Γνωριμία με την Ηλεκτρική Δύναμη ⚡

Έχεις αναρωτηθεί ποτέ γιατί τα μαλλιά σου κολλάνε στη χτένα όταν χτενίζεσαι 👩‍🦱; Ή γιατί ένας πλαστικός χάρακας μπορεί να σηκώσει μικρά κομματάκια χαρτιού 🧻; Αυτό συμβαίνει λόγω της ηλεκτρικής δύναμης!

Όταν τρίβουμε ορισμένα υλικά, όπως πλαστικό ή κεχριμπάρι ⚱️, με ένα άλλο αντικείμενο, αποκτούν την ικανότητα να έλκουν ελαφριά αντικείμενα. Τότε λέμε ότι τα υλικά αυτά είναι ηλεκτρισμένα. Η δύναμη που ασκείται μεταξύ αυτών των ηλεκτρισμένων αντικειμένων ονομάζεται ηλεκτρική δύναμη.

Για να ελέγξουμε αν ένα αντικείμενο είναι ηλεκτρισμένο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα ηλεκτρικό εκκρεμές. Φτιάχνεται εύκολα κρεμώντας ένα μικρό, ελαφρύ αντικείμενο (π.χ. μπαλάκι φελιζόλ ⚽ ή χαρτί) από μια κλωστή 🧵. Αν πλησιάσουμε το αντικείμενο που θέλουμε να ελέγξουμε στο μπαλάκι και το μπαλάκι έλθει προς αυτό, τότε το αντικείμενο είναι ηλεκτρισμένο.

Ηλεκτρική Δύναμη και Αλληλεπίδραση Σωμάτων 🤝

Όταν ένας χάρακας έλκει ένα μπαλάκι, λέμε ότι ο χάρακας είναι ηλεκτρισμένος. Η ηλεκτρική δύναμη δρα από απόσταση 📡, χωρίς να χρειάζεται να αγγίξει το μπαλάκι.

Ένας μαγνήτης 🧲 επίσης ασκεί δύναμη, αλλά έλκει μόνο αντικείμενα που περιέχουν σίδηρο, κοβάλτιο ή νικέλιο. Η ηλεκτρική δύναμη, αντίθετα, ασκείται σε διαφορετικά σώματα.

Ένα ηλεκτρισμένο σώμα ασκεί ελκτική ηλεκτρική δύναμη σε ένα άλλο. Όμως, αν τρίψουμε δύο γυάλινες ράβδους 🧪 με ένα μεταξωτό ύφασμα 🧣 και τις πλησιάσουμε, θα δούμε ότι απωθούνται. Το ίδιο συμβαίνει και με δύο πλαστικές ράβδους που έχουμε τρίψει με μάλλινο ύφασμα 🧶. Αν όμως τρίψουμε μια γυάλινη ράβδο με μετάξι και μια πλαστική με μαλλί και τις πλησιάσουμε, θα δούμε ότι έλκονται.

Οι ηλεκτρικές δυνάμεις μεταξύ δύο ηλεκτρισμένων σωμάτων μπορεί να είναι είτε ελκτικές είτε απωστικές.

Για να εξηγήσουμε τις ηλεκτρικές δυνάμεις, λέμε ότι η ύλη έχει μια ιδιότητα που ονομάζεται ηλεκτρικό φορτίο. Όταν δύο σώματα έχουν ηλεκτρικό φορτίο, αλληλεπιδρούν με ηλεκτρικές δυνάμεις και τα λέμε ηλεκτρικά φορτισμένα. Το ηλεκτρικό φορτίο συμβολίζεται με το γράμμα $q$ ή $Q$.

Ορισμός και Ιδιότητες του Ηλεκτρικού Φορτίου ⚛️

Το ηλεκτρικό φορτίο είναι μια ιδιότητα των υλικών σωμάτων που σχετίζεται με τις ηλεκτρικές δυνάμεις. Όταν ένα σώμα έχει ηλεκτρικό φορτίο, ασκεί δυνάμεις σε άλλα σώματα που έχουν επίσης ηλεκτρικό φορτίο. Το ηλεκτρικό φορτίο συμβολίζεται με το γράμμα $Q$.

Υπάρχουν δύο είδη ηλεκτρικού φορτίου:

• Θετικό (+)
• Αρνητικό (-)

Τα σώματα που έχουν το ίδιο είδος φορτίου (δηλαδή, και τα δύο θετικό ή και τα δύο αρνητικό) απωθούνται ➡️⬅️, ενώ τα σώματα που έχουν διαφορετικό είδος φορτίου (ένα θετικό και ένα αρνητικό) έλκονται ➡️⬅️.

Για να μετρήσουμε το ηλεκτρικό φορτίο, μπορούμε να τρίψουμε μια πλαστική χτένα comb σε ένα κομμάτι ύφασμα 👚. Η χτένα αποκτά ηλεκτρικό φορτίο και μπορεί να έλξει μικρά κομμάτια χαρτιού 📃. Όσο περισσότερο τρίβουμε τη χτένα, τόσο περισσότερο φορτίο αποκτά και τόσο πιο ισχυρή είναι η έλξη που ασκεί στα χαρτάκια. Η μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου είναι το Coulomb (C).

Ποσοτικοποίηση του Ηλεκτρικού Φορτίου 📏

Όταν τρίβουμε γυάλινες ή πλαστικές ράβδους με ένα ύφασμα, αυτές αποκτούν ηλεκτρικό φορτίο και γίνονται ηλεκτρικά φορτισμένες. Έχουμε δει ότι μερικές φορές δύο φορτισμένα αντικείμενα έλκονται, ενώ άλλες φορές απωθούνται. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν τουλάχιστον δύο διαφορετικά είδη φορτίου.

Όταν δύο ή περισσότερα ηλεκτρικά φορτισμένα αντικείμενα απωθούνται, λέμε ότι έχουν το ίδιο είδος φορτίου, δηλαδή είναι όμοια φορτισμένα. Όταν έλκονται, λέμε ότι έχουν διαφορετικό είδος φορτίου, δηλαδή είναι αντίθετα φορτισμένα.

Μπορούμε να χωρίσουμε όλα τα φορτισμένα αντικείμενα σε δύο ομάδες:

α) Αυτά που είναι όμοια με μια γυάλινη ράβδο που την έχουμε τρίψει με μεταξωτό ύφασμα και απωθούνται από αυτήν.
β) Αυτά που είναι όμοια με μια πλαστική ράβδο που την έχουμε τρίψει με μάλλινο ύφασμα και απωθούνται από αυτήν.

Ο Αμερικανός επιστήμονας Β. Φραγκλίνος 👨‍💼 πρότεινε να ονομάζουμε τα αντικείμενα της πρώτης ομάδας θετικά φορτισμένα και να λέμε ότι έχουν θετικό φορτίο. Τα αντικείμενα της δεύτερης ομάδας τα ονομάζουμε αρνητικά φορτισμένα και λέμε ότι έχουν αρνητικό φορτίο.

Για να μετρήσουμε το ηλεκτρικό φορτίο, μπορούμε να κάνουμε το εξής πείραμα:
Τρίβουμε ελαφρά έναν πλαστικό χάρακα στις σελίδες ενός βιβλίου 📖 και τον πλησιάζουμε σε ένα ηλεκτρικό εκκρεμές. Θα δούμε ότι ο χάρακας έλκει το εκκρεμές και το κάνει να κουνηθεί. Αν τρίψουμε τον χάρακα πιο έντονα και τον πλησιάσουμε πάλι στο εκκρεμές, θα δούμε ότι το εκκρεμές κουνιέται ακόμα περισσότερο. Αυτό συμβαίνει επειδή ο χάρακας έχει αποκτήσει περισσότερο φορτίο όταν τον τρίψαμε πιο έντονα. Η μεγαλύτερη έλξη οφείλεται στην αύξηση του ηλεκτρικού φορτίου του χάρακα.

Ποσοτικοποίηση του Ηλεκτρικού Φορτίου (Συνέχεια) ➕➖

Γενικά, θεωρούμε ότι η ηλεκτρική δύναμη που ασκεί ένα φορτισμένο σώμα είναι ανάλογη με το ηλεκτρικό του φορτίο.

Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να συγκρίνουμε και να μετρήσουμε τα φορτία δύο σωμάτων, μετρώντας τις ηλεκτρικές δυνάμεις που ασκούν σε ένα τρίτο σώμα, υπό τις ίδιες συνθήκες (όπως την ίδια απόσταση και το ίδιο υλικό γύρω τους, π.χ. αέρα).

Η μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (S.I.) ονομάζεται Κουλόμπ (Coulomb), προς τιμήν του Γάλλου φυσικού Κουλόμπ. Συμβολίζεται με το γράμμα C.

Στην πράξη, χρησιμοποιούμε μικρότερες μονάδες, όπως:

• το 1 μC (μικροκουλόμπ), όπου $1 μC = 10^{-6} C$
• το 1 nC (νανοκουλόμπ), όπου $1 nC = 10^{-9} C$

Όταν τρίβουμε μια γυάλινη ράβδο ή μια πλαστική ταινία, αποκτούν μικρά φορτία, της τάξης των νανοκουλόμπ (nC). Για παράδειγμα, η γυάλινη ράβδος που τρίβεται με μεταξωτό ύφασμα αποκτά θετικό φορτίο, π.χ. $q = +3 nC$, ενώ η πλαστική ράβδος αποκτά αρνητικό φορτίο, π.χ. $q = -3 nC$.

Για να υπολογίσουμε το συνολικό φορτίο δύο ή περισσότερων σωμάτων, τα προσθέτουμε αλγεβρικά. Για παράδειγμα, αν έχουμε δύο ράβδους, η μία με φορτίο $q_1 = +4 nC$ και η άλλη με $q_2 = -3 nC$, τότε το συνολικό τους φορτίο είναι:

$q = q_1 + q_2 = (+4 nC) + (-3 nC) = 1 nC$

Γενικά, το ολικό φορτίο δύο ή περισσότερων σωμάτων είναι το αλγεβρικό άθροισμα των φορτίων τους.

Όταν το συνολικό φορτίο ενός σώματος ή συνόλου σωμάτων είναι μηδέν, τότε το σώμα ονομάζεται ηλεκτρικά ουδέτερο. Όταν τα σώματα έχουν φορτίο, ονομάζονται ηλεκτρισμένα.