Elektrische lading

Geladen deeltjes van dezelfde polariteit stoten elkaar af met een kracht die kwadratisch toeneemt met afnemende afstand tussen de deeltjes. Bij het toevoegen van geladen deeltjes aan een geleider neemt de afstand tussen de deeltjes af, waardoor het steeds meer energie per ladingseenheid kost om extra lading toe te voegen. Dit is de potentiaal ofwel spanning van die geleider, uitgedrukt in volt (V). Een geleider die veel lading opneemt per volt heeft een hoge capaciteit. Die capaciteit hangt uiteraard af van de afmetingen van die geleider.

Bijzondere constructies zijn bedacht voor het opslaan van zo veel mogelijk lading per volt. Zulke componenten heten condensatoren; ze maken gebruik van de aantrekkende kracht tussen tegengesteld geladen deeltjes in twee dicht bij elkaar gehouden geleiders, om de afstotende kracht van gelijk geladen deeltjes binnen elke geleider op te heffen.

Lading kan ook opgeslagen worden op een van de aarde geïsoleerde metalen bol (zoals in de vandegraaffgenerator). Als de lading echter te groot wordt, treedt er door ionisatie lek op naar de lucht, wat bij voldoende lading met vonken gepaard kan gaan. De maximale hoeveelheid lading (en daarmee ook de elektrische spanning) op een elektrisch geleidende bol is lineair afhankelijk van de grootte (diameter) van die bol. Bij het vergroten van de bol wordt het gevaar voor de mens steeds groter, doordat de ontlading dan tot grote stroomsterktes kan leiden. Bij een elektrische stroom van meer dan 100 mA door de hartspier van een mens is de kans op een hartstilstand groot.

Voor zover bekend komt elektrische lading in de natuur alleen voor in geheeltallige veelvouden van de elementaire lading ${\displaystyle e}$. Deze is gelijk aan de lading van het proton en heeft een waarde van 1,602 176 53 × 10⁻¹⁹ C. Het elektron heeft precies dezelfde lading, maar dan negatief. Ladingen die geen veelvoud zijn van ${\displaystyle e}$, komen alleen voor in quarks. Dit zijn elementaire deeltjes, waarvan de lading een veelvoud is van ${\displaystyle e/3}$, maar die, in tegenstelling tot protonen en elektronen, nooit afzonderlijk zijn waargenomen.

In de 'gewone' materie, die opgebouwd is uit atomen die weer bestaan uit protonen, neutronen en elektronen, wordt een positieve lading veroorzaakt door een elektronentekort en een negatieve lading door een elektronenoverschot per atoom. De collectieve verplaatsing van elektronen door een geleider wordt elektrische stroom genoemd.

In formulevorm:

${\displaystyle I(t)={\frac {\mathrm {d} Q(t)}{\mathrm {d} t}}}$

Hierin is ${\displaystyle I}$ de stroom in ampère, ${\displaystyle Q}$ de lading in coulomb en ${\displaystyle t}$ de tijd in sec.

Om de verplaatste lading ${\displaystyle \Delta Q}$ in een periode ${\displaystyle T}$ te vinden, wordt de integraal genomen van beide leden:

${\displaystyle \Delta Q=Q(T)-Q(0)=\int _{0}^{T}I(t)\,\mathrm {d} t}$

De wet van Coulomb drukt de aantrekking of afstoting van geladen voorwerpen in rust uit in formulevorm. Elektrische ladingen veroorzaken elektrische velden, onafhankelijk van hun bewegingstoestand. Krachten tussen stilstaande ladingen worden bestudeerd in de elektrostatica. Onderling bewegende elektrische ladingen veroorzaken bovendien een magnetisch veld; zo'n veld plant zich met de lichtsnelheid voort en beïnvloedt op zijn beurt de andere bewegende ladingen. Een magnetisch veld oefent namelijk op een lading die dwars op de veldrichting beweegt, een lorentzkracht uit, die loodrecht staat op zowel de veldrichting als de bewegingsrichting. Dit is de oorzaak van het verschijnsel inductie, beschreven door de wet van Faraday, en ook van een samenknijpend effect op vrije ladingdragers met gelijk teken die dezelfde kant op bewegen. Dit is een bekend effect in de plasmafysica.

Zowel de elektrostatische aantrekking en afstoting als de lorentzkracht liggen besloten in de alomvattende wetten van Maxwell van het elektromagnetisme.

Elektrische lading is al in de klassieke oudheid bekend bij de Grieken, die ontdekten dat barnsteen, als het met een vacht was opgewreven, lichte deeltjes kon aantrekken. Het verschijnsel elektriciteit is dan ook genoemd naar het Griekse woord voor barnsteen, ηλεκτρον (elektron).

In de 18e eeuw werd elektriciteit zeer populair, onder andere door de gevaarlijke maar spectaculaire experimenten met bliksem door Benjamin Franklin. In die periode werden ook allerhande elektriseermachines ontwikkeld, waarmee allerlei ziekten en kwalen genezen zouden kunnen worden, maar waarmee ook amusement werd bedreven. Nog steeds is het spectaculair een persoon onder elektrische lading te zetten, zodat zijn (of liever nog: haar) haar alle kanten op gaat staan.

Dat de eenheid van elektrische lading gekwantiseerd is, werd ontdekt door Robert Millikan, die kleine verstoven oliedruppels in een elektrisch veld liet zweven. Door de snelheid van het vallen of stijgen van deze druppeltjes te bepalen kan de lading per druppel worden bepaald. Het minimale verschil tussen die ladingen per druppel is de elementaire ladingseenheid.

De huidige theorie over elektromagnetisme staat in principe naast elektrische lading ook magnetische lading toe. Deze lading zou zich manifesteren als magnetische monopool, die echter tot op heden niet gevonden is.

Einstein formuleerde zijn postulaat dat de lichtsnelheid constant is in elk inertiaalstelsel, naar aanleiding van een inconsistentie tussen de wetten van Maxwell en klassieke 'Galileïsche' inertiaalstelsels, waarin volgens gangbare inzichten alle natuurwetten hetzelfde moeten zijn. Volgens Maxwell echter hangen magnetische krachten op ladingen af van de relatieve beweging van waarnemer en lading. Dit leidde tot de Speciale relativiteitstheorie.