Naelektrisanje tijela, međudjelovanje naboja

U ovom članku pokušat ćemo predstaviti prilično generaliziranu ideju o tome što je elektrifikacija tijela, a također ćemo se dotaknuti zakona očuvanja električnog naboja.

Bez obzira radi li ovaj ili onaj izvor električne energije na principu, kod svakog od njih dolazi do elektrifikacije fizičkih tijela, odnosno odvajanja električnih naboja prisutnih u izvoru električne energije i njihove koncentracije na određenim mjestima, npr. na elektrodama ili terminalima izvora. Kao rezultat ovog procesa nastaje višak negativnih naboja (elektrona) na jednom izvodu izvora električne energije (katodi), a manjak elektrona na drugom izvodu (anodi), tj. prvi od njih nabijen je negativnim, a drugi pozitivnim elektricitetom.

Nakon otkrića elektrona, elementarne čestice s minimalnim nabojem, nakon što je konačno objašnjena struktura atoma, postala je objašnjiva i većina fizikalnih pojava vezanih uz elektricitet.

Materijalna tvar koja čini tijela općenito se smatra električki neutralnom, budući da su molekule i atomi koji čine tijelo neutralni u normalnim uvjetima, a tijela prema tome nemaju naboj. Ali ako se takvo neutralno tijelo trlja o drugo tijelo, tada će neki od elektrona napustiti svoje atome i prijeći s jednog tijela na drugo. Duljina staze koju putuju ti elektroni tijekom takvog kretanja nije veća od udaljenosti između susjednih atoma.

Međutim, ako se nakon trenja tijela razdvoje, razmaknu, tada će oba tijela biti naelektrizirana. Tijelo na koje su elektroni prešli postat će negativno nabijeno, a ono koje je doniralo te elektrone dobit će pozitivan naboj, postat će pozitivno nabijeno. Ovo je elektrifikacija.

Pretpostavimo da je u nekom fizičkom tijelu, na primjer u staklu, bilo moguće ukloniti neke od njihovih elektrona iz značajnog broja atoma. To znači da će staklo, koje je izgubilo dio svojih elektrona, biti nabijeno pozitivnim elektricitetom, jer su u njemu pozitivni naboji dobili prednost nad negativnima.

Elektroni uklonjeni iz stakla ne mogu nestati i moraju se negdje staviti. Pretpostavimo da se elektroni, nakon što su uklonjeni iz stakla, stave na metalnu kuglu. Tada je očito da je metalna kuglica koja prima dodatne elektrone nabijena negativnim elektricitetom, jer u njoj negativni naboji imaju prednost pred pozitivnima.

Naelektrizirati fizičko tijelo — znači stvoriti u njemu višak ili nedostatak elektrona, tj. poremetiti ravnotežu dviju suprotnosti u njoj, a to su pozitivni i negativni naboji.

Naelektrizirati dva fizička tijela istovremeno i zajedno s različitim električnim nabojima — znači povući elektrone iz jednog tijela i prenijeti ih na drugo tijelo.

Ako se negdje u prirodi stvorio pozitivni električni naboj, onda se s njim neminovno mora pojaviti i negativni naboj iste apsolutne vrijednosti, jer svaki višak elektrona u bilo kojem fizičkom tijelu nastaje zbog njihovog nedostatka u nekom drugom fizičkom tijelu.

Različiti električni naboji pojavljuju se u električnim pojavama kao nepromjenjivo prateće suprotnosti, čije jedinstvo i međudjelovanje čine unutarnji sadržaj električnih pojava u tvarima.

Neutralna tijela postaju naelektrizirana kada daju ili primaju elektrone, u oba slučaja dobivaju električni naboj i prestaju biti neutralna. Ovdje električni naboji ne nastaju niotkuda, naboji se samo razdvajaju, jer su elektroni već bili u tijelima i jednostavno su promijenili svoje mjesto, elektroni se sele s jednog naelektriziranog tijela na drugo naelektrizirano tijelo.

Predznak električnog naboja koji nastaje trenjem tijela ovisi o prirodi tih tijela, o stanju njihovih površina i nizu drugih razloga. Stoga nije isključena mogućnost da je isto fizičko tijelo u jednom slučaju nabijeno pozitivnim, au drugom negativnim elektricitetom, npr. metali se pri trljanju o staklo i vunu negativno naelektriziraju, a pri trljanju o guma — pozitivno.

Prikladno pitanje bi bilo: zašto električni naboj ne teče kroz dielektrike nego kroz metale? Stvar je u tome da su u dielektricima svi elektroni vezani za jezgre svojih atoma, samo nemaju mogućnost slobodnog kretanja po tijelu.

Ali u metalima je situacija drugačija. Elektronske veze u atomima metala mnogo su slabije nego u dielektricima, a neki elektroni lako napuštaju svoje atome i slobodno se kreću po tijelu, to su takozvani slobodni elektroni koji osiguravaju prijenos naboja u žicama.

Razdvajanje naboja događa se i tijekom trenja metalnih tijela i tijekom trenja dielektrika. Ali u demonstracijama se koriste dielektrici: ebonit, jantar, staklo. Tome se pribjegava iz jednostavnog razloga jer budući da se naboji ne kreću kroz volumen u dielektricima, oni ostaju na istim mjestima na površinama tijela iz kojih su nastali.

A ako se trenjem, recimo, za krzno, komad metala naelektrizira, tada će naboj, koji ima vremena samo prijeći na njegovu površinu, odmah iscuriti na tijelo eksperimentatora, a demonstracija, na primjer, s dielektrici, neće raditi. Ali ako se komad metala izdvoji iz ruku eksperimentatora, ostat će na metalu.

Ako se naboj tijela oslobađa samo u procesu naelektrisanja, kako se ponaša njihov ukupni naboj? Jednostavni pokusi daju odgovor na ovo pitanje. Uzmite elektrometar s metalnim diskom pričvršćenim na njegovu šipku, stavite komad vunene tkanine preko diska, veličine tog diska. Na vrh diska tkiva postavlja se drugi vodljivi disk, isti kao na šipki elektrometra, ali opremljen dielektričnom ručkom.

Držeći ručku, eksperimentator nekoliko puta pomiče gornji disk, trlja ga o navedeni disk tkiva koji leži na disku štapa elektrometra, zatim ga odmiče od elektrometra. Igla elektrometra se skrene kada se disk izvadi i ostaje u tom položaju. To znači da se na vunenoj tkanini i na disku pričvršćenom na šipku elektrometra razvio električni naboj.

Disk s ručkom se tada dovodi u kontakt s drugim elektrometrom, ali bez diska pričvršćenog na njega, a njegova igla je otklonjena za gotovo isti kut kao i igla prvog elektrometra.

Eksperiment pokazuje da su oba diska tijekom elektrifikacije primila naboje istog modula. Ali koji su znakovi ovih optužbi? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, elektrometri su povezani žicom. Igle elektrometra će se odmah vratiti u nulti položaj u kojem su bile prije početka eksperimenta. Naboj je bio neutraliziran, što znači da su naboji na diskovima bili jednaki po veličini, ali suprotnog predznaka, i sveukupno davali nulu, kao i prije početka eksperimenta.

Slični pokusi pokazuju da je tijekom naelektrisanja ukupni naboj tijela očuvan, odnosno ako je ukupni naboj bio nula prije naelektrisanja, tada će ukupni naboj biti nula i nakon naelektrisanja... Ali zašto se to događa? Ako štapićem od ebanovine trljate po tkanini, ona će postati negativno nabijena, a tkanina pozitivno, i to je dobro poznata činjenica. Trenjem o vunu nastaje višak elektrona na ebonitu, a na tkanini odgovarajući manjak.

Naboji će biti jednaki po modulu, jer koliko je elektrona prešlo sa tkanine na ebonit, toliko je ebonit dobio negativan naboj, a ista količina pozitivnog naboja se stvorila na platnu, jer elektroni koji su napustili tkanina su pozitivni naboj na tkanini. A višak elektrona na ebonitu točno je jednak manjku elektrona na tkanini. Naboji su suprotnog predznaka, ali jednaki po veličini. Očito, puna napunjenost je sačuvana tijekom elektrifikacije; ukupno je jednak nuli.

Štoviše, čak i ako su naboji na oba tijela bili različiti od nule prije elektrifikacije, ukupni naboj je još uvijek isti kao prije elektrifikacije. Označimo li naboje tijela prije međusobnog djelovanja kao q1 i q2, a naboje nakon međudjelovanja kao q1' i q2', tada će vrijediti sljedeća jednakost:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

To implicira da je za bilo koju interakciju tijela ukupni naboj uvijek očuvan. To je jedan od temeljnih zakona prirode, zakon održanja električnog naboja. Benjamin Franklin otkrio ga je 1750. godine i uveo koncepte "pozitivnog naboja" i "negativnog naboja". Franklin i predložio označavanje suprotnih naboja sa znakovima «-» i «+».

U elektronici Kirchhoffova pravila jer struje slijede izravno iz zakona održanja električnog naboja. Kombinacija žica i elektroničkih komponenti predstavljena je kao otvoreni sustav. Ukupan priljev naknada u određeni sustav jednak je ukupnom odljevu naknada iz tog sustava. Kirchhoffova pravila pretpostavljaju da elektronički sustav ne može značajno promijeniti svoj ukupni naboj.

Iskreno radi, napominjemo da je najbolji eksperimentalni test zakona održanja električnog naboja potraga za takvim raspadima elementarnih čestica koji bi bili dopušteni u slučaju nestriktnog očuvanja naboja. Takvi raspadi nikada nisu uočeni u praksi.

Drugi načini elektrifikacije fizičkih tijela:

1. Ako se cinkova ploča uroni u otopinu sumporne kiseline H2SO4, ona će se u njoj djelomično otopiti. Neki od atoma na cinčanoj ploči, ostavljajući dva svoja elektrona na cinčanoj ploči, otići će u otopinu s nizom kiselina u obliku dvostruko nabijenih pozitivnih iona cinka. Kao rezultat toga, cinčana ploča bit će nabijena negativnim elektricitetom (višak elektrona), a otopina sumporne kiseline pozitivnim (višak pozitivnih iona cinka). Ovo se svojstvo koristi za elektriziranje cinka u otopini sumporne kiseline u galvanskom članku kao glavni proces pojave električne energije.

2. Ako svjetlosne zrake padnu na površinu metala kao što su cink, cezij i neki drugi, tada se slobodni elektroni oslobađaju s tih površina u okolinu. Kao rezultat toga, metal je nabijen pozitivnim elektricitetom, a prostor oko njega negativnim elektricitetom. Emisija elektrona s osvijetljenih površina pojedinih metala naziva se fotoelektrični efekt, koji je našao primjenu u fotonaponskim ćelijama.

3. Ako se metalno tijelo zagrije do stanja bijele topline, tada će slobodni elektroni letjeti s njegove površine u okolni prostor.Kao rezultat toga, metal koji je izgubio elektrone bit će nabijen pozitivnim elektricitetom, a okolina negativnim elektricitetom.

4. Ako zalemite krajeve dvije različite žice, na primjer, bizmut i bakar, i zagrijete njihov spoj, tada će slobodni elektroni djelomično prijeći s bakrene žice na bizmut. Kao rezultat toga, bakrena žica će biti nabijena pozitivnim elektricitetom, dok će bizmutova žica biti nabijena negativnim elektricitetom. Fenomen elektrifikacije dvaju fizičkih tijela kada apsorbiraju toplinsku energiju koristi se u termoparovima.

Pojave povezane s međudjelovanjem naelektriziranih tijela nazivamo električnim pojavama.

Međudjelovanje između naelektriziranih tijela određeno je tzv Električne sile koje se od sila druge prirode razlikuju po tome što uzrokuju međusobno odbijanje i privlačenje nabijenih tijela, bez obzira na brzinu njihova gibanja.

Na taj se način međudjelovanje između nabijenih tijela razlikuje, primjerice, od gravitacijskog, koje karakterizira samo privlačenje tijela, ili od sila magnetskog podrijetla, koje ovise o relativnoj brzini gibanja naboja, uzrokujući magnetsku pojave.

Elektrotehnika uglavnom proučava zakone vanjske manifestacije svojstava naelektriziranih tijela — zakone elektromagnetskih polja.

Nadamo se da vam je ovaj kratki članak dao opću ideju o tome što je elektrifikacija tijela, a sada znate kako eksperimentalno provjeriti zakon održanja električnog naboja pomoću jednostavnog eksperimenta.