Redigerer Elektrisk ladning (avsnitt)

== Egenskaper til elektrisk ladning ==
Elektrisk ladning er en skalar størrelse knyttet til en hvilken som helst partikkel, og generelt et hvilket som helst system av ladninger, som brukes for å karakterisere deres elektromagnetiske vekselvirkninger.<ref>[http://www.electropedia.org/iev/iev.nsf/display?openform&ievref=113-02-10 electrpedia.org International Electrotechnical Commission (IEC), IEV ref 113-02-10] {{Wayback|url=http://www.electropedia.org/iev/iev.nsf/display?openform&ievref=113-02-10 |date=20170420045626 }}</ref>

===  Total ladning ===
Den elektriske ladningen kan anta positive eller negative verdier. En taler som oftest om to typer elektriske ladninger.<ref>{{Kilde www |autor=Friedrich Herrmann |url=http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/altlast/28.pdf |format=PDF; 34&nbsp;kB |titel=Zwei Arten elektrischer Ladung |zugriff=15. Februar 2010 |kommentar=Prof. Herrmann erläutert, weshalb die Sprechweise von zwei Arten der Ladung Nachteile besitzt. |tittel=Arkivert kopi |besøksdato=2016-10-27 |arkiv-dato=2016-03-04 |arkiv-url=https://web.archive.org/web/20160304102624/http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/altlast/28.pdf |url-status=død }}</ref> For eksempel har et [[elektron]] eller et [[myon]] ladningen ''[[Elementærladning|-e]]'', mens et [[positron]] eller et [[proton]] har ladningen ''+e''.

En partikkel og dens [[antipartikkel]] har nøyaktig motsatt samme mengde ladning. For eksempel bærer [[antiproton]]et, antipartikkel til protonet, ladningen -1&nbsp;''e''.

[[Fil:Li ion.svg|thumb|[[Lithium|Li<sup>+</sup>]] med tre protoner (røde) og to elektroner (blå). I enheter av elementærladning er den totale ladningen (+3)&nbsp;+(&nbsp;-&nbsp;2)=+-&nbsp;1.]]

Den ''absolutte ladningen'' til et legeme eller en vesentlig mengde materie er summen av alle elementærladninger som det inneholder. Derfor brukes også begrepene ''total ladning'', ''netto ladning'' eller ''overskytende ladning''. Betydningen av disse begrepet er basert på det faktum at de elektriske virkninger av positive og negative ladninger opphever hverandre da deres innbyrdes avstand er ubetydelig sammenlignet med avstanden til virkningsstedet (der legemet betraktes). Dermed kan et lithiumion på avstander av bare noen få [[nanometer]]s avstand betraktes som en enkelt [[Ladningsbærere|ladningsbærer]] med kun én enkel positiv ladning og skreves som dette; Li<sup>+</sup>, se illustrasjon til høyre. Denne typen oppheving av enkeltladninger i et legeme fungerer på samme måte selv med hundrevis av milliarder av ladningsbærere, slik som i tidligere beskrevet Millikan-eksperimentet.

For å gi et legeme en netto negativ ladning må det enten tilføres negativ ledning eller tas vekk positiv ladning. På samme måte må det tilføres positiv ladning eller fjernes negativ ladning for å gi et legeme netto positiv ladning. I de fleste tilfeller er det snakk om å tilføre eller fjerne elektroner, siden disse partiklene er svært mobile. Dermed er et positiv ladet legeme et som har mistet noen av sine normalt tilstedeværende elektroner. Vanligvis vil nettoladningen alltid utgjøre en svært liten del av den totale positive eller negative ladningen i legemet. Nettoladning utgjør gjerne ikke mer enn 10<sup>−12</sup> av totalladningen.<ref name=YL712>[[#YL|Young og Freedman: ''University physics'' side 712.]]</ref>

En elektrisk nøytral partikkel har ikke har noen ladning (for eksempel et [[nøytron]], som er markert som grå i illustrasjonen av litiumionet til høyre). På den annen side er et legeme nøytral om det bærer det samme antallet av positive og negative elementærladninger, for eksempel et [[helium]]atom med to protoner og to elektroner.

Et atom som har fått fjernet ett eller flere av sine elektroner kalles et ''positivt ion'', mens et atom som har fått flere elektroner enn det normalt har kalles for et ''negativt ion''. Tilførsel eller fjerning av elektroner kalles [[ionisering]].<ref name=YL712/>

Med en ''ladningsseparasjon'' er det tale om visse romlige områder der en av ladningstypene  dominerer, dermed er ikke den absolutt ladning null. Ved ladningsseparasjon i et legeme eller i partikler er angivelse av den totale ladning utilstrekkelig. For eksempel kan den totale ladningen for både ladet og utladet [[Kondensator (elektrisk)|kondensator]]er være null. Mens platene i en uladet kondensator hver for seg er elektrisk nøytralt, bærer platene i en ladet kondensatoren like mye og et motsatt overskudd av ladninger som genererer et elektrisk felt mellom dem. Sett et stykke fra kondensatoren kan selv den ladede kondensatoren betraktes som elektrisk nøytral.

=== Bevaring av ladning ===
Med ''bevaring av ladning'' forstås fenomenet at i et [[lukket system]] er den elektriske ladningen til en hver tid konstant. Om for eksempel en elektrisk nøytral plaststav gnis mot en nøytral pels, så vil plaststaven bli negativ og pelsstykket like mye positivt. Dette fordi pelsstykket har mistet like mange elektroner som staven har mottatt. Men den totale elektriske ladningen for de to objektene til sammen har ikke endret seg. Slik er det i alle fenomener med elektrisk ladningsprosesser, det er alltid snakk om forflytning av ladninger.<ref name=YL712-713>[[#YL|Young og Freedman: ''University physics'' side 712-713.]]</ref>

Fenomenet med bevaring av ladning har som konsekvens at om systemet utsettes for [[elektromagnetisk stråling]] eller [[foton]]er vil dette ikke genereres noen ladning. Resultatet av dette er at under det som i fysikken kalles [[pardannelse]], for eksempel at det samtidig som det dannes et elektron, dannes også dens antipartikkel positronet. Dermed blir den total ladningen på null skapt, men ladingsmengden blir den samme. Det samme er tilfelle i det motsatte av denne prosessen, i fysikken kalt [[Tilintetgjøring (kvantemekanikk)|annihilasjon]] av et par av en partikkel og anti-partikkel, hvor den total ladning også blir null.

Som med alle grunnleggende [[Bevaringslov|bevaring]] i fysikken baserer loven om bevaring av elektrisk ladning seg på observasjoner og eksperimenter. Så langt har alle relevante eksperimenter  bekreftet at elektrisk ladning bevares, noen med svært høy nøyaktighet. I den formelle teoretisk beskrivelsen av bevaring av elektrisk ladningen uttrykkes ved en [[kontinuitetsligning]], som er en konsekvens av [[Maxwells ligninger]]. En mer abstrakt egenskap innenfor elektromagnetisme er dens invarians (ofte kalt [[Symmetri i fysikk|symmetri]]) under [[gaugetransformasjoner]]. Derfor er [[kvanteelektrodynamikk]] kjent som en [[gaugeteori]]. I henhold til [[Noethers setning|Noethers teorem]] betyr invarians under gaugetransformasjoner i elektrodynamikken at  den elektriske ladningen er bevart.

I tilsynelatende motsetningen til bevaring av ladningen er omtalen av en ladningsgenerering eller utladning. Dette betyr imidlertid en lokal opphopning av positiv eller negativ ladning, noe som faktisk er en ladningsseparasjon (altså ikke generering).

=== Opplading ===
For å lade, i betydningen å skape et overskudd av ladning, av et tidligere nøytralt legeme må det absorbere eller avgi ladningsbærere. Men selv i tilfelle av en ujevn ladningsfordeling i et helt nøytral legeme, snakker man om «ladingen». Dette skjer for eksempel på grunn av et påtrykt elektriske felt eller ved bevegelser på en molekylær skala. I tilfelle av et polarisert materiale er ladningen bundet, og med innflytelse av «fritt bevegelig» ladningsbærere forskyves disse i en leder.

Et velkjent hverdagslig fenomen er mekanisme for separasjon av ladninger ved [[friksjon]]. Hvis for eksempel en ballong blir gnidd mot en genser, så vil elektroner overføres fra ett materiale til det andre. Det som da skjer er at elektroner og de resterende atomkjernene blir separert og gir opphav til såkalt [[triboelektrisk effekt|berøringselektrisitet]]. I en [[Van de Graaff-generator]]en skjer både berøringselektrisitet og elektrostatisk induksjon.

I [[Elektrisk batteri|elektriske batterier]] og akkumulatorer er det kjemiske reaksjoner som brukes til å omfordele en stor mengde av ladningsbærere (elektroner eller [[ion]]er). Som i en kondensator er den totale ladningen null. Men i motsetning til i en kondensator, der spenningen stiger nesten lineært, forblir spenningen i et batteri tilnærmet konstant. Derfor er kapasiteten til en kondensator som energilager oppgitt i [[Farad]] (coulomb pr volt), mens kapasiteten til et batteri måles som en ladningsmengden i [[Ah]] (amperetimer), der 1 Ah er lik 3600&nbsp;coulomb.

Ladningsseparasjon kan også være forårsaket av elektromagnetiske bølger, som for eksempel lys. Om det har en tilstrekkelig høy frekvens og treffer en metalloverflate, frigjøres elektroner ved den [[fotoelektrisk effekt|fotoelektriske effekten]]. Disse kan så oppfanges ved ved en positiv [[anode]].

=== Relativistisk invarians ===
Ladningen ''Q'' til et legeme er ikke bare en konservert kvantitet, men også uavhengig av legemets [[hastighet]]. Det vil si at den elektriske ladning er en [[Kovariant relativitetsteori|relativistisk invariant]], noe som innebærer at den totale ladning av et objekt ikke påvirkes av [[lengdekontraksjon]]. Denne egenskapen har ladningen til felles med den invariant masse i et  system, men skiller seg for eksempel fra [[energi]]. Eksempel viser at relativistiske invarians ikke er selvinnlysende for bevaring av mengder, men er i seg selv en ytterligere egenskap.

På teoretisk nivå kan relativistisk invarians til ladningen ''Q'' oppfattes som et volumintegral av ladningstettheten <math>\rho</math>:

:<math>Q=\int \rho \, d^3x</math>

Ved Lorentz-transformasjon forvandler ladningstetthet som tidskomponenten i en [[Kovariant relativitetsteori|firevektor]]. Denne gjennomgår en endring analogt til [[tidsdilatasjon]]. Derimot vil det differensielle volumelementet <math>d^3x</math> gjennomgå en Lorentz-sammentrekning. Disse to effektene opphever hverandre akkurat slik at ladningen selv forblir uendret.

[[Interferens]]forsøk, for eksempel utført av [[Claus Jönsson]] (1930-), med elektroner i forskjellige hastigheter viser at deres ladninger er uavhengig av hastigheten. Ved temperaturendringer vil ladningen til et fast legeme endres på grunn av at hastigheten av dets elementærpartikler øker, som et resultat av økt termisk energi. Her er det elektronene som gjennomsnittlig får en mye større hastighet enn de positive atomkjernene med mye større masse.

=== Kvantekarakter ===
Elektrisk ladet materie kan ikke bære hvilken som helst kontinuerlig ladningsmengde. Ladningen til alle kjente [[elementærpartikler]] har blitt målt eksperimentelt med det resultat at alle [[lepton]]er og [[antipartikkel|antipartikler]] alltid er heltallige multipler av elementærladningen <math>e </math>. Byggesteinene til atomer, altså protonet og elektronet har ladningen <math> +e </math> og <math> -e </math>, mens nøytronet er uten elektrisk ladning. Den nåværende (2015) nøyaktig verdi av denne [[Fysisk konstant|natur konstanten]] er <math> e = 1 602 176 6208 (98) \cdot 10^{- 19} \ \mathrm C </math> <ref name="CODATA">{{Kilde www | url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e |hrsg=National Institute of Standards and Technology |titel=CODATA Recommended Values |zugriff=25. Juli 2015}}</ref>. Tallene i parentes indikerer usikkerhet i de siste sifrenes verdi, hvor [[CODATA]] har angitte tallverdien med usikkerhet.

Nukleoner som nøytroner og protoner består av kombinasjoner av andre partikler kalt [[kvark]]er. Disse har ladningen <math>-\tfrac13~e</math> eller <math>+\tfrac23~e</math>. Imidlertid er det aldri observert kvarker i fri tilstand, bare i bundet tilstander. Nøytroner og protoner består alltid av flere heltallige multipler av kvarker. Dermed er alle elementærpartikler som oppstår i fri tilstand multipler av elementærladningen.<ref name=YL711>[[#YL|Young og Freedman: ''University physics'' side 711.]]</ref>

Denne kvantekarakteren er teoretisk begrunnet i den [[Elektrosvak vekselvirkning|elektrosvake modellen]] der elektriske ladningen er en attributt ved [[svake hyper-ladning]] og [[svak isospin]]. Imidlertid kan denne modellen ikke forklare hvorfor svake hyperladning og svak isospin bare kan anta visse verdier. Så langt er «årsaken» til den observerte kvantifiseringen av ladning uforklarlig; dette er en av de største gåter innenfor fysikken.<ref>John David Jackson (dt. Übers. und Bearb.: Kurt Müller): ''Klassische Elektrodynamik.'' 3., überarb. Aufl. de Gruyter, Berlin 2002, S.&nbsp;317.</ref> I henhold til [[Paul Dirac]]s (1902-1984) teori om eksistensen av en [[magnetisk monopol]] og dermed også magnetiske ladninger, bety at elektrisk ladning er [[Kvantisering (fysikk)|kvantisert]]. Slike magnetiske monopoler er til nå ikke påvist.

Utenfor atomstrukturer er det imidlertid relevant å betrakte ladninger som kontinuerlige størrelser. Selv en liten strøm på bare en [[nano]] [[ampere]] innebærer en ladningstransport på rundt seks milliarder elektroner per sekund. Dermed er det innenfor elektroteknikken uinteressant å betrakte enkeltladninger. Et unntak er imidlertid ''shot støy'' en type forstyrrelser som oppstår ved elektronisk bildebehandling.

=== Elektrisk ladning i kvantefeltteori ===
I sammenheng med kvantefeltteori er elementærladningen [[koblingskonstant]]en for elektromagnetiske interaksjon. Fra ståstedet til renormaliseringgruppen er koblingskonstantene innenfor kvantefeltteori ikke konstanter, men er avhengig av energiskalaen. Dessuten er  elementærladningen også avhengig av energiskalaen, fordi den øker med økende energi. Dette betyr at ved meget høye energier oppstår sterkere vekselvirkning mellom ladede partikler. Som et resultat er det mer sannsynlig med partikkelreaksjoner ved høye energier ved elektromagnetiske vekselvirkning. Sannsynligheten for at for eksempel en kollisjon mellom to elektroner fører til dannelse av et elektron-positron-par øker med energien i sammenstøtet.

Den [[elektrosvak vekselvirkning|elektrosvake modellen]] sier at elektromagnetisme er et effektivt samspill ved lave energier, som blir igjen etter et [[spontant symmetribrudd]] ved hjelp av [[Higgs mekanismen]]. Ved høyere energier tar derfor to interaksjoner plassen til elektromagnetisme, og elektrisk ladning blir erstattet av den svake hyperladning og svak isospin. Følgelig kan den elektriske ladning i en viss forstand betraktes som sammensatt av disse to typer ladning.

Symmetrien av positiv og negativ ladning er av betydning innenfor kvantefeltteori. Transformasjonen som reverserer alle tegn på de elektriske ladninger i en partikkelsystem kalles ''C''. En ytterligere viktige forandringer i det følgende er P som er punktspeilingen av rommet på nullpunktet, og ''T'' reversering av retning til tiden. ''[[CPT-teoremet]]'' som er et grunnleggende utsagn om alle kvantefeltteorier, sier at spredningsprosesser er nøyaktig like når alle de tre transformasjoner anvendes på systemet. Dette gjelder imidlertid ikke for en enkelte transformasjon. Det er [[paritet]]sbrudd prosesser som forløper annerledes hvis bare ''P'' er brukt, og ved ''CP''-brudd (ladningsparitets-brudd) oppstår når en prosess forløper annerledes enn sin romlige og lade speilet motstykke.