Elektrilaengu ülekanne. Hõõrdeelekter

Kui laetud keha puutub kokku neutraalse juhtivast ainest kehaga, kandub osa elektrilaengust laetud kehalt laadimata kehale. Laetud keha elektrilaeng seejuures väheneb, neutraalne keha aga laadub. Vaatleme, kuidas toimub laengu ülekanne

1. negatiivse laenguga kehalt neutraalsele kehale,
2. positiivse laenguga kehalt neutraalsele kehale.

Asugu kõrvuti kaks samade mõõtmetega juhtivast ainest keha. Kehal A on negatiivne elektrilaeng, keha B on laenguta. Negatiivse laenguga kehas on elektrone rohkem kui prootoneid. Neile, nn liigsetele elektronidele, mõjuvad tõukejõud. Kui kehad metallvarda abil ühendada, tekib elektronidel võimalus laetud kehast lahkuda. Elektronid hakkavadki elektrijõudude mõjul liikuma mööda metallvarrast laetud kehalt laenguta kehale.

Negatiivse laenguga keha ühendamisel neutraalse kehaga hakkavad elektronid negatiivse laenguga kehalt liikuma neutraalsele kehale.

Selle tulemusena väheneb kehas A „liigsete” elektronide hulk ning väheneb ka keha elektrilaeng. Keha B aga omandab juurdetulnud elektronide tõttu negatiivse laengu ning hakkab samuti elektrijõududega mõjutama metallvardas liikuvaid elektrone. Metallvardas liikuvatele elektronidele mõjuvad nüüd vastassuunalised elektrijõud. Mida suuremaks saab keha B laeng, seda suuremad on ka elektrijõud, millega laetud keha B mõjub metallvardas liikuvatele elektronidele. Kui kehade laengud on saanud suuruselt võrdseiks, siis laetud kehade A ja B poolt elektronidele mõjuvad elektrijõud tasakaalustavad teineteist ning elektronide liikumine kehalt A kehale B ehk elektrilaengu ülekanne lakkab.

Elektronide üleminek kehalt A kehale B lõpeb siis, kui neile laetud kehade poolt mõjuvad elektrijõud teineteist tasakaalustavad.

Olgu nüüd kehal A positiivne elektrilaeng, keha B olgu laenguta. Positiivse laenguga kehas on elektrone vähem kui prootoneid. Seetõttu on positiivse laenguga keha valmis elektrone haarama. Kui kehad ühendada, hakkavadki elektronid tõmbejõudude mõjul liikuma neutraalselt kehalt B positiivse laenguga kehale A.

Positiivse laenguga keha ühendamisel neutraalse kehaga hakkavad elektronid neutraalselt kehalt liikuma positiivse laenguga kehale.

Elektronide lahkumise tõttu tekib kehal B nende puudujääk ning keha omandab positiivse elektrilaengu. Kehale A jõudnud elektronide tõttu väheneb aga selle keha positiivse elektrilaengu suurus. Kuna mõlemal kehal on nüüd samaliigiline elektrilaeng, mõjuvad metallvardas liikuvatele elektronidele vastassuunalised elektrijõud. Elektronide liikumine kehalt B kehale A lakkab siis, kui laetud kehade A ja B poolt metallvardas liikuvatele elektronidele mõjuvad elektrijõud teineteist tasakaalustavad.

Elektronide üleminek kehalt B kehale A lõpeb siis, kui neile laetud kehade poolt mõjuvad elektrijõud teineteist tasakaalustavad.

Mõlemal kirjeldatud juhul väheneb laetud keha elektrilaengu suurus, sellega kokkupuutuv juhtivast ainest neutraalne keha aga laadub. Elektrilaengu ülekandel elektronide hulk ei muutu, ainult osa elektrone liigub ühelt kehalt teisele.

Hõõrumisel puutuvad kokku erinevatest ainetest kehad. Eri ained võivad kokkupuutel elektrone kas loovutada või haarata. Kui kehad on küllalt tihedas kontaktis, siirdubki mingi hulk elektrone ühest kehast teise. Keha, millest elektronid lahkuvad, omandab positiivse laengu. Elektrone haaranud keha omandab aga negatiivse laengu. Kui kehad pärast kokkupuudet teineteisest eraldada, on neil suuruselt võrdsed eriliigilised elektrilaengud. See on loomulik, sest ühest kehast lahkunud elektronide hulk võrdub ju teise kehasse saabunud elektronide hulgaga.

Kahe eri ainest keha tihedal kokkupuutel liiguvad elektronid ühest kehast teise. Kui kehad teine­teisest eemal­dada, on neil sama suurusega eriliigilised elektri­laengud.

Kehasid võib küll väga tugevasti üksteise vastu suruda, kuid kuna kehade pinnad ei ole kunagi täiesti siledad, tekib elektronide üleminekuks vajalik tihe kontakt ainult väikeste pinnaosade vahel. Elektronid suudavad üleminekul ühest kehast teise läbida vahemaa, mis vastab aatomitevahelisele kaugusele aines (10^–10 m). Kui kehasid hõõruda, võib ühe keha pinna mügarik sattuda teise keha sobivasse lohku ja kokkupuutepind, kus elektronid saavad ühest kehast teise minna, suureneb. Mida suurem on kehade tihedasti kokkupuutuv pind, seda suurem on ka elektronide ülemineku võimalus ning seda suurema elektri­laengu võivad kehad omandada. Selle­pärast elektriseeritavaid kehasid hõõrutaksegi.

Tavaliselt elektriseeruvad hõõrumisel hästi mittejuhtivast ainest kehad. Isoleer­ainest kehadel jääb elektrilaeng püsima neis kohtades, kus kehad olid tihedas kokku­puutes.

Ka juhtivast ainest kehad võivad kokkupuutel elektriseeruda. Kuna elektrijuhis saavad laetud osakesed aga vabalt liikuda, siis liiguvadki kehade eraldamisel ühele kehale kogunenud liigsed elektronid viimase kokkupuutepunkti kaudu tagasi teisele kehale, kus sel hetkel on nende puudujääk. See tähendab, et kokkupuutel elektriseerunud juhtivast ainest kehad on pärast üksteisest eraldamist jälle elektriliselt neutraalsed. Kui aga juhtivast ainest keha hõõruda mittejuhtivast ainest kehaga, saab edukalt elektriseerida ka elektrijuhti.

Hõõrumisel omandavad kehad elektrilaengu, kuna mingi hulk elektrone siirdub ühelt kehalt teisele. Seega toimub esialgselt neutraalsete kehade vahel elektronide ümberjaotumine. Kehade elektriseerumise käigus ei teki laetud osakesi juurde ega kao. Hõõrumisel positiivse ja negatiivse elektrilaengu omandanud kehade kogulaeng on võrdne nulliga, nagu see oli ka enne kehade elektriseerimist.

1. Neutraalset metallkera puudutati positiivselt laetud kehaga. Metallkera laadus. Kas selle tulemusena positiivse laenguga osakeste arv kehas suurenes, vähenes või ei muutunud? Aga negatiivse laenguga osakeste arv? Põhjenda.
2. Neutraalset metallkera puudutati elektriseeritud merevaiguga, millel oli negatiivne elektrilaeng. Metallkera laadus. Kas selle tulemusena positiivse laenguga osakeste arv merevaigutükis suurenes, vähenes või ei muutunud? Kuid negatiivse laenguga osakeste arv? Põhjenda.
3. Kahel elektroskoobil on suuruselt võrdsed eriliigilised elektrilaengud. Elektroskoobid ühendatakse omavahel juhi abil. Millised laetud osakesed millise laenguga elektroskoobile liiguvad? Milliseks kujunevad elektroskoopide laengud pärast nende ühendamist?
4. Kahel elektroskoobil on erineva suurusega negatiivsed elektrilaengud. Elektroskoobid ühendatakse omavahel juhi abil. Millised laetud osakesed millise laenguga elektroskoobile liiguvad? Milliseks kujunevad elektroskoopide laengud pärast nende ühendamist?
5. Kahel elektroskoobil on erineva suurusega positiivsed elektrilaengud. Elektroskoobid ühendatakse omavahel juhi abil. Millised laetud osakesed millise laenguga elektroskoobile liiguvad? Milliseks kujunevad elektroskoopide laengud pärast nende ühendamist?
6. Merevaik laadub villaga hõõrumisel negatiivselt. Selgita nähtust.
7. Klaas omandab siidiga hõõrudes positiivse elektrilaengu. Selgita nähtust.
8. Kas kahe samast ainest keha hõõrumisel need kehad elektriseeruvad? Põhjenda.
9. Miks jääb juhile laeng selle hõõrumisel isolaatoriga, kahe juhi hõõrumisel me nende elektriseerumist aga ei tähelda?

1. Elektroskoobil A on positiivne elektrilaeng, elektroskoobil B aga sellest kaks korda väiksem negatiivne laeng. Milliseks kujunevad elektroskoopide laengud nii suuruselt kui ka märgilt, kui ühendada elektroskoobid juhi abil teineteisega?
2. Kahel elektroskoobil on erineva suurusega eriliigilised elektrilaengud q₁ ja q₂. Elektroskoobid ühendatakse omavahel juhi abil. Kui suured laengud on elektros­koopidel pärast ühendamist ja mis liiki need laengud on?
3. Siidriidest lapiga hõõrutakse üheaegselt kahte klaaspulka. Kas hõõrumisel elektri­seeruvad kõik kolm keha? Kuidas jaotuvad elektrilaengud klaaspulkade ja siidriide vahel?
4. Kummal juhul omandab elektroskoop suurema elektrilaengu, kas siis, kui elektros­koobi varrast elektriseeritud klaaspulgaga ainult puudutatakse, või siis, kui elektriseeritud klaaspulgaga libistatakse mitu korda edasi-tagasi mööda elektroskoobi varrast, pulka pidevalt pöörates? Selgita nähtust.
5. Võrdle Benjamin Franklini elektriteooriat tänapäevase ettekujutusega elektrinähtustest. Mis on neis sarnast, mis erinevat?