Τρόποι φόρτισης ενός σώματος ⚡
Σίγουρα έχεις νιώσει «στατικό» όταν βγάζεις ένα μάλλινο πουλόβερ ή όταν τα μαλλιά σου «στέκονται όρθια» μετά από ένα τσουλήθρα. Αυτά συμβαίνουν επειδή κάποια σώματα αποκτούν ηλεκτρικό φορτίο. Η διαδικασία με την οποία ένα σώμα παίρνει ή χάνει ηλεκτρόνια και αποκτά αρνητικό ή θετικό φορτίο ονομάζεται φόρτιση.
Υπάρχουν τρεις βασικοί τρόποι για να φορτίσουμε ένα σώμα:
- Με τριβή
- Με επαφή
- Εξ επαγωγής μέσω γείωσης
Ας τους δούμε έναν έναν.
Φόρτιση με τριβή — το τριβοηλεκτρικό φαινόμενο 🧦
Όταν τρίβεις δύο σώματα μεταξύ τους, δίνεις ενέργεια στα άτομά τους. Αυτή η ενέργεια είναι αρκετή για να «ξεκολλήσει» κάποια ηλεκτρόνια από τα άτομα του ενός σώματος και να περάσουν στο άλλο. Το φαινόμενο αυτό λέγεται τριβοηλεκτρικό φαινόμενο.
Το αποτέλεσμα εξαρτάται από το ποιο σώμα δίνει και ποιο παίρνει ηλεκτρόνια:
- Το σώμα που αποβάλλει (χάνει) ηλεκτρόνια μένει με λιγότερα αρνητικά φορτία από πρωτόνια, άρα φορτίζεται θετικά.
- Το σώμα που προσλαμβάνει (παίρνει) ηλεκτρόνια αποκτά περισσότερα αρνητικά φορτία, άρα φορτίζεται αρνητικά.
Όταν βγάζεις γρήγορα ένα μάλλινο πουλόβερ, τρίβεται με τα ρούχα ή τα μαλλιά σου και μεταφέρονται ηλεκτρόνια. Το αποτέλεσμα είναι τα φορτισμένα σώματα να έλκονται ή να απωθούνται μεταξύ τους — γι' αυτό μερικές φορές τα μαλλιά σου «στέκονται».
Παραδείγματα φόρτισης με τριβή
Δες τι συμβαίνει όταν τρίβονται συγκεκριμένα υλικά μεταξύ τους:
| Ζεύγος υλικών | Ποιο φορτίζεται αρνητικά (παίρνει ) | Ποιο φορτίζεται θετικά (δίνει ) |
|---|---|---|
| Μπαλόνι — μάλλινο πουλόβερ | Μπαλόνι | Πουλόβερ |
| Πλαστική ράβδος — μεταξωτό ύφασμα | Πλαστική ράβδος | Μεταξωτό ύφασμα |
| Γυάλινη ράβδος — μεταξωτό ύφασμα | Μεταξωτό ύφασμα | Γυάλινη ράβδος |
Πρόσεξε το μεταξωτό ύφασμα στον παραπάνω πίνακα: μια φορά φορτίζεται θετικά (με την πλαστική ράβδο) και μια φορά αρνητικά (με τη γυάλινη ράβδο)! Δεν υπάρχει υλικό που να φορτίζεται πάντα με τον ίδιο τρόπο — όλα εξαρτώνται από το ΜΕ ΤΙ το τρίβεις.
Η τριβοηλεκτρική σειρά
Αφού το ίδιο υλικό μπορεί να φορτιστεί θετικά ή αρνητικά ανάλογα με το υλικό που το τρίβεις, οι επιστήμονες έφτιαξαν μια λίστα υλικών σε σειρά, τη τριβοηλεκτρική σειρά. Στη μια άκρη βρίσκονται τα υλικά που φορτίζονται πιο εύκολα θετικά (π.χ. ανθρώπινο δέρμα, γυαλί, μαλλιά, νάιλον, μαλλί πλεξίματος, μετάξι, αλουμίνιο, χαρτί, ατσάλι, ξύλο), και στην άλλη άκρη εκείνα που φορτίζονται πιο εύκολα αρνητικά (π.χ. κεχριμπάρι, χαλκός, σελοφάν, PVC, πλαστικό).
Ο κανόνας για να βρεις ποιο υλικό θα φορτιστεί πώς είναι απλός:
Κάθε υλικό δίνει ηλεκτρόνια και φορτίζεται θετικά όταν τρίβεται με ένα υλικό που βρίσκεται πιο δεξιά του στη σειρά. Αντίθετα, παίρνει ηλεκτρόνια και φορτίζεται αρνητικά όταν τρίβεται με ένα υλικό που βρίσκεται πιο αριστερά του.
Σκέψου το σαν μια «κλίμακα»: όσο πιο αριστερά είναι ένα υλικό, τόσο πιο εύκολα δίνει ηλεκτρόνια. Όσο πιο δεξιά, τόσο πιο εύκολα τα παίρνει.
Φόρτιση με επαφή 🤝
Ο δεύτερος τρόπος φόρτισης δεν χρειάζεται καθόλου τριβή — αρκεί μια απλή επαφή. Όταν ένα ήδη φορτισμένο σώμα αγγίξει ένα ηλεκτρικά ουδέτερο μεταλλικό σώμα, το φορτίο ανακατανέμεται ανάμεσα στα δύο σώματα. Αποτέλεσμα: μετά την επαφή, και τα δύο σώματα καταλήγουν με φορτίο του ίδιου προσήμου (δηλαδή είναι ομόσημα).
Για να μελετήσουμε τη φόρτιση με επαφή, χρησιμοποιούμε συνήθως μεταλλικές σφαίρες στηριγμένες πάνω σε μονωτικές βάσεις. Αν η βάση ήταν αγώγιμη, το φορτίο θα «έφευγε» από τη σφαίρα προς το έδαφος και δεν θα μπορούσαμε να μελετήσουμε το φαινόμενο.
Ας δούμε τι συμβαίνει σε δύο περιπτώσεις:
- Αρνητικά φορτισμένη σφαίρα ακουμπά ουδέτερη σφαίρα: Τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια της πρώτης σφαίρας απωθούνται μεταξύ τους (ηλεκτρόνια με ηλεκτρόνια απωθούνται πάντα). Έτσι, κάποια από αυτά μεταφέρονται στην ουδέτερη σφαίρα. Το αποτέλεσμα: το αρχικό αρνητικό φορτίο της πρώτης σφαίρας μειώνεται, ενώ η δεύτερη σφαίρα αποκτά κι αυτή αρνητικό φορτίο.
- Θετικά φορτισμένη σφαίρα ακουμπά ουδέτερη σφαίρα: Εδώ συμβαίνει το αντίστροφο. Η θετικά φορτισμένη σφαίρα έλκει ηλεκτρόνια, οπότε ηλεκτρόνια της ουδέτερης σφαίρας μετακινούνται προς αυτήν. Το αρχικό θετικό φορτίο μειώνεται, και η δεύτερη σφαίρα αποκτά κι αυτή θετικό φορτίο.
Και στις δύο περιπτώσεις, το τελικό φορτίο και των δύο σφαιρών έχει το ίδιο πρόσημο με το αρχικό φορτίο της φορτισμένης σφαίρας.
Φόρτιση εξ επαγωγής μέσω γείωσης 🌍
Ο τρίτος τρόπος είναι ο πιο «περίεργος» από τους τρεις, γιατί εδώ δεν υπάρχει καμία επαφή ανάμεσα στα δύο σώματα! Λέγεται φόρτιση εξ επαγωγής μέσω γείωσης και το αποτέλεσμα είναι ότι το αρχικά ουδέτερο σώμα αποκτά φορτίο αντίθετου προσήμου ( ετερόσημο ) από το αρχικά φορτισμένο σώμα.
Το κλειδί εδώ είναι η γείωση: μια σύνδεση του σώματος με τη Γη, π.χ. μέσω ενός καλωδίου ή ακόμα και του χεριού σου.
Η Γη είναι τόσο μεγάλη που λειτουργεί σαν απέραντη δεξαμενή φορτίου: μπορεί να δώσει ή να πάρει όσα ηλεκτρόνια χρειάζονται, χωρίς η ίδια να αλλάζει αισθητά φορτίο. Γι' αυτό, όποιο σώμα συνδέεται μαζί της (γειώνεται) τείνει να αδειάζει το πλεόνασμα ή το έλλειμμα ηλεκτρονίων του μέσα σε αυτήν.
Βήμα προς βήμα: πλησιάζουμε μια αρνητικά φορτισμένη ράβδο
Φαντάσου μια ουδέτερη μεταλλική σφαίρα και μια αρνητικά φορτισμένη ράβδο που την πλησιάζουμε χωρίς να την αγγίξουμε:
- Πλησίασμα: Τα ηλεκτρόνια της σφαίρας απωθούνται από το αρνητικό φορτίο της ράβδου (αρνητικό απωθεί αρνητικό) και μετατοπίζονται προς το πιο μακρινό άκρο της σφαίρας. Έτσι, η σφαίρα αποκτά δύο περιοχές: μια με περίσσεια ηλεκτρονίων (μακριά από τη ράβδο) και μια με έλλειμμα (κοντά στη ράβδο) — αν και συνολικά παραμένει ουδέτερη.
- Γείωση: Συνδέουμε τη σφαίρα με τη Γη. Επειδή τα ηλεκτρόνια απωθούνται ακόμα από τη ράβδο, «φεύγουν» από τη σφαίρα προς τη Γη.
- Απομάκρυνση της γείωσης πρώτα: Κόβουμε τη σύνδεση με τη Γη ΠΡΙΝ απομακρύνουμε τη ράβδο. Τώρα η σφαίρα έχει πλέον λιγότερα ηλεκτρόνια απ' ό,τι πρωτόνια.
- Απομάκρυνση της ράβδου: Αφαιρούμε τη ράβδο. Η σφαίρα μένει με μόνιμο έλλειμμα ηλεκτρονίων, δηλαδή φορτίζεται θετικά — αντίθετα από το πρόσημο της ράβδου.
Αν αντί για αρνητική ράβδο χρησιμοποιούσαμε μια θετικά φορτισμένη ράβδο, η λογική είναι αντίστροφη: η ράβδος έλκει ηλεκτρόνια της σφαίρας προς το κοντινό άκρο, όταν γειώνουμε τη σφαίρα έρχονται κι άλλα ηλεκτρόνια από τη Γη, και αν βγάλουμε πρώτα τη γείωση και μετά τη ράβδο, η σφαίρα μένει με πλεόνασμα ηλεκτρονίων, δηλαδή φορτίζεται αρνητικά.
Πρέπει ΠΑΝΤΑ να απομακρύνεις πρώτα τη γείωση και μετά τη ράβδο. Αν κάνεις το αντίστροφο — δηλαδή απομακρύνεις πρώτα τη ράβδο ενώ η σφαίρα είναι ακόμα γειωμένη — τα ηλεκτρόνια που είχαν φύγει (ή είχαν έρθει) επιστρέφουν αμέσως από/προς τη Γη, και η σφαίρα καταλήγει ξανά ηλεκτρικά ουδέτερη, σαν να μην έγινε τίποτα.
Σύνοψη των τριών τρόπων
Και οι τρεις τρόποι φόρτισης βασίζονται στην ίδια ιδέα: τη μετακίνηση ηλεκτρονίων. Αυτό που αλλάζει είναι ο τρόπος με τον οποίο γίνεται αυτή η μετακίνηση:
- Τριβή: χρειάζεται τρίψιμο ανάμεσα σε δύο σώματα.
- Επαφή: χρειάζεται ένα φορτισμένο σώμα να αγγίξει ένα ουδέτερο — τα δύο σώματα καταλήγουν ομόσημα.
- Εξ επαγωγής μέσω γείωσης: δεν χρειάζεται καμία επαφή ανάμεσα στα δύο σώματα — μόνο σύνδεση του ενός με τη Γη· το ουδέτερο σώμα καταλήγει ετερόσημο σε σχέση με το φορτισμένο.