Sähkövarauksien

Sähkövaraukset ovat fysiikan suure, jolla kuvataan kappaleiden sähköisiä vuorovaikutuksia. Varauksia esiintyy kahtena päätyyppinä: positiivisina ja negatiivisina. Negatiivinen varaus liittyy elektronien määrään ja positiivinen varaus protonien määrään; perusvaraus on e ≈ 1,602 × 10^-19 C, ja elektroneilla varaus on −e sekä protoneilla +e. Kappaleen kokonaisvaraus muodostuu sen sisältämien varattujen osasten summasta, ja järjestelmän kokonaisvaraus säilyy suljetussa systeemissä.

Coulombin lain mukaan kahden pistevarauksen välinen sähköinen voima F on F = k q1 q2 / r^2, jossa k on Coulombin vakio ja r etäisyys. Voiman merkki määrittää, ovatko vuorovaikutukset vetäviä vai hylkiviä. Sähkövarauksesta seuraa sähkökenttä E, jonka suuruus ja suunta määräävät voiman F = qE. Sähköpotentiaali V liittyy kenttään kaavalla E = −∇V. Gaussin laki yhdistää varauksien jakaantumisen ja kentän tilamuutoksia ∮E·dA = Qenclosed/ε0; materiaaleissa käytetään permittiviteettiä ε. Varauksen kvantittuneisuus tarkoittaa, että kokonaisvaraus on kokonaislukujen kertomaa e.

Sähkövarauksiin liittyy useita ilmiöitä. Varaukset voivat syntyä kosketuksesta (varaukset siirtyvät), sähköisellä induktiolla (varaukset jakautuvat ilman suoraa kosketusta) tai triboelektrisellä ilmiöllä (kitkasta syntyviä varauksia). Purkautuminen tapahtuu usein johtavuuden kautta, kun sähkökentän energia purkautuu ja kappaleet löytävät maadoituksen tai yhteyden toiseen johtimeen.

Sähkövaraukset ovat keskeisiä monissa teknisissä ja luontoon liittyvissä ilmiöissä, kuten elektroniikassa, kapasitanssissa, elektrolyysissä ja ilmakehän sähköissä.