Ładunki elektryczne

Cała otaczająca nas materia zbudowana jest z atomów. Atomy zbudowane są z cząstek elementarnych: protonów, protonów i elektronów. Dwa rodzaje tych cząstek obdarzone są właściwością, którą nazywamy ładunkiem. Proton ma ładunek dodatni (+1) a elektron ma ładunek ujemny (-1). Neutron jest cząstką elektrycznie obojętną tzn. ma ładunek równy 0. Wartość bezwzględna ładunku protonu i elektronu jest taka sama i nosi nazwę ładunku elementarnego. Wszystkie ładunki w przyrodzie są całkowitymi wielokrotnościami ładunku elementarnego.

Ładunek protonu i elektronu zobojętnia się, tak więc ciało zbudowane z takiej samej ilości protonów i elektronów jest elektrycznie obojętne. Każde zachwianie równowagi w liczbie ładunków dodatnich lub ujemnych powoduje wystąpienie stanu naelektryzowania.

Ładunek podlega prawu zachowania tzn. w układzie izolowanym suma ładunków jest stała i nie zmienia się w czasie.

Między ładunkami istnieją oddziaływania:

Oddziaływanie siłami przyciągania wywoływane jest przez cząstki lub ciała obdarzone ładunkami przeciwnego znaku (+ i –);

Oddziaływanie siłami odpychania wywołane jest przez cząstki lub ciała obdarzone ładunkami tego samego znaku (+ i +) oraz (– i –).

Cząstki lub ciała elektrycznie obojętne nie oddziałują na siebie siłami elektrycznymi.

 

Prawo Coulomba

Dwa nieruchome ładunki elektryczne oddziałują ze sobą siłami wprost proporcjonalnymi do iloczynu wartości tych ładunków i odwrotnie proporcjonalnymi do kwadratu odległości między nimi.

F – siła oddziaływania
Q, q – wartości ładunków
R – odległość między ładunkami
k – współczynnik proporcjonalności (stała Coulomba) (w próżni k=9*10⁹ [N*m²/C²]

 

Wartość ładunku elementarnego e wyrażona w kulombach wynosi:
1 e = 1,6 * 10^-19 C
zaś

1 C = 6,24*10¹⁸ e (ładunków elementarnych).

 

Dipol elektryczny

Dipolem elektrycznym nazywamy układ dwóch ładunków o równych wartościach q, lecz o przeciwnych znakach (+ i –), umieszczonych w niewielkiej odległości l od siebie. Dipole jest elektrycznie obojętny, lecz ze względu na dwa ładunki umieszczone w różnych punktach przestrzeni może oddziaływać z innymi dipolami lub swobodnymi ładunkami elektrycznymi.

 

Pole elektryczne

Właściwość przestrzeni wokół ładunku Q, zwanego źródłem pola, polegającą na tym, że na inne ładunki w niej umieszczone działają siły elektryczne, nazywamy polem elektrycznym.

 

Linie styczne do kierunków działania sił elektrycznych na dodatni ładunek próbny nazywamy liniami pola elektrycznego, wytworzonego przez pojedynczy ładunek lub układ ładunków.

 

Natężenie pola elektrycznego jest to stosunek siły F, jaką pole działa na punktowy ładunek próbny q, umieszczony w danym punkcie pola, do wartości tego ładunku.

Jednostką natężenia pola jest [N/C] (niuton/kulomb)

Natężenie pola w danym punkcie jest wprost proporcjonalne do wartości ładunku (źródła pola) i odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości od tego ładunku.

 

Potencjał elektryczny

Potencjał elektryczny V w danym punkcie pola jest to stosunek energii potencjalnej ładunku próbnego E_p umieszczonego w tym punkcie do wartości q tego ładunku.

Jednostką potencjału jest 1 V (wolt)

Energia potencjalna dwóch ładunków wyrażona jest wzorem:

gdzie:

Q – wartość ładunku źródła pola
q – wartość ładunku próbnego
R – odległość między ładunkami

Przekształcając odpowiednio oba powyższe wzory otrzymujemy wzór na potencjał elektryczny w postaci:

Potencjał w danym punkcie pola zależy od wartości ładunku źródła pola oraz od odległości tego punktu od źródła pola.

 

Praca w polu elektrycznym

Praca równa jest różnicy energii potencjalnej między dwoma punktami:

W = E_p1-E_p2

W = qV₁-qV2 = q(V₁-V₂) = qΔV

 

Różnicę potencjałów między dwoma punktami pola nazywamy napięciem elektrycznym U.

 

Więc
Praca w polu elektrycznym jest równa iloczynowi napięcia i wartości przenoszonego ładunku.

 

 

Powierzchnia równego potencjału (ekwipotencjalna)

Powierzchnie, których wszystkie punkty mają równe potencjały elektryczne, nazywamy powierzchniami równego potencjału lub powierzchniami ekwipotencjalnymi.
Powierzchnie ekwipotencjalne są w każdym punkcie pola elektrycznego prostopadłe do lini pola. W przypadku pojedynczego ładunku punktowego są to powierzchnie współśrodkowych kul.

 

 Doświadczenie

 

Rozkład ładunku na powierzchni przewodnika

Ładunek wprowadzony na przewodnik gromadzi się na jego powierzchni.
Ładunki na powierzchni kuli rozkładają się równomiernie. Na innych powierzchniach rozkład ładunku nie jest równomierny. Najwięcej ładunków mieści się na powierzchniach o małej krzywiźnie.

Rozkład ładunku na powierzchni przewodnika charakteryzuje pojęcie średniej gęstości ładunku.

gdzie:
q – wartość zgromadzonego ładunku
S – powierzchnia

Średnią gęstością powierzchniową ładunku nazywamy stosunek zgromadzonego na powierzchni ładunku do pola tej powierzchni.

Jednostką gęstości jest 1 C / m².

Szczególnie duża jest gęstość powierzchniowa ładunku na wszelkiego rodzaju ostrzach.

 

Indukcja elektrostatyczna

Każde ciało naelektryzowane przyciąga ciało elektrycznie obojętne. Dzieje się tak dlatego, że w każdym ciele elektrony mają większą lub mniejszą zdolność przemieszczania się. Zbliżając ciało naelektryzowane do ciała obojętnego siły elektryczne mogą powodować przesunięcie się elektronów w obrębie tego ciał.
Zjawisko przemieszczania się ładunku elektrycznego w obrębie ciała pod wpływem ciała naelektryzowanego nazywamy indukcją elektrostatyczną lub elektryzowaniem przez wpływ.

W wyniku indukcji ciało dotychczas obojętne oddziałuje z ciałem naelektryzowanym siłami przyciągania.

 

Proszę zauważyć, że liczba wyindukowanych ładunków dodatnich z jednej strony ciała jest równa liczbie ładunków ujemnych z przeciwnej strony ciała. Sumaryczny ładunek ciała jest dalej równy zero.

 

Doświadczenie

 

Pojemność przewodnika

Każdy przewodnik ma zdolność gromadzenia ładunków elektrycznych. Zdolność ta zależy od samego przewodnika jak i od otaczającego środowiska. Do jej opis stosujemy pojęcie pojemności elektrycznej.

Pojemnością elektryczną przewodnika nazywamy stosunek ładunku zgromadzonego na przewodniku do wywołanego przez ten ładunek potencjału.

Jednostką pojemności jest farad (F)

Przewodnik ma pojemność jednego farada, gdy ładunek 1 kulomba wywołuje na nim potencjał 1 volta.

 

Zwykle posługujemy się jednostkami mniejszymi:

1 µF = 10^-6 F (mikrofarad)
1 nF = 10^-9 F (nanofarad)
1 pF = 10^-12 F (pikofarad)

Pojemność przewodnika zależy od obecności innych przewodników, wielkości przewodnika oraz od środowiska, w którym znajduje się przewodnik.

Układ dwóch przewodników przedzielonych izolatorem nazywamy kondensatorem.

Najprostszym przykładem kondensatora jest układ dwóch płyt równoległych przedzielonych izolatorem. Odległość między płytami jest mała w porównaniu z rozmiarami płyt.