Γνωριμία με την ηλεκτρική δύναμη
Ο ηλεκτρισμός είναι γνωστός από την αρχαιότητα. Πρώτος ο Θαλής ο Μιλήσιος (φυσικός, φιλόσοφος και μαθηματικός), που έζησε στην Ιωνία της μικράς Ασίας, περίπου το 600 π.χ. παρατήρησε ότι αν τρίψει κανείς το ήλεκτρο ή κεχριμπάρι (σημερινή ονομασία του ορυκτού απολιθωμένου ρετσίνι) με μάλλινο ύφασμα, αποκτά την ιδιότητα να έλκει από απόσταση ελαφρά αντικείμενα, όπως ξερά φύλλα, πούπουλα κ.α.
Σήμερα, θα έχεις παρατηρήσει ότι, αν τρίψεις ένα πλαστικό χάρακα με μάλλινο ύφασμα, τότε αυτό έλκει κομματάκια χαρτιού που κολλούν πάνω του, ασκώντας δύναμη σ’ αυτά. Επίσης όταν κτενίζεσαι θα έχεις παρατηρήσει ότι, η πλαστική χτένα έλκει τις τρίχες των μαλλιών σου. Αυτά τα φαινόμενα ονομάζονται ηλεκτρικά φαινόμενα, από το όνομα του υλικού ήλεκτρον πάνω στο οποίο πρώτα παρατηρήθηκαν αυτά τα φαινόμενα
Τα σώματα εκείνα, που όταν τα τρίψουμε με κάποια άλλα σώματα και αποκτούν την ιδιότητα να έλκουν άλλα σώματα, λέγονται ηλεκτρισμένα. Τα ηλεκτρισμένα σώματα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ασκώντας δυνάμεις που λέγονται ηλεκτρικές.
Η μελέτη των πειραματικών ηλεκτρικών δεδομένων ξεκίνησε τον 16ο αιώνα με τον Γουίλιαμ Γκιλμπερτ, ο οποίος χρησιμοποίησε για πρώτη φορά τους όρους: “ηλεκτρική έλξη”, “ηλεκτρική δύναμη”, “ηλεκτρικός πόλος” και θεωρείται από πολλούς ο πατέρας του ηλεκτρισμού.
Για να ελέγξουμε αν ένα σώμα είναι ηλεκτρισμένο ή όχι, χρησιμοποιούμε το απλό όργανο που λέγεται ηλεκτρικό εκκρεμές. Το ηλεκτρικό εκκρεμές αποτελείται από ένα ελαφρύ σώμα, όπως ένα μπαλάκι από φενιζόλ ή από χαρτί, το οποίο είναι δεμένο με νήμα που το άλλο άκρο του είναι προσδεμένο σε ακλόνητο σημείο. Πλησιάζουμε το υπό εξέταση ηλεκτρισμένο σώμα στο μπαλάκι του ηλεκτρικού εκκρεμές και αν το μπαλάκι με το νήμα εκτρέπονται, σημαίνει ότι το σώμα μας είναι ηλεκτρισμένο. Παρατηρούμε ότι το ηλεκτρισμένο σώμα εκτρέπει το μπαλάκι του εκκρεμές από απόσταση χωρίς να έρθει σε επαφή μαζί του. Αυτό αποδεικνύει ότι οι ηλεκτρικές δυνάμεις ασκούνται από απόσταση.
Έχει παρατηρηθεί ότι, υπάρχουν υλικά και συγκεκριμένα οι μαγνήτες οι οποίοι έλκουν σιδηρομαγνητικά υλικά ασκώντας μαγνητικές δυνάμεις σ’ αυτά. Δεν πρέπει να συγχέουμε τις ηλεκτρικές με τις μαγνητικές δυνάμεις, οι οποίες αν και οι δυο είναι δυνάμεις από απόσταση, οι τελευταίες δεν ασκούν δύναμη στο ηλεκτρικό εκκρεμές, παρά μόνο σε συγκεκριμένα υλικά το σίδηρο, το νικέλιο και το κοβάλτιο, συνεπώς οι ηλεκτρικές δυνάμεις είναι διαφορετικές από τις μαγνητικές δυνάμεις οι οποίες ασκούνται σε διαφορετικά σώματα.
Οι ηλεκτρικές δυνάμεις οι οποίες είναι δυνάμεις που ασκούνται από απόσταση, μπορεί να είναι ελκτικές ή απωθητικές. Πράγματι α) αν τρίψουμε δυο γυάλινες ράβδους με μεταξωτό ύφασμα και τις πλησιάσουμε, θα παρατηρήσουμε ότι απωθούνται β) αν τρίψουμε δυο πλαστικές ράβδους με μάλλινο ύφασμα και τις πλησιάσουμε θα παρατηρήσουμε ότι απωθούνται γ)Αν τρίψουμε μια γυάλινη ράβδο με μεταξωτό ύφασμα και μια πλαστική ράβδο με μάλλινο ύφασμα και τις πλησιάσουμε παρατηρούμε ότι έλκονται. Προκύπτει το συμπέρασμα ότι: Οι ηλεκτρικές δυνάμεις με τις οποίες αλληλεπιδρούν δυο σώματα, μπορεί να είναι ελκτικές η απωθητικές ανάλογα με το είδος και με το πως είναι ηλεκτρισμένα τα σώματα που αλληλεπιδρούν.
Το ηλεκτρικό φορτίο
Στην προηγούμενη παράγραφο είπαμε ότι, αν ηλεκτρίσουμε δυο σώματα και τα πλησιάσουμε, τότε θα αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους με έλξη ή με άπωση. Για να εξηγήσουμε αυτό το φαινόμενο των ηλεκτρικών δυνάμεων, δεχόμαστε ότι τα φορτισμένα σώματα έχουν μια ιδιότητα που τη συνδέουμε με το φυσικό μέγεθος, το ηλεκτρικό φορτίο. Μ’ αυτό τον τρόπο, όταν δυο σώματα έχουν ηλεκτρικό φορτίο (και τα πλησιάσουμε) θα αλληλεπιδράσουν ασκώντας ηλεκτρικές δυνάμεις.
Είδαμε ότι οι ηλεκτρικές δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ φορτισμένων σωμάτων είναι άλλοτε ελκτικές και άλλοτε απωστικές. Για να εξηγήσουμε αυτό το φαινόμενο δεχόμαστε ότι υπάρχουν δυο διαφορετικά είδη ηλεκτρικού φορτίου. Έτσι (α) όταν δυο φορτισμένα σώματα απωθούνται μεταξύ τους, έχουν το ίδιο είδος φορτίου και λέμε ότι είναι όμοια φορτισμένα. (β) όταν δυο φορτισμένα σώματα έλκονται μεταξύ τους, έχουν διαφορετικό είδος φορτίου και λέμε ότι είναι αντίθετα φορτισμένα.
Γενικά όλα τα φορτισμένα σώματα μπορούμε να τα ταξινομήσουμε σε δυο ομάδες ανάλογα το είδος του ηλεκτρικού φορτίου τους. (α) Σε αυτά που είναι όμοια φορτισμένα με το ηλεκτρικό φορτίο που αποκτά η γυάλινη ράβδος αν την τρίψουμε με μεταξωτό ύφασμα και λέμε ότι είναι θετικά φορτισμένα ή έχουν θετικό φορτίο. (β) Σε αυτά που είναι όμοια φορτισμένα με το ηλεκτρικό φορτίο που αποκτά η πλαστική ράβδος αν την τρίψουμε με μάλλινο ύφασμα και λέμε ότι είναι αρνητικά φορτισμένα ή έχουν αρνητικό φορτίο.
Δυο σώματα που είναι και τα δύο φορτισμένα με θετικό φορτίο ή και τα δυο με αρνητικό φορτίο, λέμε ότι είναι ομώνυμα φορτισμένα. Δυο σώματα που είναι φορτισμένα το ένα με θετικό και το άλλο με αρνητικό φορτίο, λέμε ότι είναι ετερώνυμα φορτισμένα.
Πως μετράμε το ηλεκτρικό φορτίο
Παίρνουμε ένα πλαστικό χάρακα και τον τρίβουμε ελαφρά στις σελίδες ενός βιβλίου. Πλησιάζουμε τον χάρακα στο μπαλάκι του ηλεκτρικού εκκρεμές και βλέπουμε ότι το έλκει, έτσι συμπερένουμε ότι ο χάρακας ασκεί ηλεκτρική δύναμη στο μπαλάκι. Τώρα, τρίβουμε πιο έντονα τον χάρακα στις σελίδες του βιβλίου και στη συνέχεια τον πλησιάζουμε στο μπαλάκι του ηλεκτρικού εκκρεμούς, στην ίδια απόσταση με πριν, βλέπουμε ότι το εκκρεμές αποκλίνει περισσότερο, δηλαδή η ηλεκτρική δύναμη που δέχεται από τον χάρακα, τώρα είναι μεγαλύτερη.
Για να εξηγήσουμε αυτή τη διαφορά στην απόκλιση του εκκρεμούς, δεχόμαστε ότι η μεγαλύτερη ηλεκτρική δύναμη στο εκκρεμές, οφείλεται στην αύξηση του ηλεκτρικού φορτίου στο χάρακα. Συμπεραίνουμε ότι, η ηλεκτρική δύναμη που ασκεί το σώμα στο εκκρεμές είναι μεγαλύτερη, όσο μεγαλύτερο είναι το ηλεκτρικό φορτίο του.
Τα ηλεκτρικά φορτία δυο σωμάτων, μπορούμε να τα συγκρίνουμε μεταξύ τους, αν μετρήσουμε τις ηλεκτρικές δυνάμεις που ασκούν τα σώματα αυτά σε ένα τρίτο ηλεκτρικά φορτισμένο σώμα κάτω από τις ίδιες συνθήκες. Η ηλεκτρική δύναμη που ασκεί (ή ασκείται σε) ένα φορτισμένο σώμα είναι ανάλογη του ηλεκτρικού φορτίου του.
Έτσι το ηλεκτρικό φορτίο, είναι μετρήσιμο μέγεθος και η τιμή του βρίσκεται μετρώντας τις ηλεκτρικές δυνάμεις που ασκεί σε άλλα φορτισμένα σώματα. Το ηλεκτρικό φορτίο σαν μετρήσιμο φυσικό μέγεθος έχει μονάδα μέτρησης, που στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (S. I.) είναι το Κουλόμπ (Coulomb). Ονομάστηκε έτσι προς τιμή του Γάλλου φυσικού Κουλόμπ, ο οποίος μελέτησε τις ιδιότητες των ηλεκτρικών δυνάμεων μεταξύ φορτισμένων σωμάτων. Η μονάδα Κουλόμπ συμβολίζεται με C.
Επειδή το 1C είναι πολύ μεγάλη μονάδα φορτίου, χρησιμοποιούμε τις υποδιαιρέσεις του.
Ένα μιλικουλόμπ 1mC = 10-3C
Ένα μικροκουλόμπ 1μC = 10-6C
Ένα νανοκουλόμπ 1nC = 10-9C
Ένα πικοκουλόμπ 1pC = 10-12C
Αν πάρουμε διάφορα ηλεκτρικά φορτία και τα ενώσουμε, το σύστημα των φορτίων αυτών, θα συμπεριφέρεται σαν ένα ηλεκτρικό φορτίο με τιμή το αλγεβρικό άθροισμα των φορτίων. Το ολικό φορτίο δυο ή περισσότερων ηλεκτρικών φορτίων ισούται με το αλγεβρικό άθροισμα των φορτίων κάθε σώματος:
qολ = q1 + q2 + … +qN
Για παράδειγμα, αν πλησιάσουμε δυο φορτία q1 = +4nC και q2 = -3nC τότε το ολικό φορτίο του συστήματος είναι:
qολ = (+4nC) + (-3nC) ή qολ = +1nC
Όταν το συνολικό φορτίο ενός σώματος ή ενός συστήματος σωμάτων είναι μηδέν, τότε το σώμα ή το σύστημα σωμάτων ονομάζεται ηλεκτρικά ουδέτερο.
Το ηλεκτρικό φορτίο στο εσωτερικό του ατόμου
Στις αρχές του 19ου αιώνα, άρχισε να αναπτύσσεται η σύγχρονη ατομική θεωρία, η οποία είναι μια προσπάθεια περιγραφής της δομής της ύλης. Σύμφωνα μ’ αυτήν, όλα τα υλικά σώματα αποτελούνται από μικροσκοπικά σωματίδια που ονομάζονται άτομα.
Από τα μέσα του 19ου και μέχρι τις αρχές του 20ου αιώνα, σύμφωνα από πολλά πειραματικά δεδομένα ανακαλύφτηκε ότι το άτομο αποτελείται από άλλα απλούστερα σωματίδια. Το 1897 ο Άγγλος Τόμσον ανακάλυψε ότι τα άτομα όλων των υλικών περιέχουν κάποια πολύ μικρά αρνητικά φορτισμένα σωματίδια που τα ονόμασε ηλεκτρόνια. Το 1911 έπειτα από εκτεταμένα πειράματα, ο Νεοζηλανδός Ερνέστ Ράδερφορντ ανακάλυψε ότι, στο κέντρο του κάθε ατόμου υπάρχει ένα θετικά φορτισμένο σώμα που συγκεντρώνει σχεδόν όλη η μάζα του ατόμου και το ονόμασε πυρήνα. Έπειτα ο Δανός Νιλς Μπορ μετά την επίπονη πειραματική διαδικασία που προηγήθηκε κατέληξε στην περιγραφή του ατόμου μέσω ενός προτύπου, σύμφωνα με το οποίο:
1] Κάθε άτομο αποτελείται στο κέντρο του από τον πυρήνα, ο οποίος έχει θετικό φορτίο που συγκεντρώνει το μεγαλύτερο ποσοστό της μάζας του ατόμου και τα ηλεκτρόνια που έχουν αρνητικό φορτίο τα οποία περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα.
2] Όλα τα ηλεκτρόνια έχουν την ίδια μάζα και το ίδιο φορτίο και δεν μπορούμε να τα διακρίνουμε μεταξύ τους, δηλαδή είναι όμοια μεταξύ τους.
3] Οι πυρήνες είναι σύνθετα σωματίδια και αποτελούνται από τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Αν και το πρωτόνιο και το νετρόνιο έχουν σχεδόν ίσες μάζες, το πρωτόνιο είναι θετικά φορτισμένο ενώ το νετρόνιο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, δηλαδή δεν φέρει ηλεκτρικό φορτίο. Όλα τα πρωτόνια έχουν την ίδια μάζα και ίδιο φορτίο, δηλαδή είναι πανομοιότυπα.
4] Το πρωτόνιο έχει θετικό φορτίο ίσο με +1,6·10-19C , ενώ το ηλεκτρόνιο -1,6·1019C , δηλαδή το φορτίο του πρωτονίου και του ηλεκτρονίου είναι αντίθετα φορτία, αλλά έχουν την ίδια απόλυτη τιμή. Τα φορτία του πρωτονίου και του ηλεκτρονίου είναι τα πιο μικρά φορτία που έχουν παρατηρηθεί στη φύση.
5] Σε κάθε άτομο, ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων του, συνεπώς το ολικό φορτίο του ατόμου είναι μηδέν, δηλαδή το άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.
Τα πρωτόνια και τα νετρόνια συγκρατούνται ενωμένα με πυρηνικές δυνάμεις και αποτελούν τον πυρήνα του ατόμου. Έτσι τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι αδύνατο να αποσπαστούν και να απομακρυνθούν από το άτομο, σε αντίθεση με τα ηλεκτρόνια, όπου το άτομο είναι δυνατόν να αποβάλει ένα ή δυο ηλεκτρόνια και έτσι παύει να είναι ηλεκτρικά ουδέτερο και μετατρέπεται σε ιόν.
Πως τα σώματα αποκτούν ηλεκτρικό φορτίο
Όπως γνωρίζουμε, τα άτομα που αποτελούνται τα σώματα, είναι ηλεκτρικά ουδέτερα και έτσι συμπεραίνουμε ότι το ίδιο το σώμα είναι ουδέτερο. Είναι όμως δυνατόν το σώμα να προσλάβει ή να αποβάλει ηλεκτρόνια και έτσι να αποκτήσει ηλεκτρικό φορτίο. Όταν το άτομο αποβάλει (ένα ή δυο) ηλεκτρόνια, τότε υπερισχύει το θετικό φορτίο των πρωτονίων και το άτομο φορτίζεται θετικά. Τα ηλεκτρόνια που αποβάλει το άτομο πηγαίνουν σε ένα άλλο σώμα. Έτσι σε αυτό το σώμα δημιουργείται περίσσευμα ηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα το αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων να υπερισχύει από το θετικό φορτίο των πρωτονίων και με αυτό το τρόπο το σώμα αποκτά αρνητικό φορτίο. Δηλαδή:
Η φόρτιση των σωμάτων γίνεται με μεταφορά ηλεκτρονίων. Έτσι το σώμα που αποβάλλει ηλεκτρόνια αποκτά θετικό φορτίο ενώ το σώμα που προσλαμβάνει τα ηλεκτρόνια αποκτά αρνητικό φορτίο.
Επειδή τα πρωτόνια δεν μπορούν να μετακινηθούν, επειδή έχουν μεγάλη μάζα και επειδή βρίσκονται παγιδευμένα στο εσωτερικό των ατόμων (πυρήνας), η φόρτιση των σωμάτων γίνεται αποκλειστικά με μετακίνηση ηλεκτρονίων. Επειδή ο πυρήνας του ατόμου ασκεί ελκτικές δυνάμεις στα ηλεκτρόνια, για να αποσπαστεί κάποιο ηλεκτρόνιο από το άτομο, πρέπει να απορροφήσει ενέργεια, για να υπερνικήσει την έλξη του πυρήνα. Η προσφορά ενέργειας μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους, όπως για παράδειγμα με τριβή, με την επίδραση της ακτινοβολίας κ.τ.λ.
Επειδή η δομή του ατόμου είναι όπως την περιγράψαμε παραπάνω, ανακαλύψαμε ότι το άτομο αποτελείται από δυο είδη ηλεκτρικού φορτίου εκείνων των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων. Συνεπώς, στη φύση υπάρχουν μόνο δυο είδη ηλεκτρικού φορτίου, τα θετικά και τα αρνητικά φορτία.
Δυο σημαντικές ιδιότητες του ηλεκτρικού φορτίου
Όπως είπαμε, η φόρτιση των σωμάτων γίνεται με μετακίνηση ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια ούτε παράγονται εκ του μηδενός ούτε καταστρέφονται, απλά μεταφέρονται. Έτσι σε μια διαδικασία, όσα ηλεκτρόνια χάνει ένα σώμα τόσα παίρνει κάποιο άλλο σώμα. Επομένως ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων παραμένει σταθερός. Αυτή η διατύπωση αποτελεί την αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου.
Σε μια οποιαδήποτε διαδικασία η οποία συμβαίνει στο μικρόκοσμο ή στο μακρόκοσμο, ο συνολικός αριθμός ηλεκτρονίων ενός απομονωμένου συστήματος σωμάτων, δεν μεταβάλλεται, με αποτέλεσμα το ολικό φορτίο του συστήματος σωμάτων να διατηρείται σταθερό.
Όπως είπαμε, ένα φορτισμένο σώμα έχει πλεόνασμα ή έλλειψη ηλεκτρονίων. Επειδή το ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να διαιρεθεί, το ηλεκτρικό φορτίο ενός σώματος είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του στοιχειώδους αρνητικού φορτίου του ηλεκτρονίου ή του αντίθετου θετικού φορτίου του πρωτονίου. Συνεπώς το ηλεκτρικό φορτίο εμφανίζεται σε “πακετάκια” τα οποία ονομάζονται κβάντα και αυτή την ιδιότητα του φορτίου ονομάζεται κβάντωση.
Τρόποι ηλέκτρισης και μικροσκοπική ερμηνεία
Αν κοιτάξουμε γύρω μας στην καθημερινή ζωή μας, θα δούμε ότι, πολλά φαινόμενα, οφείλονται στην ηλέκτριση των σωμάτων που μας περιβάλλουν. Έτσι για παράδειγμα, αν τρίψουμε ένα μπαλόνι με μάλλινο ύφασμα και το αφήσουμε ελεύθερο κοντά σε κατακόρυφο τοίχο, τότε θα κολλήσει σ’ αυτόν. Επίσης ένα οφθαλμοφανές ηλεκτρικό φαινόμενο είναι ο κεραυνός και η αστραπή, που οφείλονται στη συγκέντρωση μεγάλης ποσότητας ηλεκτρικού φορτίου στα σύννεφα.
Παρακάτω θα περιγράψουμε φαινόμενα ηλέκτρισης ενός σώματος, που μπορεί να γίνει με τρεις τρόπους α) Με τριβή β) Με επαφή και γ) Με επαγωγή και θα τα ερμηνεύσουμε με βάση το μοντέλο της μικροσκοπικής δομής του ατόμου.
Ηλέκτριση με τριβή
Αν τρίψουμε μια γυάλινη ράβδο με ένα κομμάτι από μεταξωτό ύφασμα, η ράβδος θα φορτιστεί θετικά ενώ το μεταξωτό ύφασμα θα αποκτήσει αρνητικό φορτίο. Αυτό μπορεί να ερμηνευτεί με βάση τη μικροσκοπική δομή του ατόμου, όπως την παρουσιάσαμε στην προηγούμενη ενότητα.
Στο άτομο, τα ηλεκτρόνια που έχουν αρνητικό φορτίο, περιφέρονται γύρω από τον θετικά φορτισμένο και μεγάλης μάζας πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια δεν περιφέρονται όλα στην ίδια απόσταση από τον πυρήνα, αλλά άλλα βρίσκονται πιο κοντά στον πυρήνα και άλλα πιο μακριά. Όσο πιο μακριά από τον πυρήνα βρίσκεται ένα ηλεκτρόνιο, τόσο πιο ασθενής είναι η ελκτική δύναμη του πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται πιο μακριά από τον πυρήνα, λέγονται εξωτερικά ηλεκτρόνια και συγκρατούνται ασθενώς από τον πυρήνα.
Αν τα εξωτερικά ηλεκτρόνια πάρουν ενέργεια, είναι εκείνα που μπορούν ευκολότερα από τα άλλα να αποσπαστούν και να μεταπηδήσουν σε ένα άλλο σώμα. Η ενέργεια που χρειάζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρόνιο για να αποσπαστεί από το άτομο, εξαρτάται από το υλικό που ανήκει το άτομο. Επειδή τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων του γυαλιού συγκρατούνται ασθενέστερα από τους πυρήνες, από ότι από εκείνα του μεταξωτού υφάσματος, γι’ αυτό πιο εύκολα μετακινούνται τα ηλεκτρόνια από το γυαλί στο μετάξι, παρά από το μετάξι στο γυαλί και έτσι η γυάλινη ράβδος φορτίζεται θετικά και το μεταξωτό ύφασμα αρνητικά.
Κατά την ηλέκτριση με τριβή, επειδή ισχύει η αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου, όσα ηλεκτρόνια χάνει το ένα σώμα, τόσα ηλεκτρόνια προσλαμβάνει το άλλο και έτσι προκύπτει ότι τα δυο σώματα αποκτούν ίσα και αντίθετα φορτία.
Ηλέκτριση με επαφή
Τρίβουμε μια πλαστική ράβδο με μάλλινο ύφασμα και μ’ αυτό τον τρόπο η πλαστική ράβδος αποκτά αρνητικό φορτίο. Έπειτα φέρνουμε σε επαφή την φορτισμένη πλαστική ράβδο με το μπαλάκι του ηλεκτρικού εκκρεμές και βλέπουμε ότι αυτό μετά την επαφή απωθείται από την πλαστική ράβδο. Συμπεραίνουμε ότι το μπαλάκι έχει αποκτήσει αρνητικό φορτίο, που το πήρε από την αρνητικά φορτισμένη πλαστική ράβδο με την οποία ήρθε σε επαφή. Δηλαδή, αν ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σώμα έρθει σε επαφή με ένα φορτισμένο σώμα αποκτά ηλεκτρικό φορτίο του ίδιου είδους. Η διαδικασία αυτή λέγεται ηλέκτριση με επαφή.
Αυτό το φαινόμενο ερμηνεύεται βάσει της μικροσκοπικής δομής του ατόμου ως εξής: Η αρνητικά φορτισμένη πλαστική ράβδος έχει πλεόνασμα ηλεκτρονίων. Όταν έρθει σε επαφή με το αφόρτιστο μπαλάκι, μερικά από τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια επειδή απωθούνται μεταξύ τους, μετακινούνται στο αρχικά ηλεκτρικά ουδέτερο μπαλάκι και έτσι φορτίζεται αρνητικά.
Αν είχαμε γυάλινη ράβδο την οποία είχαμε τρίψει με μεταξωτό ύφασμα, οπότε θα αποκτούσε θετικό φορτίο θα απωθούσε το μπαλάκι του ηλεκτρικού εκκρεμές αφού προηγουμένως θα είχε έρθει σε επαφή. Αυτό εξηγείται ως εξής: H θετικά φορτισμένη γυάλινη ράβδος έχει έλλειμμα ηλεκτρονίων. Όταν έρθει σε επαφή με το μπαλάκι του ηλεκτρικού εκκρεμές, μερικά ηλεκτρόνια του αρχικά ουδέτερου μπαλακίου μεταφέρονται λόγω έλξης στην θετικά φορτισμένη γυάλινη ράβδο. Έτσι έχει πλέον και το αρχικά αφόρτιστο μπαλάκι έλλειμμα ηλεκτρονίων οπότε φορτίζεται θετικά και μ’ αυτό τον τρόπο και τα δυο σώματα έχουν θετικό φορτίο.
Κατά την ηλέκτριση με επαφή ισχύει η αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου: Το άθροισμα των φορτίων που αποκτούν τα δυο σώματα, τελικά είναι ίσο με το φορτίο που είχε αρχικά το ένα.
Αγωγοί και μονωτές
Παίρνουμε μια μεταλλική ράβδο και την στερεώνουμε οριζόντια σε μονωτική βάση και στο ένα άκρο πλησιάζουμε το ηλεκτρικό εκκρεμές. Ακουμπάμε μια θετικά φορτισμένη σφαίρα στο άλλο άκρο της (ή το φορτίζουμε με τριβή). Θα παρατηρήσουμε ότι το μπαλάκι του ηλεκτρικού εκκρεμούς έλκεται από την μεταλλική ράβδο. Αυτό σημαίνει ότι το άκρο κοντά στο εκκρεμές απέκτησε ηλεκτρικό φορτίο. Συνεπώς συμπεραίνουμε ότι, το ηλεκτρικό φορτίο που βάλαμε στο ένα άκρο της μεταλλικής ράβδου διασκορπίστηκε σε όλη τη ράβδο.
(α) Φόρτιση με επαφή μιας μεταλλικής ράβδου. Η ράβδος φορτίζεται σε όλη της την επιφάνεια (β) Φόρτιση με επαφή μιας πλαστικής ράβδου. Φορτίζεται μόνο η περιοχή που ήρθε σε επαφή με τη φορτισμένη σφαίρα.
Αν αντί για μεταλλική ράβδο πάρουμε μια γυάλινη ή πλαστική ράβδο και φορτίσουμε το ένα άκρο της, το άλλο άκρο δεν έλκει το μπαλάκι του ηλεκτρικού εκκρεμούς. Από αυτό συμπεραίνουμε ότι το φορτίο που τοποθετήσαμε στο ένα άκρο της γυάλινης ή πλαστικής ράβδου, δεν μετακινήθηκε από τη θέση του.
Με περισσότερα πειράματα ανακαλύπτουμε ότι υπάρχουν δυο ομάδες σωμάτων: α) Τα σώματα που επιτρέπουν τον διασκορπισμό του ηλεκτρικού φορτίου σε όλη την έκταση τους. Αυτά τα σώματα λέγονται ηλεκτρικοί αγωγοί. Αγωγοί είναι όλα τα μέταλλα, όπως ο σίδηρος, το αλουμίνιο, ο χαλκός κ.ά. Αγωγοί είναι το θαλασσινό νερό, ο υγρός αέρας. β) Και τα σώματα που δεν επιτρέπουν το διασκορπισμό του φορτίου, το οποίο παραμένει στην περιοχή του σώματος την οποία φορτίσαμε. Τα σώματα αυτά ονομάζονται ηλεκτρικοί μονωτές. Μονωτές είναι το πλαστικό, το ξύλο, το γυαλί, το καουτσούκ κ.ά.
Εξήγηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των μετάλλων.
Στα άτομα των μετάλλων, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια συγκρατούνται ασθενώς από τον πυρήνα. Έτσι κάποια ξεφεύγουν και κινούνται ελεύθερα μέσα στο σώμα του μετάλλου, γι’ αυτό αυτά ονομάζονται ελεύθερα ηλεκτρόνια. Στα άτομα των μετάλλων από τα οποία έφυγαν εξωτερικά ηλεκτρόνια, υπερισχύει το θετικό φορτίο του πυρήνα και έτσι μετατρέπονται σε θετικά ιόντα. Τα θετικά ιόντα επειδή έχουν μεγάλη μάζα και αναπτύσσουν ισχυρούς θεσμούς μεταξύ τους, δεν μετακινούνται από τη θέση τους, αλλά εκτελούν μικρές ταλαντώσεις γύρω από τη θέση τους σχηματίζοντας το μεταλλικό πλέγμα.
Ένα αφόρτιστο μέταλλο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, επειδή το συνολικό αρνητικό φορτίο των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι το ίδιο με το συνολικό θετικό φορτίο των θετικών ιόντων του. Αν από κάποια περιοχή ενός μεταλλικού σώματος προσβληθούν ή αποβληθούν ηλεκτρόνια τότε λόγω της τυχαίας κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων αυτό το πλεόνασμα ή έλλειμμα κατανέμεται ομοιόμορφα σε όλη την έκταση του αγωγού.
Εξήγηση της συμπεριφοράς των μονωτών κατά την ηλέκτριση τους.
Στα άτομα των μονωτών, ο πυρήνας ασκεί ισχυρές δυνάμεις στα εξωτερικά ηλεκτρόνια. Έτσι τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων των μονωτών, είναι δύσκολο να διαφύγουν από την έλξη του πυρήνα και έτσι μένουν παγιδευμένα στα άτομα. Συνεπώς στο σώμα του μονωτή δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια που να κινούνται ελεύθερα από την μια περιοχή στην άλλη.
Αν σε κάποια περιοχή ενός μονωτή εισέλθουν (ή αποβληθούν) ηλεκτρόνια π.χ. μέσω ηλέκτρισης με τριβή ή με επαφή, η περίσσια (ή το έλλειμμα) ηλεκτρονίων παραμένει τοπικά στην περιοχή αυτή και το φορτίο παραμένει εκεί, χωρίς να μπορεί να μετακινηθεί αφού είναι δύσκολη η μετακίνηση ηλεκτρονίων από την μια περιοχή στην άλλη.
Ανίχνευση του ηλεκτρικού φορτίου – το ηλεκτροσκόπιο
Για την ανίχνευση του ηλεκτρικού φορτίου και τη μελέτη της ηλέκτρισης στο εργαστήριο, χρησιμοποιούνται ειδικά όργανα που λέγονται ηλεκτροσκόπια. Ένα απλό ηλεκτροσκόπιο είναι το ηλεκτρικό εκκρεμές.
Ένα άλλο είδος ηλεκτροσκοπίου είναι το ηλεκτροσκόπιο με κινητά ελάσματα. Αυτό αποτελείται από ένα σταθερό μεταλλικό δίσκο (1), από ένα μεταλλικό στέλεχος (2) δυο μεταλλικά ελάσματα (3). Τα ελάσματα και η μεταλλική ράβδος του ηλεκτροσκοπίου, βρίσκονται στο εσωτερικό ενός γυάλινου κουτιού, με μονωμένο περίβλημα κι έτσι το περίβλημα εμποδίζει τη διαρροή του ηλεκτρικού φορτίου προς το περιβάλλον.
Όταν φέρουμε σε επαφή το μεταλλικό δίσκο με ένα αφόρτιστο σώμα, τα ελάσματα ισορροπούν το ένα δίπλα στο άλλο. Όταν ακουμπήσουμε στο μεταλλικό δίσκο ένα φορτισμένο σώμα, το ηλεκτρικό φορτίο διαχέεται στην μεταλλική ράβδο και στα ελάσματα, με συνέπεια αυτά να φορτιστούν και να αποκτήσουν το ίδιο είδους φορτίου με το σώμα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η μεταλλική ράβδος και τα ελάσματα να απωθούνται μεταξύ τους και να σχηματίσουν γωνία. Όσο πιο μεγάλη είναι η γωνία απόκλισης των ελασμάτων, τόσο περισσότερο φορτίο έχει το σώμα που ακουμπήσαμε στο μεταλλικό δίσκο.
Ηλέκτριση με επαγωγή
α) ηλέκτριση αγωγών με επαγωγή.
Παίρνουμε μια αφόρτιστη μεταλλική ράβδο και τη στερεώνουμε οριζόντια σε μονωτή. Σε κάθε άκρο της φέρνουμε κι από ένα ηλεκτρικό εκκρεμές. Παρατηρούμε ότι το μπαλάκι στο καθένα εκκρεμές δεν αποκλίνει, που σημαίνει ότι τα άκρα Α και Β της ράβδου δεν είναι ηλεκτρισμένα. Πλησιάζουμε στο άκρο Α (χωρίς να ακουμπήσει) μια σφαίρα με θετικό φορτίο. Παρατηρούμε ότι και τα δύο μπαλάκια αποκλίνουν από την κατακόρυφη θέση, που σημαίνει ότι το άκρο Α πλησιέστερο στη σφαίρα, ότι απέκτησε αρνητικό φορτίο, ενώ το απέναντι άκρο Β απέκτησε θετικό φορτίο.
Συμπεραίνουμε ότι η παρουσία φορτισμένης σφαίρας κοντά σε μεταλλική ράβδο, διαχωρίζει το θετικό και αρνητικό φορτίο της ράβδου. Το φαινόμενο αυτό λέγεται ηλέκτριση με επαγωγή. Το συνολικό φορτίο της μεταλλικής ράβδου είναι μηδέν και λέμε εδώ ότι η μεταλλική ράβδος είναι ηλεκτρισμένη και δεν είναι φορτισμένη.
Όταν πλησιάσουμε στο άκρο Α της μεταλλικής ράβδου τη σφαίρα με θετικό φορτίο, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια της μεταλλικής ράβδου έλκονται από τα θετικά φορτία της σφαίρας και κινούνται προς το άκρο της Α και έτσι αυτό αποκτά αρνητικό φορτίο. Από το άλλο άκρο Β της ράβδου έχουν μετακινηθεί τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και έχουν συσσωρευτεί στο άκρο Α. Έτσι εύκολα καταλαβαίνουμε ότι στο άκρο Β να πλεονάζουν τα θετικά ιόντα με αποτέλεσμα να αποκτήσει θετικό φορτίο.
Αν απομακρύνουμε τη θετικά φορτισμένη σφαίρα από την μεταλλική ράβδο, τα ηλεκτρόνια που είχαν μαζευτεί στο άκρο της Α έλκονται από τα θετικά ιόντα του άλλου άκρου της Β και επειδή τα ηλεκτρόνια απωθούνται μεταξύ τους, κατανέμονται ομοιόμορφα σε όλη την έκταση της ράβδου, και έτσι σε κάθε περιοχή της μεταλλικής ράβδου το φορτίο να είναι μηδέν.
β) Ηλέκτριση μονωτών με επαγωγή.
Παράδειγμα ηλέκτρισης μονωτών με επαγωγή, είναι η έλξη μικρών κομματακίων χαρτιού από ηλεκτρισμένη χτένα. Όταν πλησιάζουμε ένα αρνητικά φορτισμένο σώμα σε ένα μονωτή, αυτό απωθεί τα ηλεκτρόνια των ατόμων του μονωτή, αλλά δεν μπορεί να τα απομακρύνει από τα άτομα. Έτσι τα ηλεκτρόνια αυτά αναγκάζονται να βρίσκονται στην μια μεριά του ατόμου που βρίσκεται σε μεγαλύτερη απόσταση από το αρνητικά φορτισμένο σώμα. Έτσι το άτομο ή μόριο φαίνεται από την μια μεριά θετικά φορτισμένο και από την άλλη αρνητικά φορτισμένο. Αυτή η πόλωση ηλεκτρικών φορτίων στο άτομο έχει ως αποτέλεσμα στο άκρο του μονωτή, πλησιέστερο προς το αρνητικά φορτισμένο σώμα να εμφανίζει θετικό φορτίο και στο άλλο αρνητικό.
Με αυτό τον τρόπο ο μονωτής εμφανίζεται ηλεκτρισμένος αν και είναι αφόρτιστος. Αν απομακρύνουμε το αρνητικά φορτισμένο σώμα, τα άτομα επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση.
Όταν πλησιάζουμε την αρνητικά ηλεκτρισμένη χτένα, σε μικρά κομματάκια χαρτιού, αυτά ηλεκτρίζονται με επαγωγή. Τα άτομα του χαρτιού πολώνονται και έτσι φαίνεται θετικό φορτίο στο άκρο του χαρτακιού στην άκρη του πλησίον της χτένας και ίσο αρνητικό φορτίο στην απέναντι άκρη. Επειδή το θετικό φορτίο του χαρτακιού βρίσκεται κοντύτερα στην αρνητικά φορτισμένη χτένα σε αντίθεση με το αρνητικό του φορτίο, έχει σαν αποτέλεσμα η συνολική (συνισταμένη) δύναμη πάνω στο χαρτάκι να είναι προς την χτένα και έτσι τα χαρτάκια έλκονται από τη χτένα.