Elektros krūvis — kas tai, savybės ir Kulono dėsnis

Sužinokite, kas yra elektros krūvis, jo savybės, Kulono dėsnis, kibirkščių ir srovės priežastys — aiškiai paaiškinta su pavyzdžiais ir kasdieniais fenomenais.

Elektros krūvis yra viena iš pagrindinių elektronų, protonų ir kitų subatominių dalelių savybių. Elektronai turi neigiamą krūvį, o protonai – teigiamą. Daiktai, turintys priešingus krūvius, traukia vienas kitą, o turintys tokius pačius krūvius – atstumia. Dėl traukos tarp elektronų ir protonų susidaro atomai. Tokį krūvių elgesį aprašo krūvių dėsnis, kurį istorijoje tyrė ir aiškiai apibrėžė Šarlis Augustinas de Kulonas. Dėsnis, nurodantis, kaip stipriai krūviai traukia arba stumia vienas kitą, vadinamas Kulono dėsniu.

Kas tai reiškia praktiškai?

Daiktai, kuriuose yra tiek pat elektronų, kiek protonų, yra neutralūs. Jei elektronų yra daugiau nei protonų, daiktas įgauna neigiamą krūvį; jei elektronų mažiau – teigiamą. Kai elektronai juda iš vietos, kur jų yra per daug, į vietą, kur jų trūksta, tai vadinama elektros srove.

Kulono dėsnis (santykis tarp krūvių ir jėgos)

Kulono dėsnis nusako jėgą F tarp dviejų taškinio tipo krūvių q1 ir q2, esančių atstumu r vienas nuo kito. Formuliškai tai galima užrašyti taip: F = k · q1 · q2 / r², kur k yra Kulono konstanta (k ≈ 8,99×10^9 N·m²/C²) arba k = 1/(4πϵ0). Pagal šį dėsnį jėga didėja tiesiogiai proporcingai krūvių produktui ir mažėja kvadratiškai didėjant atstumui.

Krūvio vienetai ir kvantavimas

Elektros krūvio vienetas SI sistemoje yra kulonas (C). Vieno elemento (elektrono) krūvis yra labai mažas ir lygus maždaug 1,602×10−19 C (elementarus krūvis e). Tai reiškia, kad makroskopiniai krūviai visada sudaryti iš daugelio elementarių krūvių. Elektringumo apsaugos principas – krūvis yra išsaugomas: bendra uždaro sistemos krūvio suma nesikeičia.

Kaip daiktai įsikrauna ir išsikrauna

Daiktai gali įsikrauti keliais būdais:

• Trintimi (triboelektrinis efektas) – tarkime, kuomet žmogus šluosto kojas ant kilimo, pertrinties metu per vieną paviršių gali pereiti elektronai į kitą, todėl vienas objektas įgauna papildomų elektronų, o kitas juos netenka.
• Kontaktu – kai du objektai yra prisilietę, elektronai gali pasiskirstyti pagal potencialų skirtumą.
• Indukcija – įvedus įkrautą objektą šalia laidinančio, be tiesioginio kontakto laidininkas gali įgyti atitinkamą krūvių pasiskirstymą.

Iškrova, įtampa ir srovė

Jei susikaupia pakankamai krūvio skirtumas tarp dviejų vietų, elektronai gali „peršokti“ pro tarpą ir įvykti iškrova – pavyzdžiui, kibirkštis, kai žmogus, po trinties ant kilimo, liečia metalinę durų rankeną. Kibirkšties ilgis yra įtampos arba „elektrinio slėgio“ matas: didesnio įtampos skirtumo atveju kibirkštis gali būti ilgesnė. Per laiko vienetą iš vienos vietos į kitą judančių elektronų skaičius matuojamas kaip srovės stipris (ampere, A). Reikėtų pažymėti, kad tradicinis „konvencinis“ srovės krypties apibrėžimas yra priešingas elektronų judėjimui: srovė laikoma teka nuo teigiamo poliaus link neigiamo.

Realesni pavyzdžiai: statinė elektra ir žaibas

Statinis elektros smūgis nuo durų rankenos – tai dažnai kelias dešimtis tūkstančių voltų: elektros krūvis, kurį patiria žmogus, gavęs smūgį nuo durų rankenos ar kito daikto, paprastai būna nuo 25 tūkst. iki 30 tūkst. voltų. Tačiau tokios iškrovos dažniausiai labai trumpos, todėl elektros srovė pro žmogaus kūną būna labai maža ir nekelia rimtos žalos. Vis dėlto, kai kaupiasi krūvis atmosferoje, susidaro žaibas: debesys gali turėti kur kas didesnę įtampą ir labai didelį srovės stiprį. Tokiu atveju elektronai gali peršokti iš debesies į žemę (ar iš žemės į debesį) – jei srovė pereina per žmogų, toks elektros smūgis gali sukelti rimtus sužalojimus arba mirtį.

Kaip elektros smūgis veikia žmogų – saugos pastabos

Įtampa (voltai) pati savaime neatspindi pavojingumo – svarbiausia yra srovės stipris (kuris priklauso nuo įtampos, grandinės varžos ir iškrovos trukmės). Apytikslūs žmogaus kūno reakcijų ribiniai dydžiai (priklauso nuo sąlygų, tokie skaičiai yra orientaciniai):

• apie 1 mA – žmogus pradeda jausti dilgčiojimą;
• apie 5–20 mA – gali kilti raumenų spazmai, „negalėjimas paleisti“ laidininko;
• apie 30–50 mA – gali sutrikti kvėpavimas;
• virš ~100 mA – padidėja rizika širdies kompresinių sutrikimų (pvz., skilvelių virpėjimo).

Todėl net jei statinis smūgis dažniausiai būna saugus dėl trumpos trukmės ir mažo srovės kiekio, didesnės įtampos ir ilgiau trunkančios iškrovos – ypač žaibo atveju – yra pavojingos.

Papildomi svarbūs pastebėjimai

• Laidumai ir izoliatoriai: laidininkai (pvz., metalai) lengvai leidžia elektronams judėti, todėl krūvis gali greitai išsisklaidyti; izoliatoriai (pvz., stiklas, plastikas) sulėtina elektronų judėjimą ir leidžia atsirasti statiniam krūviui.
• Krūvio išsaugojimas: elektros krūvis negali „sugeneruoti“ ar „išnykti“ uždaroje sistemoje – jis gali tik pasiskirstyti ar būti perduotas.
• Praktinis pritaikymas: elektros krūvio supratimas yra svarbus kuriant elektros grandines, elektronikos įrenginius, apsaugos nuo statinės elektros sistemas ir žaibo apsaugą.

Trumpai tariant, elektros krūvis yra esminė fizikinė savybė, kuri lemia traukos ir atstūmimo jėgas tarp dalelių, o Kulono dėsnis suteikia matematinį pagrindą jėgų dydžio nustatymui. Praktikoje svarbu atskirti įtampą, srovę ir grandinės savybes, nes nuo jų priklauso ir poveikis žmogui bei prietaisams.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra elektros krūvis?

K: Kas atrado krūvių dėsnį?

K: Ką apibūdina Kulono dėsnis?

K: Kuo neutralūs objektai skiriasi nuo objektų, turinčių teigiamus arba neigiamus krūvius?

K: Kas atsitinka, kai du skirtingus krūvius turintys objektai liečiasi?

K: Kaip susidaro elektros srovė?

K: Kodėl elektros smūgis vienais atvejais gali būti pavojingas, o kitais - ne?

Paieška pagal raidę