OSNOVE ELEKTROTEHNIKE
INTERAKTIVNI NASTAVNI MATERIJALI
animacije · pokusi · lab. vježbe · simulacije · test pitanja · zadaci

Elektrostatika · Elektriziranje materije

Pri tumačenju najrazličitijih električnih pojava polazi se od modela atoma prema kojem postoji (pozitivna) jezgra oko koje se nalazi veći ili manji broj (negativnih) elektrona. U normalnim okolnostima atom je električki neutralan. Isto tako je neutralna i materija koja je sastavljena od velikog broja atoma (udruženih u molekule itd.). Ako se na neki način poremeti električna neutralnost, a to znači da se materiji oduzme dio elektrona dobivamo tzv. nabijena tijela. Onaj dio materije kojem su oduzeti elektroni postaje POZITIVAN, a onaj dio koji je preuzeo te elektrone postaje NEGATIVAN. Ustanovljeni su naboj i masa elektrona:

naboj elektrona: ${q}_{\text{e}} = -1,6 \cdot 10^{-19} \text{ As}$
masa elektrona: ${m}_{\text{e}} = 9,11 \cdot 10^{-31} \text{ As}$

Naboji se prilikom elektriziranja odnosno nabijanja materije samo RAZDVAJAJU. Od davnih vremena poznat je način nabijanja TRENJEM. Ako se naime dvije različite tvari taru, jedna postaje pozitivna (manjak elektrona), a druga negativna (višak elektrona u jednakom iznosu!). Npr. ako staklo taremo kožom (pogledajte ovdje) postati će pozitivno dok će plastika (PVC) ako je trljamo vunenom tkaninom (pogledajte ovdje) postati negativno nabijena. Pokusima su dobiveni polariteti raznih parova tvari prilikom trenja. Važno je uočiti da se za razdvajanje naboja mora utrošiti energija! Sustav razdvojenih naboja sijelo je posebnog oblika energije. Osim trenjem, razdvajanje naboja može se ostvariti i na druge načine u izvorima električne energije.

NABIJANJE DODIROM

Naboj dobiven trenjem može se "prenijeti" na metalni predmet koji je izoliran u prostoru. Npr. ako naelektriziranim PVC štapom dotaknemo (postružemo) po metalnoj kugli koja se nalazi na stalku od izolatora, kugla će postati negativno nabijena. Višak elektrona sa štapa "prelazi" na kuglu. Naboji na metalnim predmetima (elektrodama) se rasporede po površini u vrlo tankom sloju. Površinska gustoća naboja ovisi o obliku površine elektrode. Općenito je veća tamo gdje je veća zakrivljenost (na šiljcima). Kod usamljene kugle naboj se rasporedi jednoliko.

Ako nabijeno metalno tijelo dovedemo u kontakt (dodirnemo) nenabijeno metalno tijelo dolazi do "podjele" naboja između ta dva tijela. Ako su jednaka, podjela će biti pola/pola. Inače manje tijelo dobiva naravno manju količinu naboja.

Dapače dio naboja sa nabijenog metalnog tijela možemo "uzeti" i prenijeti na drugo tijelo pomoću male kuglice koja se naziva kušalica. Kušalicom pri tom dotaknemo najprije nabijeno, a zatim ono drugo tijelo.

IZBIJANJE

Metalni predmet koji je nabijen, tj. ima višak odnosno manjak elektrona možemo izbiti (učiniti ga električki neutralnim) spajanjem sa Zemljom. Ako se radi o manjoj količini naboja dovoljno je (i bezopasno) elektrodu dotaknuti rukom. Zemlja je u tom smislu veliko "skladište" naboja u koje ulaze odnosno izlaze elektroni.

ELEKTRIČNE SILE

Između nabijenih tijela dolazi do pojave sila. Raznoimeni naboji se privlače, a istoimeni odbijaju. Npr. dvije metalne pozitivno nabijene kuglice obješene na svilenim nitima (izolator) će se razmaknuti. Prostor u okolini nabijenih tijela može se smatrati poljem sila. Posebno je zanimljivo da se radi o silama koje djeluju na daljinu bez doticanja (slično kao gravitacijske sile). Treba voditi računa da je sila vektorska veličina, tj. ima smjer i iznos. Električne sile nazivamo još i Coulombove sile.

INFLUENCIJA I POLARIZACIJA

Nabijena tijela djeluju silama i na električki neutralna tijela odnosno na naboje u tim tijelima. Taj utjecaj (influencija) ovisi o vrsti materije, koju u električnom smislu dijelimo na vodiče i izolatore. U vodljivoj materiji se naboji pod djelovanjem električnih sila pomiču, tj. premještaju u novi raspored, dok se u izolatorima odigrava proces tzv. polarizacije u kojem se pomaci naboja odigravaju unutar atoma odnosno molekula. Pomakom naboja iz središta nastaje tzv. električki dipol. Jednostavno, dipol zamišljamo kao dva sitna naboja različita polariteta postavljena na razmak $d$. Električne sila nastoje dipol zakretati (ne premještajući ga). Os rotacije je na polovici razmaka $d$.

Jedna i druga pojava imaju utjecaj na ranije spomenuto polje sila. Nakupine (slojevi) naboja na vodljivom tijelu koji nastaju kada ga postavimo u blizinu nabijenog tijela nazivamo influencirani naboji, dok u izolatoru nastaju nakupine polariziranog naboja.

NABIJANJE INFLUENCIJOM

Zanimljiva pojava nastaje kada nabijeni predmet približimo metalnom predmetu. Npr. trenjem nabijeni PVC štap približimo metalnoj kugli. Negativni naboji sa štapa odbijaju elektrone koji se mogu kretati po kugli. Elektroni, tj. negativni naboji se sakupe na mjestu "što dalje od štapa". Bliže štapu ostaje pozitivan naboj. Dakle naboj na kugli se raspodjeli u dvije nakupine, ali je ukupan naboj na kugli nula. Kažemo kugla je električki neutralna. Ako sada uzemljimo kuglu negativan naboj ima "kuda otići" dok je pozitivan i dalje privučen negativnim štapom. Rezultat je taj da kugla ima manjak elektrona. Ako spoj sa Zemljom prekinemo a PVC štap odmaknemo, pozitivan naboj će se "raširiti" po površini kugle. Kugla ostaje pozitivno nabijena. Pažljivi čitatelj će primijetiti razliku od nabijanja dodirom. Naboj sa PVC štapa se u ovom slučaju NIJE "potrošio", a to znači da sa istim štapom bez ponovnog trljanja možemo nabiti na jednaki način neki drugi metalni predmet. Sve što je rečeno možete zorno vidjeti na animaciji.

Predznak preostalog naboja nakon nabijanja influencijom uvijek je suprotan od naboja koji smo približili metalnom predmetu! Za vježbu skicirajte crtež na kojem će se vidjeti tijek i polariteti naboja za slučaj približavanja pozitivno nabijenog štapa. Opišite što bi se nakon udaljavanja nabijenog štapa dogodilo da NISMO uzemljili metalni predmet.

U nastavku možete provjeriti da li ste i u kojoj mjeri savladali problematiku naboja i nabijanja:

U nastavku možete provjeriti svoje znanje o ovoj temi: