Ηλεκτρικά φορτισμένα άτομα και σώματα ⚡

Όταν χτενίζεσαι με πλαστική χτένα και μετά η χτένα τραβάει μικρά κομματάκια χαρτί, κάτι έχει αλλάξει πάνω στη χτένα. Για να καταλάβεις τι ακριβώς αλλάζει, πρέπει πρώτα να θυμηθείς από τι είναι φτιαγμένα τα πράγματα γύρω σου: από άτομα.

Η δομή της ύλης και το άτομο 🧪

Κάθε αντικείμενο γύρω σου —το κινητό σου, το ποδήλατό σου, ακόμα και ο αέρας που αναπνέεις— αποτελείται από άτομα. Τα άτομα μπορούν να ενώνονται μεταξύ τους και να σχηματίζουν μόρια. Για παράδειγμα, ένα μόριο νερού ($H_2O$) αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου, ενωμένα μεταξύ τους.

Κάθε άτομο, με τη σειρά του, αποτελείται από ακόμα μικρότερα κομμάτια:

• Πρωτόνια ($p^+$): βρίσκονται στο κέντρο του ατόμου, στον πυρήνα, και έχουν θετικό φορτίο ίσο με $+1{,}6 \times 10^{-19}\,C$.
• Νετρόνια ($n$): βρίσκονται κι αυτά στον πυρήνα, αλλά δεν έχουν καθόλου φορτίο.
• Ηλεκτρόνια ($e^-$): κινούνται στον χώρο γύρω από τον πυρήνα, σαν μικρά σωματίδια σε τροχιά, και έχουν αρνητικό φορτίο ίσο με $-1{,}6 \times 10^{-19}\,C$.

Η μονάδα $C$ διαβάζεται «κουλόμπ» και είναι η μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου, όπως το μέτρο είναι μονάδα μέτρησης του μήκους. Παρατήρησε ότι το φορτίο του πρωτονίου και του ηλεκτρονίου έχουν την ίδια ακριβώς τιμή, μόνο που το ένα είναι θετικό και το άλλο αρνητικό. Αυτή την απόλυτη τιμή τη συμβολίζουμε με το γράμμα $e$:

Το ηλεκτρικά ουδέτερο άτομο

Σε κάθε άτομο, ο αριθμός των ηλεκτρονίων που κινούνται γύρω από τον πυρήνα είναι ακριβώς ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων μέσα στον πυρήνα. Επειδή το θετικό φορτίο κάθε πρωτονίου εξουδετερώνει το αρνητικό φορτίο ενός ηλεκτρονίου, τα φορτία «ακυρώνονται» μεταξύ τους και το συνολικό φορτίο του ατόμου είναι μηδέν. Ένα τέτοιο άτομο λέγεται ηλεκτρικά ουδέτερο.

Σκέψου το σαν ένα παιχνίδι ισορροπίας: αν έχεις ακριβώς τόσα βαρίδια στη μία πλευρά μιας ζυγαριάς όσα και στην άλλη, η ζυγαριά μένει οριζόντια. Το ίδιο συμβαίνει κι εδώ — τα θετικά και τα αρνητικά φορτία «ζυγίζουν» εξίσου, οπότε το αποτέλεσμα είναι μηδέν.

Πώς φορτίζεται ένα άτομο — τα ιόντα ➕➖

Ένα άτομο δεν είναι υποχρεωμένο να μένει πάντα ουδέτερο. Μπορεί είτε να προσλάβει (να πάρει επιπλέον) είτε να αποβάλει (να χάσει) ηλεκτρόνια. Αυτό που δεν μπορεί ποτέ να συμβεί είναι να αλλάξουν τα πρωτόνιά του: αν ένα άτομο έχανε ή κέρδιζε πρωτόνια, θα άλλαζε αμέσως σε άτομο διαφορετικού χημικού στοιχείου — δεν θα ήταν πια το ίδιο «είδος» ατόμου. Τα ηλεκτρόνια, αντίθετα, κινούνται πιο ελεύθερα στην εξωτερική περιοχή του ατόμου, γι' αυτό μπορούν να μετακινηθούν από το ένα άτομο στο άλλο πιο εύκολα.

Ανάλογα με το τι συμβαίνει στο άτομο, έχουμε δύο περιπτώσεις:

• Αν ένα ηλεκτρικά ουδέτερο άτομο αποβάλει ηλεκτρόνια, θα μείνει με λιγότερα ηλεκτρόνια απ' όσα πρωτόνια έχει — δηλαδή θα έχει έλλειμμα ηλεκτρονίων. Τα πλεονάζοντα θετικά φορτία των πρωτονίων δεν εξουδετερώνονται πια όλα, οπότε το άτομο γίνεται θετικά φορτισμένο.
• Αν ένα ηλεκτρικά ουδέτερο άτομο προσλάβει επιπλέον ηλεκτρόνια, θα έχει περισσότερα ηλεκτρόνια απ' όσα πρωτόνια — δηλαδή πλεόνασμα ηλεκτρονίων. Τότε το άτομο γίνεται αρνητικά φορτισμένο.

Ένα φορτισμένο άτομο (είτε θετικά είτε αρνητικά) ονομάζεται ιόν.

Για παράδειγμα, το ουδέτερο άτομο του Νατρίου ($Na$) έχει 11 πρωτόνια και 11 ηλεκτρόνια. Αν χάσει ένα ηλεκτρόνιο, μένει με 11 πρωτόνια και μόνο 10 ηλεκτρόνια — άρα αποκτά θετικό φορτίο. Αντίθετα, το ουδέτερο άτομο του Φθορίου ($F$) έχει 9 πρωτόνια και 9 ηλεκτρόνια· αν προσλάβει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο, θα έχει 9 πρωτόνια και 10 ηλεκτρόνια — άρα αποκτά αρνητικό φορτίο.

Πώς φορτίζεται ολόκληρο ένα σώμα 🔋

Ό,τι ισχύει για ένα μεμονωμένο άτομο, ισχύει με τον ίδιο ακριβώς τρόπο και για ένα ολόκληρο σώμα, αφού κάθε σώμα αποτελείται από αμέτρητα άτομα:

• Αν ένα αρχικά ηλεκτρικά ουδέτερο σώμα προσλάβει ηλεκτρόνια (π.χ. από ένα άλλο σώμα που έρχεται σε επαφή μαζί του), αποκτά πλεόνασμα ηλεκτρονίων και φορτίζεται αρνητικά.
• Αν ένα αρχικά ηλεκτρικά ουδέτερο σώμα αποβάλει ηλεκτρόνια, αποκτά έλλειμμα ηλεκτρονίων και φορτίζεται θετικά.

Αυτό ακριβώς συμβαίνει όταν τρίβεις μια πλαστική χτένα στα μαλλιά σου: κάποια ηλεκτρόνια μετακινούνται από τα μαλλιά στη χτένα. Η χτένα αποκτά πλεόνασμα ηλεκτρονίων και φορτίζεται αρνητικά, ενώ τα μαλλιά, έχοντας χάσει ηλεκτρόνια, φορτίζονται θετικά.

Οι δυνάμεις μεταξύ φορτισμένων σωμάτων 🧲

Τα ηλεκτρικά φορτισμένα σώματα δεν μένουν αδιάφορα το ένα απέναντι στο άλλο — ασκούν δυνάμεις μεταξύ τους, ακόμα κι αν δεν αγγίζονται. Ο κανόνας είναι απλός:

• Ανάμεσα σε σώματα (ή σωματίδια) που έχουν ετερόσημο φορτίο, δηλαδή το ένα θετικό και το άλλο αρνητικό, αναπτύσσονται ελκτικές δυνάμεις: τα δύο σώματα τείνουν να πλησιάσουν το ένα το άλλο.
• Ανάμεσα σε σώματα (ή σωματίδια) που έχουν ομόσημο φορτίο, δηλαδή και τα δύο θετικά ή και τα δύο αρνητικά, αναπτύσσονται απωστικές δυνάμεις: τα δύο σώματα τείνουν να απομακρυνθούν το ένα από το άλλο.

Με λίγα λόγια: τα αντίθετα έλκονται, τα όμοια απωθούνται.

Αυτή είναι η ίδια αρχή που κρατά το άτομο ενωμένο: τα αρνητικά ηλεκτρόνια έλκονται από τον θετικό πυρήνα και γι' αυτό παραμένουν γύρω του αντί να φύγουν μακριά.

Αυτή η ιδιότητα των ηλεκτρικών δυνάμεων —ότι τα αντίθετα φορτία έλκονται και τα ίδια φορτία απωθούνται— είναι θεμελιώδης: πάνω της στηρίζεται η εξήγηση όλων των φαινομένων στατικού ηλεκτρισμού που θα συναντήσεις στη συνέχεια.