Varauksen jakautuminen johtimen pinnalla

Mitä yhteistä on autossa istumisella salaman iskiessä ja vauvoilla, joilla on likainen vaippa? No, molemmat auttavat selittämään, mihin sähkövaraukset tykkäävät mennä, jos ne voivat valita. Sähkövarauksia, kuten varmasti tiedät, on kahta tyyppiä: positiivisia ja negatiivisia. Elektroni on hiukkanen, jolla on negatiivinen varaus, ja protoni on hiukkanen, jolla on positiivinen varaus. Jokainen asia, jokainen kappale, joka on sähköisesti varautunut, luo ympärilleen sähkökentän.

Sähkökenttä on vähän kuin magneettikenttä. Nämä kaksi kenttää liittyvät toisiinsa, mutta ne eivät ole sama asia. Sähkökenttä, jonka on aiheuttanut varautunut kappale, leviää ulospäin kaikkiin suuntiin. Se on vahvimmillaan varautuneen kappaleen lähellä, ja heikentyy joutuessaan kauemmaksi. Kun teemme piirroksen sähkökentästä, joka ympäröi jotain positiivisesti varautunutta, kuvaamme kentän osoittamaan poispäin varautuneesta aineesta.

Sähkökenttä, joka ympäröi negatiivisesti varautunutta kappaletta, kuvataan osoittamaan kohti varautunutta ainetta. Kun varautunut kappale tulee toisen kappaleen sähkökenttään, molemmat hiukkaset tuntevat voiman. Jos yksi hiukkanen on positiivinen ja toinen negatiivinen, kappaleet tuntevat voiman toisiaan kohtaan. Vastakkaiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa. Jos molemmat hiukkaset ovat negatiivisesti varautuneita tai jos molemmat ovat positiivisesti varautuneita, ne tuntevat voiman, joka haluaa pois toistensa luota.

Samanlaiset varaukset hylkivät toisiaan. Kerätään nyt yhteen negatiivisesti varautuneita hiukkasia - elektroneja. Annamme niiden kulkea vapaasti tässä teräspallossa. Teräs on johdin, joten ylimääräiset elektronit, joilla latasimme sen, voivat liikkua vapaasti ja asettua mihin haluavat. Jokainen elektroni haluaa päästä mahdollisimman kauas muista ylimääräisistä elektroneista.

Nyt kysymys kuuluu: mihin ne menevät? Ennen kuin saamme tuohon vastauksen, korvataan elektronit pienillä vauvoilla, jotka ovat pyöreässä karsinassa. Jokaisella vauvalla on vaippa, joka tarvitsee kovasti vaihtamista. Mitä kauemmaksi pääset vaipasta, sitä vähemmän tunnet sen hajun. Joten jokainen vauva haluaa päästä mahdollisimman kauas kaikista muista vauvoista.

Mihin ne menevät? Jos siellä on kaksi vauvaa, ne menevät huoneen vastakkaisille puolille. Kolme vauvaa? Neljä... viisi...

kuusi vauvaa... Päästäkseen mahdollisimman kauas kaikista muista vauvoista, ne päätyvät aitauksen reunoille. Sama juttu elektroneilla. Ylimääräiset elektronit johtimessa levittäytyvät tasaisesti johtimen pinnalle. Eikä yksikään niistä tule löytymään johtimen sisältä.

Miksi? Yksinkertaista. Jos elektroni yrittäisi liikkua sisälle, kohti pallon keskikohtaa, se tuntisi voimakkaamman tönäyksen - kasvaneen luotaantyöntävän voiman - kaikilta elektroneilta pallon toisella puolella. Elektronit hylkivät toisiaan, kunnes ne pääsevät mahdollisimman kauas toisistaan. Tässä vaiheessa, kaikkien varautuneiden hiukkasten sähkökentät tasapainottavat toisiaan.

Elektronit ovat nyt tasapainon tilassa. Jos olisit teräspallon sisällä, et tuntisi sähkökenttää ollenkaan. Mitäh? Olla nyt varautuneen johtimen sisällä... "Milloin tämä olisi ikinä hyödyllistä", saatat kysyä. No, jos istut metallilaatikon sisällä ja salama iskee, mitä tapahtuu?

Tiedät sen jo valmiiksi: Johtimessa kaikki ylimääräiset elektronit löytyvät vain johtimen pinnalta. Joten sähkövaraukset liikkuvat pitkin auton ulkopintaa, ja hyppäävät sitten maahan. Se kuulostaa oudolta, mutta on totta: Voit pysyä turvassa valtavilta sähkövarauksilta, olemalla niiden sisällä. Tämä on nimeltään Faradayn häkki, joka on nimetty brittiläisen tiedemiehen Michael Faradayn mukaan. Sanotaan, että hän pystyi selittämään kaiken siitä, mihin sähkövaraukset päätyvät... ...ilman yhtäkään likaista vaippaa.