Kas ir elektriskais lādiņš? Definīcija, Kulona likums un piemēri

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.