2. osztály - Fizika

Elektromos töltésű testek kölcsönhatása

Az atom magból és atomhéjból áll. Az atommag protonokból (pozitív töltésűek) és neutronokból (semleges töltésűek) áll, amit nukleonnak nevezünk. Az atomhéj negatív töltésű elektronokból áll. A proton és az elektron töltése azonos nagyságú, de ellentétes előjelű.

Ha egy test elektromosan semleges, az azt jelenti, hogy benne a protonok és az elektornok száma megegyező. Egy test akkor válik negatív töltésűvé, ha elektrontöbblete van. A pozitív töltésű test elektronhiányt szenved.

A szilárd anyagokban (különösen a fémekben) mindig vannak úgynevezett szabad elektronok. Általában az atom legkülső elektronjai szabadulnak el, ezeket az atommag gyengébben köti, ezért szabad elektronoknak tekintjük őket. A testek „megelektromozása” történhet érintéssel vagy dörzsöléssel, és ilyenkor mindig a szabad elektronok jutnak az egyik testről a másikra. Az, hogy melyik test adja le (pozitív töltésűvé válik) és melyik veszi fel (negatív töltésűvé válik) az elektronokat, az anyagok természetétől függ.

A töltésmennyiség

A töltésmennyiség az elektronok többlete vagy hiánya egy testben, a semleges állapothoz viszonyítva, amikor az elektronok és a protonok száma megegyezik. A test elektromos töltésmennyisége a test elektromos állapotának a mértéke. Az elektromos töltés az elemi töltés egész számú többszöröse:

A képletben:

• q - a töltésmennyiség [C],
• n - az elektronok száma,
• e - az elemi töltés [C].

Az elektromos töltés mértékegysége a coulomb (ejtsd: kulon), rövidítve: C és az 1C = 6,24 * 10¹⁸e

Az elemi töltés coulomb-ban kifejezve: e = 1,620 * 10^-19 C

Az elektromos erő. Coulomb törvénye

A viszonylagos nyugalomban lévő pontszerű töltések között ható elektrosztatikus erő törvényét Coulomb francia fizikus fedezte fel 1785-ben. Coulomb törvénye a következőképpen hangzik:

A két nyugvó pontszerű vagy gömb alakú töltés között ható elektrosztatikus erő egyenesen arányos a töltések szorzatával, és fordítottan arányos a közöttük lévő távolság négyzetével.

Az erő hatásvonala a töltéseket összekötő egyenes szakaszon van, és mindkét töltésre ugyanakkora, csak ellentétes irányú erő hat (akció-reakció):

A képletben:

• ε₀ – a vákúum dielektrikus permitivitása, melynek az értéke ε₀ = 8,85*10^-12 C²/Nm²
• q₁ i q₂ - az adott testek töltésmennyisége
• r - a testek közötti távolság.

Az erő vonzó lessz amennyiben a testek töltése ellentétes (az egyik pozitív a másik negatív töltésű). Az erő taszító lessz amennyiben a töltések egyforma előjelűek (mindkét test töltése pozitív, vagy mindkét test negatív töltésű).

A gravitációs erőkkel ellentétben az elektromos erők nagyon függenek a közegtől is melyben a testek vannak. A relatív permitivitás ε egy nevezetlen szám, amely megmutatja, hogy e bizonyos közeg a vákuumhoz képest hányszor csökkenti az elektrosztatikus erő értékét. A relatív permitivitás az anyagok tulajdonsága.

ε = ε₀ * ε_r

Az elektromos mező

Ahogy minden testet körülvesz egy gravitációs mező, ugyanúgy a nyugvó töltéseket is körülveszi egy elektromos (elektrosztatikus) mező. Az elektromos mező közvetíti az erőt a másik töltéshez, ha az elektromos mező „forrását” képző töltés közelébe kerül. Az elektromos erő lehet pozitív vagy negatív.

Az elektromos mező, a gravitációs mezőhöz hasonlóan kitölti a teret a test körül, és ez specifikus fizikai változásokat okoz. Az elektromos mezőnél a töltés a meghatározó tényező, míg a gravitációs mezőnél a tömeg.

Az elektromos mező ábrázolására erővonalak szolgálnak. Az erővonalak konvencionálisan (megegyezés alapján) a pozitív töltésből erednek, és a negatívba torkollanak.

Az elektromos mezőt a gravitációs mezőhöz hasonlóan két fizikai mennyiség jellemzi: az elektromos térerősség és az elektromos mező potenciálja.

Az elektromos térerősség

Az elektromos térerősség fizikai érték mely egyenlő az elektromos erő és a töltésmennyiség hányadosával. Az elektromos térerő vektoriális érték.

Az elektromos térerő értéke:

Az elektromos térerősség és az elektromos potenciál

Az elektromos térerősség a közegtől függ melyben a töltések találhatók. Arányos a testek töltésmennyiségeivel és csökken a testek taávolsága növekedésével.

Az elektromos munka és az elektromos feszültség

Amennyiben egy q próbatöltés az elektromos térerősség hatássára elmozdul egyik pontból a másikba, bizonyos munka lesz elvégezve.

Egy "Q" töltésű test elektromos mezőjének a potenciálja az "r" pontban a vákúumban:

Az elektromos potenciált kis Görog φ (fi) betűvel jelölik.

Az elektromos potenciál mértékegysége volt 1V = 1J/1C.

Az elektromos mező két pontja közötti feszültség a két pont potenciáljának a különbsége.

U = φ₂ - φ₁

Ugyanúgy, az elektromos mező két pontja közötti feszültség megegyezik e elektromos mező munkájával egy pozitív próbatöltés áthelyezésével a mező egyik pontjából a másikba.