A sztatika szó jelentése: egyensúlyban levő, mozdulatlan. Az elektrosztatika az elektromosság egyensúlyi, nyugalmi helyzetben megfigyelhető jelenségeivel foglalkozik.
Egy kis előzmény. Az elektromosság 'hordozója' az anyagokban fellelhető töltés, az elektron és a proton, az atom alkotórészei. Ezt már Rutherford a XVIII. században (persze nem ilyen pontosan - lásd kémia!) leírta. Akkoriban azt gondolták, hogy az elektromosságot valamiféle pozitív elektromos állapotú, nagyon-nagyon pici részecskéből álló láthatatlan folyadék okozza, amely olyan pici alkotórészekből áll, hogy minden anyagba befér. Ekkor már az elektromosság jelenségét egyértelműen kétfajta töltésnek tulajdonítottak, a pozitív és a negatív állapotnak. Az azonos állapotúak minden kísérletben taszították egymást, az ellentétes állapotúak pedig vonzották egymást. Amikor azután a sokadik* atommodellt Rutherford megalkotta, akkor a fizikusok ezt az elektromosságot már a negatív töltésű elektronok és a pozitív töltésű atommagok mozgásával magyarázták.
A szilárd testekben az elektronok mozognak, adják át egymásnak a töltéseiket. A folyadékokban pedig az ionok áramlása okozza az áramot. Az áramot vezető folyadékot elektrolitnak hívják.
Nos az elektron, az elektronfelhő sematikus ábrázolása:
A rajz azt mutatja, hogy a mag + töltésű protonokból (piros), semleges neutronokból (kék) all. Körülötte keringenek (mozognak) egy 'felhőben' a - töltésű elektronok. Az elektron viszonylag könnyen leszakítható az atom felületéről, míg a proton csak nagyon nagy erők hatására változtat helyet. Ezért az elektromosság leginkább az elektronok mozgásából, többletéből, hiányából származ
Ezek az elektronok, protonok, tehát a töltések okozzák az anyag elektromos állapotát. Egyensúly esetén semleges az anyag. Elektrontöbblet esetén negatív az elektromos töltés és elektronhiány esetén pozitív töltésűnek mondjuk az ezt tartalmazó testet/anyagot. Ez a kétféle elektromos töltés van: pozitív ( + ) és negatív ( - ).
DEMONSTRÁCIÓ: Elektroszkóp kipróbálása. Elektromos állapot előállítása dörzsöléssel. A megdörzsölt műanyag vonalzó vonzza a papírdarabokat, A megdörzsölt műanyag vonalzó elgörbíti a csorgó vízsugarat. A tankönyvben látható kísérletek otthon egyszerű eszközökkel elvégezhetők. Ezek az elektrosztatikai jelenségeket mutatják be és ezekből lehet következtetni a nyugvó töltések tulajdonságaira.
A különböző fajta feltöltéseket, jelenségeket foglaljuk egy táblázatba. A testek, anyagok alapvetően elektromosan semleges állapotúak, a töltések szempontjából egyensúlyban vannak. DE: Minden test elektromos állapotba hozható - háromféle módon:
| Előállítás módja | Kiindulás | Végrehajtás | Eredmény |
| Dörzsölés | Két semleges anyag | Szoros érintkezés, dörzsölés | Egy pozitív és egy negatív töltésű test |
| Feltöltés | Egyik anyag semleges, másik töltött | Érintkezés | Két ugyanolyan töltésű test |
| Megosztás | Egyik test töltött, a másik két részből áll, semleges és vezetővel vannak összekötve | Közelítés a töltött anyaggal a semlegeshez | Egyik töltött, a másik semleges, de az egyik része pozitív, a másik része negatív töltésű |
TANULSÁG: a feltöltött testek között taszító- vagy vonzó erőhatás léphet fel. Emellett olyat is látunk, hogy nem történik semmi, se vonzás, se taszítás nem lép fel. Ez a semleges állapot, ilyenkor a kétféle töltések egyensúlyban vannnak az adott semleges állapotú testek. A különböző töltésállapotúak vonzzák, az azonosak taszítják egymást. A semlegesek pedig nem hatnak egymásra.
FIGYELEM: az előbbi dörzsölés, megosztás, feltöltés során nem keletkeznek vagy tünnek el töltések, csak azok átrendeződnek! A demonstrációkban a két test (pl. ebonit és szőrme) töltéseinek összege állandó maradt, csak a töltések az egyik anyagról a másikra vándoroltak!!!
A villám kialakulása!!! Mit kell tenni villámlás esetén? A villámlás nevű természeti jelenség szintén a témához tartozik. A felhőket vízcseppek és a rájuk rakódott szennyeződések alkotják. A viharban (= erős, gyors szél) ezek a felhők és bennük a vízcseppek igen gyorsan és össze-vissza mozognak, tehát ütköznek, dörzsölődnek. Ennek hatására hatalmas töltésmennyiségek tudnak átrendeződni és a semleges (=töltésegyensúly) állapot hamar megszűnik. Kialakulnak kis térrészben az elektrontöbbletek éppen ezért körülöttük az elektronhiányok. Ezek pedig egy, a természetben mindenütt érvényes jelenség miatt ki akarnak egyenlítődni, azaz újból egyensúlyi állapotra törekszenek. Ennek legegyszerűbb módja a töltések kilövése, eltávolítása => villám.
Az előbb azt írtam, hogy hatalmas töltésmennyiségek tudnak a felhőkből a Földre 'levándorolni'.
Mi az a töltésmennyiség? A töltést az elektronok jelentik és a töltés mértékegységének bizonyos mennyiségű/darabszámú elektront választottak. Elnevezték Coulombnak (ejtsd kulomb) és C-vel jelölik.
Szám szerint 6,25*1018 db. elektron együttes töltésének felel meg.
(Később ezt a C mértékegységet úgy definiálták, hogy 1 Coulomb az a töltésmennyiség, amely 1 Amper erősségű áram hatására a vezetőn 1 sec alatt átfolyik. Az Amperről még nem tanultunk, de pár óra múlva már ez is megtörténik és akkor már nem lesz olyan kínai ez a definíció.)
Magát a töltést Q-val jelölik. Ennek a mértékegysége tehát a Coulomb.
Még egy fogalmat kell bevezetnünk. Az elektomos erőteret, elektromos mezőt. Legegyszerűbben úgy lehet elképzelni, hogy az elektromos állapotban levő testnek azt a környezetét, ahol az elektromos erőhatás még érvényesül, elektromos erőtérnek, vagy más szóval mezőnek nevezzük. Erről majd később beszélünk, tanulunk részletesebben. Az erőtér bevezetésére azért volt szükség, mert meg kellett magyarázni, miért vonzza, taszítja egymást két test, amely nem érintkezik egymással. Válasz: a köztük levő erőtér biztosítja ezt az 'érintkezés'-t, az erőtér kelti, közvetíti a kölcsönhatást. Így az erőtér is fizikai anyag!!!
Tehát az a korrekt, ha azt mondjuk, hogy az elektromos töltéseket a körülöttük kialakuló elektromos mező mozgatja. Tudom, hogy ez nagyon új dolog nektek, hiszen nem lehet úgy megfogni az erőteret, mint a fémet, a vizet, az olajat. Viszont egyszerűen lehet szemléltetni ezt az elektromos erőteret/mezőt:
A fehér egyenes és a korong ellentétes töltésű és közöttük a kis búzaszemek könnyen mozognak az olaj felszinén. A két különböző töltésű test között (környezetében) kialakuló elektromos mezőben a búzaszemek az erőtér szerkezetének megfelelően rendeződnek be. Pontosan az erőtér úgynevezett erővonalai mentén sűrűsödnek, szépen mutatva, hogy a két töltött test erőhatással van rájuk. Tehát ismétlem, ez az ábra szemléltetés, az erőtér szemléltetése. Ne úgy képzeljétek el, hogy ilyen vonalakból áll az erőtér!
Miért anyag az elektromos mező? Nos, egyszerű a válasz: mert a mezőnek anyagi tulajdonságai vannak. Később látni fogjuk, mit is jelent ez részletesebben.
* Sokadikat írtam, mert korábban ketten: a görög Démokritosz, majd ~2200 év múlva Dalton a XIX. század legelején már kidolgozott egy-egy atommodellt. Ezeket haladta meg lényegesen, Rutherford a XX. század hajnalán.
HF: 8. oldal "Kérdések, feladatok" 1,2,3 pontok megválaszolása
