Elektryzowanie ciał

Często mamy kłopoty z niesfornymi włosami, które energicznie szczotkowane nie układają się zgodnie z nasza wola. Zdejmując szybkim ruchem sweter, słyszymy trzask, któremu towarzyszy przeskok iskry, szczególnie widoczny w ciemności. Gdy ślizgamy się w pantoflach po dywanie a następnie dotykamy kogoś lub czegoś, to czujemy przeskok iskry. Tymi zjawiskami zajmuje się elektrostatyka.

Elektrostatyka – dział fizyki zajmujący się oddziaływaniami i właściwościami ładunków elektrycznych pozostających w stanie spoczynku.

Nazwa elektryczności pochodzi od greckiego słowa elektron – bursztyn.Niezwykle własności bursztynu, który potarty przyciąga lekkie ciała zauważył Tales z Miletu. Dwa tysiace lat pozniej William Gilbert stwierdził na podstawie licznych eksperymentów, ze także inne ciała po potarci zachowują się podobnie jak bursztyn.Zjawisko elektryzowania ciał i prawa rządzące tymi zjawiskami możemy wyjaśnić na podstawie doświadczeń.

Doświadczenie:

1. Przyrządy: linijka, pałeczka ebonitowa, skrawki papieru, pręt aluminiowy i pałeczka szklanaWnioski: Potarte szkło , ebonit, plastik przyciągają drobne skrawki papieru. Pręt aluminiowy takich właściwości nie wykazuje.

2. Przyrządy: worek foliowy, skrawki papieru ( ziarenka ryżu)Woreczek ze skrawkami lekko nadmuchujemy i wiążemy. Pocieramy energicznie rękami.Wnioski: ziarenka, skrawki papieru, przywierają do wewnętrznych ścianek woreczka.

Wiele ciał potartych wykazuje właściwości polegające na przyciąganiu drobnych ciał. Mówimy, że podczas pocierania ciała elektryzują się.Elektryzowanie się ciał – gromadzenie w danym ciele ładunków elektrycznych jednego rodzaju.

3. Badanie rodzajów ładunków elektrycznychPrzyrządy: dwa statywy, dwie laski ebonitowe, dwie laski szklane, sukno, gazetaLaski ebonitowe ( szklane) zawieszamy na statywach i pocieramy. Następnie zbliżamy do siebie. Doświadczenie powtarzamy dla lasek ebonitowej i szklanej.Wnioski: dwie potarte laski szklane lub ebonitowe odpychają się. Pomiędzy laską ebonitową a szklaną nastąpiło przyciąganie.

4. Przyrządy: balony, materiał, papierWnioski: balony odpychały się

5. Przyrządy: piłeczki pokryte cynfolią zawieszone na nitkach, pałeczka ebonitowa, pałeczka szklana Piłeczki dotykamy: jedną z nich naelektryzowaną pałeczką szklaną, druga zaś naelektryzowaną.

Obie piłeczki przyciągają się.

Następnie obie piłeczki dotykamy pałeczką ebonitową

Obie piłeczki odpychają się.

Istnieją dwa rodzaje ładunków elektrycznych: dodatnie +q , ujemne –q Między ciałami naelektryzowanymi jednoimiennie (tym samym rodzajem ładunku) występują siły odpychania

między ciałami naelektryzowanymi różnooimiennie występują siły przeciągania.Pomiędzy naelektryzowanymi ciałami występują siły elektrostatyczne.

Pole elektrostatyczne.

Obserwując zachowanie się ciał naelektryzowanych można zauważyć, że ich przyciąganie lub odpychanie jest tym większe im mniejsza jest odległość miedzy nimi.Pomiędzy naelektryzowanymi ciałami działają siły, których wartości zależą od odległości między tymi ciałami. Siły te nazywamy siłami elektrostatycznymi.Siły te działają w przestrzeni zwanej polem elektrostatycznym.

Pole elektrostatyczne jest to przestrzeń, w której na dowolne ładunki elektryczne wprowadzone do niej działają siły elektrostatyczne. Przestrzeń ta jest wytwarzana przez nieruchome ładunki elektryczne.

Pole elektrostatyczne można przedstawić za pomocą linii pola.Są to linie, po których poruszałby się bardzo mały ładunek dodatni umieszczony w ty m polu. Ładunek taki nazywamy ładunkiem próbnym. Charakteryzuje się on tym, że nie powoduje zmian właściwości pola, w którym się znajduje. Kierunek wektora siły elektrostatycznej działającej na ładunek umieszczony w polu elektrostatycznym jest styczny do linii pola w danym punkcie. M. Faraday próbował zilustrować pole za pomocą tych linii. Nie sa to żadne realne istniejące krzywe, ale linie, które pomagają wyobraźni.

Linie pola elektrostatycznego- linie, do których styczne w każdym punkcie maja kierunek zgodny z kierunkami sił elektrostatycznych tego pola. Ze względu na kształt linii możemy wyróżnić różne rodzaje pól:-Pole centralne -wytworzone jest ono przez ładunki punktowe, albo ładunki znajdujące się na powierzchni kuli. Na cząstkę naładowana umieszczona w różnych punktach pola działają siły, których kierunki przecinają się promieniście.

-Pole jednorodne- linie tego pola sa równolegle, wartość siły działającej na ładunek próbny jest w każdym punkcie pole stała. Zwrot linii jest zgodny ze zwrotem siły działającej na ładunek próbny.

Jednostka ładunku elektrycznego.

Ciała zbudowane sa z cząsteczek, te jeszcze z mniejszych- atomów. Nazwa atom pochodzi od greckiego „atomos”-niepodzielny. Ponad 2400 lat temu w Grecji pojawiło się pojecie atomu. Na początku XIX w. John Dalton udowodnił jego istnienie. Ogromny wklad w badaniach nad budowąatomu wniesli: Maria Curie-Skłodowska, Ernest Rutherford- twórca planetarnego modelu budowy atomu, Niels Bohr.Atom składa się z:-jądra skupiającego prawie cała masę atomu. W jego skład wchodzą:protony (dodatnie) i neutrony (obojętne elektrycznie)-elektrony- posiadają ładunki ujemne, krążą wokół jądra po powłokach elektronowych.Protony i neutrony zbudowane sa z bardziej elementarnych składników- kwarków.Ładunek elektronu i protonu nazywamy ładunkiem elementarnym. Jednostką ładunku elektrycznego (q) jest 1C (kulomb). 1C=6,24 1018 ładunków elementarnychDoświadczenie: Pokaz linii pola elektrostatycznego.Przyrządy: maszyna elektrostatyczna, elektrody okrągłe i płaskie, przewody elektryczne, wanienka z olejem i kaszą manną.Przebieg doświadczenia:

a) Do jednej z elektrod podłączamy jeden z biegunów maszyny. Obserwujemy jak układa się kasza na powierzchni oleju. Doświadczenie powtarzamy podłączając do tej samej elektrody drugi biegun

b) Do dwóch elektrod okrągłych ten sam biegun maszyny. Doświadczenie powtarzamy dla drugiego z biegunów.c) Do jednej z elektrod podłączamy biegun dodatni, do drugiej ujemny.d) Zmieniamy elektrody okrągłe na płaskie i powtarzamy doświadczenie c).

Za każdym razem rysujemy kształt linii.

Ad. a)

Źródłem pola sa ładunki zgromadzone na jednej z elektrod ( można przyjąć, że cały ładunek jest zgromadzony w środku elektrody w kształcie koła).Umownie przyjęto, że linie pola mają zwrot jak wektory sił elektrostatycznych działających na ładunek próbny umieszczony w tym polu. Linie te rozchodzą się promieniście od źródła tego pola.

Ad. b)

Źródłem pole w tym przypadku są ładunki jednoimienne. Kształty linii pola są takie same, niezależnie od znaku ładunku, ale różnią się zwrotami.

AD c)

Źródłem pola są dwa ładunki różnoimienne.

Ad d)

Linie powstałego pola są równolegle. Wartość siły działającej na ładunek próbny jest w każdym punkcie pola stała. Pole także nazywamy jednorodnym.

Wzajemne oddziaływanie ładunków elektrycznych – prawo Coulomba.

Ciała naelektryzowane przyciągają się lub odpychają. Przyciąganie lub odpychanie może być słabe lub mocne. Należy się zastanowić od czego zależy wartość sił wzajemnego oddziaływania między dwoma naelektryzowanymi ciałami. Podobne pytanie zadawał sobie Charles Augustin Coulomb. Szereg doświadczeń i pomiarów pozwoliły Coulombowi w 1785 r. sformułować prawo, które możemy zapisać następująco:

F- siła oddziaływania dwóch ładunków elektrycznych q1, q2- wartość ładunków elektrycznych r- odległość między ładunkami k- stała k=9109 Nm3/C2

Dwa ładunki odpychają się lub przyciągają siłą wprost proporcjonalną do iloczynu wartości tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi.Prawo to słuszne jest dla ładunków punktowych tzn. takich, których rozmiary są bardzo małe w porównaniu z odległościami między nimi.

Doświadczenie.

Wzajemne oddziaływanie ładunków elektrycznych. Przyrządy: pałeczka ebonitowa, szklana, materiały do pocierania, statyw.Przebieg doświadczenia:

1.Elektryzujemy obie pałeczki, które zawieszone są na statywie. Obserwujemy zachowanie pałeczek. Powtarzamy doświadczenie pocierając laskę ebonitową dłużej i bardziej energicznie.

Oddziaływanie w pierwszym przypadku jest słabsze, niż w drugim. Wartości siły wzajemnego oddziaływania między naelektryzowanymi ciałami zależy od wartości zgromadzonego na nich ładunku.Im większa wartość ładunku na obu ciałach , tym większa wartość siły wzajemnego oddziaływania.

2. Ustawiamy naprzeciw siebie w pewnej odległości statyw z zawieszonymi pałeczkami, a następnie elektryzujemy obie laski pocierając je. Doświadczenie powtarzamy zwiększając odległość między pałeczkami i staramy naelektryzować je w takim samym stopniu (np. 5 szybkich ruchów ).

W pierwszym przypadku oddziaływanie jest silniejsze niż w drugim. Wartości siły wzajemnego oddziaływania między dwoma naelektryzowanymi ciałami zależy od odległości między nimi.Im większa odległość między dwoma naelektryzowanymi ciałami, tym mniejsza siła wzajemnego oddziaływania.

Sposoby elektryzowania ciał.

Poznawanie budowy atomów pozwala na wyjaśnienie istoty elektryzowania. Poznaliśmy już jeden ze sposobów elektryzowania przez pocieranie. Istnieją jeszcze dwa sposoby. Pierwszy z nich – to elektryzowanie przez dotyk, czyli połączenie ciała obojętnego elektrycznie n ciałem naelektryzowanym.Drugi – to elektryzowanie przez wpływ ( indukcję) za pomocą elektroskopu ( z greckiego „ skopeo”- znaczy patrzę ). Składa się on z metalowego pręta i osadzonej na nim kulki. Na jego końcu umieszczone są cienkie, lekkie blaszki zwane listkami (wskazówkami). Wszystko to umieszczone jest w obudowie,

Chcąc stwierdzić, czy ciało jest naelektryzowane, należy je zbliżyć lub dotknąć nimi pręta elektroskopu. Wychylenie wskazówek będzie oznaką naelektryzowania.

Doświadczenie:Sposoby elektryzowania ciał

Elektryzowanie się – gromadzenie w danym ciele nadmiaru ładunków elektrycznych jednego znaku. Odbywa się to przez:-pocieranie-dotyk-indukcję (wpływ)

a) Elektryzowanie ciał przez pocieranieDwa ciała pocierane wzajemnie o siebie elektryzują się różnoimiennymi ładunkami o jednakowej wartości (zgodnie z zasadą zachowania ładunku). Najlepszy efekt można uzyskać pocierając o siebie ciała wykonane z różnych substancji. Należy je tylko odpowiednio dobrać np. tworzywo sztuczne – sukno, futro Szkło- papier, jedwab Kiedy pręt szklany pocieramy papierem, jedwabiem, na pręcie pojawia się ładunek dodatni. Ładunki te nie są wytwarzane w czasie pocierania a jedynie przenoszone na drugie ciało. Elektrony przechodzą ze szkła na jedwab. Gdy pocieramy suknem, futrem pręt ebonitowy, obserwujemy pojawienie się ładunku ujemnego, ładunek ten przeszedł z sukna , futra (same będą miały ładunek dodatni).Wskaźnikiem naelektryzowania ciał może być lampka neonowa. Po dotknięciu ciała naelektryzowanego neon zacznie świecić.

Neonówka rozbłyska blisko miejsca zetknięcia z ciałem jeżeli posiada ono ładunek ujemny , gdy ciało posiada ładunek dodatni rozbłysną dalsze części neonówki.

b) Elektryzowanie przez dotyk.Elektryzowanie przez dotyk, czyli przez połączenie ciała obojętnego elektrycznie z ciałem naelektryzowanym.Przyrządy:-elektroskop , laska ebonitowa, sukno, futro do elektryzowania, laska szklana, papierPowtarzamy doświadczenie przy pomocy naelektryzowanej laski ebonitowej

Listki elektroskopu wychyliły się. Elektroskop został naelektryzowany.

Przyrządy:-pręty ebonitowe, sukno, futro

Nie naelektryzowana laska ebonitowa po zetknięciu z naelektryzowaną odzyskuje ładunek. Pojawia się siła odpychania elektrostatycznego. Jeżeli ciało naelektryzowane ujemnie zetkniemy z nie naładowanym to przejmie ono nadmiar elektronów i samo się naładuje. Analogicznie stanie się w przypadku ładunku dodatniego. Część elektronów z ciała obojętnego przepłynie wówczas na ciało naelektryzowane dodatnio i ładunek dodatni zostanie w nim zmniejszony, a ciało obojętne naelektryzuje się dodatnio, bo straciło część elektronów.W zjawisku tym ciała mają ładunki jednoimienne.

c) Elektryzowanie przez wpływ (indukcję):Zjawisko rozsuwania ładunków dodatnich i ujemnych w obojętnym elektrycznie ciele w wyniku wprowadzenia go w pole elektrostatyczne nazywamy indukcją elektrostatyczną.Przyrządy: -elektroskop , laska ebonitowa, sukno, futro do elektryzowania, laska szklana, papier

Przebieg doświadczenia:Elektryzujemy laskę ebonitowa, przybliżamy do elektroskopu i odsuwamy. Analogicznie postępujemy z laską szklaną.Wskazówka elektroskopu odchyla się w obu przypadkach, gdy zbliżamy pręt i opada gdy go oddalamy.Naelektryzowane ciało wytwarza wokół siebie pole elektrostatyczne. W tym polu znalazł się elektroskop. Jeżeli pręt był naelektryzowany ujemnie, to elektrony z górnej części pręta elektroskopu zostały przesunięte w dół i naelektryzowały ujemnie pręt oraz wskazówkę. Jeżeli ciało było naelektryzowane dodatnio , to do górnej części elektroskopu elektrony zostały przyciągnięte i wskazówka ma ładunek dodatni. Gdy odsuniemy naelektryzowane ciało pole elektryczne przestanie obejmować elektroskop, elektrony wrócą na poprzednie miejsce. Elektroskop został naelektryzowany nietrwale przez wpływ pola. Nastąpiło rozsunięcie ładunków w pręcie elektroskopu i naelektryzowanie się wskazówki.Przyrządy:-elektroskop , laska ebonitowa, sukno, futro do elektryzowania, laska szklana, papierPrzebieg doświadczenia:Zbliżamy do elektroskopu naelektryzowane ujemnie ciało, dotykamy dłonią pręt elektroskopu, cofamy dłoń , a następnie cofamy ciało naelektryzowane.

Elektroskop znalazł się w polu elektrostatycznym, a więc naelektryzował się nietrwale przez indukcje. Dotknięci e dłonią spowodowało odpłynięcie ładunków przez nasze ciało i elektroskop naelektryzował się dodatnio. Cofamy dłoń by ładunki nie mogły powrócić przez nasze ciało i cofamy ciało wytwarzające pole. W ten sposób elektroskop został naelektryzowany trwale.

Określanie znaku ładunku elektrycznego.Przyrządy: -elektroskop , laska ebonitowa, sukno, futro do elektryzowania, laska szklana, papierŁadujemy elektroskop nabojem wiadomego znaku. Jeżeli do kulki naładowanego elektroskopu zbliżymy ciało naładowane ładunkiem niewiadomego znaku, wskazówka opadnie gdy ładunek ciała jest innego znaku niż ładunek elektroskopu. Wskazówka elektroskopu odchyli się bardziej przy zbliżeniu ciała mającego ładunek tego samego znaku co ładunek elektroskopu.

Elektryzowanie elektroforu.Przyrządy:-elektroskop , sukno, elektrofor, neonówkaPrzebieg doświadczenia:Do płytki winidurowej obdarzonej ładunkiem o znanym znaku zbliżamy metalowy krążek. Następnie krążek dotykamy palcem. Odejmujemy palec, poczym oddalamy krążek od płytki i dotykamy nim pręta elektroskopu.Badamy znak ładunku elektrostatycznego na pręcie elektroskopu.Znak ładunku można zbadać dotykając do metalowego krążka, przybliżonego do płytki neonówkę.

Wniosek: Metalowy krążek został naelektryzowany dodatnio.

Zasada zachowania ładunku.

Musimy się zastanowić czy ładunek może powstawać z niczego lub też zginąć?Odpowiedź zawarta jest w zasadzie zachowania ładunku. Została ona odkryta przez Michaela Faradaya. Mówi ona o tym, że:W układzie izolowanym od otoczenia ładunek nie zmienia się.Układ izolowany –to taki układ do którego nie dopływa z zewnątrz żaden ładunek, ani nie ma możliwości z niego odpłynąć. W takim układzie ładunek nie pojawia się samoistnie, oraz nie znika. Słuszność tej zasady była widoczna w przeprowadzonych doświadczeniach. Oto jeszcze jedno.

Doświadczenie:Przyrządy:-dwa elektroskopy, rozbijacz, kartka papieru, pałeczka ebonitowa.Przebieg doświadczenia:

a) Łączymy elektroskopy rozbijaczem. Zbliżamy naelektryzowaną pałeczkę do jednego elektroskopu. Odłączamy rozbijacz, a potem odsuwamy pałeczkę. Ponownie łączymy elektroskopy.

Elektroskopy były obojętne elektrycznie. Gdy zostały połączone, po zbliżeniu pałeczki jeden z nich został naładowany przez indukcję. Ładunek tego elektroskopu jest dodatni, gdyż ujemne ładunki ebonitu z pierwszego elektroskopu odepchnęły jego ładunki ujemne. Przepłynęły one do drugiego elektroskopu. Po odłączeniu połączenia i odsunięciu ebonitu, w pierwszym elektroskopie występuje niedobór elektronów, natomiast w drugim taki sam co do wartości nadmiar elektronów. Po ponownym połączeniu obu elektroskopów następuje ich rozładowanie.Ładunek obu na początku doświadczenia był równy zeru, po doświadczeniu również pozostał równy zeru.

b) elektryzujemy jeden elektroskop i łączymy z drugim.

Po połączeniu wskazówki elektroskopów wychyliły się jednakowo. Ładunek na pierwszym elektroskopie rozdzielił się na dwie części. Suma ładunku przed połączeniem elektroskopów i po połączeniu pozostała nie zmieniona. Zauważoną prawidłowość wyraża prawo zachowania ładunku. Ładunek elektryczny układu ciał pozostaje stały, jeśli do tego układu ładunek nie dopływa ani z układu nie odpływa. W szczególnym przypadku jest on równy zeru.W izolowanym układzie ciał całkowity ładunek elektryczny , czyli suma ładunków dodatnich i ujemnych ,nie ulega zmianie.