Friderika Lavrič, avtor/ica gradiva, nudi inštrukcije fizike v naslednjih krajih: Ljubljana.

Skype Učitelj/ica omogoča inštrukcije tudi prek Skypa.


V naravi lahko opazujemo pojave, ki se ne dajo razložiti z znanjem klasične mehanike. To so udari strel, sij kovinskih predmetov ob nevihti (Elijev ogenj), privlačne in odbojne sile med predmeti, ki jih podrgnemo s suho krpo itd.


Že stari Grki so opazili, da lahko jantarjeva palica, ki so jo predhodno podrgnili ob kožuhovino, privlači drobne predmete. Pojava takrat še niso razumeli, kot tudi niso razumeli narave strele. Jantar pomeni v stari grščini elektron. Iz tega imena se je kasneje razvilo ime za novo področje fizike: elektrika.


Danes vemo, da je vsem tem pojavom skupen električni naboj (v elektroniki mu pravimo elektrina). Električni naboj ustvarja električno polje, preko katerih se prenašajo sile med naboji, ne da bi prišlo do njihovega neposrednega stika. V poglavju Sila kot vektor smo temu pojavu rekli delovanje sile na daleč. Podobno delujejo na daleč tudi gravitacijske sile, ki jih omogoča gravitacijsko polje.


Glede na to, da se naelektrena telesa med sabo privlačijo ali odbijajo, sklepamo, da obstajata dve vrsti nabojev: pozitivni in negativni naboj. V tem se tudi razlikuje od gravitacije, namreč: masa je lahko le pozitivna, gravitacijska sila pa je usmerjena vedno le tako, da se mase privlačijo.


Električni naboj se lahko giblje ali miruje:

  • če se giblje, mu pravimo električni tok;

  • če miruje, govorimo o elektrostatiki.


Osnovno znanje, kaj je električni naboj in kako deluje na okolico, bomo pridobili v naslednjih poglavij.


Mirujoči električni naboj



Kaj je električni naboj? Naboj je posledica manjka ali viška elektronov v snovi. Da bi telo naelektrili, mu moramo dodati ali odvzeti elektrone.


Elektron je negativno nabit osnovni delec z najmanjšim možnim električnim nabojem. Pravimo mu elementarni naboj.


Spomnimo: osnovni gradniki vseh atomov so (za več glej Sestavni deli atoma):

  • elektroni, električno negativno nabiti delci;

  • protoni, električno pozitivno nabiti delci;

  • nevtroni, električno nevtralnih delcev.

V atomih snovi je enako število negativno nabitih elektronov kot pozitivno nabitih protonov. Med njimi obstajajo električne sile, ki so ene najpomembnejših sil (poleg jederskih sil) znotraj atoma. Električne sile znotraj atoma so enake radialnim silam, ki omogočijo, da se elektroni zadržujejo okoli pozitivno nabitega jedra.


Slika 1: model atoma snovi z elektroni, protoni in nevtroni.



Čeprav znotraj atoma obstajajo električne sile, se navzven se naboji elektronov in protonov izničijo. Atom je tako navzven električno nevtralen.


Tudi samo telo, ki je sestavljeno iz atomov in molekul, je na zunaj nevtralno. Vsebuje enako število pozitivno in negativno nabitih delcev. Ko smo npr. z drgnenjem iz krpe prenesli na jantar določeno število elektronov, je bila skupna nevtralnost vseh atomov jantarja porušena. Pravimo, da smo ga nabili z negativnim električnim nabojem.


Če opazujemo snov od zunaj (ne spuščamo se v električne sile znotraj atoma), vidimo, da postane snov električno nabita, če ji od zunaj dodamo ali odvzamemo elektrone. Od števila elektronov, ki smo ji dodali ali odvzeli je odvisen električni naboj, ki ga dobi snov.


Danes vemo, da z drgnenjem jantarja s suho krpo prenesemo iz krpe na jantar osnovne delce snovi, ki se po gršken nazivu za jantar imenujejo elektroni. Nasprotno, če drgnemo s suho krpo stekleno palico, ji odvzamemo del elektronov. Palica postane pozitivno nabita, saj je sedaj v snovi več protonov kot elektronov.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Oznaka za električni naboja je e, enota pa amper sekunda [As] ali Coulomb (izg.: kulon) [C].




Proton (pozitivno nabit) in elektron (negativno nabit) imata najmanjši možni naboj, ki mu pravimo osnovni naboj. Damo mu oznako .:




Ker je elektron najmanjša možna enota naboja, je poljuben nlektrični naboj vedno mnogokratnik (N-kratnik) osnovega naboja:




Električni naboj je vedno mnogokratnik osnovnega naboja, ki ga imata elektron ali proton v jedru:




Naboj elektrona je:




Naboj protona pa je:




Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Prevodniki in izolatorji



Snovi delimo na:

  • prevodnike: prevajajo električni tok,

  • izolatorje: električnega toka ne prevajajo,

  • polprevodnike: električni tok prevajajo, če so izpolnjeni določeni zunanji pogoji.

V naslednjih dveh podpoglavjih se bomo ukvarjali s prevodniki in izolatorji.


Izolatorji



Izolatorji so snovi, v katerih se elektroni ne morejo gibati, lahko le mirujejo. Kljub temu, jih lahko nalektrimo npr. z drgnenjem s svileno krpo.


Izolatorji so:


  • Trdne snovi. Zunanji elektroni v atomih izolatorjev so trdno vezani na jedro in jih zunanje sile le stežka "strgajo" iz atomov. V izolatorjih se elektroni kljub prisotnim zunanjim silam ne morejo gibati med atomi. Izolatorji so: smole (npr. jantar), steklo, sluda, papir, keramika itd.


  • Tekočine. Isto velja za tekočine: kapljevine in pline. Suh, čist zrak je izolator, prav tako je izolator čista voda.


Izolator je snovi, kjer so elektroni vezani na jedro in se ne morejo gibati.



Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Prevodniki



Prevodniki so snovi, v katerih se elektroni lahko po snovi gibljejo. Za razliko od izolaterojev jih ne moremo naelektriti z drgnjenjem. Naelektrimo jih lahko le tako, da jih staknemo z drugim naelektrenim telesom.


Prevodniki so:


  • Trdne snovi. v prevodnih trnih snoveh se zunanji elektroni atomov lahko prosto gibljejo med atomi. Prevodniki so vse kovine: srebro, baker, zlato, železo itd.

    Prevodnik pa lahko postane tudi snov, ki je v osnovi izolator. To se zgodi, če so zunanje sile na elektrone atomov prevelike in jih "strgajo" iz jedra.


  • Tekočine (kapljevine in plini). Če v čisto vodo kanemo nekoliko kisline ali baze ali pa dodamo sol, postane prevodna.. Molekule raztopljene dodane snovi postanejo naelektreni delci - ioni, ki se lahko pod vplivom zunanjih sil gibljejo. Ioni so lahko negativni (anioni) ali pozitivni (kationi). Kapljevino z ioni snovi imenujemo elektrolit.


    Glej tudi poglavja iz anorganske kemije: Protolitske reakcije - obnašanje kislin in baz v vodi in Elektrolitska disociacija - obnašanje soli v vodi.


    Tudi čist zrak je v osnovi izolator. V primeru velikih sil na elektrone, vezane na jedro atomov, se lahko elektroni "iztrgajo" iz jedra. Molekule zraka se ionizirajo. "Osvobojeni" elektroni in pozitivno ionizirani atomi, ki jim manjkajo elektroni (kationi), se sedaj lahko svobodno gibljejo. Tako svobodno gibanje opazimo v pojavih kot sta udar strele ali preskok iskre.


    Plin se lahko ionizira tudi zaradi visokih temperatur, sevanja sonca itd.


Prevodnik je trdna, tekoča ali plinasta snov, kjer se lahko nosilci električnih nabojev (npr. elektroni v kovinah, ioni v zraku ali tekočinah - elektrolitih) prosto gibljejo.



Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Sile med električnimi naboji



Naboj lahko npr. iz jantarjeve ali steklene palice prenesemo na dve lahki kovinski kroglici, na vrvici obešeni druga ob drugi. Opazimo, da se kroglici:

  • privlačita, če smo ju nabili z nasprotnima nabojemo (npr. prvo s pomočjo palice iz jantarja, drugo s stekleno palico);

  • odbijata, če smo ju nabili z istoimenskima nabojema (npr. obe z jantarjevo ali obe s stekleno palico).

Sklepamo, da se istoimenski (pozitivni ali negativni) naboji odbijajo, nasprotno imenski (pozitivni in negativni) pa privlačijo.


Slika 2: sile med nasprotnoimensko (levo) in istoimensko (sredina in desno) naelektrenima kroglicama.



Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Poglejmo, kaj se zgodi, če naelektrimo kovinsko kroglo, pri tem pa v bližini ni drugega naelektrenega telesa, ki bi vplivalo na opazovano telo. Ker se elektroni med seboj odbijajo, se bodo zato elektroni enakomerno porazdelili po povrišini kovinske krogle. Prav tako se bodo elektroni izrinili na površino krogle, saj so tako najbolj oddaljeni od elektronov na drugi strani krogle. Elektroni so torej na površini, zato vpeljemo novo količino , ki meri površinsko gostoto naboja:




Njena enota je:




Med električnimi naboji delujejo električne sile. Istoimenski naboji se odbijajo, nasprotnoimenski privlačijo.


Če ni v bližini drugega naelektrenega telesa, se naboj na električno prevodnem telesu enakomerno porazdeli po površini. Površinska gostota naboja je:




Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Merjenje električnega naboja



Dejstvo, da se istoimenskimi naboji med seboj odbijajo, je uporabljeno v merilniku električnega naboja, imenovan elektrometer (glej sliko 3).


Elektrometer deluje na osnovi odbojnih sil med dvema kovinskima lističema, na katerih je enakomerno razporejen istoimenski naboj. Naboj prenesemo na lističa s pomočjo npr. naelektrene palice preko zunanje kovinske plošče (na vrhu), kot kaže slika 3.


Če na lističih ni naboja, je kot med njima nič. Takrat deluje na oba lističa le navor sile teže. Ko se z nabitim telesom dotaknemo zunanje plošče, se naboj prenese in enakomerno razporedi tudi po obeh lističih. Med njima je odbojna električna sila, zato se lističa razmakneta. Kot, ki ga oklepata, je sorazmeren električnemu naboju.


Slika 3: dve izvedbi elektrometra.



Možne so različne izvedbe elektrometrov.


Običajno si želimo čim večjo občutljivost elektrometra. Občutljivost nam pove, kolikšen je minimalni naboj, ki ga še zazna in povzroči odklon.


Za povečanje občutljivosti elektrometra morata biti lističa čim lažja. To lahko dosežemo z uporabo tankih zlatih lističev (zlato lahko teoretično kujemo do debeline ene molekule) - slika 3 desno. Dodatna prednost zlata je, da ne oksidira in se zato teža lističev se s časom ne spreminja. S tem tudi dolgoročno ohranimo natančnost meritev.


Lističa lahko uravnotežimo tudi s pomočjo sredinske osi - slika 3 levo. Na ta način lahko polljubno zmanjšamo vsoto navorov sile teže in povečamo občutljivost elektrometra. Navora sile teže obeh krakov glede na os vrtenja se namreč lahko izničita.


Zakon o ohranitvi naboja



Električni naboj se lahko prenaša s telesa na telo. A skupni naboj se vedno ohrani.


Zakon o ohranitvi električnega naboja pravi, da se pri prehodu naboja iz enega telesa na drugo skupni naboj ohrani. Matematično ohranitev zapišemo z:




Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »



glavni avtor in urednik gradiva: Satcitananda podjetje za proizvodnjo, trgovino in izobraževanje d.o.o., Ljubljana