Z wcześniejszych etapów edukacji wiemy już, że istnieją dwa rodzaje ładunków elektrycznych – dodatnie i ujemne. Ładunki jednoimienne (o tym samym znaku) się odpychają, a ładunki różnoimienne (o przeciwnych znakach) się przyciągają. Siła, która odpowiada za to przyciąganie to siła elektryczna, nazywana również siłą Coulomba.

Symbolem wielkości fizycznej jaką jest ładunek elektryczny jest najczęściej litera  lub . Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb (1 C). Z definicji jest to ładunek jaki przepłynie przez rozpatrywaną powierzchnię w ciągu 1 s, jeśli mamy do czynienia z prądem elektrycznym o natężeniu 1 A (o prądzie elektrycznym więcej w rozdziale 11.). Przy opisie zjawisk w skali atomowej często posługujemy się pojęciem ładunku elementarnego. Jest to ładunek, którego wartość bezwzględna jest równa ładunkowi jaką posiada jeden elektron (lub np. proton) i oznacza się go literą . Wartość ładunku elementarnego wynosi około: .

Należy nadmienić, że ładunek elementarny jest najmniejszą wartością ładunku jaką może posiadać swobodna cząstka, a także wszelkie makroskopowe ciało, a ponadto jest on niepodzielny. Oznacza to, że ładunek każdego ciała jest, co do wartości, całkowitą wielokrotnością ładunku elementarnego.

Zasada zachowania ładunku

Wyniki wszelkich doświadczeń fizycznych stwierdzają, że spełniona jest zasada zachowania ładunku, która mówi, że całkowity ładunek elektryczny układu izolowanego jest stały. Obowiązuje ona zarówno w przypadku oddziaływań ciał makroskopowych, np. ich elektryzowania, ale także we wszelkiego rodzaju oddziaływaniach na poziomie mikroskopowym (np. reakcje jądrowe).

Sposoby elektryzowania ciał

1. Pocieranie

W taki przypadku elektryzowanie następuje, gdy dwa ciała pocieramy o siebie. Wówczas pewna ilość ładunków ujemnych – elektronów – przemieszcza się z jednego ciała na drugie. W ten sposób, gdy potrzemy o siebie ciała, które początkowo były obojętne elektrycznie, oba staną się naładowane różnoimiennie. Na przykład potarcie bursztynu tkaniną powoduje przeskok elektronów z tkaniny na bursztyn, w wyniku czego bursztyn staje się naładowany ujemnie, a tkanina dodatnio.

2. Dotyk

W ten sposób elektryzowanie zachodzi, gdy ciało obojętne elektrycznie zetkniemy z ciałem naładowanym. Wówczas pewna ilość ładunków ujemnych przemieści się z jednego ciała na drugie. Na przykład gdy zetkniemy szkło naładowane dodatnio z kawałkiem nienaelektryzowanego metalu (ładunki mogą się w nim łatwo przemieszczać), to część elektronów przemieści się z metalu do szkła, bo będą one przyciągnięte przez ładunki dodatnie obecne w szkle. To spowoduje niedomiar ładunków ujemnych w metalu, czyli metal zostanie naładowany dodatnio.

3. Indukcja elektrostatyczna

W przypadku tego sposobu elektryzowania nie zachodzi wymiana ładunków pomiędzy ciałami. Następuje natomiast przemieszczenie się ładunków we wnętrzu jednego lub obu oddziałujących ze sobą ciał. Rozpatrzmy ponownie sytuację, w której kawałek dodatnio naładowanego szkła zbliżamy do elektrycznie obojętnego kawałka metalu, ale nie stykamy tych ciał ze sobą. Po tej stronie metalu, do której zbliżyliśmy szkło zgromadzą się ładunki ujemne, będą one bowiem przyciągane oddziaływaniem elektrycznym przez ładunki dodatnie obecne na szkle. Ta strona metalu będzie więc naładowana ujemnie. Po drugiej stronie kawałka metalu (oddalonej od szkła) wystąpi zatem niedomiar ładunków ujemnych, a więc będzie ona naładowana dodatnio.

Pozostając przy indukcji, rozważmy teraz sytuację, w której naładowane dodatnio szkło zbliżamy do izolatora (materiału, w którym ładunki elektryczne nie mogą się swobodnie przemieszczać). Wówczas cząsteczki lub atomy, z których składa się ów izolator, formują się w dipole – następuje w nich separacja ładunku ujemnego od dodatniego. Dipole te ustawiają się następnie swoim ładunkiem ujemnym w stronę zbliżanego dodatnio naładowanego szkła. Zjawisko to nazywamy polaryzacją elektrostatyczną. Opisaną sytuację przedstawiono schematycznie na Rys. 1.

Rys. 1.

Zauważmy, że we wszystkich opisanych powyżej przypadkach ładunki elektryczne nie są w żaden sposób tworzone, ani niszczone. Oznacza to, że całkowity ładunek elektryczny układu jest zachowany.

Prawo Coulomba

Jak już ustaliliśmy, ładunki elektryczne oddziałują ze sobą poprzez siłę elektryczną (siłę Coulomba). O charakterze tego oddziaływania mówi prawo Coulomba: dwa punktowe ładunki elektryczne oddziałują siłą o wartości proporcjonalnej do każdego z ładunków i odwrotnie proporcjonalnej do kwadratu odległości między nimi. Jeśli znaki ładunków są jednakowe, mamy do czynienia z odpychaniem, a jeśli różne - z przyciąganiem. Wartość siły oddziaływania elektrycznego można zapisać jako:

Gdzie  to stała elektryczna,  i  to wartości oddziałujących ze sobą ładunków, a  to odległość między nimi.

Powyższy wzór można zastosować nie tylko w przypadku ładunków punktowych, ale również w sytuacji gdy jedno lub oba z oddziałujących ze sobą ciał to naładowana równomiernie kula lub sfera. W sytuacji gdy ciała mają inny kształt, to powyższego wzoru również można użyć, ale tylko wtedy gdy odległość pomiędzy tymi ciałami jest znacznie większa od ich rozmiarów. Ponadto, wzór ten stosujemy wówczas, gdy ośrodkiem, w którym znajdują się oddziałujące ze sobą ciała jest próżnia lub powietrze.

Wpływ ośrodka na siłę elektryczną

W ogólności stałą elektryczną można zapisać jako: , gdzie  to przenikalność elektryczna próżni, a  to względna przenikalność elektryczna ośrodka, w którym znajdują się oddziałujące ze sobą ładunki.  jest wielkością bezwymiarową, informuje nas o tym ile razy przenikalność elektryczna danego ośrodka jest większa niż przenikalność elektryczna próżni. A zatem z definicji względna przenikalność próżni jest równa . Dla powietrza wartość ta jest bardzo bliska jedności (z bardzo dobrym przybliżeniem możemy powiedzieć, że również wynosi 1). Dla innych ośrodków może ona być już znacznie większa.

Przykład 1:

Oblicz siły elektryczne jakimi oddziałują na siebie dwa metalowe kontenery o jednakowych masach m = 800 kg, znajdujące się w odległości r = 20 m od siebie, zakładając, że z każdego z nich usunięto 5% elektronów. Zapisz czy oddziaływanie to jest przyciąganiem czy odpychaniem.

Rozwiązanie:

Odpowiedzmy najpierw na drugie pytanie. Jeżeli zabierzemy kontenerom po 5% ich elektronów, to będzie w nich niedobór ładunków ujemnych, a więc oba będą naładowane dodatnio. Oznacza to, że będą one się odpychały.

W metalach liczba protonów i neutronów w jądrze jest zbliżona. Protony i neutrony z jądra atomowego mają przybliżoną masę, a masę elektronów możemy pominąć. Zatem można przyjąć, że połowa masy jednego kontenera to masa protonów zawartych w tym kontenerze.

Aby obliczyć liczbę protonów  zawartych w jednym kontenerze korzystamy z zależności (gdzie  to masa protonu):

Liczba protonów = liczba elektronów, zatem wartość ładunku jednego kontenera to:

Zatem wartość siły oddziaływania pomiędzy kontenerami to:

Zadania do zrobienia:

1. Dwa ładunki mają wartość  każdy są od siebie oddalone o odległość . Oblicz z jaką siłą oddziałują na siebie te dwa ładunki jeśli znajdują się one w powietrzu.

Odp.:

2. Dwie kulki o jednakowych masach m zawisły na linach o długości  każda. Następnie zostały naładowane jednoimiennymi imiennymi ładunkami o tej samej wartości q, w wyniku czego oddaliły się od siebie na odległość a. Oblicz ładunek q.

Odp.:

3. Dwie identyczne metalowe kulki są naładowane ładunkami jednoimiennymi, które mają różne wartości  i . Na początku są one od siebie oddalone na pewną odległość i oddziałują na siebie każda z siłą o wartości . Następnie kulki stykamy ze sobą, po czym ponownie oddalamy od siebie na początkową odległość – wówczas oddziałują one na siebie każda z siłą o wartości . Zapisz, która z tych sił,  czy , jest większa lub czy są one takie same.

Odp.:

Jeśli jesteś zainteresowany/a dodatkowymi materiałami dotyczącymi tego zagadnienia, to pod poniższym linkami znajdziesz płatne (60 zł każde) dwugodzinne nagrania z omówieniem teorii i rozwiązaniami zadań maturalnych w tej tematyce:

https://szkolamaturzystow.pl/kurs/kurs-maturalny-fizyka-termodynamika-elektrostatyka

https://szkolamaturzystow.pl/kurs/kurs-maturalny-fizyka-elektrostatyka-2