1.1 పరిచయం

మనందరికీ సింథటిక్ బట్టలు లేదా స్వెటర్ తీసేటప్పుడు, ముఖ్యంగా పొడి వాతావరణంలో, మెరుపు లేదా పగిలే శబ్దం వినిపించే అనుభవం ఉంటుంది. పాలిస్టర్ సారీ వంటి మహిళల వస్త్రాల విషయంలో ఇది దాదాపు తప్పనిసరి. ఈ దృగ్విషయానికి ఏదైనా వివరణ కనుగొనడానికి మీరు ఎప్పుడైనా ప్రయత్నించారా? విద్యుత్ ఉత్సర్జనకు మరొక సాధారణ ఉదాహరణ గాలివానల సమయంలో ఆకాశంలో మనం చూసే మెరుపు. కారు తలుపు తెరిచేటప్పుడు లేదా మన సీటు నుండి జారిపోయిన తర్వాత బస్సు యొక్క ఇనుప కడ్డీని పట్టుకునేటప్పుడు కూడా మనం విద్యుత్ షాక్ సంవేదనను అనుభవిస్తాము. ఈ అనుభవాలకు కారణం, ఇన్సులేటింగ్ ఉపరితలాల రాపిడి వల్ల సంచితమైన విద్యుత్ ఆవేశాలు మన శరీరం ద్వారా ఉత్సర్జించబడటమే. ఇది స్టాటిక్ విద్యుత్ ఉత్పత్తి వల్ల జరుగుతుందని కూడా మీరు విని ఉండవచ్చు. ఇది ఖచ్చితంగా మనం ఈ అధ్యాయంలో మరియు తర్వాతి అధ్యాయంలో చర్చించబోయే విషయం. స్టాటిక్ అంటే కాలంతో కదలని లేదా మారని ఏదైనా. స్థిర ఆవేశాల నుండి ఉద్భవించే బలాలు, క్షేత్రాలు మరియు పొటెన్షియల్స్ అధ్యయనంతో ఎలక్ట్రోస్టాటిక్స్ వ్యవహరిస్తుంది.

1.2 విద్యుత్ ఆవేశం

చారిత్రకంగా, ఉన్నితో లేదా పట్టుతో రాపిడి చేసిన అంబర్ తేలికపాటి వస్తువులను ఆకర్షిస్తుందనే వాస్తవాన్ని కనుగొన్న ఘనత గ్రీస్ దేశానికి చెందిన మైలెటస్ యొక్క థేల్స్కు, క్రీ.పూ. 600 సుమారుకు దక్కుతుంది. విద్యుత్ (ఎలక్ట్రిసిటీ) అనే పేరు గ్రీకు పదమైన ఎలక్ట్రాన్ నుండి ఉద్భవించింది, దీని అర్థం అంబర్. రాపిడి చేసినప్పుడు గడ్డి, పిథ్ బంతులు మరియు కాగితపు ముక్కలు వంటి తేలికపాటి వస్తువులను ఆకర్షించగల అనేక జతల పదార్థాలు తెలుసు. అలాంటి ప్రభావాన్ని అనుభవించడానికి మీరు ఇంట్లో ఈ క్రింది కార్యాచరణను చేయవచ్చు. తెల్లటి కాగితం యొక్క పొడవాటి సన్నని పట్టీలను కత్తిరించి వాటిని తేలికగా ఇస్త్రీ చేయండి. వాటిని టీవీ స్క్రీన్ లేదా కంప్యూటర్ మానిటర్ దగ్గరకు తీసుకెళ్లండి. పట్టీలు స్క్రీన్కు ఆకర్షించబడతాయని మీరు చూస్తారు. వాస్తవానికి అవి కొంత సమయం పాటు స్క్రీన్కు అంటుకునే ఉంటాయి.

ఉన్ని లేదా పట్టుతో రాపిడి చేసిన రెండు గాజు కడ్డీలను ఒకదానికొకటి దగ్గరగా తీసుకువస్తే, అవి ఒకదానికొకటి వికర్షిస్తాయని గమనించారు [Fig. 1.1(a)]. కడ్డీలు రాపిడి చేయబడిన ఉన్ని యొక్క రెండు పోగులు లేదా పట్టు బట్ట యొక్క రెండు ముక్కలు కూడా ఒకదానికొకటి వికర్షిస్తాయి. అయితే, గాజు కడ్డీ మరియు ఉన్ని ఒకదానికొకటి ఆకర్షించాయి. అదేవిధంగా, పిల్లి బొచ్చుతో రాపిడి చేసిన రెండు ప్లాస్టిక్ కడ్డీలు ఒకదానికొకటి వికర్షించాయి [Fig. 1.1(b)] కానీ బొచ్చును ఆకర్షించాయి. మరోవైపు, ప్లాస్టిక్ కడ్డీ గాజు కడ్డీని ఆకర్షిస్తుంది [Fig. 1.1(c)] మరియు గాజు కడ్డీ రాపిడి చేయబడిన పట్టు లేదా ఉన్నిని వికర్షిస్తుంది. గాజు కడ్డీ బొచ్చును వికర్షిస్తుంది. బొచ్చుతో రాపిడి చేసిన ప్లాస్టిక్ కడ్డీని పట్టు లేదా నైలాన్ దారంతో నిలువుగా వేలాడదీసిన రెండు చిన్న పిథ్ బంతులను (ఈ రోజుల్లో మనం పాలిస్టైరిన్ బంతులను ఉపయోగించవచ్చు) తాకించినట్లయితే, అప్పుడు బంతులు ఒకదానికొకటి వికర్షిస్తాయి [Fig. 1.1(d)] మరియు కడ్డీ ద్వారా కూడా వికర్షించబడతాయి. పిథ్ బంతులను పట్టుతో రాపిడి చేసిన గాజు కడ్డీతో తాకినట్లయితే ఇదే విధమైన ప్రభావం కనిపిస్తుంది [Fig. 1.1(e)]. ఒక నాటకీయమైన గమనిక ఏమిటంటే, గాజు కడ్డీతో తాకిన పిథ్ బంతి ప్లాస్టిక్ కడ్డీతో తాకిన మరొక పిథ్ బంతిని ఆకర్షిస్తుంది [Fig. 1.1(f)].

ఈ స్పష్టంగా సాధారణమైన వాస్తవాలు సంవత్సరాల ప్రయత్నాలు మరియు జాగ్రత్తగా చేసిన ప్రయోగాలు మరియు వాటి విశ్లేషణల నుండి స్థాపించబడ్డాయి. వివిధ శాస్త్రవేత్తల చేత అనేక జాగ్రత్తగా చేసిన అధ్యయనాల తర్వాత, విద్యుత్ ఆవేశం అని పిలువబడే ఒక సంస్థకు రెండు రకాలు మాత్రమే ఉన్నాయని తేల్చబడింది. గాజు లేదా ప్లాస్టిక్ కడ్డీలు, పట్టు, బొచ్చు మరియు పిథ్ బంతులు వంటి వస్తువులు విద్యుదీకరణ చేయబడ్డాయని మనం చెప్పుకుంటాం. రాపిడి చేయడం ద్వారా అవి విద్యుత్ ఆవేశాన్ని పొందుతాయి. పిథ్ బంతులపై చేసిన ప్రయోగాలు రెండు రకాల విద్యుదీకరణ ఉన్నాయని సూచించాయి మరియు మనం కనుగొంటాము (i) సమాన ఆవేశాలు వికర్షిస్తాయి మరియు (ii) అసమాన ఆవేశాలు ఒకదానికొకటి ఆకర్షిస్తాయి. ప్రయోగాలు కడ్డీల నుండి పిథ్ బంతులకు ఆవేశాలు సంపర్కం ద్వారా బదిలీ చేయబడతాయని కూడా ప్రదర్శించాయి. పిథ్ బంతులు విద్యుదీకరణ చేయబడ్డాయి లేదా సంపర్కం ద్వారా ఆవేశం చేయబడ్డాయని చెప్పబడుతుంది. రెండు రకాల ఆవేశాలను వేరు చేసే లక్షణాన్ని ఆవేశం యొక్క ధ్రువణత అంటారు.

గాజు కడ్డీని పట్టుతో రాపిడి చేసినప్పుడు, కడ్డీ ఒక రకమైన ఆవేశాన్ని పొందుతుంది మరియు పట్టు రెండవ రకమైన ఆవేశాన్ని పొందుతుంది. విద్యుదీకరణ చేయడానికి రాపిడి చేయబడిన ఏదైనా జత వస్తువులకు ఇది నిజం. ఇప్పుడు విద్యుదీకరణ చేయబడిన గాజు కడ్డీని అది రాపిడి చేయబడిన పట్టుతో సంపర్కంలోకి తీసుకువస్తే, అవి ఇకపై ఒకదానికొకటి ఆకర్షించవు. అవి విద్యుదీకరణ చేయబడినప్పుడు చేసినట్లుగా ఇతర తేలికపాటి వస్తువులను కూడా ఆకర్షించవు లేదా వికర్షించవు.

అందువల్ల, రాపిడి చేసిన తర్వాత పొందిన ఆవేశాలు ఆవేశం చేయబడిన వస్తువులు సంపర్కంలోకి వచ్చినప్పుడు కోల్పోతాయి. ఈ గమనికల నుండి మీరు ఏమి తీర్మానించవచ్చు? ఇది వస్తువుల ద్వారా పొందిన అసమాన ఆవేశాలు ఒకదాని ప్రభావాన్ని తటస్థీకరించడం లేదా రద్దు చేయడం చెప్పుతుంది. అందువల్ల, ఆవేశాలను అమెరికన్ శాస్త్రవేత్త బెంజమిన్ ఫ్రాంక్లిన్ చేత సానుకూల మరియు ప్రతికూలంగా పేరు పెట్టారు. సానుకూల సంఖ్యకు అదే పరిమాణం యొక్క ప్రతికూల సంఖ్యను జోడించినప్పుడు, మొత్తం సున్నా అని మనకు తెలుసు. ఆవేశాలను సానుకూల మరియు ప్రతికూలంగా పేరు పెట్టడంలో ఇదే తత్వం ఉండి ఉండవచ్చు. సంప్రదాయం ప్రకారం, గాజు కడ్డీ లేదా పిల్లి బొచ్చుపై ఉన్న ఆవేశాన్ని సానుకూలంగా పిలుస్తారు మరియు ప్లాస్టిక్ కడ్డీ లేదా పట్టుపై ఉన్నదాన్ని ప్రతికూలంగా పిలుస్తారు. ఒక వస్తువు విద్యుత్ ఆవేశాన్ని కలిగి ఉంటే, అది విద్యుదీకరణ చేయబడింది లేదా ఆవేశం చేయబడింది అని చెప్పబడుతుంది. దానికి ఆవేశం లేనప్పుడు అది విద్యుత్ రీత్యా తటస్థంగా ఉంటుంది అని చెప్పబడుతుంది.

శరీరంపై ఆవేశాన్ని గుర్తించడానికి ఒక సాధారణ పరికరం గోల్డ్-లీఫ్ ఎలక్ట్రోస్కోప్ [Fig. 1.2(a)]. ఇది ఒక పెట్టెలో ఉంచబడిన నిలువు లోహపు కడ్డీని కలిగి ఉంటుంది, దాని దిగువ చివర రెండు సన్నని బంగారు ఆకులతో జతచేయబడి ఉంటుంది. ఆవేశం చేయబడిన వస్తువు కడ్డీ పైభాగంలోని లోహపు గుండ్రని బటన్ను తాకినప్పుడు, ఆవేశం ఆకులపైకి ప్రవహిస్తుంది మరియు అవి వేరు చేయబడతాయి. వేరు చేయబడే స్థాయి ఆవేశం యొక్క మొత్తానికి సూచిక.

పదార్థ వస్తువులు ఆవేశాన్ని ఎందుకు పొందుతాయో అర్థం చేసుకోవడానికి ప్రయత్నించండి. మీకు తెలుసు అన్ని పదార్థం అణువులు మరియు/లేదా అణువులతో తయారు చేయబడింది. సాధారణంగా పదార్థాలు విద్యుత్ రీత్యా తటస్థంగా ఉంటాయి, అవి ఆవేశాలను కలిగి ఉంటాయి; కానీ వాటి ఆవేశాలు సరిగ్గా సమతుల్యం చేయబడ్డాయి. అణువులను కలిపి ఉంచే శక్తులు, ఘనపదార్థంలో అణువులను కలిపి ఉంచే శక్తులు, బంధకం యొక్క అంటుకునే శక్తి, ఉపరితల తన్యతతో సంబంధం ఉన్న శక్తులు, అన్నీ ప్రాథమికంగా విద్యుత్ స్వభావం కలిగి ఉంటాయి, ఆవేశ కణాల మధ్య శక్తుల నుండి ఉద్భవిస్తాయి. అందువల్ల విద్యుత్ శక్తి అన్ని చోట్లా వ్యాపించి ఉంటుంది మరియు ఇది మన జీవితంతో అనుబంధించబడిన దాదాపు ప్రతి రంగాన్ని కలిగి ఉంటుంది. అది అందువల్ల అలాంటి శక్తి గురించి మనం మరింత తెలుసుకోవడం అవసరం.

తటస్థ శరీరాన్ని విద్యుదీకరణ చేయడానికి, మనం ఒక రకమైన ఆవేశాన్ని జోడించాలి లేదా తొలగించాలి. ఒక శరీరం ఆవేశం చేయబడిందని మనం చెప్పినప్పుడు, మనం ఎల్లప్పుడూ దీనిని సూచిస్తాము అదనపు ఆవేశం లేదా ఆవేశం లోపం. ఘనపదార్థాలలో, కొన్ని ఎలక్ట్రాన్లు, అణువులో తక్కువగా బంధించబడి ఉండటం, ఒక శరీరం నుండి మరొకదానికి బదిలీ చేయబడిన ఆవేశాలు. అందువల్ల ఒక శరీరం దాని కొన్ని ఎలక్ట్రాన్లను కోల్పోవడం ద్వారా సానుకూలంగా ఆవేశం చేయబడుతుంది. అదేవిధంగా, ఒక శరీరం ఎలక్ట్రాన్లను పొందడం ద్వారా ప్రతికూలంగా ఆవేశం చేయబడుతుంది. మనం గాజు కడ్డీని పట్టుతో రాపిడి చేసినప్పుడు, కడ్డీ నుండి కొన్ని ఎలక్ట్రాన్లు పట్టు బట్టకు బదిలీ చేయబడతాయి. అందువలన కడ్డీ సానుకూలంగా ఆవేశం చేయబడుతుంది మరియు పట్టు ప్రతికూలంగా ఆవేశం చేయబడుతుంది. రాపిడి ప్రక్రియలో కొత్త ఆవేశం ఏర్పడదు. అలాగే బదిలీ చేయబడిన ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య, మొత్తం ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్యలో చాలా చిన్న భాగం పదార్థ శరీరం.

1.3 వాహకాలు మరియు విద్యుద్రోధకాలు

కొన్ని పదార్థాలు వాటి ద్వారా విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని సులభంగా అనుమతిస్తాయి, మరికొన్ని అనుమతించవు. విద్యుత్తు వాటి గుండా సులభంగా ప్రవహించడానికి అనుమతించేవి వాహకాలు అని పిలువబడతాయి. వాటికి పదార్థం లోపల స్వేచ్ఛగా కదలడానికి పోల్చదగిన విద్యుత్ ఆవేశాలు (ఎలక్ట్రాన్లు) ఉంటాయి. లోహాలు, మానవ మరియు జంతు శరీరాలు మరియు భూమి వాహకాలు. గాజు, పింగాణీ, ప్లాస్టిక్, నైలాన్, కలప వంటి అధికాంశ అలోహాలు వాటి గుండా విద్యుత్ ప్రవాహానికి ఎక్కువ నిరోధకతను అందిస్తాయి. వాటిని విద్యుద్రోధకాలు అంటారు. చాలా పదార్థాలు పైన పేర్కొన్న రెండు తరగతులలో ఒకదానిలోకి వస్తాయి*.

కొంత ఆవేశం ఒక వాహకానికి బదిలీ చేయబడినప్పుడు, అది వాహకం యొక్క మొత్తం ఉపరితలంపై సులభంగా పంపిణీ చేయబడుతుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, కొంత ఆవేశం ఒక విద్యుద్రోధకంపై ఉంచబడితే, అది అదే స్థానంలో ఉంటుంది. ఇది ఎందుకు జరుగుతుందో మీరు తర్వాతి అధ్యాయంలో నేర్చుకుంటారు.

పదార్థాల ఈ లక్షణం ఎందుకు నైలాన్ లేదా ప్లాస్టిక్ దువ్వెన పొడి జుట్టును దువ్వడం లేదా రాపిడి చేయడం ద్వారా విద్యుదీకరణ చేయబడుతుందో మీకు చెబుతుంది, కానీ చెంచా వంటి లోహ వస్తువు విద్యుదీకరణ చేయబడదు. లోహంపై ఉన్న ఆవేశాలు మన శరీరం ద్వారా భూమికి లీక్ అవుతాయి, ఎందుకంటే రెండూ విద్యుత్ వాహకాలు. అయితే, లోహపు భాగాన్ని తాకకుండా కలప లేదా ప్లాస్టిక్ హ్యాండిల్ ఉన్న లోహపు కడ్డీ రాపిడి చేస్తే, అది ఆవేశం చేయబడిన సంకేతాలను చూపుతుంది.

1.4 విద్యుత్ ఆవేశం యొక్క ప్రాథమిక లక్షణాలు

రెండు రకాల ఆవేశాలు ఉన్నాయని మనం చూశాము, అవి సానుకూల మరియు ప్రతికూలంగా ఉంటాయి మరియు వాటి ప్రభావాలు ఒకదానికొకటి రద్దు చేయడానికి ఉంటాయి. ఇక్కడ, మనం ఇప్పుడు కొన్ని ఇతర లక్షణాలను వివరిస్తాము విద్యుత్ ఆవేశం యొక్క.

ఆవేశం చేయబడిన వస్తువుల పరిమాణాలు వాటి మధ్య దూరాలతో పోల్చినట్లయితే చాలా చిన్నగా ఉంటే, మనం వాటిని బిందు ఆవేశాలుగా చూస్తాము. శరీరం యొక్క మొత్తం ఆవేశం స్థలంలో ఒక బిందువు వద్ద కేంద్రీకృతమై ఉందని భావించబడుతుంది.

1.4.1 ఆవేశాల యొక్క సంకలనం

మేము ఇంకా ఆవేశం యొక్క పరిమాణాత్మక నిర్వచనాన్ని ఇవ్వలేదు; మేము దానిని తర్వాతి విభాగంలో అనుసరిస్తాము. మేము తాత్కాలికంగా ఇది చేయగలమని భావిస్తాము మరియు కొనసాగిస్తాము. ఒక వ్యవస్థ రెండు బిందు ఆవేశాలను కలిగి ఉంటే $\mathrm{q_1}$ మరియు $\mathrm{q_2}$, వ్యవస్థ యొక్క మొత్తం ఆవేశం బీజగణితంగా జోడించడం ద్వారా పొందబడుతుంది $\mathrm{q_1}$ మరియు $\mathrm{q_2}$, అనగా, ఆవేశాలు వాస్తవ సంఖ్యల వలె జోడిస్తాయి లేదా అవి శరీరం యొక్క ద్రవ్యరాశి వలె స్కేలార్లు. ఒక వ్యవస్థ n ఆవేశాలను కలిగి ఉంటే $\mathrm{q_1}$, $\mathrm{q_2}$, $\mathrm{q_3}$, …, qn, అప్పుడు వ్యవస్థ యొక్క మొత్తం ఆవేశం $\mathrm{q_1}$ + $\mathrm{q_2}$ + $\mathrm{q_3}$ + … + qn. ఆవేశానికి పరిమాణం ఉంటుంది కానీ దిశ లేదు, ద్రవ్యరాశి వలె. అయితే, ద్రవ్యరాశి మరియు ఆవేశం మధ్య ఒక తేడా ఉంది. శరీరం యొక్క ద్రవ్యరాశి ఎల్లప్పుడూ సానుకూలంగా ఉంటుంది, అయితే ఆవేశం సానుకూలంగా లేదా ప్రతికూలంగా ఉంటుంది. వ్యవస్థలోని ఆవేశాలను జోడించేటప్పుడు సరైన సంకేతాలను ఉపయోగించాలి. కోసం ఉదాహరణ, +1, +2, –3, +4 మరియు –5 అనే ఐదు ఆవేశాలను కలిగి ఉన్న వ్యవస్థ యొక్క మొత్తం ఆవేశం, కొన్ని ఏకపక్ష యూనిట్లలో, (+1) + (+2) + (–3) + (+4) + (–5) = –1 in అదే యూనిట్.

1.4.2 ఆవేశం సంరక్షించబడుతుంది

శరీరాలు రాపిడి ద్వారా ఆవేశం చేయబడినప్పుడు, ఎలక్ట్రాన్ల బదిలీ ఒక శరీరం నుండి మరొకదానికి జరుగుతుందనే వాస్తవాన్ని మేము ఇప్పటికే సూచించాము; కొత్త ఆవేశాలు సృష్టించబడవు లేదా నాశనం చేయబడవు. విద్యుత్ ఆవేశ కణాల చిత్రం మనకు సంరక్షణ ఆవేశం యొక్క ఆలోచనను అర్థం చేసుకోవడానికి అనుమతిస్తుంది. ఎప్పుడు మేము రెండు శరీరాలను రాపిడి చేస్తాము, ఒక శరీరం ఆవేశంలో పొందేది మరొక శరీరం కోల్పోతుంది. అనేక ఆవేశ శరీరాలను కలిగి ఉన్న ఒంటరి వ్యవస్థలో, శరీరాల మధ్య పరస్పర చర్యల కారణంగా, ఆవేశాలు పునఃపంపిణీ చేయబడవచ్చు కానీ అది ఒంటరి వ్యవస్థ యొక్క మొత్తం ఆవేశం ఎల్లప్పుడూ సంరక్షించబడుతుంది. ఆవేశం యొక్క సంరక్షణ ప్రయోగాత్మకంగా స్థాపించబడింది.

ఏదైనా ఒంటరి వ్యవస్థ చేత మోసుకెళ్లే నికర ఆవేశాన్ని సృష్టించడం లేదా నాశనం చేయడం సాధ్యం కాదు ఆవేశం మోసే కణాలు ఒక ప్రక్రియలో సృష్టించబడవచ్చు లేదా నాశనం చేయబడవచ్చు. కొన్నిసార్లు ప్రకృతి ఆవేశ కణాలను సృష్టిస్తుంది: ఒక న్యూట్రాన్ మారుతుంది ఒక ప్రోటాన్ మరియు ఒక ఎలక్ట్రాన్లోకి. ఈ విధంగా సృష్టించబడిన ప్రోటాన్ మరియు ఎలక్ట్రాన్ కలిగి ఉంటాయి సమాన మరియు వ్యతిరేక ఆవేశాలు మరియు మొత్తం ఆవేశం సున్నా ముందు మరియు తర్వాత సృష్టి.

1.4.3 ఆవేశం యొక్క క్వాంటైజేషన్

అన్ని ఉచిత ఆవేశాలు e ద్వారా సూచించబడే ప్రాథమిక ఆవేశ యూనిట్ యొక్క స