Η ύλη έχει μία φυσική ιδιότητα που την συνδέουμε με ένα φυσικό μέγεθος που το ονομάζουμε ηλεκτρικό φορτίο. Λέμε ότι δύο σώματα είναι ηλεκτρικά φορτισμένα όταν μεταξύ τους αναπτύσσονται δυνάμεις και έτσι αλληλεπιδρούν. Δηλαδή για να καταλάβουμε ότι δύο σώματα έχουν ηλεκτρικό φορτίο μπορούμε να μετρήσουμε τις ηλεκτρικές δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ τους.
Υπάρχουν δύο είδη φορτίου: το θετικό και το αρνητικό.
Όταν δύο σώματα έχουν ίδιο είδος φορτίου (θετικό-θετικό) ή (αρνητικό-αρνητικό) τότε απωθούνται, ενώ όταν έχουν αντίθετο είδος φορτίου (θετικό-αρνητικό) τότε έλκονται.
Ορίζουμε ως θετικό το φορτίο που είναι ίδιο με αυτό που θα αποκτήσει μία γυάλινη ράβδος που θα την τρίψουμε με ένα μεταξωτό ύφασμα.
Το ηλεκτρικό εκκρεμές αποτελείται από ένα μπαλάκι φελιζόλ και ένα νήμα. Έχουμε δέσει το ένα άκρο του νήματος στο μπαλάκι και το άλλο σε ένα σταθερό σημείο. Αν πλησιάσουμε ένα ηλεκτρισμένο σώμα, τότε το εκκρεμές έλκεται από το σώμα. Το ηλεκτρικό εκκρεμές δεν επηρεάζεται από άλλου είδους δυνάμεις παρά μονάχα από τις ηλεκτρικές π.χ. δεν επηρεάζεται από την μαγνητική δύναμη.
Το ηλεκτρικό φορτίο είναι κβαντισμένο, δηλαδή το βρίσκουμε σε ακέραια πολλαπλάσια μία ελάχιστης ποσότητας που ονομάζεται κβάντο ηλεκτρικού φορτίου και είναι ίση με το φορτίο του ενός ηλεκτρονίου (`abs{:q_e:}=1,6 cdot 10^{: -19 :}C`). Στην γλώσσα των μαθηματικών γράφουμε:
| `Q=N cdot q_e` | (1) |
|---|
Όπου `Q` είναι το συνολικό φορτίο που έχει μία ομάδα από Ν ηλεκτρόνια.
Βρίσκουμε το ολικό φορτίο δύο ή περισσότερων σωμάτων εάν προσθέσουμε αλγεβρικά (δηλαδή με το πρόσημό τους) τα επιμέρους φορτία.
Ισχύει η αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου που μας λέει ότι το συνολικό φορτίο στην φύση είναι σταθερό. Επομένως το ηλεκτρικό φορτίο μπορεί μόνο να μεταφέρεται από σώμα σε σώμα και δεν μπορεί να δημιουργηθεί εκ του μηδενός ή να καταστραφεί.
Μπορεί να μεταφερθεί κάθε είδους φορτίο από ένα σώμα σε ένα άλλο αλλά στα πλαίσια αυτών των ασκήσεων θα μεταφέρουμε μόνο αρνητικά ηλεκτρόνια.
Μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου στο S.I. είναι το 1C (1 Coulomb) προς τιμή του Γάλου Φυσικού Σαρλ Coulomb, ο οποίος εγκατέλειψε την στρατιωτική του σταδιοδρομία και έθεσε τις πειραματικές βάσεις του μαγνητισμού και του ηλεκτρισμού.
Φορτίο ίσο με 1C είναι ένα πάρα πολύ μεγάλο φορτίο, συνήθως ασχολούμαστε με φορτία της τάξεως του `1 nC=1 cdot 10^{: -9 :}C` (νανοΚουλομπ) και στις ασκήσεις με `1 μC= 1 cdot 10^{: -6 :}C` (μικροΚουλομπ).
Το ηλεκτρικό φορτίο το μετράμε με την βοήθεια της ηλεκτρικής δύναμης. Η έννοια αυτή διατυπώνεται μέσα από τον νόμο του Coulomb:
Το μέτρο της ηλεκτρικής δύναμης `( F )` που με την οποία αλληλεπιδρούν δύο σημειακά φορτία (`q_1` και `q_2`) είναι ανάλογο του γινομένου των φορτίων και αντιστρόφως ανάλογο του τετραγώνου της μεταξύ τους απόστασης (`r`).
Στην γλώσσα των μαθηματικών γράφουμε:
| `F=K {: {:q_1 cdot q_2:}/{:r^2:} :}` | (2) |
|---|
Το Κ είναι μία σταθερά αναλογία που ονομάζεται ηλεκτρική σταθερά και η τιμή της εξαρτάται από το σύστημα μονάδων και από το υλικό μέσα στο οποίο είναι τοποθετημένα τα δύο φορτία. Στο S.I. για το κενό έχει τιμή `Κ=9 cdot 10^{: 9 :} {:N m^2:}/{:C^2:} `.
Στον τύπο την δύναμη στο S.I. την μετράμε σε Ν (Newton), το φορτίο σε C (Coulomb) και την απόσταση σε m (μέτρα).
Η δομή του ατόμου σύμφωνα με του Ernerst Ratherford, Niels Bohr και άλλων έχει ως εξής:
Κάθε άτομο έχει ένα πολύ μικρό πυρήνα με θετικό φορτίο και γύρω περιστρέφονται αρνητικά ηλεκτρόνια. Μεταξύ πυρήνα και ηλεκτρονίων έχουμε δυνάμεις έλξης ενώ μεταξύ των ηλεκτρονίων απωστικές δυνάμεις.
Όλα τα ηλεκτρόνια είναι ίδια και έχουν ίδια μάζα και ίδιο αρνητικό φορτίο μεταξύ τους.
Ο πυρήνας είναι σύνθετος και αποτελείται από δύο ειδών σωματίδια: Τα θετικά πρωτόνια και τα ουδέτερα νετρόνια (ουδετερόνια). Όλα τα πρωτόνια είναι ίδια μεταξύ τους. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν σχεδόν ίσες μάζες (η μάζα του νετρονίου είναι ελαφρώς μεγαλύτερη).
Τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια έχουν αντίθετο φορτίο.
Στα ουδέτερα άτομα ο συνολικός αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με των αριθμό των ηλεκτρονίων του.
Τα θετικά ιόντα (κατιόντα) είναι τα άτομα που έχουν χάσει ηλεκτρόνια και έτσι το συνολικό τους φορτίο είναι θετικό, ενώ τα αρνητικά ιόντα (ανιόντα) έχουν προσλάβει ηλεκτρόνια και το συνολικό τους φορτίο είναι αρνητικό. Για να φορτιστεί ένα άτομο πρέπει να γίνει μεταφορά ηλεκτρονίων. Στα πλαίσια αυτής της ύλης δεν επιτρέπεται να γίνει μεταφορά πρωτονίων.
Για να φορτίσουμε ένα άτομο (ή ένα σώμα) πρέπει να ξοδέψουμε ενέργεια η οποία μεταφέρεται και αποθηκεύεται στο φορτισμένο σώμα με την μορφή της ηλεκτρικής ενέργειας.
Αγωγός είναι ένα υλικό που επιτρέπει την ελεύθερη διέλευση των ηλεκτρονίων στο εσωτερικό του. Αγωγοί είναι τα μέταλλα. Τα άτομα των αγωγών έχουν χάσει τα εξωτερικά τους ηλεκτρόνια και έχουν μετατραπεί σε θετικά ιόντα, τα οποία ταλαντώνονται γύρω από σταθερές θέσεις. Τα ηλεκτρόνια που χάνουν ισοκατανέμονται σε όλη την έκταση του αγωγού και μπορούν να κινηθούν ελεύθερα σε οποιοδήποτε σημείο. Σε αυτή την περίπτωση ο αγωγός στο σύνολό του είναι ηλεκτρικά ουδέτερος. Αν εισάγουμε άλλα επιπλέον ηλεκτρόνια στον αγωγό, τότε και αυτά θα ισοκατανεμηθούν σε όλη την έκτασή του. Ο αγωγός φορτίζεται συνολικά αρνητικά. Αν βγάλουμε κάποια από τα ελεύθερα ηλεκτρόνιά του, τότε φορτίζεται θετικά.
Μονωτής είναι ένα υλικό που δεν επιτρέπει την ελεύθερη διέλευση των ηλεκτρονίων. Δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα άτομά του είναι ουδέτερα. Τα άτομά του μπορούν να πολωθούν αν ασκήσουμε μικρές σχετικά δυνάμεις με την μέθοδο της επαγωγής. Αν ασκήσουμε μεγαλύτερες δυνάμεις με την μέθοδο της τριβής, τότε φεύγουν ηλεκτρόνια από τα άτομα που βρίσκονται κοντά στο σημείο επαφής ή έρχονται ηλεκτρόνια και παραμένουν δέσμια στο σημείο επαφής. Βλέπε τρόπους ηλέκτρισης.
Η ηλέκτριση ενός σώματος μπορεί να γίνει με τρεις τρόπους: (α) με τριβή, (β) με επαφή και (γ) με επαγωγή.
Οι έννοιες της ηλέκτρισης και της φόρτισης δεν είναι ταυτόσημες. Υπάρχει μία μικρή διαφορά.
Ηλεκτρισμένο είναι ένα σώμα που αποκτά την ιδιότητα της δύναμης και αυτό μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: (α) λόγω μετακίνησης ηλεκτρονίων από ή προς αυτό και να μεταβληθεί έτσι το συνολικό του φορτίο ή (β) λόγω μη συμμετρικής κατανομής των θετικών και αρνητικών φορτίων ενώ το συνολικό φορτίο είναι μηδέν. Βλέπε στο σχολικό βιβλίο σελίδα 11.
Φορτισμένο είναι ένα σώμα που το συνολικό του φορτίο είναι μη μηδενικό.
Στην εικόνα 1.21 στην σελίδα 19 του σχολικού βιβλίου η σφαίρα είναι φορτισμένη γιατί έχει συνολικό φορτίο διαφορετικό του μηδενός αλλά και ηλεκτρισμένη γιατί εν δυνάμει μπορεί να ασκήσει ηλεκτρικές δυνάμεις, ενώ η ράβδος δεν είναι φορτισμένη γιατί το συνολικό της φορτίο είναι μηδέν αλλά είναι ηλεκτρισμένη γιατί τα δύο άκρα της εμφανίζουν ηλεκτρικές ιδιότητες.
Επομένως ένα φορτισμένο σώμα είναι και ηλεκτρισμένο αλλά ένα ηλεκτρισμένο δεν είναι φορτισμένο.
Για να ηλεκτρίσουμε ένα σώμα με τριβή αρκεί να το τρίψουμε με ένα άλλο π.χ. τρίβουμε μία πλαστική ράβδο με ένα μάλλινο ύφασμα (και τα δύο σώματα είναι μονωτές), τότε τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων του πλαστικού κινούνται προς μαλλί. Έτσι η ράβδος φορτίζεται θετικά (έλλειψη ηλεκτρονίων) και το μαλλί αρνητικά (πρόσληψη ηλεκτρονίων). Τα ηλεκτρόνια κινούνται σύμφωνα με τα είδη των υλικών που τρίβουμε (βλέπε τον πίνακα 1.2 του σχολικού βιβλίου στην σελίδα 17). Τα σώματα αποκτούν αντίθετα φορτία σύμφωνα με την αρχή διατήρησης του φορτίου. Τα φορτία παραμένουν στο σημείο όπου έγινε η τριβή.
Για να ηλεκτρίσουμε ένα σώμα με επαφή αρκεί να ακουμπήσουμε το αφόρτιστο σώμα με ένα φορτισμένο. Τότε το αφόρτιστο αποκτά το ίδιο είδος φορτίου με το φορτισμένο και σύμφωνα με την αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου: Το άθροισμα των φορτίων που αποκτούν δύο σώματα τελικά είναι ίσο με το φορτίο που είχαν τα δύο σώματα αρχικά.
Για να ηλεκτρίσουμε ένα αφόρτιστο σώμα με επαγωγή αρκεί να πλησιάσουμε ένα φορτισμένο σώμα κοντά στο αφόρτιστο. Τότε στο αφόρτιστο γίνεται ανακατανομή ηλεκτρονίων αλλά το συνολικό του φορτίο είναι μηδέν (ηλεκτρισμένο και όχι φορτισμένο).
Σε περίπτωση που το αφόρτιστο σώμα είναι αγωγός τότε τα αντίθετα φορτία ανακατανέμονται αντιδιαμετρικά στα φυσικά άκρα του αγωγού, αφού τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν ελεύθερα και στο ένα άκρο δημιουργούν πλεόνασμα ηλεκτρονίων και στο άλλο έλλειμμα.
Στην περίπτωση που το αφόρτιστο σώμα είναι μονωτής τότε τα μόρια πολώνονται. Όταν ένα μόριο πολώνεται, το νέφος των ηλεκτρονίων δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένο γύρω από τον πυρήνα αλλά μετατοπίζεται προς την μία πλευρά. Αυτό δημιουργεί ανισοκατανομή του ηλεκτρικού φορτίου μέσα στο μόριο που τώρα μοιάζει με ελλειψοειδές που η μία του πλευρά είναι θετική και η άλλη του αρνητική.