1.6 Električni naboji

Građa atoma i naboj elementarnih čestica

Sva materija oko nas izgrađena je od molekula i atoma. Atom je najmanja jedinica tvari koja ima karakteristična svojstva nekoga kemijskog elementa. Npr. molekula vode je stanje u kojem su atom kisika i dva atoma vodika povezani čvrstim vezama. Atom se može podijeliti na dva dijela, jezgru i omotač. U jezgri su neutroni i protoni, a u omotaču su elektroni. Protoni i neutroni izgrađeni su od još manjih dijelova, koje nazivamo kvarkovi. Elektroni iz omotača i jezgra atoma su različitog naboja. Elektroni imaju negativan električni naboj, a jezgra pozitivan naboj.

Kutak za znatiželjne

Elektroni u atomu ne mogu biti na bilo kojoj udaljenosti, odnosno na bilo kojoj poziciji u odnosu prema jezgri. Kažemo da elektroni mogu imati samo određena energetska stanja.

Ta različita energetska stanja opisuju se nizom različitih osobina (tzv. kvantnim brojevima), npr. smjer rotacije ili smjer vrtnje oko vlastite osi (spin). Kad elektron prelazi s jednog na drugo energetsko stanje emitira se ili apsorbira energija – u stvarnosti vidimo kako elektron emitira ili apsorbira svjetlost.

U prošlosti su ljudi smatrali broj sedam magičnim brojem koji ima posebna svojstva. Znali su za sedam planeta, tjedan je imao sedam dana, a putnik je putovao preko sedam brda i dolina.

Zanimljivost i poveznica s tim magičnim brojem sedam je dosad otkrivenih sedam ljuski oko jezgre atoma $\left(K,L,M,N,O,P\mathrm{i}Q\right),$ koje elektroni popunjavaju. Broj elektrona u jednoj ljusci ograničen je s $2n^2,$ gdje je $n$ redni broj ljuske. Vanjska ljuska atoma nije uvijek do kraja popunjena. Npr. natrij ima dva elektrona u prvoj ljusci, osam u drugoj i samo jedan elektron u trećoj ljusci. ​

Povezani sadržaji

Pokušajte ovaj omjer veličina elektrona i jezgre atoma iskazati u obliku $1:x.$

Električni naboj elektrona nazivamo elementarnim nabojem. Električni naboj protona po iznosu je jednak naboju elektrona, ali je suprotnog predznaka.

U električki neutralnom atomu jednak je broj protona i elektrona. Materija oko nas uglavnom je električki neutralna, atomi su neutralni. Jednak je broj protona u jezgri i elektrona u elektronskom omotaču.

Vrlo je jednostavno primijetiti svako odstupanje od te neutralnosti. Obična destilirana voda bitno mijenja neka svoja svojstva ako u nju dodamo i otopimo soli kiseline i lužine - kao što smo već govorili. Statički elektricitet je jednostavno opaziti. Ako u prostoriji sa suhim zrakom presvlačite vuneni džemper, osjetit ćete kako vam se kosa naelektrizirala, čut ćete tipično pucketanje, a katkad, ako su okolnosti povoljne, vidjet ćete i izboje statičkog elektriciteta.

Ako atom primi jedan ili više elektrona, postaje negativni ion, a ako izgubi elektrone, postaje pozitivni ion. Možemo reći da se tijela elektriziraju premještanjem elektrona.

Električno međudjelovanje ovisi o ukupnoj količini naboja na tijelima te o udaljenosti tijela. Veći naboj, $Q,$ na tijelima znači jaču silu, a veća udaljenost znači slabljenje sile. Francuski fizičar Charles Augustin de Coulomb (1736. - 1806.) istraživao je međudjelovanje električnih naboja i otkrio kako električna sila ovisi o udaljenosti. Po njemu je mjerna jedinica za električni naboj nazvana kulon (coulomb).

$1\mathrm{C}=-\mathrm{6,24}\mathrm{·}{\mathrm{10}}^{\mathrm{18}}\mathrm{e}$  ​

Jedinica električnog naboja naziva se kulon (znak $\mathrm{C}$). Jedan kulon predstavlja višak ili manjak od $\mathrm{6,24}·{10}^{18}$ elektrona na nekom tijelu. Kažemo da tijelo ima naboj jedan kulon $\left(1\mathrm{C}\right)$ ako ima manjak od $\mathrm{6,24}·{10}^{18}$ elektrona ili naboj $-1\mathrm{C}$  ako ima višak od $\mathrm{6,24}·{10}^{18}$ elektrona.

Zadatak 1.

Protrljali ste stakleni štap suhim novinama pa sada ima naboj $1\mathrm{C}.$ Koja je od navedenih tvrdnji točna?

1. Na štapu je višak od $\mathrm{6,24}·{10}^{18}$ elektrona.
2. Na štapu je manjak od $\mathrm{6,24}·{10}^{18}$ elektrona.

Kutak za znatiželjne

Dva su tipa naboja, pozitivni (+) i negativni (-), a ova simetrija električnog naboja upućuje n to da je ukupna količina naboja u svemiru stalna. Naboj se u bilo kojemu zatvorenom sustavu može prenijeti s jednog tijela na drugo, ali njegova količina ostaje ista.

Elektromagnetizam je povezan s nabojem i temeljna je sila prirode poput gravitacije. Kao što gravitacijska sila ovisi o masi, električna sila ovisi o električnom naboju. Poput gravitacije i električna sila smanjuje se s kvadratom udaljenosti. Električna sila odgovorna je za mnoge prethodno razmatrane sile, npr. trenje koje ste obrađivali u sedmom razredu nastaje zbog međusobnog privlačenja i odbijanja nabijenih čestica.

Elektroskop

Kako utvrditi je li neko tijelo elektrizirano? U primjeru s plastičnim ravnalom i listićima papira elektrizirano ravnalo privlači listiće koji su električki neutralni. Kako onda znati koje je od dvaju tijela koja se privlače elektrizirano, a koje nije? Uređaj kojim se koristimo ako to želimo utvrditi je elektroskop.

Kao što se vidi na ilustraciji, elektroskop ima metalnu kuglu na jednom kraju, a na drugom kraju lako pokretljive aluminijske listiće. Kugla je povezana s listićima koji se nalaze u izoliranom kućištu.

Ako metalnu kuglu kratko dotaknemo elektriziranim tijelom, i sama kugla postaje elektrizirana. Naboj se dalje prenosi na lako pokretljive aluminijske listiće, koji se odbijaju jer su naelektrizirani istim tipom naboja. Isto se dogodi ako naelektrizirano tijelo samo dovedemo u blizinu metalne kugle elektroskopa.

Ako na elektroskop postavimo mjernu ljestvicu, elektroskop postaje elektrometar.

Koja je razlika između elektroskopa i elektrometra?