4. ELEKTRIČNA SILA IN COULOMBOV ZAKON

4. Električna sila in Coulombov zakon4. ELEKTRIČNA SILA IN COULOMBOV ZAKONVrnimo se k primeru na sliki 1. Opazujmo, kaj se dogaja z lasmi, ko se počešemo zglavnikom. Najprej vzamemo glavnik iz polietena in se češemo. Čez čas se začnejolasje lepiti na glavnik. Nato se počešemo še z glavnikom iz pleksi stekla. Tudi v temprimeru se lasje lepijo na glavnik. Zakaj se lasje lepijo na glavnik, ne glede na to iz česaje, bomo razkrili v nadaljevanju.Če približamo polietenski glavnik in glavnik iz pleksi stekla, ugotovimo, da seprivlačita. Oba sta se namreč naelektrila pri drgnjenju ob lase. Ker se privlačita,sklepamo, da je eden naelektren pozitivno, drugi pa negativno. Če približamo dvapolietenska glavnika, se odbijata. To pomeni, da sta se pri drgnjenju ob lase obanaelektrita z istoznačnim nabojem. Torej, če sta telesi naelektreni z nabojem enakegapredznaka, obe pozitivno ali obe negativno, med njima deluje odbojna električna sila.Privlačna električna sila deluje med raznoimenskima nabojema, torej med telesinaelektrenimi z nabojem različnega predznaka. Telo z negativnim električnim nabojemprivlači telo s pozitivnim električnim nabojem in obratno.Pred česanjem sta bila oba glavnika nevtralna. Zakaj se med česanjem naelektrita? Pričesanju glavnik drgnemo ob lase. Elektroni začnejo prehajati iz las na glavnik (aliobratno) in ravnovesje med pozitivnim in negativnim nabojem se poruši. Pri česanju zglavnikom iz polietena prehajajo elektroni iz atomov v laseh na glavnik. Glavnik senaelektri negativno, lasje pa pozitivno. Tako ima glavnik več elektronov kot običajno,lasje pa jih imajo manj (slika 11a). Pri česanju z glavnikom iz pleksi stekla prehajajoelektroni iz glavnika na lase. Lasje se naelektrijo negativno, pleksi steklo pa pozitivno(slika 11b). Nabojev s prostim očesom seveda ne vidimo, lahko pa s poznavanjemzgradbe atoma in snovi opišemo, kaj se je z glavnikom in lasmi zgodilo.a) b)Slika 11. a) Česanje z glavnikom iz polietenab) Česanje z glavnikom iz pleksi stekla [14]17

4. Električna sila in Coulombov zakonOglejmo si še poskus z ravnilom in papirčki (slika 12). Natrgajmo nekaj papirja namajhne koščke. Papirčke si pripravimo v kupček na mizi. Vzamemo ravnilo in gapribližamo papirčkom. Kaj se zgodi? Nič. Sklepamo, da so papirčki in ravniloelektrično nevtralni. Med električno nevtralnimi telesi pa ne deluje električna sila. Nato-+--+ - ++-+Slika 12. Privlak koščkov papirja z naelektrenim ravnilom [3]ravnilo podrgnemo z bombažno krpo ali pa kar ob pulover. Pri tem začnejo elektroniprehajati z ravnila na krpo. Ravnilo se naelektri pozitivno, tako da ima manj elektronovkot običajno. Ko naelektreno ravnilo približamo električno nevtralnim papirčkom, jihravnilo pritegne (slika 12). Poskušajmo razložiti ta pojav. Zaradi električne privlačnesile se elektroni v vsaki molekuli v papirčku premaknejo v smeri k pozitivnonaelektrenemu ravnilu. Papirček je še vedno nevtralen, a se naboj v molekulah, ki gasestavljajo, nekoliko prerazporedi. Na tisti strani, ki je blizu ravnila je tako večnegativnega naboja, na koncu, ki je najdlje od ravnila, pa malo več pozitivnega naboja.Privlačna sila ravnila na bližnji negativni konec papirčka je večja od odbojne sile napozitivni konec in papirčke. Papirčke zaradi tega pritegne k ravnilu.Oglejmo si še odklanjanje vodnega curka (slika 13) z naelektrenim telesom. Odprimovodovodno pipo, tako da voda teče v zelo tankem curku. Vzamemo plastično žlico in jopribližamo curku. Vodni curek se ne odzove. Nato žlico podrgnemo ob volneno krpo,18

4. Električna sila in Coulombov zakonzato se naelektri pozitivno (slika 13). Ponovno jo približamo vodnemu curku.Naelektrena žlica pritegne vodni curek. Razlaga poskusa je enaka prejšnjemu.+ +++++ - ++ - +- +- +- +- +- +- +- +- +Slika 13. Odklanjanje vodnega curka z naelektreno žlico [3]Od česa je odvisna velikost električne sile in kako določimo njeno smer, je s poskusompokazal francoski fizik Charles Augustin COULOMB (1736 – 1806). Ugotovil je, da jevelikost električne sile med dvema točkastima nabojema premosorazmerno odvisna odvelikosti nabojev, pada pa s kvadratom oddaljenosti med njima. Te ugotovitve je združilv izraz:e eF = , (2)4πεr1 220kjer je ε 0 influenčna konstanta, ε0= 8,85⋅10As/Vm. Izraz (2) je poznan kotCoulombov zakon. Smer sile je odvisna od udeleženih nabojev (slika 14). Sila jeusmerjena vedno vzdolž zveznice med nabojema. Če sta oba naboja enakega predznaka,med njima deluje odbojna sila. Če sta naboja različnega predznaka, med njima delujeprivlačna sila (slika 14).−1219

4. Električna sila in Coulombov zakon+e 1e 2F v 21e 1 e 21212F v 21rrF v+ +F vSlika 14. Električna sila je privlačna, če sta naboja nasprotnega predznaka, in odbojna,če sta naboja istega predznaka. F v 21je sila naboja e2 na naboj e1.Nekaj podobnega poznamo iz Newtonove mehanike. Tudi telesa se medsebojnoprivlačijo z gravitacijsko silo. Velikost sile je odvisna od mase obeh sodelujočih teles,pada pa s kvadratom oddaljenosti med njima:GM m1 2F = . (3)2r−11V izrazu (3) je G splošna gravitacijska konstanta, G = 6,67 ⋅10Nm2 /kg 2 . Sila je vednoprivlačna in deluje v smeri zveznice med središčema obeh sodelujočih teles.F v 21 F v12M 1 m 2rSlika 15. Gravitacijska sila med dvema telesoma. F v 12je sila prvega telesa z maso M 1na drugo telo z maso m 2 .F v je sila drugega telesa z maso m2 na prvo telo z maso M 1 .21Sili sta po velikosti enaki, vendar nasprotno usmerjeni.20