Kūnų įelektrinimas. Elektros krūvio tvermė

Šiandien sunkiai įsivaizduojame gyvenimą be kompiuterių, mobiliųjų telefonų ar buitinės technikos – prietaisų, naudojančių elektros energiją. Elektriniais reiškiniais žmonės susidomėjo labai seniai. Senovės graikai VI a. prieš Kr. pastebėjo, kad vilna patrintas gintaras (gr. ēlektron; vėliau iš šio žodžio kilo žodis „elektra“), kurį dėl spalvos ir blizgesio jie vadino saulės akmeniu, traukia šapelius, kailių pūkus ir skiedreles (1.1.1 pav.). XVI a. anglų fizikas Viljamas Gilbertas (William Gilbert, 1544–1603) įrodė, kad lengvus kūnus traukia ir stiklas, deimantas, derva, kalnų krištolas. Šiuos reiškinius jis pavadino elektriniais reiškiniais.

Elektrinius ir magnetinius reiškinius nagrinėja fizikos mokslo šaka, vadinama elektrodinamika. O elektrodinamikos dalis, tirianti nejudančių elektros krūvių savybes ir sąveiką, vadinama elektrostatika. Elektros krūvis yra kūnų ir elementariųjų dalelių savybė, lemianti jų sąveiką su kitais kūnais ir dalelėmis. Žinote, kad mažiausia dalelė, turinti neigiamąjį elementarųjį elektros krūvį, vadinama elektronu, o turinti teigiamąjį krūvį – protonu. Elektros krūvis žymimas raide q.

Atomą sudaro teigiamąjį krūvį turintis branduolys ir aplink jį skriejantys neigiamąjį krūvį turintys elektronai (1.1.2 pav.). Vienų medžiagų atomų branduoliai stipriau traukia elektronus, kitų – silpniau. Metalų atomų branduoliai silpniau traukia elektronus. Kai jie atitrūksta nuo atomo, tampa laisvaisiais elektronais ir juda visame metale. 1 cm³ metalo yra apie 10²²–10²³ laisvųjų elektronų. Metalų atomai, praradę elektronus, virsta teigiamaisiais jonais. Jie išsidėstę kristalinės gardelės mazguose, o tarp jų laisvai juda laisvieji elektronai (1.1.3 pav., a). Dėl laisvųjų elektronų metaluose gali atsirasti elektros srovė. Sakoma, kad metalai gerai praleidžia elektros srovę. Gerai elektros srovė teka ir žmogaus ar gyvūno kūnu, žeme, šarminiais ir rūgštiniais tirpalais. Šiose terpėse elektros srovė atsiranda dėl teigiamųjų ir neigiamųjų jonų judėjimo. Medžiagos, turinčios daug laisvųjų elektringųjų dalelių, vadinamos laidininkais.

Dielektrikais vadinamos medžiagos, turinčios mažai laisvųjų elektringųjų dalelių. Dielektrikų atomų branduoliai elektronus traukia stipriai. Nuo atomų atitrūksta tik nedidelė dalis elektronų. Pavyzdžiui, 1 cm³ valgomosios druskos yra tik apie 10⁸–10¹⁰ laisvųjų elektronų. Valgomosios druskos (Na⁺Cl^–) natrio atomai atiduoda elektronus chloro atomams. Dėl šios priežasties natrio atomai virsta teigiamaisiais jonais, o chloro atomai – neigiamaisiais jonais (1.1.3 pav., b). Vykstant šiai sąveikai nesusidaro laisvųjų elektronų. Medžiagos, pasižyminčios dielektrinėmis savybėmis, dar vadinamos izoliatoriais. Geri izoliatoriai yra stiklas, popierius, guma, šilkas, gintaras, plastikas. Izoliatoriai nepraleidžia elektros srovės.

Puslaidininkiai yra medžiagos, pagal laidumą elektros srovei užimančios tarpinę padėtį tarp laidininkų ir dielektrikų (plačiau apie puslaidininkius – 5.4 temoje).

Kūnus įelektrinti galima trinant. Dėl trinties padidėja besiliečiančių kūnų sąlyčio paviršius ir susidaro geresnės sąlygos elektronams pereiti iš vieno kūno į kitą. Kūnams įsielektrinant elektronų padėties pokytis būna ne didesnis už atstumą tarp atomų (maždaug 10^–8 cm). Aptarkime, kaip įsielektrina plastikinė liniuotė, trinama į medžiagos skiautę (1.1.4 pav., a). Tiek liniuotė, tiek medžiagos skiautė yra dielektrikai ir elektriniu požiūriu neutralūs kūnai. Jų teigiamąjį krūvį kompensuoja laisvųjų elektronų krūvis. Trinant liniuotę į medžiagos skiautę laisvieji elektronai pereina iš medžiagos į liniuotę (1.1.4 pav., b). Liniuotėje susidaro elektronų perteklius ir ji įsielektrina neigiamai. Medžiagos skiautėje laisvųjų elektronų skaičius sumažėja ir jie nebekompensuoja jos teigiamojo krūvio. Medžiagos skiautė įsielektrina teigiamai. Vadinasi, vienas į kitą trinami kūnai įsielektrina priešingo ženklo krūviais. Elektros krūvis, kuris atsiranda trinant kūnus, vadinamas statiniu elektros krūviu.

Įsielektrinančių kūnų masė šiek tiek pakinta: įsielektrinančio teigiamai sumažėja, o įsielektrinančio neigiamai padidėja. Kūnams įsielektrinant nesukuriama naujų krūvių.

Kūnų įsielektrinimas priklauso nuo jų medžiagos. Pavyzdžiui, į šilko skiautę patrinta stiklinė lazdelė įsielektrina teigiamai (1.1.5 pav., a), o patrinta į asbestą įsielektrina neigiamai. Ebonitinė lazdelė, patrinta į vilną, įsielektrina neigiamai² (1.1.5 pav., b). Krūvį įgiję kūnai vadinami įelektrintais. Jie veikia kitus įelektrintus kūnus.

Kūnus įelektrinti galima ir liečiant. Pavyzdžiui, neigiamai įelektrinta ebonitine lazdele palietus neįelektrintą metalinį rutulį jis įsielektrina neigiamai (1.1.6 pav., a). Ebonitinės lazdelės laisvieji elektronai stumia vienas kitą. Kai lazdele paliečiamas metalinis rutulys, dalis laisvųjų elektronų pereina iš lazdelės į rutulį ir jis įgyja neigiamąjį krūvį.

Jei neįelektrintas metalinis rutulys paliečiamas teigiamai įelektrinta stikline lazdele, ji pritraukia laisvuosius metalinio rutulio elektronus. Rutulyje lieka nekompensuotas teigiamasis krūvis. Dėl to rutulys įsielektrina teigiamai (1.1.6 pav., b).

Kūnus įelektrinti galima ir tiesiogiai jų neliečiant. Prie dviejų suglaustų neįelektrintų metalinių rutulių (1.1.7 pav., a), pritvirtintų ant izoliacinių stovų, priartinamas (bet nepriliečiamas) neigiamai įelektrintas rutulys A (1.1.7 pav., b). Jo neigiamasis krūvis išstumia elektronus iš rutulio B į rutulį C (1.1.7 pav., c). Dėl elektronų perėjimo iš rutulio B į rutulį C rutulys B įsielektrina teigiamai, o rutulys C – neigiamai. Atitraukus neigiamai įelektrintą rutulį A, krūviai rutuliuose B ir C pasiskirsto tolygiai (1.1.7 pav., d).

Kūnams įsielektrinant galioja elektros krūvio tvermės dėsnis. Prisiminkime bandymą su stikline lazdele ir šilku. Bandymo pradžioje nei stiklinė lazdelė, nei šilko skiautė nebuvo įelektrintos. Bendras šių kūnų krūvis buvo lygus nuliui. Patrynus stiklinę lazdelę į šilko skiautę dalis elektronų iš lazdelės perėjo į šilko skiautę ir ši įgijo neigiamąjį krūvį (−q). Stiklinė lazdelė neteko elektronų, todėl įgijo teigiamąjį krūvį (+q). Šis krūvis savo moduliu yra lygus iš lazdelės išėjusių laisvųjų elektronų krūviui (−q): +q = −q.

Vadinasi, įelektrintos stiklinės lazdelės ir įelektrintos šilko skiautės bendras krūvis taip pat lygus nuliui. Dabar galima suformuluoti elektros krūvio tvermės dėsnį. Uždaroje sistemoje vykstant bet kokiai sąveikai krūvių modulių suma išlieka pastovi:

Uždaroje sistemoje niekada neatsiranda ir neišnyksta be pėdsako vieno ženklo krūvis. Kartu su neigiamuoju krūviu (−q) visada sukuriamas to paties modulio teigiamasis krūvis (+q).

Kasdieniame gyvenime naudojame įvairias greitai įsielektrinančias medžiagas: stiklą, popierių, sintetinį pluoštą, plastiką. Šių medžiagų gaminiai dėl trinties įsielektrina. Įsielektrinimas trikdo technologinius procesus, gali sukelti avarijas. Įsielektrina perpilami degalai, skrendantys lėktuvai, vilnoniai drabužiai, plaukai (1.1.8 pav.). Šukuojant šepečiu sausus plaukus susidaro trintis ir nedidelė dalis elektronų pereina iš plaukų į šepetį. Dėl to plaukai įsielektrina teigiamai, o šepetys neigiamai. Sausoje aplinkoje plaukai įsielektrina labiau.

Elektrostatiniai reiškiniai gali būti ir naudingi. Pavyzdžiui, kūnų įsielektrinimas liečiant taikomas ant pinigų kupiūrų ieškant pirštų atspaudų. Liesdami kupiūrą pirštai ant jos palieka labai mažų teigiamai įelektrintų baltymų dalelių. Šios dalelės pritraukia neigiamai įelektrintas aukso dulkeles, dengiančias kupiūros paviršių. Taip iš aukso dulkelių susiformuoja pirštų atspaudai. Fabrikų dūmtraukiuose įrengus elektrostatinius filtrus ant jų nusėda įelektrintos kietosios dūmų dalelės.