Rozkład ładunku na powierzchni przewodnika

Co wspólnego ma siedzenie w samochodzie w momencie, gdy uderza piorun z gromadką niemowlaków w brudnych pieluszkach? Cóż, obie sytuacje pomogą nam wyjaśnić, jak przemieszczają się ładunki elektryczne, gdy mają wybór. Wiesz na pewno, że ładunki elektryczne mogą być: dodatnie i ujemne. Elektron to cząsteczka naładowana ujemnie, a proton to cząsteczka naładowana dodatnio. Każda „rzecz” czy każdy przedmiot, który jest naładowany elektrycznie, wytwarza wokól siebie pole elektryczne.

Pole elektryczne przypomina trochę pole magnetyczne. Te dwa rodzaje pól są ze sobą powiązane, ale nie są identyczne. Pole elektryczne wytworzone przez naładowany przedmiot promieniuje na zewnątrz we wszystkich kierunkach. Najsilniejsze jest bezpośrednio, w pobliżu naładowanego przedmiotu i słabnie, im bardziej się od niego oddala. Gdy rysujemy pole elektryczne otaczające dodatnio naładowany przedmiot, przedstawiamy je w postaci strzałek promieniujących od naładowanej materii.

Pole elektryczne otaczające przedmiot naładowany ujemnie rysujemy w postaci strzałek skierowanych w stronę naładowanej materii. Gdy naładowany przedmiot wchodzi w pole elektryczne innego przedmiotu, na cząsteczki obu z nich działa siła. Jeśli jedna cząsteczka jest dodatnia, a jedna ujemna, na przedmioty działa siła przyciągania. Przeciwne ładunki przyciągają się. Jeśli obydwie cząsteczki są naładowane ujemnie, lub jeśli obydwie są naładowane dodatnio, będzie na nie działała siła odpychania.

Jednakowe ładunki odpychają się. Teraz weźmy kilka ujemnie naładowanych cząsteczek - elektronów. Pozwolimy im swobodnie krążyć w tej stalowej kuli. Stal jest przewodnikiem, więc elektrony nadmiarowe, którymi ją naładujemy mogą swobodnie się poruszać i ustawiać się, gdzie tylko chcą. Każdy elektron chce być jak najdalej od wszystkich pozostałych nadmiarowych elektronów.

Pytanie brzmi: jak zachowają się te elektrony? Zanim odpowiemy na to pytanie, spróbujmy zastąpić elektrony niemowlakami w okrągłym kojcu. Każdy niemowlak ma na sobie pieluszkę, którą naprawdę pora już zmienić. Im bardziej oddalisz się od pieluszki, tym mniej czujesz jej zapach. Dlatego właśnie każdy niemowlak chce znaleźć się jak najdalej od pozostałych niemowlaków.

Dokąd pójdą te niemowlaki? Jeśli mamy dwoje niemowląt, powędrują one na przeciwne strony pomieszczenia. Troje niemowląt? Czworo... pięcioro...

sześcioro niemowląt... Aby znaleźć się jak najdalej od wszystkich pozostałych niemowlaków, ustawią się wzdłuż ściany kojca. Tak samo dzieje się z elektronami. Grupa nadmiarowych elektronów w przewodniku rozprzestrzeni się równomiernie na powierzchni przewodnika. Wewnątrz przewodnika nie będzie jednak ani jednego z nich.

Dlaczego? To proste. Gdyby elektron spróbował dostać się do wewnątrz, w kierunku środka kuli, odczułby mocniejsze popchnięcie - zwiększoną siłę odpychania - od wszystkich elektronów po przeciwnej stronie kuli. Elektrony odpychają się do momentu, aż znajdą się tak daleko, jak to tylko możliwe. Wtedy pola elektryczne wszystkich naładowanych cząsteczek wyrównują się.

Elektrony są teraz w stanie równowagi. Gdybyśmy znaleźli się w środku stalowej kuli, nie odczulibyśmy żadnego pola elektrycznego. Co? Przebywanie w środku naładowanego przewodnika... Zadajesz sobie pytanie: Czy to w ogóle kiedyś się przydaje?

Cóż, kiedy siedzisz w środku metalowej skrzynki, w którą uderzy piorun, co się stanie? Już to wiesz: w przewodniku wszelkie nadmiarowe elektrony będą znajdowały się tylko na powierzchni przewodnika. Dlatego ładunki elektryczne będą przemieszczały się po powierzchni auta, a potem przeskoczą na ziemię. Brzmi dziwnie, ale to prawda: możesz ochronić się przed olbrzymimi ładunkami elektrycznymi będąc w ich środku. Nazywamy to klatką Faradaya od nazwiska brytyjskiego naukowca, Michaela Faradaya.

Podobno potrafił doskonale wyjaśnić, jak przemieszczają się ładunki elektryczne... ... nie używając brudnych pieluch.