Początki elektryczności, prawa i ich twórcy

Historia nauki o elektryczności szóstego wieku przed nasza erą . Wtedy to żył Tales, który zaobserwował, że potarty kawałek bursztynu przyciąga źdźbła trawy.

Dużo później bo dopiero w osiemnastym wieku dokonano podziału ładunku na ładunki dodatnie i ładunki ujemne. O ich istnieniu każdy nie raz przekonał się osobiście. Mianowicie jeśli dwie pałeczki wykonane ze szkół pocierane są jedwabiem wtedy obserwuje się ich wzajemne odpychanie. Natomiast tak samo potraktowana pałeczka szklana będzie przyciągana przez pałeczkę wykonaną z plastiku , która została wcześniej potarta kawałkiem futerka. Z kolei dwie plastikowe pałeczki będą się odpychały. Jedyne wytłumaczenie tego zjawiska jest takie, że w trakcie pocierania na pałeczkach powstają ładunki elektryczne, które mogą na siebie oddziaływać. Ponieważ raz się przyciągają a raz odpychają zatem musza mieć różną naturę. Po raz pierwszy nazwał te ładunki Benjamin Franklin. Te ładunki, które gromadzą się na szkle zostały nazwane ładunkami dodatnimi, natomiast te gromadzące się na plastiku otrzymały nazwę ładunków ujemnych. Z doświadczenia wiemy, ze ładunki o tych samych znakach będą zawsze się odpychały , natomiast ładunki o różnych znakach będą się przyciągały.

Benjamin Franklin - żył w latach 1706 - 1790. Był uczonym, filozofem i politykiem amerykańskim. Był pierwszym amerykańskim fizykiem. Interesował się m.in. zjawiskiem elektryczności. Przez wiele lat zajmował się badaniem natury pioruna i jako pierwszy wykazał, że piorun to nic innego jak zjawisko elektryczne zachodzące w atmosferze. Skonstruował piorunochron, który w niedługim czasie wszedł do powszechnego użytku. Uchodzi także za konstruktora wielu innych wynalazków, m.in. fotela bujanego i okularów dwuogniskowych.

Generalnie wszystkie ciała można podzielić na przewodniki i izolatory. I tak np. ciało ludzkie , ziemia oraz metale charakteryzują się dobrą przewodnością elektryczną . Zostały one zatem nazwane przewodnikami. Natomiast drugi rodzaj ciał to izolatory. Należy do nich np. szkło.

Przewodniki mają taką budowę, że ładunki mogą się w nich swobodnie przemieszczać. W izolatorach natomiast ładunki są unieruchomione. Liczne doświadczenia wykazały, że możliwość swobodnego ruchu w przewodnikach metalicznych dotyczy tylko ładunków ujemnych czyli elektronów. Ładunki dodatnie natomiast są unieruchomione podobnie jak w izolatorach. Tak więc faktycznymi nośnikami ładunku w przewodnikach są tzw. elektrony swobodne. Pozwala na to specyficzna budowa metali. Podczas łączenia się atomów w metal najbardziej zewnętrzne elektrony nie są już związane z poszczególnymi atomami, ale mają swobodę ruchu w całej objętości metalu.

Inaczej sytuacja przedstawia się w elektrolitach. Tam mogą przemieszczać się zarówno ładunki ujemne jak i dodatnie.

Wyróżnia się także ciała, które pod względem przewodnictwa wykazują cechy pośrednie między przewodnikami i izolatorami. Są to tzw. półprzewodniki. Należą do nich np. german czy krzem.

Pojęcie "sił elektrycznych " zostało wprowadzone do terminologii naukowej w szesnastym wieku. Natomiast dopiero dwa wieki później uczony o nazwisku Coulomb dokonał pomiaru wielkości tychże sił. Sformułował także prawo , które opisuje oddziaływanie między dwoma ładunkami.

Charles Augustin Coulomb - żył w latach 1736 - 1806. Był francuskim fizykiem. Początkowo poświęcił się karierze wojskowej. Jednak od roku 1773 zajmował się tylko badaniami naukowymi. Początkowo pasjonował się mechaniką stosowaną. Prowadził badania nad wytrzymałością materiałów. Później zajął się badaniami nad zjawiskiem sił elektrycznych.

W 1785 roku sformułował słynne prawo Coulomba, natomiast później doprowadził do rozwinięcia teorii elektryzowania powierzchniowego przewodników. Do jego odkryć należy także zjawisko ekranowania elektrycznego. Coulomb wprowadził także do terminologii naukowej pojęcie momentu magnetycznego.

Badania , które doprowadziły Coulomba do sformułowania podstawowego prawa elektrostatyki prowadzone były z użyciem wagi skręceń. W urządzeniu tym dochodzi do gromadzenia się ładunków na dwóch kulkach zawieszonych na nici. I tak w momencie gdy obie kulki były naładowane to siła , która działała na jedną z kulek dążyła do skręcenia nici w tej wadze . Wtedy Coulomb obracał nici o taki kąt, aby zniwelować to skręcenie i aby kulki ciągle znajdowały się w takiej samej odległości od siebie.

Kąt ten można zatem uważać za miarę siły , która działała na ten ładunek. Coulomb doszedł wiec do wniosku, że siła która działała między dwoma ładunkami znajdującymi się w odległości r od siebie jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu tej odległości. Te działające miedzy ładunkami siły mają taki sam kierunek lecz przeciwne zwroty. Siła ta zależy także oczywiście od wartości tych ładunków. Ostatecznie wiec prawo Coulomba można zapisać w postaci równania:

Wielkości i pojawiające się w tym wzorze oznaczają odpowiednio przenikalność elektryczną próżni i przenikalność elektryczną ośrodka. Wartości przenikalności elektrycznej są różne dla różnych ośrodków. I tak np. dla parafiny współczynnik ten wynosi 2, dla szkła 10 , a dla wody aż 81.

Prawo Coulomba jest słuszne tylko dla takich obiektów obdarzonych ładunkiem elektrycznym, których rozmiary są małe w porównaniu z odległością między nimi.

Jednostka ładunku elektrycznego w układzie SI jest określana przy pomocy jednostki natężenia prądu elektrycznego czyli 1 ampera. I tak 1 kulomb jest równy ładunkowi, który przepływa przez poprzeczny przekrój przewodnika w czasie 1 sekundy pod warunkiem, że w przewodniku tym płynie prąd o natężeniu 1 ampera.

W sytuacji gdy występują więcej niż dwa ładunki wtedy sumaryczna siła działająca na ładunek w danym punkcie znajduje się sumując wektorowo siły dwuładunkowe.

W wieku osiemnastym jeszcze ładunek elektryczny wyobrażano sobie jako coś w rodzaju płynu. Późniejsze badania wykazały , że ładunek elektryczny zawsze jest wielokrotnością pewnej minimalnej wartości ładunku nazwanego ładunkiem elementarnym. Ładunek elementarny ma wartość : e = . I tak każdy ładunek elektryczny można zapisać jako iloczyn ne gdzie n jest dodatnią lub ujemną liczba całkowitą. Mówi się zatem, że ładunek jest wielkością kwantowaną.

Prawo Coulomba poprawnie opisuje siły wiążące elektrony i jądra w atomach, a także siły wiążące atomy w cząsteczki oraz atomy i cząsteczki w ciałach stałych i ciekłych.

Jednym z podstawowych praw elektrostatyki jest zasada zachowania ładunku. Zasada ta została sformułowana przez Franklina. Mówi , że wypadkowy ładunek w układzie zamkniętym jest zawsze stały. Układ zamknięty to taki układ, który nie może dokonywać wymiany ładunku z otoczeniem.

W świetle tej zasady można wytłumaczyć doświadczenia z pocieraniem ciał w ten sposób, że np. podczas pocierania pręta szklanego nie dochodzi do wytwarzania nowego ładunku, ale ładunek elektryczny przenosi się z jednego ciała na drugie. Dzięki temu dochodzi do zakłócenia stanu obojętności tych ciał.

Zasadę zachowania ładunku można dobrze zaobserwować w rozpadach promieniotwórczych czy reakcjach jądrowych.

Dawniej uważano, że oddziaływanie między ładunkami elektrycznymi następuje na odległość. Obecnie wiadomo, że każdy ładunek elektryczny wytwarza w przestrzeni wokół siebie pole elektryczne. I dopiero to pole oddziałuje na ładunek, który się w nim znajdzie. Miarą tego oddziaływania jest omawiana wcześniej siła F.

Do opisywania pola elektrycznego służy wielkość zwana natężeniem tego pola. Jest to stosunek siły działającej na ładunek próbny umieszczony w danym punkcie przestrzeni do tego ładunku.

Natężenie pola elektrycznego jest wielkością wektorową. Kierunek wektora natężenia jest taki sam jak kierunek siły, która działa na ładunek dodatni. Pole elektryczne można przedstawić jako układ linii pola. Wtedy wektor natężenia pola elektrycznego jest styczny w każdym punkcie. Linie pola wychodzą zawsze od ładunków dodatnich natomiast kończą się na ładunkach ujemnych. Natomiast ilość linii jaka przechodzi przez jednostkową powierzchnię jest proporcjonalna do wartości natężenia pola elektrycznego. Tak więc gdy mamy do czynienia z dużym zagęszczeniem linii wtedy wiadomo, że natężenie tego pola ma dużą wartość.

Kolejnym pojęciem, które należy wprowadzić jest strumień pola elektrycznego. Jest to iloczyn skalarny wektora powierzchni S oraz natężenia pola elektrycznego. Pojęcie to wykorzystuje w swoim prawie Gauss.

Carl Friedrich Gauss żył w latach 1777 - 1855. Był wybitnym niemieckim matematykiem, astronomem i fizykiem. Za życia nazywany był "księciem matematyków". Uznawany jest za jednego z twórców geometrii nieeuklidesowej. Jako fizyk szczególnie interesował się zjawiskami dotyczącymi elektryczności i magnetyzmu.

Jego prace stanowią również podwaliny pod rozwój optyki geometrycznej.

Prawo Gaussa podaje związek między strumieniem przechodzącym przez powierzchnię zwaną powierzchnią Gaussa , a całkowitym ładunkiem zgromadzonym wewnątrz tej powierzchni. Można go zapisać jako:

Prawo Gaussa może być wykorzystywane do wyznaczania natężenia pola elektrycznego, a także do obliczania całkowitego ładunku, w przypadku gdy natężenie jest znane.

Pole elektryczne może być opisane także za pomocą innej wielkości zwanej potencjałem elektrycznym. Jest to wielkość wektorowa. Różnica potencjałów pomiędzy dwom punktami przestrzeni jest równa stosunkowi pracy jaką trzeba wykonać przesuwając ładunek próbny między tymi punktami do tego ładunku. Jednostką różnicy potencjałów jest wolt. Zazwyczaj jeden z punktów umieszcza się w nieskończoności tak aby móc przyjąć , ze jego potencjał jest równy zeru.

Wiążąc pojęcie potencjału elektrycznego z natężeniem pola elektrycznego można napisać, że różnica potencjałów jest równa iloczynowi natężenia pola elektrycznego i odległości między punktami pomiędzy którymi została wyznaczona dana różnica potencjałów.

W przypadku pola elektrycznego występuje również pojęcie potencjalnej energii elektrycznej. Potencjalną energię elektryczną układu ładunków punktowych, która można przedstawić w postaci równania:

definiuje się jako pracę, która jest potrzebna do utworzenia tego układu z ładunków znajdujących się w nieskończenie dużej odległości.