Sadržaj
- Ioniziranje trenjem
- Električna sila
- Električno polje
- Potencijalna energija naboja
- Električni potencijal
- Četiri veličine elektrostatike
- Razlika potencijala i električna struja
Ioniziranje trenjem
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.
Da bismo uočili električne pojave treba narušiti neutralnost atoma!
To se postiže odvajanjem ili dodavanjem jednog ili više elektrona, tj. ionizacijom, naime atom bez jednakog broja elektrona koliko ima i protona postaje ion.
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 ✚.
Trljamo li staklo amalgamiranom kožom ili svilom, odnosimo elektrone sa stakla i ono postaje pozitivno nabijeno ✚, a koža negativna ⚊.
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.
Električna sila
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.
Električno polje i jakost polja
Što je električno polje?
U stvari, što je "polje"? Postoji više načina da se odgovori na to pitanje, ali se svi svode na sljedeće:
Polje je fizikalna veličina koja svakoj točki u prostoru pridružuje svojevrsni natpis (oznaku) kao karakteristiku te točke. Oznake mogu biti skalari ili vektori.
Od skalarnih polja najčešće nailazimo na polje temperature: viđamo ga svakodnevno u vremenskoj prognozi. Kao natpis (oznaka) točke koriste se očitanja termometra u točki u kojoj se trenutno nalazi termometar. Vrijednosti očitanja prikazuju se osim brojčano i kao nijanse boja na geografskoj karti polja.
Vektorsko polje je primjerice polje vjetra: točkama u prostoru pridružuje se vektor brzine i smjera vjetra. Duljina strelice pokazuje brzinu, a orijentacija smjer vjetra.
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?
Naš je nacrt (skoro) točan nacrt električnog polja, jer se električno polje definira kao:
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.
Dogovorom je određeno da vektor jakosti polja u nekoj točki ima onaj smjer u kojem bi se gibao pozitivan naboj kada bi ga doveli u tu točku polja.
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.
Budući da je jakost polja karakteristika točke njezina vrijednost neovisna je o tome postoji li u toj točki bilo kakav naboj (tzv. ispitni ili jedinični) ili ne postoji.
Potencijalna energija naboja
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:
Električni potencijal
Budući da je potencijal karakteristika točke njegova vrijednost neovisna je o tome postoji li u toj točki bilo kakav naboj (tzv. ispitni ili jedinični) ili ne postoji.Četiri veličine elektrostatike
Razlika potencijala i električna struja
Za ilustraciju rada u gornjoj jednadžbi, uzmimo pozitivan naboj izvora + Q i razmotrimo premještanje ispitnog naboja od točke B do A dvjema različitim stazama u radijalnom električnom polju tog naboja:
Kod pomicanja naboja + q od B do A duž puta ➀ vrši se rad na svladavanju odbojne sile između dvaju naboja. Ako odaberemo put ➁, nema rada na dionici od B do C, budući da je put okomit na (radijalnu) električnu silu; pomicanjem od C do D, rad je, po simetriji, identičan kao iz B u A, i konačno nije potreban rad od D do A. Dakle, ukupan rad je isti za oba puta. Lako se može pokazati da to vrijedi za bilo koji put od B do A.
Ako se početni i konačni položaji naboja + q nalaze na sferi s nabojem + Q u središtu, rad se ne obavlja jer električni potencijal na svim položajima ima istu vrijednost. Površina sfere je ekvipotencijalna ploha.
Razlika potencijala φA - φB između točaka A i B, daje nam važnu fizikalnu veličinu koju zovemo Napon:
gdje su ra i rb udaljenosti točaka A i B od + Q.
Odabirom B beskonačno daleko od naboja + Q svodi potencijal u B na nulu pa za potencijal u točki A možemo reći da je po iznosu jednak radu potrebnom da se jedinični naboj dovede iz beskonačnosti u tu točku.
Protok naboja u vremenu t čini električnu struju I = q/t.
Ta struja bit će tim veća što je veći napon odnosno razlika potencijala: I = U/R, i što je manji otpor R - svojstvo vodiča da se odupire protoku naboja.
