Všechny elektrické jevy jsou důsledkem existence elektrického náboje. Náboj je vlastností některých elementárních částic – proton nese kladný náboj, elektron náboj záporný. Částice neutron má náboj nulový. Odpovídající fyzikální veličina elektrický náboj se značí písmenem
Náboj protonu je nejmenší nedělitelný náboj, nazýváme jej elementární náboj, značíme jej
Náboje na sebe působí elektrickými silami: náboje stejného znaménka se odpuzují, náboje opačného znaménka se přitahují.

Zdroj
V této kapitole věnované elektrickému poli, pohybu nabitých částic, urychlovačům a výbojům v plynech budeme potřebovat základní znalosti o nábojích. Pokud byste v tuto chvíli váhali, jak určit například celkový náboj iontu
Coulombův zákon
Uvažujme dvě částice nesoucí elektrický náboj

Zdroj
Coulombův zákon
Ve vakuu a ve vzduchu
Coulombův zákon říká, že elektrická síla je přímo úměrná součinu velikostí nábojů a nepřímo úměrná druhé mocnině jejich vzdálenosti. Ve vzorci pro
Coulombův zákon v tomto tvaru platí také pro makroskopická tělesa s kulově symetrickým rozložením náboje a pro tělesa, jejichž rozměry jsou zanedbatelné vzhledem k jejich vzdálenosti.
Velikost elektrické síly je ovlivněna také prostředím, v němž se náboje nacházejí. Nejčastěji uvažujeme částice ve vakuu nebo nabitá tělesa ve vzduchu, ale mohou se vyskytovat i v jiném prostředí, např. být zalita v plastu. Tato závislost je skryta v konstantě, která se v současné fyzice vyjadřuje pomocí permitivity prostředí
Permitivita je veličina popisující elektrické vlastnosti prostředí, v němž se náboje nacházejí. Její jednotkou je farad na metr F ⋅ m−1. Permitivita vakua se značí
Působení mezi náboji je podle třetího Newtonova zákona vzájemné: působí-li náboj
Coulombův zákon je analogií Newtonova gravitačního zákona pro elektrické náboje v klidu. Podobně jako hmotnost je příčinou gravitace, je náboj příčinou elektrického působení. Gravitační síla je přímo úměrná součinu hmotností, elektrická síla přímo úměrná součinu nábojů. Obě síly jsou nepřímo úměrné druhé mocnině vzdálenosti.

Dvě malé kuličky umístěné ve vzduchu 30 cm od sebe nesou náboj 100 nC a –2 µC. Jak velkou silou se přitahují?

Zadané veličiny vyjádříme v základních jednotkách:
Ve vzduchu je
Dosadíme do Coulombova zákona






Permitivity různých prostředí se v tabulkách nejčastěji uvádějí jakožto násobky permitivity vakua. Permitivitu hmotného prostředí tedy spočítáme jako
látka | |
---|---|
vzduch | 1,00054 |
papír | 3,5 |
sklo | 3,8 až 19 |
led | 4,8 |
voda | 81 |
Poznamenejme, že permitivita prostředí ovlivňuje i rychlost šíření elektromagnetických vln. Dá se ukázat, že pro rychlost světla platí
Otázka pro šikovné: Dokázali byste vyjádřit jednotku farad (F) pomocí základních jednotek SI?

S elektrickou silou

Porovnejte velikost elektrické a gravitační síly, kterou se přitahuje jádro a elektron v atomu vodíku. Hmotnosti částic jsou: hmotnost protonu

Ještě než začneme počítat, tipněte si, která ze sil je větší a kolikrát.
Jádro atomu vodíku je tvořeno protonem. Mezi protonem a elektronem v obalu nejsou žádné jiné hmotné částice, nachází se tedy ve vakuu. Jejich vzdálenost označíme
Poměr velikostí elektrické a gravitační síly vyjádříme z Coulombova a gravitačního zákona
Na úrovni atomů je tedy gravitační síla o 39 řádů slabší než síla elektrická. To znamená, že elektron je v obalu atomu vodíku vázán elektricky, gravitace je zanedbatelná. Přesto na úrovni planet, hvězd a galaxií převládá gravitace, neboť tyto vesmírné útvary jsou elektricky neutrální, a proto na sebe elektricky nepůsobí.


Dva pouťové balónky nafoukneme, přivážeme na tenkou nit a třením rovnoměrně zelektrujeme. Pro jednoduchost předpokládejme, že mají téměř kulový tvar, že jsou nabity stejně velkým nábojem

Zdroj

Ještě než začneme počítat, tipněte si, jak velký náboj balónky nesou
Řešení úlohy provedeme ve dvou krocích: nejdříve vypočítáme velikost elektrické síly
Na černý balónek působí tři síly: tíhová síla

Zdroj
Balónky setrvávají v klidu, takže podle prvního Newtonova zákona se působící síly musí vyrušit:
To znamená, že současné působení
Vektory
Velikost elektrické síly tedy spočítáme
Známe-li elektrickou sílu, můžeme určit náboj
kde písmenem
takže
Dosazením získáváme výsledek
Balónky nesou náboj o velikosti 550 nC, buď jsou oba kladné, nebo oba záporné.
Tento výpočet vám může dát orientační představu, jak velký náboj mají běžná zelektrovaná tělesa – řádově stovky nanocoulombů. Jednotka 1 C tedy představuje obrovský náboj.
