Sadržaj
Atom je električki neutralan! Već u osnovnoj školi saznajemo o čestičnoj prirodi tvari i građi atoma. Činjenica o električnoj neutralnosti se ne naglašava jer se odmah podrazumijeva i obrađuje razdvajanje naboja i njihovo međudjelovanje. Treba reći, atom je električki neutralan. Uzrok njegove neutralnosti je u dvije činjenice: prvo, u atomu je jednak broj elektrona kao i protona, a drugi je uzrok što je naboj elektrona e- = 1,6·10-19 C, po iznosu jednak naboju protona p+ = 1,6·10-19 C. Dakle neutralnost zahvaljujemo činjenici što su ti naboji suprotni pa se međusobno neutraliziraju. Sve električne pojave (privlačenje i odbijanje tijela, struja kao gibanje naboja, itd.) temelje se na prirodnoj težnji naboja da se međusobno neutraliziraju. Kada je atom neutralan s njim se u električnom smislu ne događa ništa. Takvi atomi ne pokazuju električno međudjelovanje i ne elektriziraju tijela. Trljanjem jantara ili plastike vunenim suknom elektroni prelaze iz vune u predmet koji trljamo. Uslijed neravnoteže broja negativnih elektrona u odnosu na broj protona taj predmet postaje električki negativno nabijen ⚊, a sukno postaje pozitivno ✚. Evo video-zapisa u kojem prof. Adolf Cortel iz Barcelone na duhovit način pokazuje elektriziranje trenjem (Izvor: Universidad Politecnica Barcelona) Uslijed trenja hodanjem po podlozi od umjetnih vlakana mačje krzno se elektrizira i "kockice" od stiropora prianjaju uz nju. Električni naboj na krznu privlači lake, inače neutralne, plastične dijelove od stiropora na nabijeno krzno. Na slici je vektor sile usmjern prema pozitivnom naboju izvora q', stoga zaključujemo da je naboj q negativan, tj, naboji su raznoimeni pa je sila privlačna. Zašto elektizirano tijelo privlači neutralna tijela? U obližnjim predmetima induciraju se površinski naboji. Elektrostatsko polje obližnjeg naboja uzrokuje polarizaciju nepokretnih naboja u izolatorima ili razdvajanje pokretnih naboja u metalnim predmetima. Suprotni naboji se pomiču na površinu predmeta koja je okrenuta prema vanjskom naboju, a istoimeni naboji se odbijaju i udaljavaju na suprotnu stranu. Tako inducirani površinski naboji privlače se s vanjskim nabojem. Ta se pojava zove elektrostatska indukcija ili influencija. Evo video-zapisa u kojem se prikazuje Van de Graffov influentni stroj (Izvor: H. Mesić - Fiztube10) Zašto naboji moraju biti blizu da bi se međusobno privukli? Električna ili Coulombova sila opada s kvadratom udaljenosti između naboja. To znači ako udvostručimo udaljenost, sila će se smanjiti na četvrtinu ranije vrijednosti, a ako bismo udaljenost povećali deset puta sila bi bila manja 100 puta. Što je električno polje? Električno polje je prostor oko naboja. Svojstvo je takvog prostora da će na svaki naboj doveden u neku točku polja djelovati Coulombova sila, čiji smjer će ovisiti o predznacima naboja izvora i dovedenog naboja. Kako možemo mjeriti električno polje? Pomoću jednostavnog "elektrometra": Na tanku nit objesimo staklenu kuglicu. Zatim kuglicu elektriziramo trljanjem svilenom tkaninom. Neki elektroni s kuglice preskoče na tkakninu i tako ostave kuglicu pozitivno nabijenu. Sada možemo naš elektrometar upotrijebiti za mjerenje električnih osobina predmeta i prostora oko njih. Ako elektrometar približimo pozitivno nabijenom tijelu, kuglica će se otkloniti tako da nastoji biti čim dalje od tog tijela. Kut otklona bit će razmjeran sili na kuglicu u toj točki prostora.
Naš elektrometar može poslužiti i za mjerenje električnih osobina "praznog prostora". Primjerice, hodamo po sobi i bilježimo smjer i iznos otklona kuglice jer negdje postoji izvor polja. Otklon i smjer ucrtamo kao vektore na tlocrt sobe. Vektori pokazuju iznos i smjer električne sile na kuglicu elektrometra u pojedinim točkama sobe. Možemo li iz tog prikaza vidjeti gdje se u prostoriji nalazi naboj izvora i kojeg je predznaka? karakteristika točke u prostoru koja pokazuje iznos i smjer električne sile kakva bi djelovala na točkasti naboj od +1 C u toj točki. Pretpostavimo da naša staklena kuglica ima naboj od samo +3 µC, tako da je iznos sile koji smo mjerili mnogo manji od one koja bi djelovala na naboj od +1 C. Zato trebamo preračunati silu da bismo naš nacrt pretvorili u standardni prikaz električnog polja. Kada u blizini nema drugog naboja, nego samo naboj izvora onda točkama u prostoru oko njega pridružujemo vektorsku dinamičku karakteristiku - jakost polja. Jakost polja ℰ razmjerna je naboju izvora i obrnuto je razmjerna kvadratu udaljenosti te točke od izvora. Zašto kažemo da je jakost polja dinamička karakteristika točke u električnom polju? Kada u neku točku elektičnog polja dovedemo naboj q na njega će djelovati sila razmjerna jakosti elektrčnog polja u toj točki. Množenjem tog naboja i jakosti električnog polja ℰ dobit ćemo iznos sile koja djeluje na naboj: Napomena: U udžbenicima se obično jakost polja definira kao "Sila na jedinični naboj", međutim konceptualno to nije sila, jedinica za jakost polja nije njutn [N], nego [N/C] ili [V/m]. Stoga je ispravno reći da je jakost polja samo po iznosu jednaka sili kakva bi djelovala na naboj od 1 C kada bi taj jedinični naboj doveli u tu točku. Između dva naboja postoji i potencijalna energija, koja je razmjerna umnošku naboja i obrnuto razmjerna njiihovoj udaljenosti. To znači da naboj u električnom polju može izvršiti neki rad odnosno da je za premještanje naboja potrebno uložiti energiju. Potencijalna energija između dva naboja mijenja se ovisno o tome je li sila između njih odbojna (istoimeni naboji) ili je privlačna (raznoimeni naboji).
Poput jakosti polja, kada u blizini nema drugog naboja, nego samo naboj izvora onda točkama u prostoru oko njega pridružujemo i energetsku karakteristiku - potencijal. Potencijal φ razmjeran je naboju izvora i obrnuto je razmjeran udaljenosti te točke od izvora.
Električni potencijal se definira kao: karakteristika točke u prostoru koja pokazuje iznos potencijalne električne energije kakvu bi imao točkasti naboj od +1 C u toj točki.
Zašto kažemo da je potencijal energetska karakteristika točke u električnom polju? Kada u neku točku elektičnog polja dovedemo naboj q on će imati potencijalnu energiju razmjernu potencijalu u toj točki. Množenjem tog naboja i potencijala φ točke u kojoj se nalazi dobit ćemo iznos potencijalne energije: Napomena: U udžbenicima se obično potencijal definira kao "Potencijalna energija jediničnog naboja", međutim konceptualno to nije energija, jedinica za potencijal nije đul [J] nego [V] ili [J/C]. Stoga je ispravno reći da je potencijal samo po iznosu jednak potencijalnoj energiji kakvu bi imao naboj od 1 C kada bi ga doveli u tu točku, odnosno po iznosu je jednak radu potrebnom za dovođenje jediničnog naboja iz beskonačnosti u tu točku. Električni potencijal je skalarna funkcija po iznosu jednaka radu koji bi obavila vanjska sila kada bi polako prenosila naboj q s jednog mjesta na drugo u okruženju drugih mirujućih naboja. Razlika između potencijala φA u točki A i potencijala φB u točki B definirana je kao rad po jedinici naboja jednadžbom: Potencijal se mjeri u voltima [V]. Kako se rad mjeri u džulima [J], jedan volt je ekvivalentan jednom džulu po kulonu [J/C]. Naboj q uzima se kao točkasti ispitni naboj i pretpostavlja se da on ne remeti raspodjelu preostalih naboja tijekom premještanja od točke B do točke A. Doprinos naboja izvora električnom potencijalu u nekoj točki prostora je stoga skalarna veličina razmjerna naboju izvora i obrnuto razmjerna udaljenosti između točke i naboja. Ako polje stvaraju više naboja, njihovi se doprinosi zbrajaju. Spojimo li vodičem dvije točke (npr. 1 i 2) različitih potencijala φ1 i φ2 između njih postoji napon U kao posljedica razlike potencijala. Naboji q koje dovedemo u točku višeg potencijala (točka 1) teći će vodičem u točku manje potencijalne energije (točka 2). Naboj q u točki 1 ima potencijalnu energiju qU u odnosu na točku 2. Rad potreban da se naboj q dovede iz točke nižeg u točku višeg potencijala jednak je razlici potencijalnih energija koje taj naboj ima u tim točkama: |