Elektrilaengud

Hõõrume klaaspulka siidriidega ja hoiame pulka ühes käes ning riiet teises käes. Lähendame kordamööda pulga ja riide laual olevatele paberitükikestele. Nii pulk kui ka riie tõmbab paberitükke enda poole. Järelikult laaduvad[joonealune: saavad elektrilaengu] hõõrumise tulemusel mõlemad kehad. Küsimuseks jääb see, kas nende laengud on ühesugused või erinevad.

Seda saab kontrollida, kui viia klaaspulk ja siidriie kordamööda mõne laetud keha (nt alumiiniumfooliumist silinder) lähedusse. Kui katse läbi teha, siis selgub, et ühe läheduses laetud silinder tõmbub ja teise läheduses tõukub. See tähendab, et kehad, mida omavahel hõõrutakse, saavad erinimelised laengud. Kui neid mõõta, siis ilmneb, et kehadel tekkivad laengud on omavahel võrdsed. See juhtub, sest hõõrumise käigus lähevad samanimelised[joonealune: ühesuguse märgiga laengud, kas + ja + või - ja -] laengud ühelt kehalt teisele üle ning ühes kehas tekib nende laengute puudus ja teises ülejääk.

Oled nüüd päris palju teada saanud kehade elektriseerimisest, aga elektrilaenguid ja nende liikumist me tehtud katsetes ei näinud. Aga katsetulemusi on võimalik seletada just erinimeliste laengute ja nende liikumisega. Selliste lihtsate katsetega kahjuks kõiki looduse saladusi lahendada ei saa. Peame usaldama ka teadlasi ja seda, mida nemad on välja uurinud.

On kindlaks tehtud, et kõikides ainetes on nii positiivse kui ka negatiivse laenguga osakesi. Positiivse laenguga osakesed on prootonid[mõiste: prooton – ainult aatomi tuuma koostisse kuuluv positiivse laenguga osakene, mille laeng on täpselt võrdne +1 elementaarlaenguga ja mass on umbes 1000 korda suurem kui elektroni mass] ning need asuvad aatomi tuumas, kust nad ei saa välja tulla ega aines vabalt liikuda. Negatiivse laenguga osakesed on elektronid[mõiste: elektron – aatomi koosseisu kuuluv või vabalt ringi liikuv negatiivse laenguga osake, mille laeng on täpselt võrdne −1 elementaarlaenguga ja mass on umbes 1000 korda väiksem kui prootoni mass], need liiguvad aatomis tuuma ümber, kus neid hoiab prootonite positiivse laengu külgetõmme. Aatomi kirjeldamiseks on loodud erinevaid mudeleid, millega tutvud lähemalt peatükis 9.1. Seni kasutame seletustes aatomi planetaarmudelit.

Elektronid saavad ka oma aatomist lahkuda ning hakata mööda ainet ringi ekslema. Selliseid elektrone nimetatakse vabadeks elektronideks[mõiste: vabad elektronid – elektronid, mis ei ole aatomi koosseisus ning saavad aines vabalt liikuda]. Kuna positiivse laengu kandjad ei saa aines vabalt liikuda, tuleb kõiki nähtusi, kus esineb laengute liikumist, seletada ainult elektronidega.

Selleks et elektron läheks ühest ainest teise, peab talle mõjuma mingi jõud. Selliseks jõuks saab olla ainult elektriline tõmbejõud, mida võib avaldada teise aine mõnes aatomis olev prooton. Täpsed uurimused näitavad, et elektronile mõjub prootoni märgatav tõmbejõud siis, kui elektroni kaugus prootonist on alla 10^-10 m ehk $\mathrm{1}$ ongströmi ($\mathrm{1}$ Å).

Keha pind pole kunagi täiesti sile, alati on seal konarusi, mida palja silmaga ei näe. Sellepärast pole kehasid võimalik lihtsa kokkusurumisega teineteisele nii lähedale viia, et elektronid saaksid ühelt kehalt teisele üle minna. Kui aga kehasid omavahel hõõruda, siis tekivad kohad, kus vahemaa on elektronide üleminekuks piisavalt väike. Ja kuna vabade elektronide kiirus on suur, siis üleminekuks vajalikuks ajaks sellest kontaktist piisab.

Prootoni ja elektroni laengud on võrdse suurusega ja sellest väiksemat elektrilaengut ei ole ühelgi vabalt olla saaval aineosakesel leitud. Seetõttu nimetatakse seda laengut elementaarlaenguks[mõiste: elementaarlaeng – kõige väiksem looduses leiduv laeng; prootoni ja elektroni laeng]. Laetud kehade elektrilaeng on elementaarlaengu täisarvkordne.

Laadimata kehas on alati ühepalju prootoneid ja elektrone. Kuna nii prootoni kui ka elektroni laengud on täpselt võrdsed, kuid vastasmärgilised, on keha kogulaeng võrdne nulliga. Kui omavahel hõõrduvate kehade elektronid liiguvad ühelt kehalt teisele, siis elektrone loovutanud keha laadub positiivselt ja teine keha negatiivselt. See juhtub sellepärast, et kehtib laengu jäävuse seadus: laenguid ei teki juurde ega kao ära.

Me oleme õppinud kehi laadima, aga mida teha siis, kui tahame laengust lahti saada? Esimene mõte võib olla, et laeme keha vastasmärgilise laenguga ja kogulaeng on siis null. Aga kuidas me oskame just paraja portsu vastasmärgilist laengut valida? Kui laengut on vähe, siis sellest ei piisa olemasoleva laengu nullimiseks, aga kui on rohkem, siis laadub keha vastasmärgiliselt.

Kõige kindlam viis laengu kaotamiseks on laetud keha ühendamine metalljuhtmega mõne väga suure mittelaetud keha või Maaga. Selle kohta öeldakse, et keha maandatakse.[mõiste: maandamine – laetud keha ühendamine Maaga elektrijuhi (metalljuhtme) abil] Niisugusel juhul liigub elektrilaeng laetud kehalt mingile teisele kehale, mille laeng sellest oluliselt ei muutu. Näiteks maakeras on tohutult palju nii positiivseid kui ka negatiivseid laenguid ja meie katsekehalt tulnud laeng ei muuda Maal olevat kogulaengut karvavõrdki. Olukorda võib võrrelda täispuhutud õhupalli tühjaks laskmisega. Õhupallis on õhk kokku surutud, mistõttu seda on samas ruumalas rohkem kui mujal. Kui avame palli, siis voolab sealt õhk välja. Kas õhupallist tulev õhk suurendab ruumis olevat õhurõhku? Ei, sest seda on võrreldes muu õhuga väga vähe. Nii ei muutu ka Maa elektrilaeng, kui sellele üle anda meie katsekeha laeng. Nüüd oskame ka põhjendada, miks peab metalli elektriseerides olema käes kinnas, st miks peab käsi olema laetavast kehast isoleeritud. Kui seda ei oleks, liiguks laeng metallist kui väga heast elektrijuhist meie kehasse ja metalli laeng jääks nulliks.