Co je to elektrický náboj?

24. květen 2009 | 06.00 |

electric fieldNěkteré fyzikální pojmy běžně používáme aniž bychom přesně znali jejich pravou podstatu a dostatečně ji pochopili. Obávám se, že vysvětlení pojmu elektrický náboj nebude zas tak jednoduché. Co říká o elektrickém náboji třeba wikipedie? Elektrický náboj vyjadřuje určitou vlastnost částic, která je spojována se vznikem vzájemného působení mezi tělesy (částicemi) podobným způsobem jako je hmotnost spojována s existencí gravitačního pole. Přítomnost elektrického náboje je tedy nutná pro vznik elektrického nebo magnetického pole. Pěkně řečeno, ale o jakou vlastnost částic vlastně jde?


Na internetu jsem vyhledal několik možností, jak si elektrický náboj představit: Náboj je...
– to, co způsobuje elektrický proud svým pohybem.
– to, co se objeví na plastovém hřebenu, když si budete česat suché vlasy.
– to, co se projevuje jako kladný a záporný elektrický pól
– to, co je příčinou elektrických sil.
– pozitivní a negativní entita, která formuje atomy.
– to, co je přenášeno elektrony, protony, pozitrony a dalšími částicemi.

– to, co vytváří světlo, když to rychle vibruje.
– to, co vytváří rádiové vlny, když to vibruje pomaleji.
– to, co když vibruje velice pomalu vytváří energii v elektrických obvodech.
– to, co vytváří magnetismus, když to proudí nebo rotuje.
– to, co odráží světlo a dělá objekty viditelnými.
– to, co je v nevodičích nehybně "zmrazené".
– to, co se měří v jednotkách nazvaných coulomby.
– to, čemu vědci kdysi říkali "elektrické množství" a "elektrické částice".

Definice "náboje" v encyklopediích je klasickým kruhovým vysvětlením: Náboj je to, co vyvolává elektrické jevy. Co jsou elektrické jevy? To jsou jevy způsobené nábojem! Proč je definice "náboje" taková má svůj důvod. Tak jako hmota, délka a čas, je i elektrický náboj považován za "elementární veličinu". Většina lexikonů říká toto: "Elektrický náboj je elementární vlastnost hmoty."

Ale pojem "náboj" je používán k charakterizování dalších věcí, a proto se z definice vlastního "náboje" stává vážný problém... Co je elektrický proud? To je tok náboje. Co je elektrický náboj? To je to, co teče v elektrickém proudu! Této kruhové definici je těžké se vyhnout, protože definice obyčejně vycházejí z hlubších představ, a když nakonec dorazíme k nejhlubší ze všech možných představ nemůžeme ji pak "uskladnit" jen tak, po elementárních částech.


Co je náboj? Co je hmota? Co je čas? To je jako ptát se: "Co je to 'co'?" nebo "Co jeto 'je'?" Na to je velmi těžké odpovědět.  Je tady ale přesto způsob jak se s tím vyrovnat: podívat se na věc v kontextu, v němž tento nejasný pojem užíváme. Jinými slovy, můžeme postupovat obráceně a definovat náboj komplikovanějšími způsoby. I tyto definice samozřejmě budou stále kruhové. Nicméně na sebe budou vzájemně poukazovat v jisté speciální matrici. Když se obeznámíme s touto matricí a jejími pravidly, můžeme pochopit i pojem "náboj". K sestavení a vyplnění příslušné matrice se musíme vrátit k počátečnímu seznamu.

Elektrický náboj je příslušenství atomů. Jinými slovy, když nějaký objekt rozbijeme na molekuly, molekuly na atomy a nakonec i atomy, odhalíme elektrické náboje. Náboj je hmotný, je jako atomy, ale o stupínek pod nimi. Většina učebnic fyziky nám řekne, že pevná tělesa sestávají z atomů. Je tedy oprávněné tvrdit, že hmotné objekty sestávají z elektrických nábojů. Objekty jsou vytvořeny z vyvážených množství pozitivních a negativních nábojů a drží pohromadě zásluhou přitažlivosti mezi spoustami opačných nábojů, které jsou v nich obsaženy. Všechny chemické vazby jsou elektrické povahy.

Když se kladné a záporné náboje pohybují společně, říkáme tomu "fyzikální pohyb". Protože hmota se skládá z částic nesoucích náboje, je veškerý fyzikální pohyb pohybem náboje, ale ve většině případů se zde jak negativní tak i pozitivní náboje pohybují společně jako celek. Ale když se opačné náboje pohybují samostatně, začnou se dít zajímavé věci. Opačné náboje pohybující se společně jsou "mechanické", zatímco opačné náboje pohybující se odděleně jsou "elektrické". Když se záporný náboj v objektu začne pohybovat, zatím co kladný náboj v objektu zůstane v klidu, říkáme tomuto pohybu elektrický proud.

Jisté množství náboje může nést mnoho rozdílných množství energie, ale i když budeme znát množství náboje, nebudeme vědět nic o množství přítomné energie. Náboj a energie se pohybují různě: v drátech napájených střídavým proudem sedí náboje na jednom místě a pomalu vibrují, zatímco tok energie se pohybuje téměř rychlostí světla. Náboj v obvodech pomalu proudí v kruhu,  zatímco energie se rychle pohybuje od zdroje k zátěži. Protože elektrická energie je tajemná a neviditelná, mnozí si myslí, že náboj a elektrická energie musí být totéž.
Avšak zatímco elektrická energie je neviditelná, náboj je viditelný. Konečně, už Maxwell poukázal na to, že náboj a energie musí být dvě odlišné entity, protože energie se projeví znásobením množství náboje zvýšením jeho napětí.

Když jsou kladné a záporné náboje vyjmuty z hmoty a odděleny od sebe, je důsledkem "statická elektřina". Když je (+) odtaženo od (-), spojuje je neviditelné silové pole, které způsobí, že se k sobě vzájemně přitahují. Toto pole se v mnohém podobá magnetismu, ale magnetismus to není, říkáme tomu elektrostatické pole. Při magnetismu vyvěrají siločáry ze severních a jižních pólů magnetů a tyto linie zdánlivě propojují opačné magnetické póly. V elektrostatice elektrické siločáry spojují dohromady (+) a (-) póly. Toto elektrické pole označujeme jako zřídlové se zřídly ve zminovaných nábojích.


Co je náboj? Je to "pól", bod v němž končí elektrické siločáry. Budeme-li sledovat linie statického ve středu na jejich konci možná narazíme na malý "kousek náboje". Elektrický náboj je jako lepidlo, které připojuje indukční siločáry e-pole k částicím hmoty.
 
Kdykoli se světlo odrazí od nějakého objektu, odráží se od vnější části atomu sestávající ze záporných nábojů. Jinak řečeno, elektrický náboj odráží světlo.


Jenže, třeba v případě když si češeme suché vlasy plastovým hřebenem, se hřeben (ani vlasy) nijak nezmění. Jak může být náboj viditelný, když na zelektrizovaném hřebenu nevidíme žádný rozdíl? Je to prosté: nadbytek náboje na hřebenu je příliš malý. Nerovnováha náboje vyvolaná třením o vlasy je jako šálek čaje vylitý do oceánu: je to velmi málo v porovnání s nábojem, který už tam je. Hřeben je vytvořen z nábojů a množství nábojů, které k nim můžeme dočasně přidat nebo ubrat, je nepatrně malé. Kdybychom "dobíjením" hřebene mohli přidat miliardkrát více náboje, pak bychom zřejmě zpozorovali nějaké změny v jeho barvě. Ale chudák hřeben by okamžitě prudce explodoval, protože takový přidaný náboj by prudce rozehnal od sebe náboje tvořící jeho povrch. (Když rozpojíme významnou část kladných nábojů v bloku uranu, zbytek se rozletí sám od sebe. Tomu říkáme nukleární výbuch.)

Náboj můžeme přímo pozorovat na povrchu drátu. Kovy vypadají kovově proto, protože obsahují "kapalinu" složenou z pohybujících se elektronů. Tato elektrická "kapalina" je vynikající odrazovou plochou pro světelné vlny, a proto se kovové povrchy chovají jako zrcadla. Je to zásluha stejných elektronů, které tečou v elektrickém proudu. "Stříbřitá" hmota kovu je náboj. Tuto hmotu lze přinutit k proudění. Avšak, i když je náboj viditelný, jeho tok už ne. Podívejte se opatrně na neizolované dráty v nějakém elektrickém obvodu, který je pod proudem. Nespatříte žádný pohyb. Na tom však není nic podivného: pohněte sklenicí vody a pátrejte po nějakém proudění. Uvidíte možná pohybující se bublinky a pár zrnek nečistot, ale pohyb vody pod hladinou neuvidíte. Stříbřitá tekutina náboje ve vedení s sebou nenese žádné bublinky ani nečistoty, takže třebaže náboj je viditelný, nemůžeme na pohled říct zda se pohybuje nebo je v klidu.

Pořád ještě chcete definici "elektrického náboje"? Většina učebnic fyziky nám řekne, že pevná tělesa sestávají z atomů. Je tedy oprávněné tvrdit, že hmotné objekty sestávají z elektrických nábojů." Nikdo nikdy dosud nevysvětlil, jak a z čeho vzniká nezničitelný náboj (problém "zdroje náboje") a z čeho sestávají "siločáry", které odlišné náboje spojují (tzv. elektromagnetické pole). Z jiných nábojů? Ale to je přece nemožné. Mezi dvěma oddělenými náboji už přece žádné jiné náboje nejsou. A jak "ví", například záporný náboj, že jeho protějšek má opačnou polaritu a je třeba ho odpudit? A pokud má tuto schopnost, jak je možné, že se takto vybavené náboje dokáží "domluvit" a shluknout do atomů?


Odkud a jakým způsobem, nebo jakým prostředím se k náboji donese informace o polaritě protějšku? James Clerk Maxwell nakonec upustil od snahy o matematické odůvodnění celého problému, protože zjistil, že ač mu přítel Faraday dodal všechna data, která získal během svých pokusů, bylo tu něco, co před oběma zůstávalo skryto. Ani další pokusy nepřinesly nic hmatatelného. Maxwell byl vynikající matematik a poctivý vědec. Ač se pokusil o několik teoretických vysvětlení skryté podstaty těchto jevů, byl si dobře vědom, že matematika je pouze jazyk, jímž lze dokonale popsat dané skutečnosti. Nepovažoval ji za nástroj vhodný k jakýmsi kouzelnickým kouskům, domněle schopným zviditelnit neviditelné a neměřitelné jevy a za nimi skryté entity. Z částí Maxwellova neúplného díla byly později extrahovány čtyři proslulé "Maxwellovy rovnice". Kolik jich nakonec bude, až odhalíme skryté skutečnosti?

S matematickými postupy nahrazujícími pokus se započalo mnohem později, plně se rozvinuly až za éry Einsteina a v této praxi se pokračuje dodnes. Podíváme-li se na výsledky dlouholetého matematického pokusnictví zjistíme, že se převážnou většinou jedná o hříčky, další, matematicky sofistikovaná vysvětlení kruhem, který současně tvoří magickou hranici již se nepodařilo překročit ani Maxwellovi.

Hloubání nad povahou a původem náboje a průvodními jevy jeho působení nakonec vedly k sestavení ZOO obsahující prapodivné "sub-částice" nekonečně pitvané na menší a menší a menší součástky... a když už to dál nešlo, začali své příšerky, označovat barvami, vůněmi atd. A tak se problém  pojmu náboje stále odkládá. Tak co, jste už o něco chytřejší?
 

Převzato a upraveno z WM magazínu.

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1.77 (30x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře

RE: Co je to elektrický náboj? jiří prostor 02. 05. 2014 - 10:39