Τρόποι ηλέκτρισης και μικροσκοπική ερμηνεία

Αν κοιτάξουμε γύρω μας στην καθημερινή ζωή μας, θα δούμε ότι, πολλά φαινόμενα, οφείλονται στην ηλέκτριση των σωμάτων που μας περιβάλλουν. Έτσι για παράδειγμα, αν τρίψουμε ένα μπαλόνι με μάλλινο ύφασμα και το αφήσουμε ελεύθερο κοντά σε κατακόρυφο τοίχο, τότε θα κολλήσει σ’ αυτόν. Επίσης ένα οφθαλμοφανές ηλεκτρικό φαινόμενο είναι ο κεραυνός και η αστραπή, που οφείλονται στη συγκέντρωση μεγάλης ποσότητας ηλεκτρικού φορτίου στα σύννεφα.

Παρακάτω θα περιγράψουμε φαινόμενα ηλέκτρισης ενός σώματος, που μπορεί να γίνει με τρεις τρόπους α) Με τριβή β) Με επαφή και γ) Με επαγωγή και θα τα ερμηνεύσουμε με βάση το μοντέλο της μικροσκοπικής δομής του ατόμου.

Ηλέκτριση με τριβή

Αν τρίψουμε μια γυάλινη ράβδο με ένα κομμάτι από μεταξωτό ύφασμα, η ράβδος θα φορτιστεί θετικά ενώ το μεταξωτό ύφασμα θα αποκτήσει αρνητικό φορτίο. Αυτό μπορεί να ερμηνευτεί με βάση τη μικροσκοπική δομή του ατόμου, όπως την παρουσιάσαμε στην προηγούμενη ενότητα.

Όταν τρίβεις μια γυάλινη ράβδο με μεταξωτό ύφασμα, ηλεκτρόνια μετακινούνται από τη ράβδο στο ύφασμα.

Στο άτομο, τα ηλεκτρόνια που έχουν αρνητικό φορτίο, περιφέρονται γύρω από τον θετικά φορτισμένο και μεγάλης μάζας πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια δεν περιφέρονται όλα στην ίδια απόσταση από τον πυρήνα, αλλά άλλα βρίσκονται πιο κοντά στον πυρήνα και άλλα πιο μακρυά. Όσο πιο μακρυά από τον πυρήνα βρίσκεται ένα ηλεκτρόνιο, τόσο πιο ασθενής είναι η ελκτική δύναμη του πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται πιο μακρυά από τον πυρήνα, λέγονται εξωτερικά ηλεκτρόνια και συγκρατούνται ασθενώς από τον πυρήνα.

Αν τα εξωτερικά ηλεκτρόνια πάρουν ενέργεια, είναι εκείνα που μπορούν ευκολότερα από τα άλλα να αποσπαστούν και να μεταπηδήσουν σε ένα άλλο σώμα. Η ενέργεια που χρειάζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρόνιο για να αποσπαστεί από το άτομο, εξαρτάται από το υλικό που ανήκει το άτομο. Επειδή τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων του γυαλιού συγκρατούνται ασθενέστερα από τους πυρήνες, από ότι από εκείνα του μεταξωτού υφάσματος, γι’ αυτό πιο εύκολα μετακινούνται τα ηλεκτρόνια από το γυαλί στο μετάξι, παρά από το μετάξι στο γυαλί και έτσι η γυάλινη ράβδος φορτίζεται θετικά και το μεταξωτό ύφασμα αρνητικά.

Κατά την ηλέκτριση με τριβή, επειδή ισχύει η αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου, όσα ηλεκτρόνια χάνει το ένα σώμα, τόσα ηλεκτρόνια προσλαμβάνει το άλλο και έτσι προκύπτει ότι τα δυο σώματα αποκτούν ίσα και αντίθετα φορτία.

Ηλέκτριση με επαφή

Τρίβουμε μια πλαστική ράβδο με μάλλινο ύφασμα και μ’ αυτό τον τρόπο η πλαστική ράβδος αποκτά αρνητικό φορτίο. Έπειτα φέρνουμε σε επαφή την φορτισμένη πλαστική ράβδο με το μπαλάκι του ηλεκτρικού εκκρεμές και βλέπουμε ότι αυτό μετά την επαφή απωθείται από την πλαστική ράβδο. Συμπεραίνουμε ότι το μπαλάκι έχει αποκτήσει αρνητικό φορτίο, που το πήρε από την αρνητικά φορτισμένη πλαστική ράβδο με την οποία ήρθε σε επαφή. Δηλαδή, αν ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σώμα έρθει σε επαφή με ένα φορτισμένο σώμα αποκτά ηλεκτρικό φορτίο του ίδιου είδους. Η διαδικασία αυτή λέγεται ηλέκτριση με επαφή.

Αυτό το φαινόμενο ερμηνεύεται βάσει της μικροσκοπικής δομής του ατόμου ως εξής: Η αρνητικά φορτισμένη πλαστική ράβδος έχει πλεόνασμα ηλεκτρονίων. Όταν έρθει σε επαφή με το αφόρτιστο μπαλάκι, μερικά από τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια επειδή απωθούνται μεταξύ τους, μετακινούνται στο αρχικά ηλεκτρικά ουδέτερο μπαλάκι και έτσι φορτίζεται αρνητικά.

Φορτίζουμε το αρχικά ουδέτερο μπαλάκι φέρνοντας το σε επαφή με τη θετικά φορτισμένη γυάλινη ράβδο. Το μπαλάκι αποκτά θετικό φορτίο και στη συνέχεια απωθείται από τη ράβδο

Αν είχαμε γυάλινη ράβδο την οποία είχαμε τρίψει με μεταξωτό ύφασμα, οπότε θα αποκτούσε θετικό φορτίο θα απωθούσε το μπαλάκι του ηλεκτρικού εκκρεμές αφού προηγουμένως θα είχε έρθει σε επαφή. Αυτό εξηγείται ως εξής:,Η θετικά φορτισμένη γυάλινη ράβδος έχει έλλειμμα ηλεκτρονίων. Όταν έρθει σε επαφή με το μπαλάκι του ηλεκτρικού εκκρεμές, μερικά ηλεκτρόνια του αρχικά ουδέτερου μπαλάκιου μεταφέρονται λόγω έλξης στην θετικά φορτισμένη γυάλινη ράβδο. Έτσι έχει πλέον και το αρχικά αφόρτιστο μπαλάκι έλλειμμα ηλεκτρονίων οπότε φορτίζεται θετικά και μ’ αυτό τον τρόπο και τα δυο σώματα έχουν θετικό φορτίο.

Κατά την ηλέκτριση με επαφή ισχύει η αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου: Το άθροισμα των φορτίων που αποκτούν τα δυο σώματα, τελικά είναι ίσο με το φορτίο που είχε αρχικά το ένα.

Αγωγοί και μονωτές

Παίρνουμε μια μεταλλική ράβδο και την στερεώνουμε οριζόντια σε μονωτική βάση και στο ένα άκρο πλησιάζουμε το ηλεκτρικό εκκρεμές. Ακουμπάμε μια θετικά φορτισμένη σφαίρα στο άλλο άκρο της (ή το φορτίζουμε με τριβή). Θα παρατηρήσουμε ότι το μπαλάκι του ηλεκτρικού εκκρεμούς έλκεται από την μεταλλική ράβδο. Αυτό σημαίνει ότι το άκρο κοντά στο εκκρεμές απέκτησε ηλεκτρικό φορτίο. Συνεπώς συμπεραίνουμε ότι, το ηλεκτρικό φορτίο που βάλαμε στο ένα άκρο της μεταλλικής ράβδου διασκορπίστηκε σε όλη τη ράβδο.

(α) Φόρτιση με επαφή μιας μεταλλικής ράβδου. Η ράβδος φορτίζεται σε όλη της την επιφάνεια (β) Φόρτιση με επαφή μιας πλαστικής ράβδου. Φορτίζεται μόνο η περιοχή που ήρθε σε επαφή με τη φορτισμένη σφαίρα.

Αν αντί για μεταλλική ράβδο πάρουμε μια γυάλινη ή πλαστική ράβδο και φορτίσουμε το ένα άκρο της, το άλλο άκρο δεν έλκει το μπαλάκι του ηλεκτρικού εκκρεμούς. Από αυτό καταλαβαίνουμε ότι το φορτίο που τοποθετήσαμε στο ένα άκρο της γυάλινης ή πλαστικής ράβδου, δεν μετακινήθηκε από τη θέση του.

Με περισσότερα πειράματα ανακαλύπτουμε ότι υπάρχουν δυο ομάδες σωμάτων: α) Τα σώματα που επιτρέπουν τον διασκορπισμό του ηλεκτρικού φορτίου σε όλη την έκταση τους. Αυτά τα σώματα λέγονται ηλεκτρικοί αγωγοί. Αγωγοί είναι όλα τα μέταλλα, όπως ο σίδηρος, το αλουμίνιο, ο χαλκός κ.ά. Αγωγοί είναι το θαλασσινό νερό, ο υγρός αέρας. β) Και τα σώματα που δεν επιτρέπουν το διασκορπισμό του φορτίου, το οποίο παραμένει στην περιοχή του σώματος την οποία φορτίσαμε. Τα σώματα αυτά ονομάζονται ηλεκτρικοί μονωτές. Μονωτές είναι το πλαστικό, το ξύλο, το γυαλί, το καουτσούκ κ.ά.

Ο μικρόκοσμος ενός μεταλλικού αγωγού. Υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια και θετικά ιόντα που σχηματίζουν πλέγμα.

Εξήγηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των μετάλλων.
Στα άτομα των μετάλλων, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια συγκρατούνται ασθενώς από τον πυρήνα. Έτσι κάποια ξεφεύγουν και κινούνται ελεύθερα μέσα στο σώμα του μετάλλου, γι’ αυτό αυτά ονομάζονται ελεύθερα ηλεκτρόνια. Στα άτομα των μετάλλων από τα οποία έφυγαν εξωτερικά ηλεκτρόνια, υπερισχύει το θετικό φορτίο του πυρήνα και έτσι μετατρέπονται σε θετικά ιόντα. Τα θετικά ιόντα επειδή έχουν μεγάλη μάζα και αναπτύσσουν ισχυρούς θεσμούς μεταξύ τους, δεν μετακινούνται από τη θέση τους, αλλά εκτελούν μικρές ταλαντώσεις γύρω από τη θέση τους σχηματίζοντας το μεταλλικό πλέγμα.

Ένα αφόρτιστο μέταλλο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, επειδή το συνολικό αρνητικό φορτίο των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι το ίδιο με το συνολικό θετικό φορτίο των θετικών ιόντων του. Αν από κάποια περιοχή ενός μεταλλικού σώματος προσβληθούν ή αποβληθούν ηλεκτρόνια τότε λόγω της τυχαίας κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων αυτό το πλεόνασμα ή έλλειμμα κατανέμεται ομοιόμορφα σε όλη την έκταση του αγωγού.

Εξήγηση της συμπεριφοράς των μονωτών κατά την ηλέκτριση τους.
Στα άτομα των μονωτών, ο πυρήνας ασκεί ισχυρές δυνάμεις στα εξωτερικά ηλεκτρόνια. Έτσι τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων των μονωτών, είναι δύσκολο να διαφύγουν από την έλξη του πυρήνα και έτσι μένουν παγιδευμένα στα άτομα. Συνεπώς στο σώμα του μονωτή δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια που να κινούνται ελεύθερα από την μια περιοχή στην άλλη.

Αν σε κάποια περιοχή ενός μονωτή εισέλθουν (ή αποβληθούν) ηλεκτρόνια π.χ. μέσω ηλέκτρισης με τριβή ή με επαφή, η περίσσια (ή το έλλειμμα) ηλεκτρονίων παραμένει τοπικά στην περιοχή αυτή και το φορτίο παραμένει εκεί, χωρίς να μπορεί να μετακινηθεί αφού είναι δύσκολη η μετακίνηση ηλεκτρονίων από την μια περιοχή στην άλλη.

Ανίχνευση του ηλεκτρικού φορτίου – το ηλεκτροσκόπιο

Για την ανίχνευση του ηλεκτρικού φορτίου και τη μελέτη της ηλέκτρισης στο εργαστήριο, χρησιμοποιούνται ειδικά όργανα που λέγονται ηλεκτροσκόπια. Ένα απλό ηλεκτροσκόπιο είναι το ηλεκτρικό εκκρεμές.

Ένα άλλο είδος ηλεκτροσκοπίου είναι το ηλεκτροσκόπιο με κινητά ελάσματα. Αυτό αποτελείται από ένα σταθερό μεταλλικό δίσκο (1), από ένα μεταλλικό στέλεχος (2) δυο μεταλλικά ελάσματα (3). Τα ελάσματα και η μεταλλική ράβδος του ηλεκτροσκοπίου, βρίσκονται στο εσωτερικό ενός γυάλινου κουτιού, με μονωμένο περίβλημα κι έτσι το περίβλημα εμποδίζει τη διαρροή του ηλεκτρικού φορτίου προς το περιβάλλον. Όταν φέρουμε σε επαφή με το μεταλλικό δίσκο ένα αφόρτιστο σώμα, τα ελάσματα ισορροπούν το ένα δίπλα στο άλλο. Όταν ακουμπήσουμε στο μεταλλικό δίσκο ένα φορτισμένο σώμα, το ηλεκτρικό φορτίο διαχέεται στην μεταλλική ράβδο και στα ελάσματα, με συνέπεια αυτά να φορτιστούν και να αποκτήσουν το ίδιο είδους φορτίου με το σώμα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η μεταλλική ράβδος και τα ελάσματα να απωθούνται μεταξύ τους και να σχηματίσουν γωνία. Όσο πιο μεγάλη είναι η γωνία απόκλισης των ελασμάτων, τόσο περισσότερο φορτίο έχει το σώμα που ακουμπήσαμε στο μεταλλικό δίσκο.

Ηλέκτριση με επαγωγή

α) ηλέκτριση αγωγών με επαγωγή.
Παίρνουμε μια αφόρτιστη μεταλλική ράβδο και τη στερεώνουμε οριζόντια σε μονωτή. Σε κάθε άκρο της φέρνουμε κι από ένα ηλεκτρικό εκκρεμές. Παρατηρούμε ότι το μπαλάκι στο καθένα εκκρεμές δεν αποκλίνει, που σημαίνει ότι τα άκρα Α και Β της ράβδου δεν είναι ηλεκτρισμένα. Πλησιάζουμε στο άκρο Α (χωρίς να ακουμπήσει) μια σφαίρα με θετικό φορτίο. Παρατηρούμε ότι και τα δύο μπαλάκια αποκλίνουν από την κατακόρυφη θέση, που σημαίνει ότι το άκρο Α πλησιέστερο στη σφαίρα, ότι απέκτησε αρνητικό φορτίο, ενώ το απέναντι άκρο Β απέκτησε θετικό φορτίο.

Η παρουσία φορτισμένης σφαίρας προκαλεί το διαχωρισμό των θετικών και αρνητικών φορτίων στη ράβδο.

Συμπεραίνουμε ότι η παρουσία φορτισμένης σφαίρας κοντά σε μεταλλική ράβδο, διαχωρίζει το θετικό και αρνητικό φορτίο της ράβδου. Το φαινόμενο αυτό λέγεται ηλέκτριση με επαγωγή. Το συνολικό φορτίο της μεταλλικής ράβδου είναι μηδέν και λέμε εδώ ότι η μεταλλική ράβδος είναι ηλεκτρισμένη και δεν είναι φορτισμένη.

Όταν πλησιάσουμε στο άκρο Α της μεταλλικής ράβδου τη σφαίρα με θετικό φορτίο, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια της μεταλλικής ράβδου έλκονται από τα θετικά φορτία της σφαίρας και κινούνται προς το άκρο της Α και έτσι αυτό αποκτά αρνητικό φορτίο. Από το άλλο άκρο Β της ράβδου έχουν μετακινηθεί τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και έχουν συσσωρευτεί στο άκρο Α. Έτσι εύκολα καταλαβαίνουμε ότι στο άκρο Β να πλεονάζουν τα θετικά ιόντα με αποτέλεσμα να αποκτήσει θετικό φορτίο.

Αν απομακρύνουμε τη θετικά φορτισμένη σφαίρα από την μεταλλική ράβδο, τα ηλεκτρόνια που είχαν μαζευτεί στο άκρο της Α έλκονται από τα θετικά ιόντα του άλλου άκρου της Β και επειδή τα ηλεκτρόνια απωθούνται μεταξύ τους, κατανέμονται ομοιόμορφα σε όλη την έκταση της ράβδου, και έτσι σε κάθε περιοχή της μεταλλικής ράβδου το φορτίο να είναι μηδέν.

Η φορτισμένη χτένα έλκει τα ουδέτερα κομματάκια χαρτιού.

β) Ηλέκτριση μονωτών με επαγωγή.
Παράδειγμα ηλέκτρισης μονωτών με επαγωγή, είναι η έλξη μικρών κομματάκιων χαρτιού από ηλεκτρισμένη χτένα. Όταν πλησιάζουμε ένα αρνητικά φορτισμένο σώμα σε ένα μονωτή, αυτό απωθεί τα ηλεκτρόνια των ατόμων του μονωτή, αλλά δεν μπορεί να τα απομακρύνει από τα άτομα. Έτσι τα ηλεκτρόνια αυτά αναγκάζονται να βρίσκονται στην μια μεριά του ατόμου που βρίσκεται σε μεγαλύτερη απόσταση από το αρνητικά φορτισμένο σώμα. Έτσι το άτομο ή μόριο φαίνεται από την μια μεριά θετικά φορτισμένο και από την άλλη αρνητικά φορτισμένο. Αυτή η πόλωση ηλεκτρικών φορτίων στο άτομο έχει ως αποτέλεσμα στο άκρο του μονωτή, πλησιέστερο προς το αρνητικά φορτισμένο σώμα να εμφανίζει θετικό φορτίο και στο άλλο αρνητικό.

Με αυτό τον τρόπο ο μονωτής εμφανίζεται ηλεκτρισμένος αν και είναι αφόρτιστος. Αν απομακρύνουμε το αρνητικά φορτισμένο σώμα, τα άτομα επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση.

Όταν πλησιάζουμε την αρνητικά ηλεκτρισμένη χτένα, σε μικρά κομματάκια χαρτιού, αυτά ηλεκτρίζονται με επαγωγή. Τα άτομα του χαρτιού πολώνονται και έτσι φαίνεται θετικό φορτίο στο άκρο του χαρτάκιου στην άκρη του πλησίον της χτένας και ίσο αρνητικό φορτίο στην απέναντι άκρη. Επειδή το θετικό φορτίο του χαρτάκιου βρίσκεται κοντύτερα στην αρνητικά φορτισμένη χτένα σε αντίθεση με το αρνητικό του φορτίο, έχει σαν αποτέλεσμα η συνολική (συνισταμένη) δύναμη πάνω στο χαρτάκι να είναι προς την χτένα και έτσι τα χαρτάκια έλκονται από τη χτένα.