Ηλεκτρικό φορτίο και ηλεκτρικό πεδίο

Ηλεκτρικό φορτίο

Ο Θαλής ο Μιλήσιος ήταν ο πρώτος που παρατήρησε όταν τρίβουμε ήλεκτρο (απολιθωμένο κεχριμπάρι) σε ένα πανί αποκτά την ιδιότητα να έλκει ελαφρά αντικείμενα όπως π.χ. μικρά κομμάτια χαρτί. Αυτή ήταν η αρχή του ηλεκτρισμού. Η ηλέκτριση των σωμάτων οφείλεται στο γεγονός ότι όλα τα σώματα (άλλα λιγότερο άλλα περισσότερο) φέρουν μια ιδιότητα που είναι υπεύθυνη για την ηλέκτρισή τους. Η ιδιότητα αυτή ονομάζεται ηλεκτρικό φορτίο

• Αργότερα έγινε γνωστό ότι υπάρχουν δύο ειδών φορτία. Τα θετικά (+) και τα αρνητικά (-). Το στοιχειώδες αρνητικό φορτίο είναι το ηλεκτρόνιο e και το μέχρι σήμερα (κλασική φυσική) στοιχειώδες θετικό φορτίο είναι το πρωτόνιο. Για κάθε σώμα που μπορεί να φορτιστεί με φορτίο q, ισχύει η σχέση q=±Ne όπου Ν είναι ακέραιος αριθμός.

• Το Φορτίο έχει την ιδιότητα της αναλλοίωτης μετρούμενη από διαφορετικά αδρανειακά συστήματα αναφοράς. Δηλαδή η τιμή του φορτίου είναι ανεξάρτητη από το αν κινείται το σώμα που το φέρει ή όχι.

• Η τελευταία ιδιότητα του φορτίου είναι η σχέση του Coulomb. Όταν φορτίο $Q_{1}$ βρίσκεται στoν ελεύθερο χώρο, ο χώρος γύρω του αποκτά την ιδιότητα της ηλέκτρισης, δηλαδή της άσκησης δυνάμεως ${\vec {F}}$ σε άλλο σώμα φορτίου $Q_{2}$ που απέχει απόσταση r από το πρώτο. Μαθηματικά ο νόμος αυτός διατυπώνεται με την σχέση ${\vec {F}}=\pm {\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {Q_{1}Q_{2}}{r^{2}}}{\hat {r}}$. Το αν η δύναμη θα είναι ομόρροπη ή αντίρροπη του μοναδιαίου διανύσματος ${\hat {r}}$ εξαρτάται από το σχετικό πρόσημο των δύο φορτίων. Όταν τα δύο φορτία είναι ομόσυμα (και τα δύο θετικά ή και τα δύο αρνητικά) τότε τα διανύσματα F και r θα έχουν αντίθετες φορές δηλαδή τα δύο φορτία θα απωθούνται μεταξύ τους. Αντίθετα, όταν τα δύο φορτία είναι ετερόσυμα (το ένα θετικό και το άλλο αρνητικό) τότε τα αντίστοιχα διανύσματα θα αντίρροπα, δηλαδή τα φορτία θα έλκονται μεταξύ τους.

Η σταθερά $\epsilon _{0}$ ονομάζεται ηλεκτρική διαπερατότητα του κενού και έχει τιμή $\epsilon _{0}=8,854*10^{-12}{\frac {A^{2}s}{Nm^{2}}}$.

Ο Νόμος του Κουλόμπ διαπιστώνεται πειραματικά με το πείραμα του ζυγού στρέψης, σύμφωνα με το οποίο: Φορτισμένη ράβδος κρέμεται ελέυθερα από το κέντρο μάζας της από την οροφή ενός δωματίου και μπορεί να στρέφεται ελεύθερα. Το ένα άκρο της είναι φορτισμένο π.χ. θετικά, ενώ η ράβδος είναι από μονωτικό υλικό έτσι ώστε το φορτίο να εγκλωβίζεται στο άκρο της αυτό. Πλησιάζοντας άλλη ράβδο γνωστού φορτίου, μετρούμε την γωνιά στρέψης της και από αυτήν βγάζουμε συμπεράσματα για την δύναμη που ασκήθηκε στην ράβδο εξαιτίας της παρουσίας ηλεκτρικού φορτίου σε αυτήν αλλά και στην άλλη ράβδο. Από πειραματικές μετρήσεις με όργανα ακριβείας διαπιστώνουμε ότι όχι μόνο ισχύει ο νόμος του Κουλόμπ, αλλά και η εκθέτης 2 στον παρονομαστή είναι ακριβώς 2, με ακρίβεια δεκατριών (13) δεκαδικών ψηφίων.

Ηλεκτρικό Πεδίο

Κύριο Άρθρο: Το ηλεκτρικό Πεδίο

Ηλεκτρικό πεδίο ονομάζεται ο χώρος μέσα στον οποίο αν φέρουμε ηλεκτρικό φορτίο αυτό δέχεται δύναμη Κουλόμπ όπως περιγράφτηκε παραπάνω. Αν απομακρύνουμε το φορτίο $Q_{1}$ από την θέση του, και το αντικαταστήσουμε από φορτίο $Q_{2}$ θα βρούμε ότι ένα φορτίο σε μια συγκεκριμένη θέση δέχεται δύναμη ${\vec {F_{2}}}$. Επαναλμβάνουμε το πείραμα με φορτία $Q_{3},Q_{4},Q_{5},..$ και μετρούμε τις δυνάμεις ${\vec {F_{2}}},{\vec {F_{3}}},{\vec {F_{4}}},{\vec {F_{5}}},...,{\vec {F_{i}}}$. Από το πείραμα αυτό διαπιστώνουμε ότι ${\frac {F_{1}}{Q_{1}}}={\frac {F_{2}}{Q_{2}}}={\frac {F_{3}}{Q_{3}}}={\frac {F_{4}}{Q_{4}}}={\frac {F_{5}}{Q_{5}}}=...={\frac {F_{i}}{Q_{i}}}=ct$.

Για τον λόγο αυτό, ορίζουμε σαν ένταση ${\vec {E}}={\frac {\vec {F_{i}}}{Q_{i}}}$ του πεδίου του φορτίου i. Συνεχίζοντας τις πράξεις στην τελευταία σχέση βρίσκουμε την ένταση του ηλεκτρικού πεδίο που αποτελείτα από 1,2,3,...i πηγές φορτίου ακόμα και σε γραμμική-επίπεδη-χωρική κατανομή φορτίου.