Sähkövaraus — mitä se on? Coulombin laki, kipinä, salama ja virta

Ymmärrä sähkövaraus, Coulombin laki, kipinät, salamat ja sähkövirta selkeästi – miten varaukset vaikuttavat arjessa ja luonnossa.

Tekijä: Leandro Alegsa

Sähkövaraus on elektronien, protonien ja muiden subatomisten hiukkasten perusominaisuus. Elektronit ovat negatiivisesti varautuneita ja protonit positiivisesti varautuneita. Negatiivisesti varautuneet ja positiivisesti varautuneet asiat vetävät (vetävät puoleensa) toisiaan. Tämä saa elektronit ja protonit tarttumaan toisiinsa ja muodostamaan atomeja. Asiat, joilla on sama varaus, työntävät toisiaan pois (ne hylkivät toisiaan). Tätä kutsutaan varausten laiksi. Sen löysi Charles-Augustin de Coulomb. Laki, joka kuvaa, kuinka voimakkaasti varaukset vetävät ja työntävät toisiaan, on nimeltään Coulombin laki.

Asiat, joissa on yhtä monta elektronia ja protonia, ovat neutraaleja. Asiat, joissa on enemmän elektroneja kuin protoneja, ovat negatiivisesti varautuneita, kun taas asiat, joissa on vähemmän elektroneja kuin protoneja, ovat positiivisesti varautuneita. Asiat, joilla on sama varaus, hylkivät toisiaan. Asiat, joilla on eri varaukset, vetävät toisiaan puoleensa. Jos mahdollista, se, jolla on liikaa elektroneja, luovuttaa riittävästi elektroneja, jotta se, jolla on liikaa protoneja, saa yhtä monta elektronia kuin se, jolla on liikaa protoneja sen elektronikuormaan nähden. Jos elektroneja on juuri sen verran, että ylimääräiset protonit riittävät, nämä kaksi asiaa eivät enää vedä toisiaan puoleensa. Kun elektronit siirtyvät paikasta, jossa niitä on liikaa, paikkaan, jossa niitä on liian vähän, sitä kutsutaan sähkövirraksi.

Kun henkilö ravistaa jalkojaan matolla ja koskettaa sitten messinkistä ovenkahvaa, hän voi saada sähköiskun. Jos ylimääräisiä elektroneja on riittävästi, voima, jolla elektronit työntävät toisiaan pois, voi riittää saamaan osan elektroneista hyppäämään henkilön ja ovenkahvan välisen raon yli. Kipinän pituus on jännitteen tai "sähköpaineen" mitta. Elektronien määrä, joka liikkuu paikasta toiseen aikayksikköä kohti, mitataan ampeerilukuna tai "elektronien virtausnopeutena".

Jos henkilö saa positiivisen tai negatiivisen varauksen, se voi saada hänen hiuksensa nousemaan pystyyn, koska kunkin hiuksen varaus työntää sitä pois muista hiuksista.

Sähkövaraus, jonka ihminen tuntee saadessaan sähköiskun ovenkahvasta tai muusta esineestä, on yleensä 25-30 000 volttia. Sähkövirta kulkee kuitenkin vain lyhytaikaisesti, joten elektronien virtaus ihmisen kehon läpi ei aiheuta fyysistä haittaa. Toisaalta, kun pilvet saavat sähkövarauksia, niiden jännite on vielä korkeampi, ja ampeeriluku (salamaniskussa virtaavien elektronien määrä) voi olla hyvin suuri. Tämä tarkoittaa, että elektronit voivat hypätä pilvestä maahan (tai maasta pilveen). Jos nämä elektronit kulkevat ihmisen läpi, sähköisku voi polttaa tai tappaa.

Mitä sähkövaraus tarkoittaa käytännössä?

Sähkövaraus tarkoittaa, että kappaleessa on ylimääräisiä varauksenkantajia (yleensä elektroneja) tai pulaa niistä. Varauksen yksikkö on coulomb (C). Yksi alkeisvaraus, elektronin varauksen itseisarvo, on noin 1,602·10−19 C. Suurimmat arkiset varaukset ovat vain mikro- tai millikoulomittaluokkaa, mutta niiden jännite (potentiaaliero) voi olla suuri — siksi pieni määrä varauksia saattaa aiheuttaa tuntuvan kipinän.

Coulombin laki (yksinkertaistus)

Coulombin laki kertoo kahden pistevarauksen välisen sähkövoiman suuruuden ja suunnan: voima on suoraan verrannollinen varauksien tuloon ja kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Kaavamuodossa (ilman vektoreita) sen voi esittää:

F = k · q1 · q2 / r²

missä k ≈ 8,99·109 N·m²/C² on Coulombin vakio, q1 ja q2 ovat varaukset coulombeina ja r on etäisyys niiden välillä metreinä. Merkin suunta riippuu varauksien merkeistä: erimerkkiset varaukset vetävät, samamerkkiset hylkivät.

Sähkövirta ja jännite

Jännite eli potentiaaliero (voltteina) on "sähköpaine", joka pyrkii siirtämään varauksia paikasta toiseen. Kun varaukset pääsevät liikkumaan (esimerkiksi johtimen kautta), puhutaan sähkövirrasta, jonka yksikkö on ampeeri (A) — se kuvaa varauksien määrää, joka kulkee tietyn poikkileikkauksen läpi aikayksikössä. Tarkka ero:

  • Jännite (V) – voima tai potentiaaliero, joka ajaa varauksia liikkeelle.
  • Virta (A) – varauksen liikenopeus eli kuinka monta coulombia kulkee sekunnissa.

Kipinät ja sähköristiryö

Kipinä syntyy, kun sähköinen kenttä ilmassa on niin voimakas, että se rikkoo ilman eristävyyden ja sallii elektronien hypätä avoimen raon yli. Ilman dielektrinen murtoraja on suuruusluokkaa 3·106 V/m, joten lyhytkin aukko voi johtaa kipinään, jos jännite on riittävän suuri. Arkikokemuksissa staattinen kipinä on usein vain satoja–kymmeniä tuhansia volttia, mutta hyvin lyhytkestoinen ja pieni virta tekee siitä yleensä harmittoman.

Salama

Salama on suuri, nopeasti etenevä sähköpurkaus pilven ja maan (tai pilvien välillä) välillä. Salaman ominaisuuksia:

  • Jännite voi olla kymmeniä miljoonia tai jopa yli sata miljoonaa volttia.
  • Virta on usein kymmeniä tuhansia ampeereja (tyypillisesti ~10–30 kA, paikoin suurempi).
  • Salama voi aiheuttaa vakavia palovammoja, sydämen pysähtymisen tai kuoleman, jos virta kulkee ihmisen kautta.

Suojaus ja turvallisuus

Joidenkin perusperiaatteiden noudattaminen vähentää sähköiskun ja salaman vaaraa:

  • Kosketa metalliesineitä varoen ja vältä koskettamasta herkästi varaantuvia pintoja, jos tunnet staattista latausta.
  • Älä ole avonaisella kentällä ukkosella; hakeudu suojaan tai auton sisälle (auto toimii hyvien maadoitettujen runkojen ansiosta suojaputken tavoin).
  • Maadoittaminen ja salamansuojaus (esim. ukkosenjohdattimet) ohjaavat purkautuvan virran turvallisesti maahan.
  • Käytä eristeitä (kumi, muovi) suojattaessa sähköasennuksissa.

Arkielämän esimerkkejä ja mittaus

Arkisia ilmiöitä, joissa sähkövarausta näkee, ovat esimerkiksi:

  • Kampa tai hiukset, jotka nousevat sähköistyksen takia.
  • Ilmapallo, joka tarttuu seinään, kun se on hangattu villakankaalla (tribosähköinen ilmiö).
  • Van de Graaff -generaattori, joka tuottaa suuria jännitteitä ja saa hiukset pystyyn näyttävällä tavalla.

Varauksia ja sähköistä tilaa voi tutkia esimerkiksi elektroskoopilla. Sähkövarauksen säilymiseen vaikuttavat materiaalin ominaisuudet: johtimet antavat varauksille mahdollisuuden liikkua ja tasaantua, eristeet pitävät varaukset paikallaan pidempään.

Keskeiset periaatteet kootusti

  • Varaus säilyy: Sähkövaraus on säilyvä suure suljetussa järjestelmässä (varauksen säilymislaki).
  • Atomeissa ja aineissa: neutraali tarkoittaa yhtä monta elektronia ja protonia, ylimääräiset elektronit antavat negatiivisen varauksen.
  • Coulombin laki: kuvaa varauksien välistä voimaa ja riippuvuutta etäisyydestä.

Jos haluat, voin lisätä yksinkertaisen kuvan tai kaavion Coulombin laista, näyttää laskuesimerkin kipinän syntymisestä tai selittää tarkemmin sähköstaattisen induktion ja kondensaattorin toiminnan.

Historiallinen kokeilu

James Clerk Maxwell kuvaa seuraavan kokeen teoksessaan A Treatise on Electricity and Magnetism (1873). Tavallisesti lasi ja hartsi ovat molemmat neutraalisti varattuja. Jos niitä kuitenkin hierotaan yhteen ja sitten erotetaan toisistaan, ne kykenevät vetämään toisiaan puoleensa.

Jos toista lasipalaa hierotaan toisen hartsipalan kanssa, nähdään seuraavat asiat:

  1. Kaksi lasinpalaa hylkii toisiaan.
  2. Jokainen lasinpala vetää puoleensa jokaista hartsipalaa.
  3. Kaksi hartsikappaletta hylkii toisiaan.

Jos varattu ja varaukseton esine tuodaan yhteen, vetovoima on hyvin heikko.

Kappaleiden, jotka pystyvät vetämään puoleensa tai hylkimään asioita tällä tavoin, sanotaan olevan "sähköistyneitä" tai "sähköllä ladattuja". Kun kahta erilaista ainetta hierotaan yhteen, syntyy sähkövaraus, koska toinen aine antaa elektroneja toiselle. Syynä on se, että näiden kahden aineen atomeilla on erilainen voima vetää elektroneja puoleensa. Niinpä se, jolla on suurempi kyky vetää elektroneja puoleensa, ottaa elektroneja siltä, jonka vetovoima on pienempi. Jos lasia hierotaan jotain toista vastaan, se voi joko antaa tai ottaa elektroneja. Se, mitä tapahtuu, riippuu siitä, mikä toinen asia on.

Asioita, jotka ovat ottaneet elektroneja, kutsutaan "negatiivisesti varatuiksi", ja asioita, jotka ovat luovuttaneet elektroneja, kutsutaan "positiivisesti varatuiksi". Näille nimille ei ole mitään erityistä syytä. Se on vain mielivaltainen (satunnainen valinta) sopimus (sopimus).

Sen lisäksi, että kehot voivat sähköistyä kitkan vaikutuksesta, ne voivat sähköistyä monella muullakin tavalla.

Aiheeseen liittyvät sivut

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on sähkövaraus?


V: Sähkövaraus on elektronien, protonien ja muiden subatomisten hiukkasten perusominaisuus. Elektronit ovat negatiivisesti varautuneita, kun taas protonit ovat positiivisesti varautuneita. Asiat, joilla on sama varaus, työntävät toisiaan pois (ne hylkivät toisiaan).

K: Kuka löysi varausten lain?


V: Charles-Augustin de Coulomb löysi varausten lain.

K: Mitä Coulombin laki kuvaa?


V: Coulombin laki kuvaa, kuinka voimakkaasti varaukset vetävät ja työntävät toisiaan.

K: Miten neutraalit kappaleet eroavat positiivisesti tai negatiivisesti varatuista kappaleista?


V: Esineet, joissa on yhtä paljon elektroneja ja protoneja, ovat neutraaleja, kun taas esineet, joissa on enemmän elektroneja kuin protoneja, ovat negatiivisesti varautuneita ja esineet, joissa on vähemmän elektroneja kuin protoneja, ovat positiivisesti varautuneita.

K: Mitä tapahtuu, kun kaksi erilaista varausta omaavaa esinettä koskettaa toisiaan?


V: Kun kaksi esinettä, joilla on erilaiset varaukset, joutuvat kosketuksiin, ne vetävät toisiaan puoleensa - jos mahdollista, se, jolla on liikaa elektroneja, luovuttaa riittävästi elektroneja vastatakseen sen protonien määrää, jolla on liikaa protoneja sen elektronikuormaan nähden. Jos elektroneja on juuri sen verran, että ne vastaavat ylimääräisiä protoneja, nämä kaksi asiaa eivät enää vedä toisiaan puoleensa.

K: Miten sähkövirta muodostuu?


V: Kun elektronit siirtyvät paikasta, jossa niitä on liikaa, paikkaan, jossa niitä on liian vähän, sitä kutsutaan sähkövirraksi.

K: Miksi sähköiskut voivat olla vaarallisia joissakin tapauksissa mutta eivät toisissa?


V: Sähköisku, jonka tuntee saadessaan sähköiskun ovenkahvasta tai muusta esineestä, on yleensä 25 000-30 000 volttia; koska sähkövirta kulkee kuitenkin vain lyhytaikaisesti, se ei aiheuta fyysistä haittaa. Toisaalta, kun pilvet saavat sähkövarauksia, niiden jännite on vielä korkeampi ja ampeeriluku (salamaniskussa virtaavien elektronien määrä) voi olla hyvin korkea - tämä tarkoittaa, että jos nämä korkeajännitteiset/korkea-ampeeriset elektronit kulkevat ihmisen läpi, se voi polttaa tai tappaa hänet.


Etsiä
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3