Kas ir elektriskais lādiņš? Definīcija, Kulona likums un piemēri
Uzzini, kas ir elektriskais lādiņš: definīcija, Kulona likums, piemēri, dzirksteles un strāvas skaidrojums saprotamā valodā.
Elektriskais lādiņš ir elektronu, protonu un citu subatomāro daļiņu pamatīpašība. Elektroniem parasti ir negatīvs lādiņš, protoniem — pozitīvs. Lādiņu zīmes nosaka, vai objektus viena otru piesaista vai atgrūž: pretēji lādiņi piesaista, vienādi lādiņi atgrūž. Šī parādība ļauj elektroniem un protoniem salipt kopā, veidojot atomus. To sauc arī par lādiņa likumu; ar šo parādību saistīto kvantitatīvo likumu atklāja Šarls Ogistēns Kulons — to sauc par Kulona likumu.
Kas ir lādiņa daudzums un mērvienība?
Elektriskais lādiņš mēra kulonos (C). Viena kulona lādiņš atbilst aptuveni 6,242·1018 elektronu lādiņam; viens elektrona lādiņš (elementārais lādiņš) ir aptuveni 1,602·10-19 C. Lādiņš parasti saglabājas — tas nenokrīt no debesīm, bet pārvietojas vai pārceļas no viena ķermeņa uz otru.
Kulona likums īsi
Kulona likums apraksta spēku starp diviem punktveida lādiņiem. Vienkārši izsakot:
F = k·(q1·q2) / r2,
kur F ir spēks (Ņūtonos), q1 un q2 ir lādiņi (kulonos), r ir attālums starp lādiņiem (metros), un k ir Kulona konstante (aptuveni 8,99·109 N·m2/C2). Spēks ir pievilkšanas, ja q1 un q2 ir pretēji zīmju, un atgrūdošs, ja zīmes vienādas.
Kā rodas un pārvietojas lādiņš
Lietas ir neitrālas, ja tām ir vienāds elektronu un protonu skaits. Ja elektronu ir vairāk nekā protonu — priekšmets ir negatīvi uzlādēts; ja mazāk — pozitīvi uzlādēts. Lādiņu var iegūt vai pārvietot dažādos veidos:
- Berze (triboelektriskais efekts) — piemēram, paklājā pakāpšanās var pievienot vai atņemt elektronus cilvēkam.
- Kontaktēšana (kondensācija) — berzes vai pieskāriena rezultātā lādiņi var pāriet no viena objekta uz otru.
- Indukcija — tuvojot uzlādētu objektu, var izraisīt lādiņu pārdali vadītājā bez tieša kontakta.
- Polarizācija — izolatoros lādiņu sadalījums notiek molekulāru vai atomāru polārizācijas rezultātā.
Elektriskā strāva un spriegums
Ja elektroni pārvietojas no vietas, kur to ir pārāk daudz, uz vietu, kur to ir pārāk maz, to sauc par elektrisko strāvu. Strāvas stiprumu mēra ampēros (A) — tas ir elektronu skaits, kas pāriet laika vienībā. Spriegums (mērīts voltos) ir potenciālu starpība, kas rada spiedienu, lai elektroni kustētos; dzirksteles garums bieži ir saistīts ar spriegumu (piemēram, spēcīgāks spriegums var veidot garāku dzirksteli).
Piemēri no ikdienas un dabas
Ikdienas pieredze:
- Ja cilvēks, paklājoties ar kājām pa paklāju, pieskaras misiņa durvju rokturim, viņš var saņemt elektriskās strāvas triecienu. Ja ir pietiekami daudz papildu elektronu, spēks, ar kādu šie elektroni viens otru atgrūž, var būt pietiekams, lai daži elektroni pārlēktu pāri spraugai starp cilvēku un durvju rokturi. Dzirksteles garums ir saistīts ar spriegumu. Parasti šāds triecienu ir īss laika ziņā un reti nodara nopietnu kaitējumu.
- Ja cilvēks saņem pozitīvu vai negatīvu lādiņu, tas var likt viņa matiem sastingt, jo lādiņi katrā matā to atgrūž no pārējiem.
- Daudzas ierīces izmanto statisko lādiņu: fotokopētāji, elektrostatiskie filtrēšanas iekārtas (precipitatori) un Van de Graaff ģeneratori demonstrācijām.
Dabas mērogā:
- Mākoņiem iegūstot elektrisko lādiņu, spriegums var sasniegt miljonus voltu; zibens ir lādiņu atbrīvošanās dabā. Lai gan zibens spriegums var būt daudz lielāks nekā statiskā trieciena, zibena bojājošā ietekme galvenokārt ir saistīta ar ļoti lielu strāvas stiprumu (tūkstošiem līdz desmitiem tūkstošu ampēru) un enerģiju. Ja zibens mežģī cauri cilvēkam, tas var apdedzināt vai nogalināt. Šo parādību skaidro arī tas, ka mākoņa un zemes lādiņu starpība ir pietiekami liela, lai elektroni "pārlektu" pa gaisu ļoti īsā laikā.
Mērvienības un tipiski skaitļi
- Elementārais lādiņš e ≈ 1,602·10-19 C.
- 1 C atbilst aptuveni 6,242·1018 elektroniem.
- Parastais "statiskā elektriskā trieciena" spriegums: ~25–30 tūkstoši voltu, bet strāva un kopējā pārvietotā lādiņa daudzums parasti ir ļoti mazi, tāpēc efekts cilvēkam nav letāls.
- Zibens spriegums: var pārsniegt miljonus voltu; strāvas stiprums zibens reizes var sasniegt desmitiem tūkstošu ampēru.
Lādiņa saglabāšana un drošība
Elektriskais lādiņš nav radikāli nedz radīts, nedz iznīcināts — to parasti var tikai pārvietot. Tas nozīmē, ka, strādājot ar elektroierīcēm vai bīstamiem spriegumiem, jāievēro piesardzība: lielu spriegumu gadījumā galvenais drauds ir strāva (ampēri), nevis spriegums pats. Pat neliels spriegums ar pietiekami lielu strāvu var būt bīstams. Statiskas dzirksteles parasti ir zema enerģijas un īslaicīgas, bet zibens un spēcīgas elektroinstalācijas var būt nāvējošas. Drošības ieteikumi:
- Aizbēgt no atklāta lauka negaisa laikā; meklēt nojumi.
- Izmantot izolētājus un pareizu aizsardzības aprīkojumu, strādājot ar augstu spriegumu.
- Izlādes kontrole (zemēšana) samazina statiskā lādiņa uzkrāšanos iekārtās.
Kā mēra lādiņu
Lādiņu un strāvu var mērīt ar ierīcēm kā elektroskops, elektrometrs, ampērmetrs un kulonmetrs. Eksperimentālās ierīcēs izmanto arī Faradeja kausu, ar ko var precīzi izmērīt lādiņa daudzumu.
Kopsavilkumā — elektriskais lādiņš ir pamata īpašība, kas nosaka elektrostatiskās un elektroķīmiskās mijiedarbības. Tas izskaidro gan ikdienišķus fenomenus (matēnu stāvoklis, statiskais trieciena pieskāriens), gan grandiozas dabas parādības (zibens), un to kvantitatīvi apraksta Kulona likums.
Vēsturiskais eksperiments
Džeimss Klērks Maksvels (James Clerk Maxwell) savā darbā "Traktāts par elektrību un magnētismu" (1873) aprakstīja šādu eksperimentu. Parasti stikls un sveķi ir neitrāli uzlādēti. Tomēr, ja tos berzē kopā un pēc tam atdala, tie sāk viens otru pievilkt.
Ja otru stikla gabalu berzē ar otru sveķu gabalu, redzamas šādas lietas:
- Abi stikla gabali viens otru atgrūž.
- Katrs stikla gabaliņš piesaista katru sveķu gabaliņu.
- Abi sveķu gabaliņi viens otru atgrūž.
Ja uzlādēts un neuzlādēts objekts atrodas kopā, pievilkšanās būs ļoti vāja.
Par ķermeņiem, kas spēj šādā veidā piesaistīt vai atbaidīt lietas, saka, ka tie ir "elektrificēti" jeb "uzlādēti ar elektrību". Ja divas dažādas vielas berzē kopā, rodas elektriskais lādiņš, jo viena no tām nodod elektronus otrai. Iemesls tam ir tāds, ka abu vielu atomu spēks piesaistīt elektronus nav vienāds. Tāpēc tas, kuram ir lielāka pievilkšanas spēja, atņems elektronus no tā, kuram ir mazāka pievilkšanas spēja. Ja stiklu berzē pret kaut ko citu, tas var vai nu atdot, vai atņemt elektronus. Tas, kas notiek, ir atkarīgs no tā, kas ir otra lieta.
Lietas, kas ir paņēmušas elektronus, sauc par "negatīvi lādētām", bet lietas, kas ir atdevušas elektronus, sauc par "pozitīvi lādētām". Šiem nosaukumiem nav īpaša iemesla. Tā ir tikai patvaļīga (nejauša izvēle) konvencija (vienošanās).
Ķermeņus var elektrizēt ne tikai berzes rezultātā, bet arī daudzos citos veidos.
Saistītās lapas
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir elektriskais lādiņš?
A: Elektriskais lādiņš ir elektronu, protonu un citu subatomāro daļiņu pamatīpašība. Elektroniem ir negatīvs lādiņš, bet protoniem - pozitīvs. Lietas, kurām ir vienāds lādiņš, viena otru atgrūž (tās viena otru atbaida).
J: Kas atklāja lādiņa likumu?
A: Lādiņa likumu atklāja Šarls Ogistēns de Kulons (Charles-Augustin de Coulomb).
J: Ko apraksta Kulona likums?
A: Kulona likums apraksta, cik spēcīgi lādiņi viens otru velk un spiež.
J: Ar ko neitrāli objekti atšķiras no objektiem ar pozitīvu vai negatīvu lādiņu?
A: Priekšmeti, kuros ir vienāds skaits elektronu un protonu, ir neitrāli, bet priekšmeti, kuros ir vairāk elektronu nekā protonu, ir ar negatīvu lādiņu, bet priekšmeti, kuros ir mazāk elektronu nekā protonu, ir pozitīvi lādēti.
J: Kas notiek, ja saskaras divi objekti ar dažādiem lādiņiem?
A: Kad saskaras divi objekti ar atšķirīgiem lādiņiem, tie viens otru pievilks - ja iespējams, objekts, kuram ir pārāk daudz elektronu, atdos pietiekami daudz elektronu, lai to skaits atbilstu protonu skaitam objektā, kuram ir pārāk daudz protonu salīdzinājumā ar tā elektronu daudzumu. Ja elektronu ir tieši tik daudz, lai tie atbilstu liekajiem protoniem, tad abas lietas viena otru vairs nepiesaista.
J: Kā veidojas elektriskā strāva?
Atbilde: Kad elektroni pārvietojas no vietas, kur to ir pārāk daudz, uz vietu, kur to ir pārāk maz, to sauc par elektrisko strāvu.
Jautājums: Kāpēc dažos gadījumos elektriskais trieciens var būt bīstams, bet citos ne?
A: Elektriskās strāvas trieciens, ko cilvēks izjūt, saņemot triecienu no durvju roktura vai cita priekšmeta, parasti ir no 25 tūkstošiem līdz 30 tūkstošiem voltu; tomēr, tā kā elektriskā strāva plūst tikai īsu brīdi, tā nerada fizisku kaitējumu. No otras puses, kad mākoņi iegūst elektriskos lādiņus, tiem ir vēl augstāks spriegums un strāvas stiprums (elektronu skaits, kas plūst zibens triecienā) var būt ļoti liels - tas nozīmē, ka, ja šie augstsprieguma/augstas strāvas stipruma elektroni iziet cauri cilvēkam, tie var viņu apdedzināt vai nogalināt.
Meklēt