1.1. Elektryczność statyczna

Kilkaset lat temu odkryto, że niektóre materiały po potarciu zyskują tajemniczą właściwość, która powoduje ich wzajemne przyciąganie. Jeśli na przykład potrzemy kawałkiem szkła o jedwabną szmatkę, to te dwa przedmioty zaczną się do siebie „przylepiać”. Okazało się nawet, że to przyciąganie działa także po oddaleniu od siebie obiektów.

Szkło i jedwab to nie jedyne znane materiały, które wykazują takie właściwości. Zjawisko to jest znane każdemu, kto kiedykolwiek otarł się o gumowy balon, który potem się do niego „przyczepiał”. Kolejną parą materiałów, między którymi dawni uczeni wykryli podobne siły przyciągania po potarciu, są wosk i wełna.

Jeszcze ciekawiej zrobiło się, kiedy odkryto, że dwa identyczne materiały potarte odpowiadającym im materiałem, zawsze się odpychają.

Ponadto zauważono, że kawałek szkła potarty jedwabną szmatką przyciągał kawałek wosku potarty wełnianą szmatką.

Później odkryto, że każdy materiał wykazujący właściwości przyciągające lub odpychające po potarciu można zaliczyć do jednej z dwóch kategorii: materiały przyciągane przez szkło i odpychane przez wosk lub materiały odpychane przez szkło i przyciągane przez wosk. Zawsze była tak albo tak — nie znajdowano materiałów, które byłyby przyciągane lub odpychane zarówno przez szkło, jak i wosk ani takich, które reagowałyby tylko na jeden z tych materiałów.

Skierowano więc większą uwagę na kawałki materiału używane do pocierania. Odkryto, że po potarciu dwóch kawałków szkła dwoma kawałkami jedwabiu, właściwości odpychające wobec siebie nawzajem wykazywały nie tylko kawałki szkła, ale też tkaniny. To samo zaobserwowano w przypadku wełny i wosku.

Spekulacje eksperymentatorów

To wydawało się bardzo dziwne. Przecież pocieranie nie powodowało żadnych widocznych zmian w pocieranych przedmiotach, a mimo to powodowało wyraźną zmianę ich zachowania. Uznano, że za te zmiany musi odpowiadać jakiś proces, który jest niewidoczny dla oka.

Niektórzy eksperymentatorzy spekulowali, że obiekty podczas pocierania przekazywały sobie jakiś rodzaj „fluidu” i że te „fluidy” w jakiś sposób generowały siłę fizyczną działającą na odległość. Jednym z pierwszych eksperymentatorów, którzy wykazali istnienie dwóch rodzajów zmian wywoływanych przez pocieranie pewnych par przedmiotów, był Charles Dufay. O tym, że badane materiały wykazywały dwa rodzaje zmian, świadczyło to, że obserwowano dwa typy siły: przyciąganie i odpychanie. Hipotetyczny fluid, który miał być przekazywany między materiałami, nazwano ładunkiem.

Jeden z pionierów badań w tym zakresie, Benjamin Franklin, doszedł do wniosku, że przedmioty wymieniają między sobą tylko jeden rodzaj fluidu, a różnica „ładunków” wynikała po prostu z tego, że w jednym przypadku występował jego nadmiar, a w drugim – niedobór. Po przeprowadzeniu eksperymentów z woskiem i wełną Franklin stwierdził, że szorstka wełna pozbawia części tego niewidocznego fluidu gładki wosk, czego efektem jest powstanie jego nadmiaru w wełnie i niedoboru w wosku. Powstała w ten sposób różnica w zawartości fluidu między wełną i woskiem wywołuje siłę przyciągającą, ponieważ fluid „próbuje” przywrócić poprzedni stan równowagi między materiałami.

Postulat istnienia „fluidu”, który był tracony lub zyskiwany w wyniku pocierania, bardzo dobrze tłumaczył wyniki obserwacji, że wszystkie materiały dzielą się na dwie kategorie, a przede wszystkim, że pocierane o siebie materiały zawsze trafiały do przeciwnych kategorii, czego dowodem jest ich wzajemne przyciąganie. Innymi słowy, żaden materiał w wyniku pocierania o inny materiał nigdy nie stawał się zarówno pozytywny i negatywny.

Na podstawie domysłów Franklina, że wełna w wyniku pocierania o inny materiał coś z niego „zabiera”, typ ładunku związany z pocieranym woskiem został nazwany „ujemnym” (ponieważ miał w nim występować niedobór fluidu), podczas gdy typ ładunku związany z wełną używaną do pocierania nazwano „dodatnim” (ponieważ miał w nim występować nadmiar fluidu). Gdyby Franklin wiedział, ile jego domysły narobiły kłopotów późniejszym studentom kierunków elektrycznych!

Precyzyjne pomiary ładunku elektrycznego

Precyzyjne pomiary ładunku elektrycznego zostały przeprowadzone przez francuskiego fizyka Charlesa Coulomba w latach 80. XVIII wieku. Do tego celu używał on urządzenia o nazwie waga skręceń , które mierzyło siłę powstającą między dwoma elektrycznie naładowanymi przedmiotami. Wyniki jego prac doprowadziły do powstania jednostki ładunku elektrycznego, która na cześć badacza została nazwana kulombem. Jeśli dwa obiekty punktowe (hipotetyczne przedmioty o zaniedbywalnie małej powierzchni) zostaną naładowane ładunkiem o wartości jednego kulomba i umieszczone w odległości metra od siebie, to wygenerują siłę o wartości około 9 miliardów niutonów, która w zależności od typu ładunków będzie miała charakter przyciągający lub odpychający. Z czasem obliczono, że jednostka ładunku elektrycznego kulomb (określająca natężenie siły generowanej między dwoma ładunkami punktowymi) oznacza nadmiar lub niedobór około 6 250 000 000 000 000 000 elektronów. Albo, patrząc na to z przeciwnej strony, jeden elektron ma ładunek wynoszący około 0,00000000000000000016 kulomba. Jako że elektron jest najmniejszym znanym nośnikiem ładunku elektrycznego, ta ostatnia liczba stanowi definicję ładunku elementarnego.

Odkrycie elektronów

Znacznie później odkryto, że ten „fluid” składa się z bardzo małych drobinek materii zwanych elektronami, których nazwa pochodzi od greckiego słowa oznaczającego bursztyn, który także wykazuje właściwości elektryczne po potarciu szmatką. Późniejsze eksperymenty dowiodły, że wszystko jest złożone z bardzo małych elementów zwanych atomami oraz że atomy składają się z jeszcze mniejszych elementów zwanych cząstkami. Trzy cząstki elementarne wchodzące w skład większości atomów nazywają się proton, neutron o elektron. Choć większość atomów składa się z protonów, neutronów i elektronów w różnych proporcjach, to nie każdy atom zawiera neutrony. Przykład stanowi izotop wodoru o nazwie prot (₁H¹) (Wodór-1), który jest najlżejszą i najczęściej występującą formą wodoru zawierającą tylko po jednym protonie i elektronie. Atomy są o wiele za małe, aby można je było obejrzeć, ale gdyby nam się to udało, zobaczylibyśmy coś w tym rodzaju:

Choć każdy atom materii stanowi zwięzłą jednostkę, w jego wnętrzu, między elektronami a protonami i neutronami umiejscowionymi na środku, znajduje się bardzo dużo pustego miejsca.

Ten model przedstawia atom węgla zawierający sześć protonów, sześć neutronów i sześć elektronów. Protony i neutrony w każdym atomie są ze sobą bardzo ściśle złączone, co jest bardzo ważną cechą. Ta ciasna zbitka protonów i neutronów w środku atomu nazywa się jądrem, a liczba protonów w jądrze atomu decyduje o rodzaju pierwiastka. Jeśli zmienimy liczbę protonów w jądrze atomu, to zmienimy jego typ. Gdybyśmy na przykład usunęli trzy protony z jądra atomu ołowiu, to spełnilibyśmy marzenie alchemików, ponieważ powstałby atom złota! Silne wiązanie protonów w jądrze odpowiada za stabilność pierwiastków chemicznych oraz za wieki niepowodzeń alchemików.

Neutrony mają znacznie mniejszy wpływ na właściwości chemiczne i typ atomu niż protony, ale jeśli chodzi o dodawanie i usuwanie z jądra, to stwarzają tyle samo problemów co protony. Dodanie neutronów do jądra nie spowoduje zmiany tożsamości chemicznej atomu, ale zmieni jego masę, w wyniku czego może on nabyć dziwnych właściwości jądrowych, takich jak radioaktywność.

Natomiast elektrony w atomie mają o wiele więcej swobody niż protony i neutrony. Można nawet wytrącać je z zajmowanych miejsc (a nawet całkiem poza atom!) i wystarczy do tego o wiele mniejsza energia niż byłaby potrzebna do dokonania tej samej sztuki z jądrem. Kiedy dojdzie do czegoś takiego, atom zachowuje swoją tożsamość chemiczną, ale powstaje pewna bardzo ważna nierównowaga. Elektrony i protony mają tę niezwykłą właściwość, że przyciągają się na odległość. To właśnie ta siła powoduje przyciąganie się przedmiotów, które w wyniku pocierania straciły lub nabyły pewną liczbę elektronów w swoich atomach.

Elektrony odpychają inne elektrony, podobnie jak protony odpychają inne protony. W jądrze atomu protony trzymają się razem tylko dlatego, że działa tam znacznie większa siła zwana oddziaływaniem silnym, która ma zasięg na bardzo małą odległość. Ze względu na te właściwości wzajemnego przyciągania i odpychania cząstek mówi się, że elektrony i protony mają przeciwne ładunki elektryczne. To znaczy, że każdy elektron ma ładunek ujemny, a każdy proton – dodatni. Jeśli liczba każdego rodzaju cząstek w atomie jest taka sama, to ich ładunki wzajemnie się niwelują do zera. Dlatego na ilustracji atomu węgla jest sześć elektronów: niwelują one elektryczny ładunek sześciu protonów znajdujących się w jądrze. Kiedy atom straci lub zyska dodatkowe atomy, pojawia się nierównowaga ładunku elektrycznego, w efekcie czego atom staje się „naładowany” i zaczyna wchodzić w interakcje z naładowanymi cząstkami i innymi znajdującymi się w pobliżu naładowanymi atomami. Neutrony nie są przyciągane ani odpychane przez elektrony, protony ani nawet inne neutrony i dlatego mówi się o nich, że są całkowicie pozbawione ładunku.

Napływ lub odpływ elektronów do atomu ma miejsce właśnie w czasie pocierania o siebie niektórych rodzajów materiału: elektrony z atomów jednego materiału zostaję zmuszone do opuszczenia swoich miejsc i przemieszczają się do atomów drugiego materiału. Innymi słowy, elektrony to składnik hipotetycznego „fluidu”, o którym mówił Benjamin Franklin.

Efektem nierównowagi ilości tego „fluidu” (elektronów) między przedmiotami jest tzw. elektryczność statyczna. Nazywamy ją „statyczną”, ponieważ elektrony przemieszczone z jednego materiału do innego pozostają nieruchome. W przypadku wosku i wełny dzięki dalszym eksperymentom stwierdzono, że to atomy wełny „oddają” elektrony atomom wosku, a więc w rzeczywistości jest dokładnie odwrotnie niż wyobrażał to sobie Franklin! Na cześć Franklina, który stwierdził, że ładunek wosku jest „ujemny”, a wełny „dodatni”, zwyczajowo mówi się, że elektrony mają ładunek „ujemny”. Dlatego o przedmiocie, którego atomy zawierają dodatkowe elektrony, mówi się, że jest ujemnie naładowany, a o przedmiocie, którego atomy mają niedobór elektronów, mówi się, że jest naładowany dodatnio, co stanowi oczywistą zmyłkę. Zanim odkryto prawdziwą naturę elektrycznego „fluidu”, wymyślone przez Franklina nazewnictwo dotyczące ładunków elektrycznych było już tak zakorzenione, że nie dało się go zmienić i dlatego posługujemy się nim do dziś.

Michael Faraday udowodnił w 1832 roku, że elektryczność statyczna to ta sama, którą wytwarzają baterie i generatory. Elektryczność statyczna często powoduje tylko problemy. Do czarnego prochu i prochu bezdymnego dodaje się grafit, aby zapobiec zapłonowi, który może wywołać statyczny ładunek elektryczny. Ponadto ładunek taki może uszkodzić delikatne obwody półprzewodnikowe. Choć istnieje możliwość skonstruowania silników zasilanych elektrycznością statyczną o wysokim napięciu i niskim natężeniu prądu, to jest to nieekonomiczne. Do nielicznych praktycznych zastosowań elektryczności statycznej można zaliczyć druk laserowy, filtry elektrostatyczne oraz generator wysokiego napięcia Van de Graaffa.

Powtórzenie

• Cała materia składa się z maleńkich „bloczków” zwanych atomami.
• Prawie wszystkie występujące w naturze atomy składają się z cząstek zwanych elektronami, protonami i neutronami. Wyjątkiem jest izotop wodoru o nazwie prot (₁H¹).
• Elektrony mają ujemny (-) ładunek elektryczny.
• Protony mają dodatni (+) ładunek elektryczny.
• Neutrony nie mają ładunku elektrycznego.
• Elektrony można wybić z atomów o wiele łatwiej niż protony i neutrony.
• Liczba protonów w jądrze atomu decyduje o tym, jaki to pierwiastek.