący przez 30 minut przenosi 3600 C. Gdy znasz liczbę elektronów n, ładunek wynosi Q = n · e.
Zapewnij ciału drogę do ziemi, bo dotknięcie uziemionego przewodnika rozładowuje je niemal natychmiast. Pomaga też nawilżenie powietrza i środki antystatyczne. Przy montażu elektroniki stosuje się opaskę uziemiającą i matę antystatyczną.
