Kvôli
efektívnosti nášho výkladu nemôžeme presne sledovať historický vývoj poznatkov
z elektrostatiky, ale musíme čitateľovi už v úvode "prezradiť"
niektoré súčasné poznatky o štruktúre látok a vlastnostiach elektricky nabitých
častíc.
Atómy sa
skladajú z kladne nabitého jadra, okolo ktorého je obal z elektrónov. Typické
rozmery atómov sú 10-10 m. Jadro atómu je veľmi malé v porovnaní s
rozmermi atómu. Jeho priemer je asi 1/100 000 priemeru atómu. Zato je v ňom
sústredená prakticky všetka hmota atómu. Pri dostatočne veľkej energii častíc
(asi milión krát viac ako je energia atómov v plameni) sa pri zrážkach
atómových jadier môže narušiť ich vnútorná štruktúra a dochádza k uvoľneniu
častíc, z ktorých sa skladá jadro. Sú to kladne nabité jadrá atómu vodíka -
"protóny" a elektricky neutrálne, protónom veľmi podobné
častice - "neutróny". Protóny a neutróny pre svoju podobnosť zvykneme
označovať spoločným názvom "nukleóny". Elektrická odpudivá
sila medzi protónmi v jadre je vzhľadom na malé rozmery jadra a ich kladný
náboj nesmierne veľká, a keby neexistovala silná príťažlivá sila medzi protónmi
a neutrónmi navzájom, atómové jadro by sa samovoľne rozletelo na márne kúsky.
Toto v skutočnosti čiastočne aj nastáva pri reťazovej nukleárnej reakcii v atómových
bombách a jadrových reaktoroch. (štiepenie jadier)
Neutróny,
ktoré sa pri jadrových reakciách niekedy uvoľnia z atómového jadra sú nestabilné
a samovoľne sa rozpadajú v priebehu niekoľkých desiatok minút na protóny
a elektróny. Takýto rozpad prebieha, podstatne pomalšie, aj v jadrách
niektorých ťažkých prvkov s veľkou prevahou neutrónov, čo sa prejavuje ako
rádioaktivita beta.
Pri
niektorých zrážkach jadier - jadrových reakciách vznikajú častice, ktoré sú
navlas podobné elektrónom ale majú opačný t.j. kladný elektrický náboj - "pozitróny".
Aj protóny pri dostatočnej energii dokážu vyprodukovať svoju presnú kópiu s
opačným elektrickým nábojom - "antiprotón". Pri všetkých
takýchto premenách častíc stále platí zákon zachovania celkového elektrického
náboja.
V tuhých látkach sa
stretávame s veľmi rozmanitou vnútornou štruktúrou.
·
Iónové kryštály sa skladajú z kladne a
záporne nabitých iónov, čo sú atómy s deficitom alebo prebytkom elektrónov.
Typickým príkladom je kuchynská soľ - NaCl, ktorá obsahuje ióny Na+
a Cl-. Vnútorná súdržnosť látky je určená práve elektrickými silami
medzi týmito iónmi.
·
Kovalentné kryštály - diamant, SiC, kde
je väzba medzi atómmi v podstate tiež
elektrostatická, ale taká, že vonkajšie elektróny atómov sa nachádzajú väčšinou
medzi dvoma atómmi a tým vzniká silná príťažlivá sila medzi kladne nabitým
zvyškom atómu a týmito elektrónmi
·
Atomárne a molekulárne kryštály -
organické zlúčeniny, väčšina polymérov,
·
Amorfné materiály – sklo a pod. Sú
to materiály, ktoré nemajú pravidelnú vnútornú štruktúru
Vo všetkých týchto látkach sa voľne pohyblivé nabité častice
prakticky nevyskytujú.
·
Kovové kryštály - z každého atómu je
odtrhnutý jeden až dva elektróny, ktoré sa voľne pohybujú v kryštalickej
mriežke kladných iónov.
·
Polovodiče - sú to v podstate kovaletné
kryštály, kde už pri bežných teplotách veľmi malá časť atómov stratila svoje
elektróny a tieto sa voľne pohybujú po celom kryštály. (Ge, Si a pod.)
V týchto
látkach sa vyskytujú voľne pohyblivé
elektrické náboje.
V kvapalinách
sa obvykle stretávame s týmito dvoma prípadmi
- Čisté kvapaliny mnohých látok obsahujú iba elektricky neutrálne
molekuly. Destilovaná voda, benzín, petrolej, olej a pod. Voľne
pohyblivé nabité častice sa v nich nevyskytujú.
- Kyseliny, zásady, roztoky solí. V tomto prípade dochádza
k disociácii molekúl t.j. ich rozpadu na nabité ióny. Napríklad NaCl
sa vo vode rozkladá na ióny Na+ a Cl- . Tieto ióny sú v roztoku pohyblivé.
V skutočnosti aj v destilovanej vode je nepatrná časť molekúl
(asi 10-7) disociovaná na ióny H+ a OH- .
V plynoch
sú atómy a molekuly navonok elektricky neutrálne. Po zahriatí na vyššie teploty,
napríklad v plameni (1000°C a viac) kinetická energia atómov a molekúl je
už dostatočná na to, aby pri ich vzájomných zrážkach dochádzalo k narušeniu ich
vnútornej štruktúry - "ionizácii", ktorá sa prejavuje
vznikom elektricky nabitých častíc. Záporne nabité častice, ktoré dostali názov
"elektrón" sú pri všetkých plynoch rovnaké a majú veľmi
malú hmotnosť. Kladne nabité častice majú hmotnosť približne rovnú hmotnosti
pôvodného atómu alebo molekuly a predstavujú elektricky nabitý zvyšok pôvodného
atómu alebo molekuly - "ión". Pri spätnom procese obnovy pôvodného atómu alebo molekuly -
"rekombinácii" iónov s elektrónmi sa prebytočná energia
uvoľňuje vo forme elektromagnetického žiarenia, čím dostávame charakteristické
spektrá týchto atómov a molekúl. Detailná analýza spektier viedla k určeniu
vnútornej štruktúry atómov a molekúl. Ionizáciu molekúl plynu možno dosiahnuť
aj dostatočne energetickým žiarením – ultrafialové svetlo, rtg. žiarenie, gama
žiarenie, kozmické lúče.
Z hľadiska
elektrostatiky je rozhodujúce, či sa v látke nachádzajú voľne pohyblivé náboje.
Ak áno, sú to elektricky vodivé materiály - "vodiče". V opačnom
prípade sú to elektricky nevodivé materiály - "dielektriká".