Το ηλεκτρικό φορτίο και τα είδη του Το ηλεκτρικό φορτίο είναι το θεμελειώδες μέγεθος ( ιδιότητα ) που αποδίδουμε σε ορισμένα σώματα για να μπορούμε να εξηγήσουμε τις ελκτικές ή τις απωστικές δυνάμεις που εμφανίζουν μεταξύ τους. Υπάρχουν δύο είδη ηλεκτρικού φορτίου (αφού υπάρχουν δύο είδη αλληλεπιδράσεων) τα θετικά και τα αρνητικά. Ένα σώμα είναι θετικά φορτισμένο όταν του λείπουν ηλεκτρόνια (πλεονάζουν τα θετικά πρωτόνια) ενώ είναι αρνητικά φορτισμένο όταν έχει παραπάνω ηλεκτρόνια. Ένα σώμα με ίσες ποσότητες ηλεκτρικού φορτίου και από τα δύο είδη χαρακτηρίζεται ηλεκτρικά ουδέτερο. Ένα ουδέτερο σώμα μπορεί να αποκτήσει ηλεκτρικό φορτίο με τρεις τρόπους, με επαφή, με τριβή και με επαγωγή. Το όργανο που χρησιμοποιούμε στο εργαστήριο για να διαπιστώσουμε αν ένα σώμα είναι φορτισμένο ή όχι λέγεται ηλεκτροσκόπιο. Στις διάφορες διεργασίες μεταξύ φορτισμένων και αφόρτιστων σωμάτων το συνολικό φορτίο παραμένει σταθερό. Λέμε τότε ότι ισχύει η αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου. Το μικρότερο φορτίο που θα συναντήσουμε είναι εκείνο του ηλεκτρονίου. Όλα τα ηλεκτρισμένα σώματα έχουν φορτίο ίσο με ακέραιο πολλαπλάσιο του φορτίου του ηλεκτρονίου, θετικό ή αρνητικό. Στο κεφάλαιο αυτό ασχολούμαστε με τα ακίνητα (ή σχεδόν ακίνητα ) ηλεκτρικά φορτία. Αφήνουμε για το επόμενο τη μελέτη της κίνησης των φορτίων μέσα στην ύλη ,την οποία θα ονομάσουμε ηλεκτρικό ρεύμα. Τότε όμως θα διακρίνουμε τα υλικά σε κατηγορίες ανάλογα με την ικανότητα τους να άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα. Τα μέταλλα είναι πολύ καλοί αγωγοί ενώ το ξύλο και το γυαλί το αντίθετο. Ανάμεσα τους υπάρχουν υλικά με ενδιάμεσες τιμές αγωγιμότητας όπως οι ημιαγωγοί. Για να καταλάβουμε τη διαφορά ανάμεσα στις δύο αυτές ακραίες καταστάσεις πρέπει να ξέρετε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα πιο εύκολα περνά από ένα καλώδιο χιλιάδων μέτρων παρά από ένα κομμάτι ξύλο ενός εκατοστού.

.

Νόμος του Coulomb O Coulomb προσπάθησε και τελικά κατάφερε να περιγράψει την αλληλεπίδραση ανάμεσα σε δύο φορτία ποσοτικά. Κατασκεύαζε μικρές σφαίρες , τις φόρτιζε (με ίσο, πολλαπλάσιο ή υποπολλαπλάσιο φορτίο) ,τις τοποθετούσε σε μικρές αποστάσεις και μετρούσε την μεταξύ τους δύναμη με τη βοήθεια μιας συσκευής. Τα πειράματα οδήγησαν σε πολύ σημαντικά συμπεράσματα. Δύο σημειακά και ακίνητα φορτία q

.

1 ,q2 αλληλεπιδρούν με δυνάμεις F1 ,F2 που έχουν ίσο μέτρο ανάλογο του γινομένου των φορτίων τους και αντιστρόφως ανάλογο του τετραγώνου της μεταξύ τους απόστασης. Οι δυνάμεις έχουν διεύθυνση τον άξονα που συνδέει τα κέντρα των φορτίων (γιαυτό λέγονται κεντρικές) και φορά ελκτική ή απωστική για φορτία διαφορετικού ή του ίδιου είδους αντίστοιχα (τα ετερώνυμα έλκονται και τα ομώνυμα απωθούνται).Επειδή η δύναμη εξαρτάται από το γινόμενο των φορτίων αυτό σημαίνει ότι και τα δύο φορτία δέχονται την ίδια κατά μέτρο δύναμη ανεξάρτητα

από το ποιο φορτίο είναι μεγαλύτερο και ποιο είναι μικρότερο. Σε διπλάσια απόσταση τα δύο φορτία δέχονται υποτετραπλάσια δύναμη (4-φορές μικρότερη) ενώ σε τριπλάσια απόσταση δέχονται υποεννιαπλάσια δύναμη (9-φορές μικρότερη) κ.ο.κ.. Στη μισή απόσταση η δύναμη τετραπλασιάζεται. Λέμε ότι η δύναμη Coulomb ακολουθεί το νόμο του αντιστρόφου τετραγώνου. Τέλος η δύναμη Coulomb εξαρτάται από το υλικό μέσο ( το λέμε διηλεκτρικό ) που περιβάλλει τα φορτία. Η ηλεκτρολυτική διάσταση του χλωριούχου νατρίου στο νερό το αποδεικνύει. Μη ξεχνάτε ότι ο χημικός δεσμός μεταξύ των ιόντων του νατρίου και του χλωρίου στο χλωριούχο νάτριο είναι ετεροπολικός ,δηλαδή δύναμη Coulomb ηλεκτροστατικής φύσης κρατά τα ιόντα ενωμένα. Όλα τα παραπάνω συνοψίζονται στην μαθηματική έκφραση του

νόμου Coulomb και στο διπλανό σχήμα ,όπου ( στο κενό) 229 /109 CmNKC ⋅⋅= .

Όπως αποδεικνύεται και πειραματικά , οι δυνάμεις Coulomb υπακούουν στον τρίτο νόμο του Νεύτωνα. Έχουν ίσο μέτρο, ίδια διεύθυνση, αντίθετη φορά και διαφορετικό σημείο εφαρμογής.

Μπορούμε να χωρίσουμε τις ασκήσεις σε κατηγορίες σύμφωνα με τον παρακάτω πίνακα.

Ασκήσεις.

Κατηγορίες ασκήσεων

1.Κβάντωση φορτίου Χρησιμοποιούμε τη συνθήκη q=Ne για να βρούμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων N ή το φορτίο q.

2.Δύναμη ανάμεσα σε δύο μόνο φορτία Χρησιμοποιούμε το νόμο του Coulomb και με αντικατάσταση βρίσκουμε τη δύναμη ή τν απόσταση ή κάποιο από τα φορτία. Μπορεί να συνδυαστεί με την προηγούμενη κατηγορία.

3.Δύναμη από πολλά φορτία Ένα φορτίο δέχεται δύναμη από δύο ή περισσότερα που είναι τοποθετημένα στα άκρα ευθύγραμμου τμήματος , στις κορυφές τριγώνων ή τετραγώνων. Θα πρέπει να γνωρίζετε πως βρίσκουμε τη συνισταμένη δύο ή περισσοτέρων δυνάμεων ομορρόπων, αντιρρόπων ,καθέτων ή την αναλυτική μέθοδο με τους άξονες x και y.

4.Ισορροπία φορτισμένου σώματος Εφαρμόζουμε τη συνθήκη ισορροπίας ΣF=0 ή ΣFx=0

221

21 rqq

KFF C

⋅⋅==

και ΣFy=0 αφού τοποθετήσουμε όλες τις δυνάμεις που δεν είναι κατ’ανάγκη μόνο οι δυνάμεις Coulomb αλλά το βάρος , η τάση του νήματος κ.α.

5.Σύγκριση δύο καταστάσεων Συνήθως καταλήγουμε να γράψουμε τη δύναμη Coulomb για τις δύο καταστάσεις και να διαιρέσουμε κατά μέλη για να βρούμε το λόγο δύο δυνάμεων.

6.Το άτομο του υδρογόνου-Κεντρομόλος Η δύναμη Coulomb παίζει το ρόλο της κεντρομόλου

και αναγκάζει το ηλεκτρόνιο να εκτελέσει ομαλή κυκλική κίνηση. Χρησιμοποιούμε τον τύπο της κεντρομόλου F=m u2

/R