Elektrilaeng on aineosakeste, näiteks elektronide, prootonite ja teiste subatomaarsete osakeste põhiomadus, mis määrab nende elektromagnetilised vastastikmõjud. Elektronid kannavad negatiivset laengut, prootonid positiivset; neutroonid on omavahel laenguteta. Vastavalt laengu reeglitele tõmbavad vastassuunalised laengud (positiivne ja negatiivne) üksteist ligi ning samalaadsed laengud (kaks positiivset või kaks negatiivset) tõrjuvad üksteist.

Coulombi seadus ja elektrijõud

Laengute vahelise jõu suuruse kirjeldab Coulombi seadus, mille esimesena mõõtis ja kirjeldas Charles‑Augustin de Coulomb torsioonpuhuriga. Seadus annab kahe puntklaengu vahelise tõuke- või tõmbejõu suuruse:

F = k · |q1 · q2| / r²,

kus q1 ja q2 on laengud, r on nendevaheline kaugus ning k ≈ 8,99·10^9 N·m²/C² (või k = 1/(4πε0)). Jõu suund on mööda kahe laengu vahelist joont: vastassuunalised laengud tõmbuvad, samalaadsed tõrjuvad.

Laengu omadused ja mõõtühikud

  • Kvantimine: elektrilaeng on kvantiseeritud — iga makroskoopiline laeng on täisarvulise mitu alallaengu ehk elementaarlaengu e väärtus e ≈ 1,602·10⁻¹⁹ C.
  • Konserveerumine: elektrilaeng ei teki ega kao; suletud süsteemis on kogu laengu summa konstant (laengu jäävuse seadus).
  • Mõõtühik: SI‑ühik elektrilaengule on kulon (C).

Neutraalsus, laengute ülekandumine ja voolu tekkimine

Esemed, millel on võrdne arv elektrone ja prootoneid, on üldjuhul neutraalsed. Eseme laeng muutub siis, kui elektrone viiakse ära või tuuakse juurde — näiteks hõõrumisel või juhtmete kaudu. Kui elektrone liigub kohast, kus neid on rohkem, kohta, kus neid on vähem, nimetatakse seda elektrivooluks. Voolu tugevust mõõdetakse voolutugevusena (amprites, A): 1 A = 1 C/s.

Pinge (potentsiaalide erinevus) ja selle roll

Pinge (potentsiaalide erinevus) väljendab tööd, mida elektrijõud teeb ühe laengu ühikulise liigutamisel kahe punkti vahel. Pinge ühik on volt (V). Kui pinge on kõrge, võib tekkida suur elektriväli, mis võimaldab elektronide kiiret liikumist või isegi sädet õhu kaudu.

Staattne elekter, sädemine ja välk

Staattne elekter tekib siis, kui esemed koguvad üleküllastunud või alatäidetud elektrone — näited: hõõrumine (nt ballooni hõõrumine juustel), kontaktide eraldumine või elektrostaatiiline indutseerimine. Kui inimene tassib jalgu vaibal ja seejärel puudutab messingist ukselingi, võib tekkida väike elektrilöök ehk säde. Sellise säde pingeväärtus on sageli väga suur — tüüpiliselt 25 000–30 000 volti — kuid laengu ja voolu maht on väike ja väga lühiajaline, seega tavaliselt kahjutu.

Õhu diélektriline tugevus määrab, kui suur elektriväli on vajalik säde tekitamiseks; tavalises atmosfäärirõhus on see ligikaudu 3·10^6 V/m (see väärtus sõltub tingimustest). Pilvedes tekkiv laeng võib põhjustada palju suuremaid pingeid ja väga suuri voolutugevusi — toimub välk, kus vool võib olla kümneid tuhandeid ampreid ja energia väga suur. Kui välk tabab inimest või juhib läbi inimese, võib see põhjustada tõsiseid põletusi või surma.

Elektrivoolu ja pinge ohud

  • Oluline ei ole ainult pinge — kõige suurema ohu kujutab endast vool (A) ja selle kestus läbi inimese. Mõned kümned milliamprid (mA) võivad tekitada lihaste kokkutõmbeid või häirida südame tööd; üle 100 mA on ohtlik ja võib olla eluohtlik.
  • Staatiske löökide puhul on pinge suur, kuid läbi inimese liigub väga väike laeng lühikese aja jooksul — seetõttu tavaliselt vigastusi ei teki.
  • Välk kannab aga nii suurt laengut kui ka püsivat voolu, mis teeb sellest äärmiselt ohtliku nähtuse.

Praktilised näited ja nähtused

- Kui inimene saab positiivse või negatiivse laengu, võivad tema juuksed tõusma hakata: iga juuksekarva laengud lükkavad teisi karvu eemale, mistõttu juuksed seisavad ja eraldunud karvad hargnevad.
- Hõõrumisel ballooni vastu saavad balloon või juuksed vastava laengu ja balloon võib kleepuda seinale (induktsioon ja elektrostatiline tõmme).
- Kui laengud saavad teineteisega kokku (nt metallist esemed on ühendatud), suunatakse laengud ümber nii, et objektid püüavad saada neutraalseks — see võib põhjustada sädemist või voolu.

Kokkuvõte

Elektrilaeng määrab osakeste elektromagnetilised vastastikmõjud: vastassuunalised laengud tõmbuvad, samalaadsed tõrjuvad. Coulombi seadus kvantifitseerib selle jõu suuruse. Pinge ja elektrivool on seotud laengute liikumisega: pinge annab "surve", mis paneb laenguid liikuma, ning vool mõõdab liikuvate elektronide hulka ajaühikus. Staattne elekter selgitab iga päev nähtavaid ilminguid nagu elektrišokid ja juuste tõusmine; tugevamad elektrinähtused, näiteks välk, võivad olla eluohtlikud.