Τρόποι ηλέκτρισης και η μικροσκοπική ερμηνεία

 Τρόποι ηλέκτρισης

Α) Ηλέκτριση με τριβή

Στο άτομο τα πιο απομακρυσμένα από τον πυρήνα ηλεκτρόνια  λέγονται εξωτερικά ηλεκτρόνια. Είναι αυτά που μπορούν να αποσπαστούν σχετικά εύκολα από το άτομο.

Δεν απαιτείται δηλαδή πολύ ενέργεια.

Όταν τρίβουμε μια γυάλινη ράβδο με μεταξωτό ύφασμα, η ράβδος αποκτά θετικό φορτίο, ενώ το ύφασμα αρνητικό.
Αυτό συμβαίνει επειδή εξωτερικά ηλεκτρόνια από άτομα του γυαλιού μετακινούνται στο ύφασμα. Έτσι η γυάλινη ράβδος φορτίζεται θετικά και το ύφασμα αρνητικά.

Γιατί δεν μετακινούνται εξωτερικά ηλεκτρόνια από το ύφασμα στο γυαλί;
Τα άτομα διαφορετικών υλικών είναι διαφορετικά μεταξύ τους.
Τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων του υφάσματος συγκρατούνται με ισχυρότερες δυνάμεις απ’ ό,τι εκείνα του γυαλιού. Έτσι απαιτείται λιγότερη ενέργεια για να φύγουν ηλεκτρόνια από το γυαλί προς το ύφασμα απ’ ό,τι αντίστροφα.

Κατά την ηλέκτριση με τριβή λόγω της ισχύος της αρχής διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου προκύπτει ότι τα δύο σώματα που τρίβονται αποκτούν ίσα και αντίθετα φορτία.

 

 Β) Ηλέκτριση με επαφή

Όταν αγγίξουμε με ένα φορτισμένο σώμα ένα άλλο ηλεκτρικά ουδέτερο, το δεύτερο αποκτά φορτίο ίδιου είδους με το φορτισμένο.

Αν το φορτισμένο σώμα έχει αρνητικό φορτίο,  όταν έρχεται σε επαφή με το αφόρτιστο μερικά από τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια, επειδή απωθούνται μεταξύ τους, μετακινούνται προς το δεύτερο σώμα και έτσι φορτίζεται και αυτό αρνητικά.

Αν το φορτισμένο σώμα έχει θετικό φορτίο, τότε έχει έλλειμμα ηλεκτρονίων. Έτσι κατά την επαφή των δύο σωμάτων μερικά ηλεκτρόνια του ουδέτερου σώματος μετακινούνται προς το θετικά φορτισμένο σώμα. Έτσι έχει τώρα και αυτό έλλειμμα ηλεκτρονίων οπότε φορτίζεται θετικά.

Κατά την ηλέκτριση με επαφή ισχύει η αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου: Το άθροισμα των φορτίων που αποκτούν τα δύο σώματα τελικά είναι ίσο με το φορτίο που αρχικά είχε το ένα.

   

 

Αγωγοί και μονωτές

Ηλεκτρικοί αγωγοί  ονομάζονται τα σώματα που επιτρέπουν το διασκορπισμό του ηλεκτρικού φορτίου σε όλη τους την έκταση.

Όλα τα μέταλλα είναι αγωγοί. Ο σίδηρος, ο χαλκός, το αλουμίνιο, ο υδράργυρος, ο μόλυβδος είναι μέταλλα. Είναι όλα τους αγώγιμα υλικά.

Ηλεκτρικοί μονωτές ονομάζονται τα σώματα στα οποία το φορτίο δεν διασκορπίζεται, αλλά παραμένει εντοπισμένο στην περιοχή του σώματος που φορτίσαμε.

Παραδείγματα μονωτικών υλικών είναι το πλαστικό, το γυαλί, το καουτσούκ, ο εβονίτης, η πορσελάνη, το κερί, το ξύλο και το καθαρό νερό.
Ο ξηρός αέρας είναι μονωτής, ενώ ο υγρός αέρας είναι αγωγός. 

Σ’ ένα μέταλλο, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων συγκρατούνται τόσο χαλαρά
από τους πυρήνες ώστε διαφεύγουν και κινούνται ελεύθερα σε όλη την έκταση
του μετάλλου. Γι’ αυτό ονομάζονται ελεύθερα ηλεκτρόνια.
Τα άτομα του μετάλλου, αφού έχουν χάσει τα εξωτερικά τους ηλεκτρόνια,
έχουν μετατραπεί σε θετικά ιόντα.
Τα θετικά ιόντα,  έχουν μεγάλη μάζα και δεν μπορούν να κινηθούν ελεύθερα.
Κάνουν μικρές κινήσεις γύρω από συγκεκριμένες θέσεις. 

Σ’ ένα αφόρτιστο μεταλλικό σώμα το ολικό αρνητικό φορτίο
των ελεύθερων ηλεκτρονίων του είναι ίδιο με το ολικό θετικό φορτίο
των θετικών ιόντων του,  έτσι ο μεταλλικός αγωγός  είναι ηλεκτρικά ουδέτερος.
Αν προσληφθούν ή αποβληθούν ηλεκτρόνια από μια περιοχή του μεταλλικού αγωγού,
τότε λόγω της τυχαίας κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων αυτό το πλεόνασμα
ή το έλλειμμα θα κατανεμηθεί ομοιόμορφα σε όλη την έκταση του αγωγού
κι έτσι ο μεταλλικός αγωγός θα είναι φορτισμένος.

 

Στους μονωτές τα εξωτερικά ηλεκτρονια των ατόμων συγκρατούνται ισχυρά από τους πυρήνες. Έτσι δεν μπορούν να μεταφέρονται εύκολα από τη μία περιοχή του σώματος στην άλλη. Αν προσληφθούν ηλεκτρόνια, αυτά θα παραμείνουν παγιδευμένα από τα άτομα στην περιοχή της φόρτισης.
Αν αποβληθούν, το έλλειμμα των ηλεκτρονίων θα παραμείνει πάλι εντοπισμένο

αφού δεν είναι δυνατή η μετακίνηση ηλεκτρονίων από άλλες περιοχές.

   

Το ηλεκτροσκόπιο

Είναι όργανο που χρησιμοποιείται για την ανίχνευση του ηλεκτρικού φορτίου.

Ένα παράδειγμα ηλεκτροσκοπίου είναι το ηλεκτρικό εκκρεμές.
Ένα άλλο είδος είναι το ηλεκτροσκόπιο με κινητά φύλλα.
Αυτό αποτελείται από ένα σταθερό μεταλλικό δίσκο, ένα μεταλλικό στέλεχος και από ένα ή δύο κινητά ελαφρά μεταλλικά ελάσματα.

Γ) Ηλέκτριση με επαγωγή

Όλα τα μεταλλικά αντικείμενα μπορούν να ηλεκτριστούν με επαγωγή.
Αν πλησιάσουμε (χωρίς να φέρουμε σε επαφή) μια θετικά φορτισμένη σφαίρα στο άκρο μιας μεταλλικής μη ηλεκτρισμένης ράβδου θα διαπιστώσουμε με τη βοήθεια ηλεκτροσκοπίου ότι και τα δύο άκρα της ράβδου απέκτησαν ηλεκτρικό φορτίο.

 Η μεταλλική ράβδος μένει ηλεκτρισμένη όσο η φορτισμένη σφαίρα βρίσκεται κοντά της. Η παρουσία της σφαίρας προκαλεί διαχωρισμό των θετικών από τα αρνητικά φορτία στη ράβδο. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ηλέκτριση με επαγωγή. Η ράβδος όμως δεν έχει συνολικά ηλεκτρικό φορτίο. Λέμε λοιπόν ότι η μεταλλική ράβδος είναι ηλεκτρισμένη, ενώ δεν είναι φορτισμένη. 

Όταν πλησιάζουμε στο άκρο Α της μεταλλικής ράβδου τη φορτισμένη σφαίρα,
τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μετάλλου της ράβδου έλκονται
και κινούνται προς το άκρο Α. Τα θετικά ιόντα δεν μετακινούνται.
Στο άκρο Α της ράβδου έχουμε πλεόνασμα ελεύθερων ηλεκτρονίων, οπότε φορτίζεται αρνητικά.
Από το άκρο Β έχει μετακινηθεί σημαντικός αριθμός ηλεκτρονίων και πλεονάζει το θετικό φορτίο των ιόντων. Το άκρο Β έχει φορτιστεί θετικά.
Η ράβδος είναι ηλεκτρισμένη.

Όταν απομακρύνουμε τη φορτισμένη σφαίρα από το άκρο Α της ράβδου, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια  κατανέμονται πάλι ομοιόμορφα.  Η ράβδος δεν είναι πλέον ηλεκτρισμένη.

Με επαγωγή ηλεκτρίζονται οι αγωγοί και οι μονωτές.
Έτσι εξηγείται γιατί μία φορτισμένη χτένα έλκει μικρά κομμάτια χαρτί , γιατί ένα φορτισμένο μπαλόνι κολλάει στον τοίχο κ.λπ.
Τα ηλεκτρόνια στα άτομα των μονωτών πολύ δύσκολα απομακρύνονται από αυτά.

Όταν πλησιάσουμε μια αρνητικά φορτισμένη χτένα σ’ ένα μονωτή,
για παράδειγμα στα κομματάκια από χαρτί, αυτή απωθεί τα ηλεκτρόνια
των ατόμων, αλλά δεν μπορεί να τα απομακρύνει από αυτά.

 Έτσι τα αναγκάζει να βρίσκονται τον περισσότερο χρόνο στην περιοχή του ατόμου που βρίσκεται σε μεγαλύτερη απόσταση από τη χτένα.
Το άτομο ή το μόριο φαίνεται τώρα από τη μία άκρη του θετικά φορτισμένο και από την άλλη αρνητικά. Τότε λέμε ότι είναι πολωμένο.

Ο προσανατολισμός των ατόμων ή των μορίων με τον παραπάνω τρόπο στο εσωτερικό του μονωτή έχει ως αποτέλεσμα στο ένα άκρο του (το πλησιέστερο στη χτένα) να εμφανίζεται θετικό φορτίο και στο άλλο άκρο αρνητικό.

Αν απομακρύνουμε τη χτένα, τα άτομα ή τα μόρια επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση και τότε ο μονωτής παύει να είναι ηλεκτρισμένος.