A világon tapasztalható elektromágneses hatások oka a villamos töltések létezése. A villamos töltés az anyag egyik tulajdonsága.

Villamos teret villamos töltések hoznak létre maguk körül. A statikus villamos tér forrása a villamos töltés. A villamos tér mellett a mágneses tér és így az elektromágneses tér oka is a villamos töltések létezése a világon.
 
A villamos töltés (elektromos töltés) az anyag alapvető tulajdonsága, akárcsak a tömeg, egyes elemi részecskék jellemzője. Kétféle neme létezik, pozitív és negatív. A villamos töltések egymásra erőhatást gyakorolnak, az azonos neműek taszítják, a különbözően vonzzák egymást. A villamos töltések villamos teret hoznak létre maguk körül, a mozgásban levő villamos töltések pedig mágneses teret is létrehoznak maguk körül.

A villamos töltést leíró fizikai mennyiség előjeles, skaláris mennyiség.

Jele: Q mértékegysége: [Q] = 1 C (coulomb) = 1 As

A gyakorlatban előforduló töltések a µC, nC vagy pC nagyságrendjébe esnek. Az 1 - 10 coulomb nagyságrendjébe eső kiegyenlítetlen töltésmennyiség a természetben csak zivatarfelhőkben található meg köbkilométer nagyságrendű térfogatban.

1 C az a töltésmennyiség, amely a tőle 1 m távolságban elhelyezkedő, azonos nagyságú töltésre N erővel hat vákuumban;

továbbá

1 C az a töltésmennyiség, amelyet 1 A erősségű villamos áram 1 s alatt szállít át a vezetőanyag keresztmetszetén.


 
 
 


 

A természetben előforduló töltések mindig az adott nagyságú elemi töltés egész számú többszörösei.

A Bohr féle atommodell szerint az anyagok pozitív töltéssel rendelkező atommagokból és az azok körül keringő negatív töltésű elektronokból felépülő atomokból állnak. Az említett elemi részecskék töltése:

a proton töltése: ; a proton tömege: ;

az elektron töltése: ; az elektron tömege: .

A proton egy pozitív elemi töltéssel, az elektron egy negatív elemi töltéssel rendelkezik. 

1.3.1.1 ábra: A hidrogén és a hélium atom

Az atommag töltése annyi pozitív elemi töltés, amennyi az adott elem rendszáma a periódusos rendszerben. A semleges atom elektronjainak száma szintén ugyanannyi. Az elektronok az atommagtól 10-8 cm nagyságrendű távolságban elektronhéjakon keringenek, amelyek közül a legkülső héjon levő elektronok, a vegyérték- vagy valenciaelektronok játszanak szerepet a molekulák kialakulásában. Ha valamely atom vagy molekula elektront vagy elektronokat veszít el vagy vesz fel, akkor pozitív ill. negatív töltésű ionok - atomionok vagy molekulaionok jönnek létre.
 
Az elektronokat, ionokat és általában a töltéssel rendelkező részecskéket töltéshordozóknak hívjuk.

(Lásd. még: valódi töltés, polarizációs töltés, szabad töltés.)


 
 
 


 

A töltésmegmaradás tétele az anyagmegmaradás tételéből következik és a következőképpen szól:
 
Zárt - villamosan elszigetelt - rendszerben a villamos töltések algebrai összege változatlan marad. 

A töltés az anyaghoz hasonlóan nem vész el. Azonos nagyságú, ellenkező nemű töltéssel egyesülve - rekombinálódva - megszűnhet a töltés hatása, ilyen esetben azonban az ellenkező nemű töltés korábban is a zárt rendszer része volt, a töltések összege tehát nem változott meg.


 
 
 


 

Figyelembe véve, hogy 1 C (coulomb) az a töltésmennyiség, amelyet 1 A erősségű villamos áram 1 s alatt szállít át a vezetőanyag keresztmetszetén, a villamos áram (I) és villamos töltés (Q) kapcsolatából:

, illetve egyenáram esetén 

tehát [Q] = [I]· [t] = 1 A· 1 s = 1 As = 1 C.

A villamos töltés mértékegységének elnevezése, a coulomb Charles Augustin de Coulomb, francia fizikus, a Coulomb-törvény leírója nevéből származik. 


 
 
 



A villamos töltés az egyes elemi részecskékben koncentráltan helyezkedik el. A természetben előforduló töltések ezen elemi töltés egész számú többszörösei. 

Mivel az elemi részecskék geometriai méretei igen kicsik, ezért makroszkopikusan eleminek tekinthető térfogatban is nagyszámú, töltött, elemi részecske helyezkedik el. A töltést így bizonyos vizsgálatok esetén egyenletes eloszlásúnak tekinthetjük az anyagban. 

A legtöbb gyakorlati esetben ez a közelítés megengedhető, mert például 1 pC = töltés is nagyságrendű elemi részecskét tartalmaz.

Eloszlása szempontjából a villamos töltést a következőképpen csoportosítjuk:

- pontszerű töltés vagy ponttöltés (Q); (ld. 1.3.4.1)
- vonaltöltés vagy vonalmenti töltéssűrűség (q); (ld. 1.3.4.4)
- felületi töltés vagy felületi töltéssűrűség ( ); (ld. 1.3.4.3)
- tértöltés vagy térbeli töltéssűrűség ( ). (ld. 1.3.4.2)
Az elemi töltés természetesen mindig véges térfogatban helyezkedik el, a fenti töltéseloszlások a matematikai leírás kedvéért amiatt fiktív villamos töltésekre vonatkoznak.

A V térfogatban jelen levő, összes töltés a fentiek összegzésével:

Amennyiben külön-külön a V térfogatban a térbeli töltéssűrűség, az A felületen a felületi töltéssűrűség és az l hosszúságon a q vonalmenti töltéssűrűség minden pontban azonos, akkor a térfogat eredő töltése:

Az egyes töltéseloszlások definíciója a jelen fejezet alfejezeteiben szerepel.


 
 
 
 

A pontszerű töltés vagy ponttöltés geometriai méretei elhanyagolhatók ahhoz, a töltéstől mért távolsághoz képest, amelyről a töltés hatását vizsgáljuk. A valójában véges kiterjedésű töltést egy pontba koncentráltnak tekintjük.

Pontszerűnek tekinthető a töltéshalmaz, ha a töltések közötti távolság elhanyagolható ahhoz a ponthoz mért távolsághoz képest, ahol a töltéshalmaz hatását vizsgáljuk; avagy pontszerű a töltéshalmaz, ha legnagyobb átmérője elhanyagolható az említett távolsághoz képest.

1.3.4.1 ábra: A D sugarú gömb belsejében elhelyezkedő töltések a d >> D távolságban levő P pontból vizsgálva pontszerűnek tekinthetők

Az elemi töltések természetesen mindig véges térfogatban helyezkednek el, a matematikai leírás ezért fiktív villamos töltésre vonatkozik (ld. 1.3.4 fejezet: A villamos töltés eloszlása).

Gömbön egyenletesen elhelyezkedő töltéseket sok gyakorlati esetben, bizonyos feltételek teljesülése esetén a gömb középpontjába koncentrált, pontszerű töltésnek tekintjük.

A pontszerű töltés értékét leíró fizikai mennyiség jele, a villamos töltésével megegyezően: 

Q mértékegysége pedig: [Q] = 1 C = 1 As.

A térben egymagában elhelyezkedő pontszerű töltés villamos tere gömbszimmetrikus, azaz a töltéstől azonos távolságban a térjellemző vektor azonos nagyságú és az olyan távolságban felrajzolt, koncentrikus gömb felületének irányával mindenütt azonos szöget, zár be. A pontszerű töltés által keltett villamos teret jellemző térvektorok nagysága a töltéstől mért távolság négyzetével fordított arányban csökken.

A térben egymagában elhelyezkedő gömbtöltés a középpontjába koncentrált ponttöltéssel helyettesíthető, ha a töltés hatását a gömbön kívül vizsgáljuk.


 
 
 
 

A térbeli töltéssűrűség vagy tértöltés az elemi térfogatban levő töltésmennyiség.

A térbeli töltéssűrűség előjeles skalár fizikai mennyiség.

Jele: 

mértékegysége: [ ] = 1 C/m3 = 1 As/m3

A térbeli töltéssűrűség tehát a tér valamely pontjában az egységnyi térfogatra vonatkoztatott villamos töltésmennyiség.

A térbeli töltéssűrűség értelmezése:

ahol Q : a villamos töltés,
V : a térfogat.

A valóságban a fenti matematikai leírástól eltérően a térfogatelem csak olyan mértékben csökkenthető, hogy abban még nagyszámú elemi töltés legyen jelen (ld. 1.3.4 fejezet: A villamos töltés eloszlása).

1.3.4.2 ábra: Inhomogén térbeli töltéseloszlás és az egységnyi térfogatra jutó töltésmennyiség a tér néhány pontjában

Ha V térfogatban a r térbeli töltéssűrűség egyenletes, vagyis annak minden pontjában azonos, akkor:

A V térfogatban lévő töltésmennyiség a térbeli töltéssűrűség tetszőleges eloszlása esetén:

A V térfogatban lévő töltésmennyiség, ha a térbeli töltéssűrűség a V térfogatban állandó:

Mivel a térbeli töltéssűrűség a tér minden pontjában értelmezett mennyiség, ezért vele bármely töltéseloszlás leírható. Az általános érvényű összefüggésekben, például az elektrosztatika Gauss-tételében valamely térrészben található összes töltés a térbeli töltéssűrűség segítségével kerül leírásra.


 
 
 
 

A felületi töltéssűrűség vagy felületi töltés az elemi felületen elhelyezkedő töltésmennyiség.

A felületi töltéssűrűség előjeles skalár fizikai mennyiség.

Jele: 

mértékegysége: [ ] = 1 C/m2 = 1 As/m2

A felületi töltéssűrűség tehát adott felület valamely pontjában az egységnyi felületre vonatkoztatott villamos töltésmennyiség.

A felületi töltéssűrűség értelmezése:

ahol Q : a villamos töltés,
A : a felület.

1.3.4.3 ábra: Inhomogén felületi töltéseloszlás és az egységnyi felületre jutó töltésmennyiség a felület egy pontjában

A valóságban a fenti matematikai leírástól eltérően a  felületelem csak olyan mértékben csökkenthető, hogy abban még nagyszámú elemi töltés legyen jelen. Az elemi töltések természetesen nem csupán két dimenzióval rendelkeznek, a matematikai leírás ezért fiktív villamos töltésre vonatkozik (ld. 1.3.4 fejezet: A villamos töltés eloszlása).

Ha A felületen a felületi töltéssűrűség egyenletes, vagyis minden pontjában azonos, akkor:

Az A felületen lévő töltésmennyiség a felületi töltéssűrűség tetszőleges eloszlása esetén:

Az A felületen lévő töltésmennyiség, ha a felületi töltéssűrűség a teljes A felületen állandó:

A felületi töltéssűrűséget használjuk fel például síkkondenzátorok fegyverzetein vagy bármely felületen elhelyezkedő töltések villamos terének leírásakor. Vezető anyagú testeknek statikus villamos térben szintén csak a felületén helyezkedik el kiegyenlítetlen töltés.


 
 
 
 

A vonalmenti töltéssűrűség vagy vonaltöltés az elemi hosszúságon elhelyezkedő töltésmennyiség.

A vonalmenti töltéssűrűség előjeles, skalár fizikai mennyiség.

Jele: q

mértékegysége: [q] = 1 C/m = 1 As/m

A vonalmenti töltéssűrűség tehát adott görbe valamely pontjában az egységnyi hosszúságra vonatkoztatott villamos töltésmennyiség.

A vonalmenti töltéssűrűség értelmezése:

ahol Q : a villamos töltés,
l : a hosszúság.

1.3.4.4 ábra: Inhomogén vonalmenti töltéseloszlás és az egységnyi hosszúságra jutó töltésmennyiség a vonaltöltés egy pontjában

A valóságban a fenti matematikai leírástól eltérően a  görbeelem csak olyan mértékben csökkenthető, hogy abban még nagyszámú elemi töltés legyen jelen. Az elemi töltések természetesen nem csupán egy dimenzióval rendelkeznek, a matematikai leírás ezért fiktív villamos töltésre vonatkozik (ld. 1.3.4 fejezet: A villamos töltés eloszlása).

Ha az l hosszúságú vonalon a q vonalmenti töltéssűrűség egyenletes, vagyis annak minden pontjában azonos, akkor:

Az l szakaszon lévő töltésmennyiség a vonalmenti töltéssűrűség tetszőleges eloszlása esetén:

Az l szakaszon lévő töltésmennyiség, ha a vonalmenti töltéssűrűség az egész l szakasz mentén állandó:

A vonalmenti töltéssűrűséget használjuk fel például vezetékek terének vagy bármely vonalszerű testen elhelyezkedő töltések villamos terének leírásakor. A térben egymagában elhelyezkedő hengertöltés a tengelyébe koncentrált vonaltöltéssel helyettesíthető, ha a töltés hatását a hengeren kívül vizsgáljuk.