Elektroskop

Elektroskop je uređaj koji pokazuje na prisustvo ili odsustvo naelektrisanja. Od svih električnih mernih instrumenata, elektroskop je najstariji. Merni instrument koji određuje stepen naelektrisanosti tela, tj. pokazuje i na količinu naelektrisanja nekog tela, naziva se elektrometar. Elektroskop sa baždarenom skalom je elektrometar.

Shema elektroskopa s listićima

Elektroskop se sastoji od dve elektrode. Spoljašnja elektroda je metalno kućište sa prozorom, a unutrašnja je centralna metalna elektroda na čijem se donjem kraju nalaze 2 aluminijumska listića, a na gornjem kraju ploča ili kuglica. Dodirom naelektrisanog predmeta i šipke elektroskopa, deo naelektrisanja prelazi na šipku i ona se naelektriše naelektrisanjem istog znaka. Ako se na šipci nalaze tanki listići (elektroskop s listićima), oni su tada istoimeno naelektrisani i odbijaju se. Naelektrisan predmet je pod uticajem elektromagnetnog polja, ali i sam proizvodi svoje elektromagnetno polje.

Zahvaljujući elektroskopima koje je Viktor Hes koristio za detekciju, pronađeni su kosmički zraci.

Istorija

Pojedini predmeti kao što je, recimo, šipka ćilibara, imaju osobinu da kada se protrljaju sa mačjim krznom, mogu da privlače lake predmete, perje, dlake, papiriće. To je bilo poznato starim mediteranskim narodima. Elektricitet je proučavan još od antičkih vremena, ali značajna naučna otkrića nisu se pojavljivala sve do 17. i 18. veka. Tales iz Mileta je, oko 600 god. p. n. e. izveo niz eksperimenata u kojima je dolazilo do pojave statičkog elektriciteta, i na osnovu njih je zaključio da trenje daje ćilibaru magnetska svojstva, što je bilo u suprotnosti sa mineralima, npr. magnetitom, kojima nije bilo potrebno trenje da bi privlačili predmete. Tales je pogrešio u pretpostavci da protrljan ćilibar ima magnetska svojstva.

Elektroskop sa zlatnim listićima, 1901. godina

Gilbertov versorijum

Engleski fizičar Vilijam Gilbert uočio je da postoje mnoga tela koja se trenjem mogu naelektrisati kao što su staklo, vuna, sumpor, drago kamenje i sl. Te supstance Džilbert naziva električnim. Gilbert je uočio i osnovne razlike između elektriciteta i magnetizma. Za njega se vezuje i otkriće elektroskopa oko 1600. godine. Prvi elektroskop je bila jedna rotirajuća igla, nazvana versorijum.

I Italijan Nikolo Kabe je uočio odbijanje naelektrisanih tela, ali mu je to bilo neprihvatljivo jer je smatrao da svako telo može da ima samo jedno prirodno kretanje. Stven Grej i Šarl Dife su shvatili da se sva tela mogu naelektrisati. Iako se metali, tečnosti i meka tela ne mogu naelektrisati trljanjem, oni se naelektrišu u blizini nekog većeg naelektrisanog tela. Šarl Dife je objavio svoje radove 1734. godine u časopisu Kraljevskog društva u Londonu. Do istih zaključljka je 1759. godine došao i Englez Robert Simer.

Dalje proučavanje elektriciteta dovodi do usavršavanja električnih mašina i njihovog razvoja, najpre u Nemačkoj 1743. godine, a zatim 1745. u Engleskoj i Francuskoj. Razvojem električnih mašina dolazi i do otkrića aparata za skladištenje elektriciteta - kondenzatora. Za objašnjenje električnih pojava u atmosferi najzaslužniji je Bendžamin Frenklin koji je povezao naelektrisanje i groma.

Kako je ustanovljeno da postoje dve vrste naelektrisanja koje uslovljavaju privlačenje i odbijanje naelektrisanih tela Šarl Kulon je dao opšti zakon međusobnog delovanja naelektrisanih tela na nekom rastojanju.

Pronalaskom baterije za čuvanje elektriciteta, od Italijana Aleksandra Volte dalji radovi u oblasti elektriciteta su bili usmereni na njegovo kretanje kroz provodnik i vezu sa magnetnim pojavama i tako su ustanovljeni zakoni elektromagnetizma.

Naelektrisanje

Naelektrisanje je jedna od osnovnih osobina nekih subatomskih čestica kojom se karakterišu elektromagnetne interakcije interakcije (interakcije čestica sa elektromagnetskim poljem). Naelektrisana materija stvara elektromagnetno polje, a takođe podleže dejstvu drugih elektromagnetnih polja. Uzajamno dejstvo naelektrisanja i polja je uzrok elektromagnetne sile koja predstavlja jednu od četiri osnovne sile u prirodi.

U prirodi postoje dve vrste naelektrisanja. Dogovoreno je da se ova naelektrisanja nazivaju pozitivnim i negativnim naelektrisanjem. Naelektrisanja različitih znakova se privlače dok se naelektrisanja istog znaka odbijaju.

Naelektrisanje je nekada smatrano neprekidnom i beskonačno deljivom osobinom. Danas znamo da postoji najmanja količina naelektrisanja. Ona se vezuje za osnovno (elementarno) naelektrisanje elektrona i iznosi 3018839800000000000♠−1,602×10⁻¹⁹ kulona,. Svako naelektrisano telo u prirodi ima višak ili manjak elektrona. Stoga se kaže da je količina naelektrisanja (nekada se zove električno opterećenje) konačan skup elementarnih količina elektriciteta.

Fizička pojava uzrokovana naelektrisanjem je elektricitet. Raznovrsna svojstva elektriciteta kao oblika energije omogućavaju veoma široku upotrebu u saobraćaju, fabrikama, grejanju, osvetljavanju, komunikacijama i računarstvu.

Načini naelektrisavanja

Ustanovljeno gledište da su sva tela u normalnom stanju električni neutralna, a da se ona mogu naelektrisati trenjem ili drugim postupkom, tako da se javlja jedna ili druga vrsta elektriciteta. Konvencionalno je usvojeno da elektricitet koji se dobije kad se staklena šipka protrlja svilenom tkaninom nazove pozitivan elektricitet, a negativnim elektricitetom suprotna vrsta koja se dobije kad se štap od ebonita protrlja krznom. Takođe je utvrđeno da se neko neutralno telo može naelektrisati ako se dodirne telom koje je već naelektrisano. Ovo pokazuje da elektricitet može preleziti sa tela na telo. Iz tih razloga se u početku razvoja nauke o elektricitetu smatralo da je elektricitet neka vrsta fluida koja prelazi sa tela na telo. Pored ovih, ustanovljena je i činjenica da elektricitet prolazi kroz neka tela. Među njima na prvom mestu spadaju metali, dok je kod drugih tela prolaz elektriciteta neznatan. Prva tela su nazvana provodnici, a druga izolatori.

U normalnom stanju kod električno neutralnog tela su uravnotežene pozitivne i negativne količine elektriciteta i nihova se dejstva neutrališu, odnosno tela koja su nenaelektrisana sadrže istu količinu pozitivnog i negativnog elektriciteta. Ako se ova ravnoteža poremeti onda će tela sadržati manji ili veći broj elektrona od normalnog odnosno biće pozitivno ili negativno naelektrisana. Kako se u telima obično kreću elektroni, kao nosioci naelektrisanja, to se naelektrisanje tela obično tumači viškom ili manjkom elektrona. Naelektrisavanje tela se objašnjava jednostavno prelaskom elektrona sa tela na telo, bilo da se ona naelektrišu trenjem ili dodirom. Pri običnom dodiru različitih tela izvestan broj elektrona pređe sa jednog tela na drugo. U kom će se smeru izvršiti prelaz zavisi od prirode tela. Trenjem se daje mnogo veća mogućnost prelaska elektrona, te se tela daleko više naelektrišu. Naelektrisanja tela pri običnom dodiru su stoga neznatna prema naelektrisanju trenjem te ovako mala naelektrisanja nisu bila odmah primećena pa se smatralo da se tela naelektrisavaju samo trenjem. Tela kroz koja elektroni mogu lako da se kreću, kao što je to slučaj kod metala, predstavljaju provodnike, dok su izolatori tela kroz koja se elektroni veoma slabo kreću. U ovom pogledu može da se govori samo o lakšem ili težem kretanju elektrona kroz tela te postoje samo bolji i lošiji provodnici, jer ni potpuni izolatori niti idealni provodnici ne postoje.

Postoje dva osnovna načina naelektisavanja - naelektrisavanje dodirom i naelektrisavanje putem magnetne indukcije.

• Naelektrisavanje elektroskopa dodirom

Kada se pozitivno naelektrisana šipka prinese dovoljno blizu elektroskopa, dolazi do preraspodele naelektrisanja i listići elektroskopa, naelektrisani istoimenim naelektrisanjem, odbijaju se. Kada šipka dodirne elektroskop, elektroni sa kugle elektroskopa prelaze na šipku, privučeni njenim viškom pozitivnih naelektrisanja, i neutrališu ga. Kada se šipka ukloni, elektroskop ima manjak elektrona, odnosno, pozitivno je naelektrisan. Kod naelektrisavanja dodirom, elektroni koji se nalaze uz površinu jednog materijala, prelaze na drugi.

• Naelektrisavanje elektroskopa putem magnetne indukcije

Ako se pozitivno naelektrisana šipka donese u blizinu metalne električno neutralne sfere, dolazi do preraspodele naelektrisanja na telu koje ostaje i dalje elektroneutralno. Povezivanjem provodnikom metalne sfere sa zemljom, elektroni iz zemlje biće privučeni na deo sfere sa viškom pozitivnih naelektrisanja. Ako se uzemljenje ukloni, a zatim šipka udalji, na sferi će postojati višak negativnih naelektrisanja. Telo je naelektrisano bez gubitaka naelektrisanja na šipki.

Podela

Sferno-jezgrasti elektroskop

Elektroskop s listićima

Klasični elektroskopi se dele na sferno-jezgraste elektroskope i elektroskope s listićima (najčešće zlatnim). Oni se još i danas koriste u nastavi za demonstraciju principa elektrostatike. Noviji elektroskop je dozimetar s kvarcnim vlaknima.

Elektroskop s listićima se sastoji od metalne kutije postavljene na izolatorsko postolje, na čiji vrh je pričvršćena metalna kuglica povezana sa dva (aluminijumska ili zlatna) listića, smeštena u unutrašnjost kutije. Ukoliko se naelektrisano telo dovede u vezu s metalnom kuglicom, naelektrisanje će s tela preći na kuglice i listići će se, naelektrisani istoimenim naelektrisanjem, razmaknuti.

Ogledi s elektroskopom

Provodnici i izolatori

• Potreban pribor: dva elektroskopa, metalna šipka sa drškom od izolatora, ebonitna šipka, plastični ili drveni lenjir (mora biti potpuno suv), vunena tkanina.
• Uputstvo: Jedan elektroskop se naelektriše ebonitnom šipkom, a drugi elektroskop ostaje nenaelektrisan. Elektroskopi se prvo spoje metalnom šipkom držeći je za izolatorski držač. Primećuje se da su se listići kod nenaelektrisanog elektroskopa raširili, a kod naelektrisanog, listići su se malo skupili.

Isto ovo se ponovi, ali elektroskopi se spajaju nenaelektrisanim plastičnim lenjirom. Listići kod naelektrisanog elektroskopa ostaju isto razmaknuti, a kod nenaelektrisanog elektroskopa ostaju opušteni, što znači da se on nije naelektrisao.

• Objašnjenje: Kako je jedan provodnik sa trakama hartije naelektrisan pozitivno, a drugi negativno, i kad ih približimo dolazi do privlačenja. Papirne trake se takođe privlače i zauzeće pravce odnosno oblik koje imaju električne linije sile.

Raspored elektriciteta na provodnicima

Prvi ogled

• Potreban pribor: Metalna lopta sa uzanim otvorom ili metalna konzerva od soka (limenka) na izolatorskom postolju, dva elektroskopa, dva duža žičana provodnika, polivinilna šipka, vunena tkanina
• Uputstvo: Naelektrisanom polivinilnom šipkom se naelektriše metalna lopta dodirom. Jedan žičani provodnik se veže za jedan elektroskop, a drugi provodnik za drugi elektroskop. Zatim se provodnik koji je vezan za prvi elektroskop pažljivo provuče kroz otvor lopte i njime dodirne njen unutrašnji zid. Listići elektroskoopa se ne pomeraju. Drugim provodnikom se dodirne zid lopte sa spoljne strane. Listići elektroskopa se razmaknu.
• Objašnjenje: Elektricitet se nalazi samo na spoljašnjoj strani provodnika.

Drugi ogled

• Potreban pribor: Kavez od metalne mreže (dimenzija da u njega može da stane elektroskop), dva elektroskopa, dva žičana provodnika, polivinilna šipka, vunena tkanina
• Uputstvo: Postaviti elektroskop na podlogu koja je izolator i provodnikom povezati sa unutrašnje strane kaveza. Postaviti kavez preko elektroskopa. Drugi elektroskop povezati na spoljašnju stranu kaveza. Naelektrisanom polivinilskom šipkom dodirnuti kavez. Primećuje se da se listići elektroskopa koji je van kaveza razmaknu, a listići elektroskopa koji je u kavezu ostaju opušteni.
• Objašnjenje: Elektricitet se nalazi samo na spoljašnjoj strani provodnika.
• Napomena: Ovaj ogled je izvodio Faradej za dokazivanje da se elektricitet raspoređuje samo na spoljašnjoj strani provodnika.

Treći ogled

• Potreban pribor: Metalna lopta sa šiljkom, elektrostatička influentna mašina, sveća, elektroskop.
• Uputstvo: Pomoću elektrostatičke influentne mašine metalna lopta sa šiljkom se naelektriše. Plamen sveće se približi šiljku. Primećuje se da se plamen povija, kao da „beži” od šiljka. Ako se elektroskop primakne šiljku, listići će se razmaknuti i ostati razmaknuti kad se udalji.
• Objašnjenje: Na vrhu šiljka je najveća električna gustina. Pri većem naelektrisanju (u ovom slučaju influentnom mašinom), u blizini šiljka se stvori snažno električno polje koje privlači ili odbija jone kojih uvek ima u atmosferi. Joni nastaju na razne načina (dejstvom kosmičkih zraka iz vasione, dejstvom radioaktivnih zraka iz Zemlje ili u sudarima molekula pri visokoj temperaturi). U ovom slučaju najviše jona je stvoreno u plamenu sveće. Ovi joni su snažno privučeni ili odbijeni u električnom polju šiljka i imaju veliku brzinu stvarajući takozvani električni vetar. Plamen sveće se zbog tog vetra povija. Ako se elektroskop primakne pozitivno naelektrisanom šiljku, negativni joni su privučeni na šiljak, a tada u okolini ostaje višak pozitivnih jona koji naelektrišu elekroskop i njegovi listići ostaju razmaknuti.

Elektrostatička indukcija

Prvi ogled

• Potreban pribor: polivinilna šipka, vunena tkanina, elektroskop
• Uputstvo: Naelektrisana polivinilna šipka se približi elektroskopu. Listići se razmiču. Kad se šipka udalji, listići se vraćaju prvobitni položaj. Ponovo se šipka primakne elektroskopu i listići se razmiču. Ako se elektroskop dodirne prstom, listići se vraćaju u prvobitni položaj. Kad se istovremeno udalje šipka i prst skine sa elektroskopa, listići se ponovo razmiču. Kad se šipka ponovo približi elektroskopu, listići počinju da se približavaju, a kad se udalji ponovo se razmiču.
• Objašnjenje: Kad se naelektrisana šipka približila elektroskopu, došlo je do razdvajanja naelektrisanja na elektroskopu. Šipka je negativno naelektrisana, pa se na kuglici i elektroskopu razdvojilo pozitivno naelektrisanje, a na listićima negativno. Kad se stavio prst na kuglicu elektroskopa, tada je negativno naelektrisanje sa tela prešlo na kuglicu i uspostavila se električna ravnoteža. Odmicanjem šipke i prsta sa elektroskopa istovremeno, negativno naelektrisanje je ostalo na elektroskopu i on je ostao negativno naelektrisan. Zbog toga su se listići ponovo razmakli. Da je elektroskop ostao negativno naelektrisan dokazuje se ponovnim približavanjem šipke elektroskopu, jer se listići približavaju.

Drugi ogled

• Potreban pribor: dva elektroskopa, metalni provodnik sa izolatorskom drškom, polivinilna šipka, vunena tkanina
• Uputstvo: Elektroskopi se postave tako da se mogu spojiti metalnim provodnikom. Jednom od ovako spojenih elektroskopa se približi naelektrisana polivinilna šipka i listići oba elektroskopa se razmaknu. Zatim se polivinilna šipka udalji i listići elektroskopa se vrate u početni položaj. Ponovo se približi šipka jednom od elektroskopa i listići se ponovo razmaknu kod oba elektroskopa. Sada se provodnik podigne u isto vreme kad se i šipka udaljava i primećuje se da su listići kod oba elektroskopa ostali razmaknuti. Ako se naelektrisana šipka približi prvom elektroskopu, njegovi listići počinju da se približavaju jedan drugom, a ako se šipka približi drugom elektroskopu njegovi listići se još više šire.
• Objašnjenje: Približavanjem naelektrisanog tela provodniku, u njemu dolazi do razdvajanja naelektrisanja pod uticajem električne influencije. U ovom slučaju negativno naelektrisana šipka razdvaja naelektrisanje u provodniku, pa i elektroskopima, tako da pokretni elektroni odlaze sa na bližeg kraja provodnika na njegov drugi kraj. Kad se istovremeno udalji šipka i provodnik sa elektroskopa, razdvojeni elektriciteti koji su naelektrisali elektroskope ostaju na njima, pa su elektroskopi naelektrisani raznoimenim naelektrisanjem.

Vidi još

• Naelektrisanje
• Elektrometar
• Elektricitet
• Električna influenca (elektrostatička indukcija)
• Provodnici
• Električni izolator