Benjamin Franklin Prøv ikke at gentage forsøget!

Transkript

1 E1 Elektrostatik 1. Elektrisk ladning Benjamin Franklin Prøv ikke at gentage forsøget! Vi har tidligere lært, at ethvert legeme tiltrækker ethvert andet legeme med gravitationskraften, eller massetiltrækningskraften. Denne kraft har kun praktisk betydning, hvis mindst et af de to legemer har så stor en masse, at den kan sammenlignes med massen af en planet, fx jorden. Der findes imidlertid andre kræfter, der efter omstændighederne kan blive langt større: En lille magnet kan løfte et jernsøm op fra bordet, idet kraften fra den er stærkere end massetiltrækningen på sømmet fra hele jordkloden. mod forskellige stoffer. En plastik-kam, der gnides mod et ærme kan løfte små papirstumper. Eller tænk på, når man tager en kunststoftrøje af over hovedet. Så kan håret stritte. Billederne her illustrerer kaninskinds og hårs gnidning Eksemplerne viser virkningen af hhv. magnetiske og elektriske kræfter. Vi vender tilbage til de magnetiske kræfter i kapitel M. Læren om de elektriske kræfter hedder elektrostatik. Den græske filosof Thales fra Milet menes at have iagttaget virkningen af elektriske kræfter for 2500 år siden. Han undersøgte det fænomen, at når rav bliver gnedet mod skind eller tøj, tiltrak det lette smålegemer. Ordet elektricitet kommer fra det græske ord "elektron", der faktisk betyder rav. Men det var først under renæssancen man egentlig begyndte at studere elektricitet og magnetisme. I midten af 1700 tallet begyndte videnskabelige cirkler for alvor at studere elektriciteten, men først i slutningen af 1800 tallet begyndte man at få et klart begreb om den såkaldte elektromagnetisme. I dag kan vi se, at elektromagnetismen fuldstændig har revolutioneret menneskehedens levevis.

2 Vi gnider en glasstang med filt eller silke, og hænger den op i en silketråd, så den kan dreje frit. Derefter nærmer vi den med en anden tilsvarende behandlet glasstang: De to stænger frastøder hinanden. Gentager vi forsøget med to lak- eller plastikstænger gnedet med kaninskind, ser vi det samme: frastødning. Men hvis vi gnider en glasstang med filt og en lakstang med pels viser det sig, at de to stænger tiltrækker hinanden. Efter forslag fra Benjamin Franklin har man vedtaget, at kalde glasstangen positivt ladet, og lakstangen og materialer af samme klasse negativt ladet. Med denne vedtagelse har vi, at et legeme med lige store mængder negative og positive ladninger er neutralt udadtil. Gnidningsforsøgene viser altså, at ladninger med samme fortegn frastøder hinanden, mens ladninger med forskelligt fortegn tiltrækker hinanden. De elektriske ladninger bliver ikke skabt af gnideriet, de må være i materialerne i forvejen, blot i lige store mængder. Ved gnidningerne føres ladninger fra en genstand over på en anden, så de nu fremstår elektrisk ladede. Vi kalder dette fænomen statisk elektricitet. Statisk elektricitet fremkommer ved næsten at gnide alle materialer mod næsten alle andre. Vi kan mærke stød, når vi med kunststofsko har gået på et gulvtæppe og rører ved en radiator, og når vi stiger ud af bilen en tør dag. Lyn er udladninger af statisk elektricitet mellem skyer og jorden. Små ladninger kan måles med et guldbladselektroskop (til højre). Gnideriet er sat i system i en såkaldt elektriser-maskine (til venstre). Disse maskiner blev opfundet omkring 1760.

3 2. Ladninger i atomet Atomet består af en positivt ladet kerne med små negativt ladede elektroner i en "sky" udenom. Der er snydt med størrelserne her: elektronskyen er ca m og kernen ca m i diameter. Kernen består at protoner, der er positivt ladede og neutroner, der er neutrale - disse vejer omtrent lige meget, ca. 1 "unit" - mens elektronskyen består af elektroner, der kun vejer godt 0,0005 unit. Hver proton har en positiv ladning der præcist svarer til den negative ladning, som en elektron har. Denne ladning kaldes elementarladningen e som er på 1, Coulomb. Vi siger derfor, at protonens ladning er +e og elektronens ladning -e. I et neutralt ladet atom er der et lige så stort antal positive elementarladninger som negative, fordi der er lige mange protoner i kernen, som der er elektroner i skyen udenom. Når vi gnider en glasstang med en filteller silkeklud river vi nogle af elektronerne ud af atomerne i glasstangen. Nu mangler de negative ladninger på stangen, og den fremstår derfor som positivt ladet. De løsrevne elektroner sidder i kluden, og det kan vi overbevise os om ved at se, at glasstangen (positiv) nu bliver tiltrukket af kluden (negativ). Omvendt forholder det sig med en plastikstang og et stykke pels. Her trækker plastikstangen elektroner ud af atomerne i pelsen, så stangen bliver negativt ladet og pelsstykket positivt. Stofferne glas, plastik, lak, silke, filt og kaninpels er alle eksempler på isolatorer, som vi kalder de stoffer, hvor elektronerne ikke kan bevæge sig frit. I modsætning hertil har vi de elektriske ledere, typisk metaller. hvor elektronerne bevæger sig frit, og fordeler sig jævnt. Et underskud af elektroner fordeler sig også jævnt i en leder, som det ses af illustrationen midt på forrige side, hvor positive ladninger (dvs. underskud af elektroner) fordeler sig mellem stangen og kuglen. Der findes endeligt såkaldte halvledere, der under nogle omstændigheder er ledere, og andre ikke.

4 3. Måling og bevarelse af elektrisk ladning Et legemes ladning kan angives som det antal negative elementarladninger (båret af elektronerne), der er i overskud eller i underskud i forhold til de positive elementarladninger (båret af protonerne). Da elementarladningen er meget lille, er dette upraktisk. I SI-systemet benytter vi en enhed for ladning, vi kalder en Coulomb forkortet C, (udtales "kulong") opkaldt efter den franske fysiker Charles Augustin de Coulomb, som var pioner indenfor udforskningen af elektriske kræfter, hvor han formulerede "Coulombs lov". Vi kalder en ladnings størrelse for Q. Alle forsøg viser. at ladning ikke kan opstå eller forsvinde. I enhver proces er ladningen bevaret. Traditionelt kan størrelsen af en ladning måles med et elektroskop, som er en videreudvikling af guldbladselektroskopet nederst side 2. I et elektroskop som det ovenfor - og i skitse til højre - er det ene "blad" fast, og det andet kan svinge ud som en viser, hvor det kan pege på en skala. Man kan også måle ladning med et Keithley-elektroskop (til venstre). 4. Fordeling af ladning Hvis et ladet legeme befinder sig i nærheden af en ellers neutralt ladet leder, resulterer dette i at ladningerne bliver ujævnt fordelt: Hvis man holder en positiv ladet glasstang hen til et positivt ladet elektroskop, vil glasstangen trække negative ladninger hen mod sig, så resten bliver kraftigere positivt ladet. Vi taler om elektrostatisk fordeling.

5 Ovenfor er gengivet et forsøg fra en gammel fysikbog. Vi oplever elektrostatisk fordeling af ladninger i stor skala, når vi har tordenvejr. Opstrømmende varme luftmasser med vanddamp gnider mod kolde luftmasser, og gnidningerne forårsager ujævn fordeling af ladningerne, så nogle dele bliver positivt, andre negativt ladede. Ladningen i den del af skyen, der er nærmest jorden kan forårsage en ladningsfordeling i jorden, som kan give anledning til lyn.