Mynd 18.1. Hár barnsins ber ójafnvægi í rafhleðslu, sem oft er kallað stöðurafmagn, og þess vegna stendur það út í loftið. Þegar barnið rann sér niður rennibrautina færðust rafeindir af líkama þess og eftir varð umfram jákvæð hleðsla; jákvæðu hleðslurnar hrinda hver annarri frá sér eftir hverju hárstrái. (mynd: Ken Bosma, Wikimedia Commons)
Yfirlit kafla
18.1 Rafhleðslur, varðveisla hleðslu og flutningur hleðslu
18.2 Lögmál Coulombs
18.3 Rafsvið
18.4 Rafmætti
18.5 Þéttar og rafsvörunarefni
Inngangur
Stuðningur við kennara
Spyrjið nemendur hvað þeir vita um stöðurafmagn og rafhleðslu. Útskýrið að stöðurafmagn sé fræðasvið sem fjallar um kraftana og rafþrýstinginn milli hluta sem hafa ójafnvægi í rafhleðslu. Þótt orðið „kyrrstætt“ gefi til kynna að ekkert sé á hreyfingu er það oft ekki raunin. Til dæmis felur aðskilnaður jákvæðra og neikvæðra hleðslna í sér hleðslur á hreyfingu en skapar stöðurafmagn. Á sama hátt er eldingarslag gríðarlegur rafstraumur en verður til vegna stöðurafmagns. Venjulega fela stöðurafmagnsfyrirbæri í sér háan rafþrýsting og lága, ósamfellda rafstrauma.
Rifjið upp þyngdarlögmál Newtons. Ræðið hvernig þyngdarkrafturinn er í öfugu hlutfalli við fjarlægðina í öðru veldi milli massa og hvernig hann er alltaf aðdráttarkraftur. Bendið á að stærðin sem ákvarðar hversu sterkt þyngdaraflið verkar á hlut er massi hans. Útskýrið að rafhleðsla sé samsvarandi stærð sem ákvarðar hversu sterkir rafkraftar eru milli hluta sem hafa rafhleðslu sem er ekki núll.
Stuðningur við kennara
Rifjið upp hugmyndina um fráhrindandi og aðdráttarkrafta. Ræðið hvernig kraftar geta haft sömu stærð en verkað í gagnstæðar áttir.
Útskýrið að allir stórsæir kraftar sem við skynjum beint, svo sem snertiskyn og spenna í reipi, stafi af rafsegulkraftinum, einum af fjórum grundvallarkröftum náttúrunnar. Stöðurafkraftar eru hlutmengi rafsegulkrafta, sem fjallað er nánar um í síðari köflum. Þyngdarkrafturinn, annar grundvallarkraftur, skynjast í raun gegnum rafsegulvíxlverkun sameinda, svo sem milli þeirra í fótum okkar og þeirra efst á baðvigt. Hinir tveir grundvallarkraftarnir, sterki kjarnakrafturinn og veiki kjarnakrafturinn, verða ekki skynjaðir á mannlegum skala.
Þú gætir hafa kynnst stöðurafmagni með svipuðum hætti og barnið sem rennir sér niður rennibrautina á upphafsmyndinni (Mynd 18.1). Rafstuðið sem barnið gæti fengið ef það snertir leikfélaga eða foreldri festir lærdóminn oft í minni. Stöðurafmagn er þó meira en leikur og skemmtun; það er nýtt í mörgum atvinnugreinum. Kraftar milli rafhlaðinna agna eru notaðir í tækni á borð við prentara, mengunarsíur og úðabyssur sem mála bíla og vörubíla. Stöðurafmagn fjallar um fyrirbæri þar sem ójafnvægi er í rafhleðslu. Þótt slíkt ójafnvægi verði yfirleitt til með því að færa hleðslu til, getur það haldist kyrrstætt í langan tíma eftir að það myndast. Hleðslur á hreyfingu eru viðfangsefni rafsegulfræði, sem fjallað verður um í síðari kafla. Hvað er rafhleðsla, hvernig tengist hún hlutum og hvaða krafta skapar hún? Þetta eru aðeins nokkrar af spurningunum sem þessi kafli tekur fyrir.
Stuðningur við kennara
Áður en nemendur hefja þennan kafla væri gagnlegt að rifja upp eftirfarandi hugtök:
Þyngdarlögmál Newtons — rifjið upp stærðfræðilegt form þess og hvernig það er háð massa hlutanna tveggja og öfugu öðru veldi fjarlægðarinnar milli þeirra. Segið nemendum að þessi kafli kynni svipað andhverft-annars-veldis lögmál sem lýsir kraftinum sem rafhrif skapa.
Rifjið upp vigra og vigrasamlagningu — minnið nemendur á að vigrar eru skilgreindir með stærð og stefnu og að samlagning vigra með sömu stærð en gagnstæða stefnu gefur núll (þ.e. þeir núlla hvor annan út).
