Elektriskās parādības ir ap mums ik uz soļa. Tās var izpausties gan kā skaļas un grandiozas zibens šautras pērkona laikā, gan arī nelielas dzirkstelītes formā, kas pārlec starp diviem elektrodiem un nodrošina benzīna iekšdedzes dzinēja darbību. Elektrisko parādību pamatā ir elektriskie lādiņi. Apskatot atoma uzbūvi (1. att.), redzams, ka tā kodolu veido protoni un neitroni, bet ietverošajā apvalkā atrodas elektroni. Šīs daļiņas savstarpēji pievelkas gravitācijas mijiedarbības dēļ, tomēr krietni vien spēcīgāk šeit darbojas elektromagnētiskā mijiedarbība, jo elektroni un protoni ir lādētas daļiņas.
1.att. Atoma uzbūve
Dabā pastāv divu veidu lādiņi: pozitīvi un negatīvi. Ir pieņemts, ka elektrona lādiņu uzskata par negatīvu, bet protona lādiņu – par pozitīvu. Vienādas zīmes lādiņi savstarpēji atgrūžas (2. att. a, b), bet dažādu zīmju lādiņi pievelkas (2. att. c). Tādēļ elektromagnētiskās mijiedarbības dēļ atomā elektroni atgrūžas cits no cita un arī protoni labprāt turas pa gabalu viens no otra. Bet, tā kā elektroniem un protoniem ir pretējas zīmes lādiņi, tad tie atomā savstarpēji pievelkas. Dabā pastāv mazākais lādiņš, ko sauc par elementārlādiņu. Šī lādiņa moduļa vērtība ir e = 1,6 .10-19 C. Elektriskā lādiņa mērvienība ir kulons (C). Gan protona, gan elektrona lādiņa lielums atbilst elementārlādiņam, vienīgie tie ir ar pretējām zīmēm.
Paspēlējies pats ar lādiņu pievilkšanos (spied uz vārda "lādiņš"!)
2.att. Lādiņu savstarpējā mijiedarbība
Elektromagnētiskā spēka lielumu nosaka Kulona likums. Ja attālumā R atrodas divi pozitīvi lādiņi q1 un q2 (3. att. a), tad uz lādiņu q2 darbosies spēks F = k . q1q2 : R2, kur
q1 - pirmā lādiņa lielums, kulonos (C)
q2 - otrā lādiņa lielums, kulonos (C)
k - Kulona spēka konstante, k = 9 . 109N . m2 : C Jāatceras, ka šeit vēl aizvien ir spēkā 3. Ņutona likums , proti, ar cik lielu spēku lādiņš q1iedarbojas uz q2, ar tikpat lielu, bet pretēji vērstu spēku q2 iedarbojas uz q1. Tādēļ nav svarīgi, kāda ir lādiņu savstarpējo lielumu attiecība (3. att. b), tie viens uz otru iedarbojas ar vienādi lielu spēku F.
3.att. Kulona likums
Ja pozitīvo un negatīvo lādiņu skaits kādā ķermenī ir vienāds, tad šis ķermenis ir elektriski neitrāls. Ja kādu iemeslu dēļ šis līdzsvars tiek izjaukts, tas var izraisīt dažādas elektrostatiskās parādības. Piemēram, ja gadās valkāt sintētisku apģērbu, tad tā novilkšanas procesā (4. att. a) nereti ir dzirdami sprakšķi un tumsā redzamas pat nelielas izlādes dzirksteles. Tas nozīmē, ka sintētiskais audums ir elektrizējies. Ļoti viegli ir elektrizējami arī mati (4. att. b), gan berzējot gar tiem piepūstu balonu, gan vienkārši tos ķemmējot.
4.att. Elektrostatiskās parādības
Elektrostatiskās parādības plaši izmanto dažādos tehnoloģiskos risinājumos. Lāzerprinteru un kopētāju darbība balstās uz to, ka uz speciālas lentes nonāk pozitīvi lādētas krāsvielu daļiņas, kas pēc tam pielīp negatīvi lādētam papīram (5. att. a). Elektrostatiskās parādības var palīdzēt ne tikai papīra noklāšanā ar krāsu, bet arī citos krāsošanas darbos. Ir attīstīta tehnoloģija, kurā krāsas pilieni izsmidzināšanas procesā (5. att. b) tiek uzlādēti ar pretējas zīmes lādiņu nekā virsma, kura jānokrāso, līdz ar to krāsas pilieni Kulona spēka ietekmē pievelkas klāt mērķa virsmai.
5.att. Elektrostatisko parādību izmantošana tehnikā
Elektrostatiskās parādības var būt arī ar negatīvu pieskaņu un sekām. Jau pieminētais zibens spēriens var izraisīt dažādu ēku un tehnikas bojājumus, kā arī ļoti nopietni traumēt cilvēkus. Ne tik bīstamu, bet tomēr nepatīkamu sajūtu izraisa statiskās elektrības trieciens, ko var saņemt, pieskaroties kādam metāliskam ķermenim. Ļoti bīstama var izrādīties statiskās izlādes laikā radusies dzirkstele, it sevišķi ja tā rodas degvielas bākas tuvumā. Līdz ar to motorizētā tehnika ir jāaizsargā pret nekompensēta lādiņa uzkrāšanos, to var realizēt, piemēram, pievienojot transporta līdzeklim lādiņa novadīšanas saiti, kas saskaras ar ceļa virsmu, tādā veidā novadot lieko lādiņu uz zemi (6. att.).
Spied uz aplikāciju un izmēģini elektriskā lauka hokeju!
6.att. Trolejbusa aizsardzība pret elektrostatisko izlādi
Ķermeņus var elektrizēt vairākos veidos, piemēram, berzes ceļā, pietuvinot citu uzlādētu ķermeni vai kāda cita ārēja spēka iedarbībā. Ja lupatiņu berzē pret polietilēna stieni (1. att.), tad lupatiņa zaudē elektronu un uzlādējas pozitīvi, bet polietilēna stienītis iegūst papildu elektronus un uzlādējas negatīvi. No šī piemēra redzams, ka elektriskie lādiņi nerodas no zila gaisa, bet elektrizēšanās (uzlādēšanās) notiek, lādiņiem pārvietojoties no viena ķermeņa uz citu vai no vienas ķermeņa vietas uz citu. Tādā veidā kopējais lādiņu skaits paliek nemainīgs, un tas nozīmē, ka darbojas lādiņu nezūdamības likums. Šis likums nosaka to, ka lādiņu algebriskā summa noslēgtā sistēmā paliek nemainīga.
1.att. Elektrizēšana berzes ceļā
Lādiņu pārdalīšanās ķermenī notiek arī cita uzlādēta ķermeņa klātbūtnē (2. att). Ja apskata negatīvi uzlādēta ķermeņa tuvināšanu divām izolētām metāla sfērām, kas saskaras (2. att a), tad šādā sistēmā elektriskie lādiņi (elektroni) aizplūst pēc iespējas tālāk no negatīvi lādētā ķermeņa, tādā veidā metāla sfēru sistēmas kreisā puse uzlādējas pozitīvi, bet kreisā negatīvi (2. att. a). Ja pēc tam metāla sfēras atvirza vienu no otras (2. att. b) un noņem lādēto ķermeni, kas veicināja lādiņu pārdalīšanos (2. att. c), tad šādā gadījumā lādiņi vairs nevar atgriezties vecajās sliedēs, jo sfēras vairs nesaskaras, līdz ar to viena sfēra paliek uzlādēta pozitīvi, bet otra – negatīvi (2. att. c).
2.att. Lādiņu pārdalīšanās cita uzlādēta ķermeņa klātbūtnē
Ja ķermenis ir uzlādēts, tad to raksturo noteikts lādiņa lielums q, kuru var dažādos veidos izmērīt vai vismaz konstatēt, ka tāds pastāv. Vienkārša ierīce elektriskā lādiņa klātbūtnes noteikšanai un tā lieluma mērīšanai ir elektroskops (3. att. a). Elektroskopa galvenā sastāvdaļa ir elektrods, kas sastāv no nekustīgās daļas, kurai klāt piestiprināta kustīga daļa – adata. Kad pie elektroda pieskaras ar negatīvi (3. att. b) vai pozitīvi (3. att. c) lādētu ķermeni, tad uz elektrodu pārplūst lādiņi. Tā kā elektroda kustīgajā daļa un nekustīgajā daļā ir vienas zīmes lādiņi, tad kustīgā daļa atgrūžas no nekustīgās (3. att. b,c). Jo lielāks ir lādiņa lielums, jo par lielāku leņķi elektroskopa adata atgrūžas.
Noskaties lādiņu pārdalīšanas animāciju!
3.att. Elektroskops un tā darbība
Lādiņa q mērvienība ir kulons (C). Kulons ir ļoti liela mērvienība, salīdzinot ar elementārlādiņa lielumu. Elementārlādiņa lielums ir e = 1,6 .10-19 C, tas nozīmē, ka viens kulons satur 1 : 1,6 . 10-19= 6.25 . 1018 elementārlādiņu. Ja paņemtu šādu skaitu gultņu lodīšu, kuru diametrs ir ap 4 mm, un savērtu vienā virtenē, tad šī virtene stieptos līdz pat otrai Zemei tuvākajai zvaigznei Centaura Alfa (tuvākā zvaigzne ir Saule), kas atrodas 4,2 gaismas gadu attālumā (4. att.).
4.att. Viens Kulons satur sevī ļoti daudz elementārlādiņu
1. solī tika uzsvērts, ka gravitācijas mijiedarbība starp elementārajiem lādiņiem atomā ir lielu devu mazāka nekā elektromagnētiskā mijiedarbība, līdz ar to gravitācijas spēks šādā gadījumā nespēlē lielu lomu un ir vērā neņemams. Tomēr, ja ir runa par lādētiem ķermeņiem un to savstarpējo mijiedarbību, tad šādā gadījumā par gravitācijas spēku nedrīkst aizmirst. Ja statīvā nostiprinātas pozitīvi lādētas lodes tuvumā saitē iekar negatīvi lādētu lodi (1. att. a), tad Kulona spēka Fk ietekmē negatīvā lode pievilksies pie pozitīvās, bet tajā pašā laikā uz negatīvo lodi darbosies smaguma spēks Fsm. Šo abu spēku summa noteikts saites sastiepuma spēka lielumu Fs. Ja saitē iekārtu pozitīvi lādētu lodi (1. att. b), tad situācija būtu ļoti līdzīga, vienīgi Kulona spēks būtu vērsts otrā virzienā, jo šādas lodes atgrūstos, nevis pievilktos.
1.att. Kulona spēka un smaguma spēka kopdarbība
Kulona likuma iegūšanai franču inženieris Šarls Ogistēns Kulons lietoja 2. attēlā redzamos vērpes svarus. Šajos vērpes svaros varēja noteikt, ar kādu spēku atgrūžas vai pievelkas divas lodītes, kad tās atrodas attālumā R viena no otras. Šis atgrūšanās spēks bija vienāds ar elastības spēku, ko stienītis radīja uz iekari, kas savukārt bija atkarīgs no iekares pagrieziena leņķa α.
2.att. Vērpes svari Kulona likuma izzināšanai
Elektronam un protonam piemīt elementārlādiņš. Elektrons ir nedalāms, bet protons sastāv no trīs elementārdaļiņām – kvarkiem (3. att.). Tomēr protonu nevar sadalīt šajos kvarkos, līdz ar to elementārlādiņš paliek tāds, kāds tas ir protonam un elektronam – e = 1,6 .10-19C
3.att. Vielas uzbūves hierarhija