Elektros reiškiniai yra neatsiejama mūsų pasaulio dalis – nuo žaibo gamtoje iki sudėtingiausių elektroninių prietaisų. Norint suprasti šiuos reiškinius, pirmiausia reikia išnagrinėti elektrostatiką – fizikos skyrių, tiriantį nejudančių elektrinių krūvių sąveiką ir jų kuriamą elektrostatinį lauką. Šiame straipsnyje aptarsime pagrindinę elektros sąvoką – elektrinį krūvį, jo savybes, krūvių sąveiką aprašantį Kulono dėsnį, elektrinio lauko stiprį ir potencialą, taip pat panagrinėsime, kaip lauke elgiasi skirtingos medžiagos (laidininkai ir dielektrikai) ir kas yra kondensatoriai – prietaisai krūviui ir energijai kaupti.
Elektrinis krūvis ir Kulono dėsnis: sąveikos pagrindas
- Elektrinis krūvis ($q$ arba $Q$): Tai fundamentali dalelių savybė, lemianti jų elektromagnetinę sąveiką. Yra dviejų rūšių krūviai: teigiamieji ir neigiamieji. Įprastai atomo branduolys yra teigiamas (dėl protonų), o elektronai – neigiami. Kūnas, turintis vienodą teigiamųjų ir neigiamųjų krūvių kiekį, yra neutralus. Kūnas, turintis elektronų perteklių, yra neigiamai įelektrintas, o turintis elektronų trūkumą – teigiamai įelektrintas.
- Krūvio savybės:
- Diskretumas: Egzistuoja mažiausias nedalomas krūvio vienetas – elementarusis krūvis ($e$), lygus protono krūviui (teigiamas) arba elektrono krūviui (neigiamas). Jo modulis $e \approx 1.602 \times 10^{-19}$ C. Bet kurio kūno krūvis yra elementariojo krūvio kartotinis: $q = \pm Ne$.
- Tvermė: Uždaroje (izoliuotoje) sistemoje pilnutinis elektrinis krūvis nekinta. Krūviai gali persiskirstyti tarp kūnų, bet bendra jų suma lieka pastovi.
- Sąveika: Vienavardžiai krūviai (abu teigiami arba abu neigiami) stumia vienas kitą, o įvairiavardžiai – traukia.
- Įelektrinimas: Kūną įelektrinti reiškia suteikti jam krūvį. Tai galima padaryti keliais būdais: trynimu (elektronai pereina nuo vieno kūno kitam), lietimu (krūvis pasiskirsto tarp susilietusių kūnų), elektrostatine indukcija (krūvių persiskirstymas laidininke dėl išorinio lauko poveikio).
- Kulono dėsnis: Kiekybiškai dviejų nejudančių taškinių krūvių ($q_1$ ir $q_2$) sąveikos jėgą ($\vec{F}$) aprašo Kulono dėsnis (1785 m.): Dviejų taškinių krūvių sąveikos jėga yra tiesiogiai proporcinga tų krūvių modulių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui. Jėga veikia išilgai krūvius jungiančios tiesės. $$ F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2} $$ Čia $r$ – atstumas tarp krūvių, o $k$ – proporcingumo koeficientas, priklausantis nuo terpės, kurioje yra krūviai. Vakuume $k = k_0 = \frac{1}{4\pi\epsilon_0} \approx 9 \times 10^9 , \text{N} \cdot \text{m}^2 / \text{C}^2$, kur $\epsilon_0 \approx 8.85 \times 10^{-12} , \text{F/m}$ yra elektrinė konstanta (vakuumo dielektrinė skvarba). Kitose terpėse $k = k_0 / \epsilon$, kur $\epsilon$ yra terpės santykinė dielektrinė skvarba (bedimensis dydis, $\epsilon \ge 1$). SI krūvio vienetas – kulonas (C).
Vaizdinė medžiaga: Schemos, vaizduojančios teigiamus ir neigiamus krūvius, jų sąveiką (stumą, trauką). Įelektrinimo būdų iliustracijos. Kulono dėsnio schema su sąveikos jėgų vektoriais.
Interaktyvūs elementai:
- 🔗 Interaktyvi simuliacija „Kulono dėsnis“ (PhET) (Leidžia keisti krūvių dydžius, atstumą ir stebėti sąveikos jėgą).
- 🔗 Interaktyvi simuliacija „Balionai ir statinė elektra“ (PhET) (Iliustruoja įelektrinimą trynimu ir sąveiką).
Elektrinis laukas ir jo stipris: lauko koncepcija
Kaip vienas krūvis „jaučia“ kitą per atstumą? Sąveika perduodama per elektrinį lauką. Kiekvienas elektrinis krūvis aplink save kuria elektrinį lauką, kuris veikia kitus į tą lauką patekusius krūvius.
- Lauko samprata: Elektrinis laukas yra ypatinga materijos forma, egzistuojanti aplink elektrinius krūvius ir pasireiškianti jėgos poveikiu į kitus krūvius.
- Elektrinio lauko stipris ($\vec{E}$): Lauko jėginė charakteristika. Tai fizikinis dydis, lygus jėgai ($\vec{F}$), kuria laukas veikia į tą lauko tašką įneštą teigiamąjį bandomąjį krūvį ($q_0$), padalytai iš to krūvio vertės: $$ \vec{E} = \frac{\vec{F}}{q_0} $$ Stipris $\vec{E}$ yra vektorinis dydis, jo kryptis kiekviename lauko taške sutampa su jėgos, veikiančios teigiamąjį bandomąjį krūvį, kryptimi. SI vienetas – niutonas kulonui (N/C) arba voltas metrui (V/m). Stipris nepriklauso nuo bandomojo krūvio $q_0$, o tik nuo lauką kuriančių krūvių ir atstumo iki jų.
- Taškinio krūvio lauko stipris: Taškinio krūvio $Q$ sukurto lauko stiprio modulis atstumu $r$ nuo jo vakuume: $$ E = k_0 \frac{|Q|}{r^2} $$ Jei krūvis $Q$ teigiamas, $\vec{E}$ nukreiptas nuo krūvio; jei neigiamas – į krūvį.
- Laukų superpozicijos principas: Jei lauką kuria keli taškiniai krūviai, tai suminis lauko stipris bet kuriame taške yra lygus atskirų krūvių sukurtų laukų stiprių vektorinei sumai: $$ \vec{E} = \sum_{i} \vec{E}_i = \vec{E}_1 + \vec{E}_2 + ... $$
- Elektrinio lauko linijos: Vaizdus būdas pavaizduoti elektrinį lauką. Tai linijos, kurių liestinės kiekviename taške sutampa su lauko stiprio $\vec{E}$ kryptimi. Linijos prasideda teigiamuosiuose krūviuose (arba begalybėje) ir ba...