Elektrilaeng: definitsioon, Coulombi seadus, pinge ja elektrivool
Elektrilaeng on aineosakeste, näiteks elektronide, prootonite ja teiste subatomaarsete osakeste põhiomadus, mis määrab nende elektromagnetilised vastastikmõjud. Elektronid kannavad negatiivset laengut, prootonid positiivset; neutroonid on omavahel laenguteta. Vastavalt laengu reeglitele tõmbavad vastassuunalised laengud (positiivne ja negatiivne) üksteist ligi ning samalaadsed laengud (kaks positiivset või kaks negatiivset) tõrjuvad üksteist.
Coulombi seadus ja elektrijõud
Laengute vahelise jõu suuruse kirjeldab Coulombi seadus, mille esimesena mõõtis ja kirjeldas Charles‑Augustin de Coulomb torsioonpuhuriga. Seadus annab kahe puntklaengu vahelise tõuke- või tõmbejõu suuruse:
F = k · |q1 · q2| / r²,
kus q1 ja q2 on laengud, r on nendevaheline kaugus ning k ≈ 8,99·10^9 N·m²/C² (või k = 1/(4πε0)). Jõu suund on mööda kahe laengu vahelist joont: vastassuunalised laengud tõmbuvad, samalaadsed tõrjuvad.
Laengu omadused ja mõõtühikud
- Kvantimine: elektrilaeng on kvantiseeritud — iga makroskoopiline laeng on täisarvulise mitu alallaengu ehk elementaarlaengu e väärtus e ≈ 1,602·10⁻¹⁹ C.
- Konserveerumine: elektrilaeng ei teki ega kao; suletud süsteemis on kogu laengu summa konstant (laengu jäävuse seadus).
- Mõõtühik: SI‑ühik elektrilaengule on kulon (C).
Neutraalsus, laengute ülekandumine ja voolu tekkimine
Esemed, millel on võrdne arv elektrone ja prootoneid, on üldjuhul neutraalsed. Eseme laeng muutub siis, kui elektrone viiakse ära või tuuakse juurde — näiteks hõõrumisel või juhtmete kaudu. Kui elektrone liigub kohast, kus neid on rohkem, kohta, kus neid on vähem, nimetatakse seda elektrivooluks. Voolu tugevust mõõdetakse voolutugevusena (amprites, A): 1 A = 1 C/s.
Pinge (potentsiaalide erinevus) ja selle roll
Pinge (potentsiaalide erinevus) väljendab tööd, mida elektrijõud teeb ühe laengu ühikulise liigutamisel kahe punkti vahel. Pinge ühik on volt (V). Kui pinge on kõrge, võib tekkida suur elektriväli, mis võimaldab elektronide kiiret liikumist või isegi sädet õhu kaudu.
Staattne elekter, sädemine ja välk
Staattne elekter tekib siis, kui esemed koguvad üleküllastunud või alatäidetud elektrone — näited: hõõrumine (nt ballooni hõõrumine juustel), kontaktide eraldumine või elektrostaatiiline indutseerimine. Kui inimene tassib jalgu vaibal ja seejärel puudutab messingist ukselingi, võib tekkida väike elektrilöök ehk säde. Sellise säde pingeväärtus on sageli väga suur — tüüpiliselt 25 000–30 000 volti — kuid laengu ja voolu maht on väike ja väga lühiajaline, seega tavaliselt kahjutu.
Õhu diélektriline tugevus määrab, kui suur elektriväli on vajalik säde tekitamiseks; tavalises atmosfäärirõhus on see ligikaudu 3·10^6 V/m (see väärtus sõltub tingimustest). Pilvedes tekkiv laeng võib põhjustada palju suuremaid pingeid ja väga suuri voolutugevusi — toimub välk, kus vool võib olla kümneid tuhandeid ampreid ja energia väga suur. Kui välk tabab inimest või juhib läbi inimese, võib see põhjustada tõsiseid põletusi või surma.
Elektrivoolu ja pinge ohud
- Oluline ei ole ainult pinge — kõige suurema ohu kujutab endast vool (A) ja selle kestus läbi inimese. Mõned kümned milliamprid (mA) võivad tekitada lihaste kokkutõmbeid või häirida südame tööd; üle 100 mA on ohtlik ja võib olla eluohtlik.
- Staatiske löökide puhul on pinge suur, kuid läbi inimese liigub väga väike laeng lühikese aja jooksul — seetõttu tavaliselt vigastusi ei teki.
- Välk kannab aga nii suurt laengut kui ka püsivat voolu, mis teeb sellest äärmiselt ohtliku nähtuse.
Praktilised näited ja nähtused
- Kui inimene saab positiivse või negatiivse laengu, võivad tema juuksed tõusma hakata: iga juuksekarva laengud lükkavad teisi karvu eemale, mistõttu juuksed seisavad ja eraldunud karvad hargnevad.
- Hõõrumisel ballooni vastu saavad balloon või juuksed vastava laengu ja balloon võib kleepuda seinale (induktsioon ja elektrostatiline tõmme).
- Kui laengud saavad teineteisega kokku (nt metallist esemed on ühendatud), suunatakse laengud ümber nii, et objektid püüavad saada neutraalseks — see võib põhjustada sädemist või voolu.
Kokkuvõte
Elektrilaeng määrab osakeste elektromagnetilised vastastikmõjud: vastassuunalised laengud tõmbuvad, samalaadsed tõrjuvad. Coulombi seadus kvantifitseerib selle jõu suuruse. Pinge ja elektrivool on seotud laengute liikumisega: pinge annab "surve", mis paneb laenguid liikuma, ning vool mõõdab liikuvate elektronide hulka ajaühikus. Staattne elekter selgitab iga päev nähtavaid ilminguid nagu elektrišokid ja juuste tõusmine; tugevamad elektrinähtused, näiteks välk, võivad olla eluohtlikud.
Ajalooline eksperiment
Järgnevat eksperimenti kirjeldab James Clerk Maxwell oma teoses "A Treatise on Electricity and Magnetism" (1873). Tavaliselt on nii klaas kui ka vaik neutraalselt laetud. Kui neid aga omavahel hõõruda ja seejärel eraldada, hakkavad nad teineteist ligi tõmbama.
Kui teine klaasitükk hõõruda teise vaigutükiga, on näha järgmisi asju:
- Need kaks klaastükki tõrjuvad teineteist.
- Iga klaasitükk tõmbab ligi iga vaigutükki.
- Kaks vaigutükki tõrjuvad teineteist.
Kui laetud ja laenguta objekt viiakse kokku, on tõmme väga nõrk.
Kehi, mis suudavad sel viisil asju ligi tõmmata või tõrjuda, nimetatakse "elektrifitseeritud" või "elektriga laetud" kehadeks. Kui kaks erinevat ainet hõõrutakse kokku, tekib elektrilaeng, sest üks neist annab teisele elektroni. Põhjus on selles, et kahe aine aatomitel on ebavõrdne võime elektronide ligitõmbamiseks. Nii et see, mis suudab rohkem elektrone ligi tõmmata, võtab elektronid sellelt, millel on väiksem tõmbejõud. Kui klaasi hõõruda millegi teise vastu, võib see kas anda või võtta elektrone. Mis juhtub, sõltub sellest, mis on see teine asi.
Elektroneid võtnud asju nimetatakse "negatiivselt laetud" ja elektrone loovutanud asju "positiivselt laetud". Nendel nimetustel ei ole mingit erilist põhjust. See on lihtsalt suvaline (juhuslik valik) konventsioon (kokkulepe).
Peale hõõrdumise võib keha olla elektrifitseeritud ka mitmel muul viisil.
Seotud leheküljed
Küsimused ja vastused
K: Mis on elektrilaeng?
V: Elektrilaeng on elektronide, prootonite ja teiste subatomaarsete osakeste põhiomadus. Elektronid on negatiivselt laetud, prootonid aga positiivselt laetud. Sama laenguga asjad lükkavad üksteist eemale (nad tõrjuvad üksteist).
K: Kes avastas laenguseaduse?
V: Laengute seaduse avastas Charles-Augustin de Coulomb.
K: Mida kirjeldab Coulombi seadus?
V: Coulombi seadus kirjeldab, kui tugevalt laengud üksteist tõmbavad ja tõukavad.
K: Mille poolest erinevad neutraalsed objektid positiivse või negatiivse laenguga objektidest?
V: Objektid, millel on võrdne arv elektrone ja prootoneid, on neutraalsed, samas kui asjad, millel on rohkem elektrone kui prootoneid, on negatiivselt laetud ja asjad, millel on vähem elektrone kui prootoneid, on positiivselt laetud.
K: Mis juhtub, kui kaks erineva laenguga objekti puutuvad kokku?
V: Kui kaks erineva laenguga objekti puutuvad kokku, tõmbavad nad üksteist ligi - kui võimalik, siis annab see, millel on liiga palju elektrone, piisavalt elektrone, et sobitada prootonite arvuga seda, millel on liiga palju prootoneid oma elektronide koormuse jaoks. Kui on just nii palju elektrone, et need sobiksid üleliigsete prootonitega, siis ei tõmba need kaks asja enam teineteist ligi.
K: Kuidas tekib elektrivool?
V: Kui elektronid liiguvad kohast, kus neid on liiga palju, kohta, kus neid on liiga vähe, siis nimetatakse seda elektrivooluks.
K: Miks võivad elektrilöögid mõnel juhul olla ohtlikud, kuid mõnel mitte?
V: Elektrilöögid, mida inimene tunneb, kui ta saab löögi ukseklapist või muust esemest, on tavaliselt 25 ja 30 tuhande volti vahel; kuna aga elektrivool voolab ainult lühiajaliselt, ei põhjusta see füüsilist kahju. Teisest küljest, kui pilved saavad elektrilaenguid, on nende pinge veelgi suurem ja voolutugevus (välklambi käigus voolavate elektronide arv) võib olla väga suur - see tähendab, et kui need kõrgepinge/kõrge voolutugevusega elektronid lähevad inimesest läbi, võib see teda põletada või tappa.
