1. Ładunki elektryczne i ich oddziaływanie. Ładunek elementarny

Czy wiesz, dlaczego podczas zdejmowania swetra włosy się unoszą, a podaniu ręki czasami towarzyszy iskra? Dlaczego koty zazwyczaj nie lubią głaskania pod włos? Jeśli chcesz wiedzieć, dlaczego tak się dzieje, czytaj dalej.

RB8nQShaNjOPA

Zdjęcie przedstawia dziecko zjeżdżające po plastikowej zjeżdżalni rynnowej. Chłopiec znajduje się na dole zjeżdżalni i ma długie włosy, które sterczą mu na wszystkie strony. — Dla jednych zabawne, a dla innych nieprzyjemne uczucie towarzyszące elektryzowaniu się włosów i ubrania ma związek ze zdolnością niektórych materiałów do gromadzenia ładunków elektrycznych
Źródło: Ken Bosma, dostępny w internecie: https://www.flickr.com/, licencja: CC BY 2.0.

Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem powinieneś znać poniższe zagadnienia:

występujące w przyrodzie oddziaływania bezpośrednie oraz na odległość;
wzajemność oddziaływań;
skutki oddziaływań.

Ich opracowanie znajdziesz materiale Rodzaje oddziaływań i ich skutki. Wzajemność oddziaływań.

Nauczysz się

wskazywać przykłady elektryzowania się ciał;
podawać definicję elementarnego ładunku elektrycznego;
opisywać jakościowo i ilościowo oddziaływania między ładunkami;
omawiać budowę wybranego pierwiastka chemicznego lub jonu;
opisywać i wyjaśniać wyniki doświadczeń dotyczących elektryzowania ciał.

Oddziaływanie ciał naelektryzowanych

Właściwości i zachowanie ciał obdarzonych określonym ładunkiem elektrycznym badano już w starożytności. Na przełomie $\mathrm{VII}$ i $\mathrm{VI}$ wieku p.n.e. grecki filozof i matematyk Tales z Miletu zaobserwował tzw. efekt bursztynu. Zauważył, że bursztyn (gr. ēlektron) potarty suknem przyciąga niektóre lekkie ciała, np. piórka, drewniane wiórki, suche źdźbła trawy. Później okazało się, że podobnych zjawisk jest więcej. Obecnie wiadomo, że istnieje jeszcze wiele ciał wykazujących podobne właściwości elektrostatyczne. Często są to przedmioty użytku codziennego, np. koc, sweter, grzebień, balon itp.

Zanim zaczniesz wykonywać doświadczenie zapoznaj się z załączonym materiałem filmowym.

R1SoNZFU12D14

Oddziaływanie elektrostatyczne balonów i koca
Źródło: Tomorrow Sp.z o.o., licencja: CC BY 3.0.

Oddziaływania elektrostatyczne1

Doświadczenie 1

Jakościowe określenie czynników wpływających na wielkość oddziaływań elektrostatycznych.

Co będzie potrzebne

sweter (może być koc);
dwa balony;
nitka ( $2$ kawałki po ok. $20\mathrm{-}30\,\mathrm{cm}$ );
nożyczki.

Instrukcja

Oddziaływanie balon – balon.
1. Nadmuchaj balony i zwiąż je nitką tak, aby nie uciekało z nich powietrze.
2. Potrzyj pierwszym balonem o sweter (staraj się trzymać balon tylko za nitkę). To samo zrób z drugim balonem.
3. Spróbuj zbliżyć balony do siebie.
4. Zapisz swoje spostrzeżenia.
Oddziaływanie balon – sweter.
1. Potrzyj jednym z balonów o sweter.
2. Odsuń balon od swetra (na odległość ok. $1\,\mathrm{m}$ ).
3. Zbliż balon do swetra.
4. Zapisz swoje spostrzeżenia.
Powtórz punkty $1$ i $2$ , ale tym razem potrzyj balony o sweter znacznie intensywniej niż poprzednio.
1. Zapisz swoje spostrzeżenia.

Podsumowanie

Dwa naelektryzowane balony wzajemnie się odpychają, natomiast balon i sweter się przyciągają. Wzajemne oddziaływanie między balonem a swetrem zależy zarówno od stopnia ich naelektryzowania, jak i odległości między nimi. Intensywniejsze potarcie wzmacnia efekt.

Zaobserwowane zjawiska nasuwają przypuszczenie, że przedmioty wykorzystane w doświadczeniu uzyskały jakąś nową właściwość, która jest odpowiedzialna za ich wzajemne oddziaływanie. Aby ją opisać, fizycy wprowadzili wielkość fizyczną nazywaną ładunkiem elektrycznym. Przyjęto, że występują dwa rodzaje ładunków – dodatnie (oznaczane znakiem $+$ ) i ujemne (oznaczane znakiem $-$ ). Ładunki tego samego znaku (jednoimienne) się odpychają, a ładunki różnych znaków (różnoimienne) się przyciągają. Za pomocą pojęcia ładunku elektrycznego można wytłumaczyć zaobserwowane zjawisko. Ładunki zgromadzone na balonie i swetrze są różnoimienne, więc oba przedmioty się przyciągają. Na powierzchni balonów gromadzą się ładunki jednoimienne, które powodują, że te ciała się odpychają.

Ładunek zgromadzony na powierzchni ciał decyduje o kierunku oddziaływania. Oczywiście, w życiu codziennym ładunków elektrycznych nie widać gołym okiem, za to można z łatwością zaobserwować skutki ich wzajemnych oddziaływań. Ilość i znak zgromadzonego ładunku elektrycznego pozwalają na dokładne określenie tych oddziaływań. Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb, który oznaczamy symbolem $\mathrm{C}$ . Jego nazwa pochodzi od nazwiska Charles'a Augustina de CoulombaCharles Augustin de CoulombCharles'a Augustina de Coulomba – francuskiego uczonego, który jako pierwszy określił wielkość siły oddziaływania między ładunkami elektrycznymi. Kulomb jest dużą jednostką, dlatego w praktyce stosuje się podwielokrotności kulomba – milikulomb i mikrokulomb.

Zapamiętaj!

$1\,\text{milikulomb}=1\,\mathrm{mC}=0,001\,\mathrm{C}=10^{-3}\,\mathrm{C}$
$1\,\text{mikrokulomb}=1\,\mathrm{μC}=0,000001\,\mathrm{C}=10^{-6}\,\mathrm{C}$

Zapamiętaj!

Im większy ładunek znajduje się na powierzchni ciał i im mniejsza jest odległość między nimi, tym większe staje się wzajemne oddziaływanie (odpychające lub przyciągające) jednego na drugie. Siłę działającą między ciałami naelektryzowanymi nazywamy siłą elektrostatyczną (elektryczną) lub siłą Coulomba.

Rgbz0PTukcprO

Ćwiczenie 1

Przelicz jednostki ładunku elektrycznego.

5 mC = ............ C
146 mC = ............ C
853 µC = ................ C
29 µC = ................ C

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

R158WVgFwK8Y3

Ćwiczenie 2

Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb (C). Ładunek o wartości 18 μC jest

mniejszy od kulomba.
większy od kulomba.
równy 0,018 C.
równy 0,000018 C.

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

Ciekawostka

W $1937$ roku sterowiec $\text{LZ-129}$ Hindenburg spłonął podczas lądowania na lotnisku Lakehurst w stanie New Jersey. Podejrzewa się, że przyczyną katastrofy mógł być ładunek elektryczny, który zgromadził się na powłoce sterowca. Zginęło wówczas $13$ pasażerów i $22$ członków załogi, a także główny członek załogi naziemnej – kapitan Ernst Lehmann.

Budowa atomu

Aby wyjaśnić oddziaływania elektryczne, trzeba poznać mikroświat, czyli świat atomów. Każdy pierwiastek chemiczny składa się z takich samych atomów. Każdy atomAtomatom jest obojętny elektrycznie, tzn. ma jednakową liczbę ładunków dodatnich i ujemnych.

R1Z9bQZoAHDUF

Atom wodoru
Źródło: Marcin Sadomski, licencja: CC BY 3.0.

Powyższa animacja przedstawia tzw. model planetarny atomu wodoru, stworzony na początku $\mathrm{XX}$ wieku. W centrum atomu znajduje się jądro atomowe, które jest zbudowane z protonów i neutronów. Wokół jądra krążą elektrony. Dzięki oddziaływaniu elektrycznemu atom się nie rozpada, a jądro przyciąga elektrony. Protony i elektrony są obdarzone ładunkami elektrycznymi o tej samej wartości, ale o przeciwnych znakach. Ładunek elektryczny protonów jest dodatni, a elektronów – ujemny. Neutrony są cząstkami obojętnymi elektrycznie.

Model planetarny atomu pozwalał wyjaśnić jedynie niektóre zjawiska mikroświata. Dalsze badania wymagały stworzenia bardziej skomplikowanych modeli. Dowiesz się o nich więcej podczas nauki w szkole średniej.

Z układu okresowego pierwiastków możesz odczytać informację o liczbie protonów, elektronów i neutronów każdego znanego nam pierwiastka chemicznego.

RTM3GYg2oT2eC1

Układ okresowy pierwiastków
Źródło: Gromar Sp. z o. o., licencja: CC BY 3.0.

Przykładowo zapis

$^{40}_{19}\mathrm{K}$

oznacza, że potas ( $\mathrm{K}$ ) ma $19$ protonów (jest to liczba atomowa lub liczba porządkowa). Pierwiastek jest obojętny elektrycznie, dlatego liczba jego elektronów jest także równa $19$ ; liczba $40$ niesie informację o liczbie składników jądra (jest to tzw. liczba masowa). Aby ustalić liczbę neutronów, od liczby masowej (czyli łącznej liczby protonów i neutronów w jądrze) należy odjąć liczbę atomową:

$40-19=21$

R1dTjARXnj1jj

Ćwiczenie 3

Uzupełnij puste miejsca.

${}_{17}^{35}{Cl}$ to atom chloru. W jego skład wchodzi: ............ protonów , ............ elektronów i ............ neutronów.
${}_{26}^{56}{Fe}$ to atom żelaza. Atom ten zbudowany jest z: ............ protonów , ............ elektronów i ............ neutronów.

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

Jeśli do atomu zostanie dostarczony jeden lub kilka elektronów, to staje się on jonem ujemnymJon ujemnyjonem ujemnym. Jon ujemny ma więcej elektronów niż protonów. Jeśli natomiast od atomu zostanie odłączony jeden bądź kilka elektronów, to staje się on jonem dodatnimJon dodatnijonem dodatnim. Jon dodatni ma więcej protonów niż elektronów.

Ra52T7g9PCcLC

Ilustracja przedstawiająca schemat opisujący zmianę konfiguracji elektronowej atomu sodu podczas powstawania jonu. Po lewej stronie widoczny jest rysunek przedstawiający jądro atomu sodu w postaci czerwonego koła podpisanego jedenaście p oraz towarzyszącego mu biało‑fioletowego wachlarza ilustrującego obecność trzech powłok elektronowych. Opisana jest też ich zawartość: dwa elektrony na pierwszej powłoce, osiem elektronów na drugiej powłoce i jeden elektron na trzeciej powłoce. Rysunek podpisany jest następująco: liczba protonów równa jedenaście, liczba elektronów równa jedenaście. Całość podpisana atom Na. Lewą stronę schematu z prawą łączy strzałka skierowana w prawo opisana Oddanie elektronu. Po prawej stronie widoczny jest rysunek przedstawiający strukturę kationu sodu, jądro zaznaczone jako czerwone kółko podpisane jedenaście p z dwiema powłokami elektronowymi w formie wachlarza mającymi kolejno dwa i osiem elektronów. Rysunek podpisany jest następująco: liczba protonów równa jedenaście, liczba elektronów równa dziesięć. Jon Na plus. — Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.

RSNari0OZSHQY

Ilustracja przedstawiająca schemat opisujący zmianę konfiguracji elektronowej atomu chloru podczas powstawania jonu. Po lewej stronie widoczny jest rysunek przedstawiający jądro atomu chloru w postaci czerwonego koła podpisanego siedemnaście p oraz towarzyszącego mu biało‑fioletowego wachlarza ilustrującego obecność trzech powłok elektronowych. Opisana jest też ich zawartość: dwa elektrony na pierwszej powłoce, osiem elektronów na drugiej powłoce i siedem elektronów na trzeciej powłoce. Rysunek podpisany jest następująco: liczba protonów równa siedemnaście, liczba elektronów równa siedemnaście. Atom Cl. Lewą stronę schematu z prawą łączy strzałka skierowana w prawo opisana przyjęcie elektronu. Po prawej stronie rysunek przedstawiający strukturę anionu chloru z trzema powłokami elektronowymi mającymi kolejno dwa, osiem i osiem elektronów. Rysunek podpisany jest następująco: liczba protonów równa siedemnaście, liczba elektronów równa osiemnaście. Jon Cl minus. — Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.

Jony ujemne powstają, gdy do atomu zostaną dostarczone elektrony, a jony dodatnie – gdy elektrony zostaną odłączone. Najłatwiej zmienić liczbę elektronów na powłoce, która znajduje się najdalej od jądra. Dlatego też w przeprowadzonych dotąd doświadczeniach i symulacjach przemieszczały się tylko ładunki ujemne.

Zapamiętaj!

Ładunki elektryczne, które przemieszczają się pomiędzy ciałami stałymi, to elektrony.

Ćwiczenie 4

R17xYfBAbekXZ

Ilustracja składa się z dwóch części: rysunku numer jeden po lewej stronie oraz rysunku numer dwa po stronie prawej. Na rysunku numer jeden widzimy jądro helu, składające się z dwóch czerwonych kółek z plusami w środku (protonów) i dwóch niebieskich kółek (neutronów). Wokół jądra narysowany jest okrąg (orbita), na którym po skrajnie lewej i po skrajnie prawej stronie narysowano żółte kółka z minusami w środku (elektrony). Rysunek numer dwa przedstawia to samo, z tą różnicą, że na okręgu narysowane jest tylko jedno, skrajnie prawe żółte kółko (elektron). — Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.

RQOZKwnKOEmWV

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

RXwhYvD06DWzq

Ćwiczenie 5

Jądro atomowe skandu zbudowane jest z 45 protonów i neutronów, a wokół niego w chmurze elektronowej znajduje się 21 elektronów. Ile i jakie cząstki należy dostarczyć lub odebrać, aby skand stał się jonem ujemnym?

Odłączyć przynajmniej jeden elektron.
Odłączyć przynajmniej jeden proton.
Dostarczyć przynajmniej jeden elektron.
Dostarczyć przynajmniej jeden proton.

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

RmtZuZU5P56X1

Ćwiczenie 6

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

R1LdMe2ivo9mu

Ćwiczenie 7

Połącz w pary tak, aby otrzymane zdania były prawdziwe.

odpychają się., to najmniejsza niepodzielna porcja ładunku elektrycznego., przyciągają się., ma więcej protonów niż elektronów., ma więcej elektronów niż protonów.

Ładunki różnoimienne
Jon ujemny
Ładunki jednoimienne
Jon dodatni
Ładunek elementarny

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

Ładunek elementarny

Pod koniec $\mathrm{XIX}$ wieku elektron opisywano jako pewną cząstkę. Tak scharakteryzował ją Hendrik Antoon Lorentz: „...zróbmy założenie, że w każdego rodzaju materii są obecne nadzwyczaj drobne cząsteczki, których jedna połowa posiada niezmiennie ładunki dodatnie, druga zaś tak samo ładunki ujemne...”. Owe drobniutkie cząstki, o których mowa, mają być najmniejsze z tych, którymi zajmują się nauki przyrodnicze, mniejsze od cząsteczek (molekuł) i atomów samych. Nadajmy cząsteczkom tym, zarówno ujemnym jak i dodatnim, wspólne miano „elektronów”, odróżniając je przymiotnikami „ujemny” i „dodatni”. Przypuśćmy dalej, że te elektryczne cząsteczki – elektrony – rozpowszechnione są we wszystkich ciałach, że żadna, nawet najmniejsza cząsteczka materii nie jest od nich wolna, że ilość ich w każdym ciele jest prawie niezliczona i że wreszcie, skoro jakieś ciało nie wykazuje objawów elektrycznych, posiada oba rodzaje elektronów w tej samej ilości. (cyt. za: A. K. Wróblewski, Historia fizyki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa $2007$ , str. $379$ ).

Z tej teorii można wyciągnąć wniosek, że ładunek elektryczny, jakim mogą być obdarzone różne ciała, ma naturę ziarnistą, jest bowiem wielokrotnością najmniejszego ładunku. Ładunek ten nazywany jest ładunkiem elementarnym. Kolejny wniosek jest następujący: ciała nienaelektryzowane mają po tyle samo ładunków dodatnich i ujemnych, a naładowane – więcej ładunków jednego znaku („ $+$ ” lub „ $-$ ”).

Składniki materii mające elementarne ładunki ujemne nazywamy obecnie elektronami. Wiemy również, że istnieją cząstki elementarne o ładunku dodatnim (ładunek ma taką samą wartość, jak ładunek elektronu, ale przeciwny znak). Są to protony – cząstki o masie znacznie większej, niż masa elektronu.

Oczywiście, ta hipoteza wymagała potwierdzenia doświadczalnego. Dokonał tego Robert Millikan. W latach $1909-1910$ udowodnił, że ładunek elektryczny ma strukturę ziarnistą, i wyznaczył wartość ładunku elementarnego. Obecnie przyjmujemy, że wynosi on $e = 1, 602 \cdot 10^{- 19} C$ .

Zapamiętaj!

Ładunek elektryczny to wielokrotność ładunku elementarnego:
$q = n \cdot e$ ; $n = \pm 1, \pm 2, \pm 3, \dots$
gdzie: $e$ – ładunek elementarny.

**Składniki atomu i ich właściwości fizyczne**
Cząstka	Ładunek	Masa
Elektron	$- 1, 602 \cdot 10^{- 19} C$	$9, 109 \cdot 10^{- 31} kg$
Proton	$+ 1, 602 \cdot 10^{- 19} C$	$1, 673 \cdot 10^{- 27} kg$
Neutron	$0 C$	$1, 675 \cdot 10^{- 27} kg$

Ro5S6RQviilXm

Ćwiczenie 8

Uzupełnij puste miejsca.

elektron, przeciwne, w elektronach, równe, neutron, w jądrze

Ładunki elektronu i protonu są ............................ co do wartości, a znaki ładunków są ............................. Z poznanych cząstek największą masę ma ............................, a najmniejszą masę – ............................. Można więc stwierdzić, że prawie cała masa atomu skupiona jest .............................

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

Ciekawostka

Nagroda Nobla za wyznaczenie ładunku elektronu.

Robert Millikan nie tylko wyznaczył ładunek elektronu, lecz także wyjaśnił wspólnie z Albertem Einsteinem tzw. zewnętrzny efekt fotoelektryczny (będzie o tym mowa na późniejszych etapach edukacji). W $1923$ r. za swoje osiągnięcia otrzymał Nagrodę Nobla.

W latach $30.$ $XX$ wieku podczas badania promieniowania kosmicznego odkryto cząstki o masie równej masie elektronu, ale o ładunku dodatnim. Nazwano je pozytonami.

Siła Coulomba

Siła elektrostatyczna zależy od wielkości ładunków ciał, które na siebie oddziaływają oraz od ich odległości. Im większe są ładunki, tym większa jest ta siła. Gdy zwiększamy odległość między ładunkiami, siła elektrostatyczna maleje. Zależności te opisuje prawo Coulomba.

Prawo Coulomba

Siły wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych $Q_1$ i $Q_2$ są wprost proporcjonalne do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między nimi. Oznacza to, że gdy odległość jest stała, to siła wzajemnego oddziaływania rośnie tyle razy ile razy wzrośnie każdy ładunek – gdy każdy z nich wzrośnie dwa razy, to siła wzrośnie $4$ razy. Gdy tylko jeden z nich wzrośnie np. tylko $3$ razy to siła wzajemnego oddziaływania wzrośnie $3$ razy. Przy stałej wartości ładunków siła maleje z kwadratem wzrostu odległości – np. dwukrotny wzrost odległości powoduje czterokrotne zmniejszenie wartości siły.

ReL4uoPS89LLT

Ilustracja przedstawia na białym tle dwa kółka o takiej samej wielkości, oddalone od siebie na odległość r i o środkach na tej samej wysokości w poziomie. Kółko z lewej strony jest pomarańczowe, pod nim znajduje się podpis Q z indeksem dolnym jeden. Od środka kółka odchodzi, skierowany w prawo wektor podpisany F. Kółko z prawej strony jest niebieskie, pod nim znajduje się podpis Q z indeksem dolnym dwa. Od środka kółka odchodzi, skierowany w lewo wektor podpisany F. Wektory mają tę samą długość. — Siła Coulomba
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

Tę zależność można zapisać jako:

$F=\mathrm{k}{\large\frac{Q_1\cdot Q_2}{r^2}}$

gdzie:
$F$ – wartość siły,
$\mathrm{k}$ – stała elektrostatyczna równa $9\cdot10^9\,\mathrm{\large\frac{N\cdot m^2}{C^2}}$ ,
$Q_1$ , $Q_2$ – punktowe ładunki elektryczne,
$r$ – odległość między punktowymi ładunkami elektrycznymi.

Za pomocą tego wzoru można obliczyć wielkość działającej siły elektrostatycznej.

ładunki punktowe

naładowane ciała, które są małe w porównaniu z dzielącą je odległością.

Zapamiętaj!

Prawo Coulomba sprawdza się także w odniesieniu do ładunków umieszczonych na powierzchniach kulistych. Odległość mierzymy wówczas między środkami kul.

R48mv3M5CiJwl

Ćwiczenie 9

Dokończ zdanie, wybierając właściwe odpowiedzi (więcej niż jedną). Siły elektrostatyczne z jakimi działają na siebie naelektryzowane ciała zależą od

wielkości ładunków zgromadzonych na ciałach.
znaków ładunków zgromadzonych na ciałach.
rozmiarów ciał i ich masy.
odległości między ciałami.

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

Ćwiczenie 10

Zastanów się, jak zmiany wartości poszczególnych wielkości fizycznych wpływają na zmianę wielkości siły oddziaływania. Skorzystaj z poniższej aplikacji. Zbadaj, jak zmieni się wartość siły Coulomba, gdy nastąpi:

dwukrotne zwiększenie wartości jednego z ładunków bez zmiany odległości ciał,
dwukrotne zwiększenie wartości obu ładunków elektrycznych bez zmiany odległości ciał,
dwukrotne zwiększenie odległości między ciałami bez zmiany ich ładunków,
dwukrotne zmniejszenie odległości obu ciał bez zmiany ładunków,
dwukrotne zwiększenie odległości ciał z jednoczesnym dwukrotnym zwiększeniem wartości jednego z ładunków,
dwukrotne zwiększenie odległości ciał z jednoczesnym dwukrotnym zwiększeniem wartości obu ładunków.

R9tfFzzzw3tM6

Siła Coulomba
Źródło: Michał Szymczak, licencja: CC BY 3.0.

R1cPf6notR9ZG

Zastanów się, jak zmiany wartości poszczególnych wielkości fizycznych wpływają na zmianę wielkości siły oddziaływania. Jak będzie zmieniała się siła przy zmianach wartości (i znaków, w przypadku ładunków) składników wzoru na siłę? Zbadaj, jak zmieni się wartość siły Coulomba gdy nastąpi:

dwukrotne zwiększenie wartości jednego z ładunków bez zmiany odległości ciał,
dwukrotne zwiększenie wartości obu ładunków elektrycznych bez zmiany odległości ciał,
dwukrotne zwiększenie odległości między ciałami bez zmiany ich ładunków,
dwukrotne zmniejszenie odległości obu ciał bez zmiany ładunków,
dwukrotne zwiększenie odległości ciał z jednoczesnym dwukrotnym zwiększeniem wartości jednego z ładunków,
dwukrotne zwiększenie odległości ciał z jednoczesnym dwukrotnym zwiększeniem wartości obu ładunków.

R4quaWVI2p9Kg

Zapamiętaj!

Siła Coulomba zależy zarówno od odległości między ładunkami, jak i od ich wartości. Gdy odległość rośnie, to siła maleje, a gdy odległość maleje, siła rośnie. Wzrost lub spadek wielkości siły oddziaływania elektrostatycznego może również spowodować zmiana wartości ładunku elektrycznego zgromadzonego na ciałach. Im jest on większy, tym większa jest siła i odwrotnie: gdy ładunek elektryczny maleje, maleje również siła.

Podsumowanie

Ładunki jednoimienne się odpychają, a różnoimienne – przyciągają.
Wartość siły elektrycznej między dwoma naelektryzowanymi ciałami zależy zarówno od wartości ładunku zgromadzonego na ciałach, jak i od odległości między nimi.
Wartość ładunku protonu odpowiada ładunkowi elementarnemu. Ładunek elektronu ma taką samą wartość jak ładunek protonu, ale przeciwny znak (ujemny).
Wielkość ładunku elementarnego wynosi $1,602\cdot10^{-19}\mathrm{C}$ .
Każdy atom jest obojętny elektrycznie. Jeśli do atomu zostaną dostarczone elektrony, to staje się on jonem ujemnym, a jeśli elektrony zostaną odłączone – jonem dodatnim.

Ćwiczenie 11

Na podstawie dowolnego źródła, np. internetu, postaraj się odnaleźć informacje na temat zdarzeń, w których istotną rolę odegrał nagromadzony ładunek elektrostatyczny.

R10J09ee349St

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

W $1965$ roku doszło do wybuchu w londyńskim młynie. Mąka zsuwająca się wzdłuż plastikowej rury elektryzuje się, jej drobiny mają ładunek o tym samym znaku, a więc odpychają się, zapełniając tym samym większą objętość; wybuch nastąpił najprawdopodobniej przez pojawienie się w takim pyle iskry od tarcia elementów w młynie.

Słownik

atom

najmniejsza cząstka pierwiastka. Każdy atom jest obojętny elektrycznie.

Charles Augustin de Coulomb23.08.1806Paryż14.06.1736Angoulȇme

RjTG5cLzPGbGB

Obraz przedstawiający portret Charlesa Augustina de Coulomba. Mężczyzna w wieku około czterdzieści pięć lat. Blada cera. Czoło wysokie z widocznymi dużymi zakolami. Siwe włosy zaczesane do tyłu. Mocno kręcone nad uszami. Nos wyrazisty. Mężczyzna ubrany w czarny mundur z pagonami na ramionach. Po lewej stronie na piersi zawieszony order na czerwonej kokardce. Mężczyzna lewą dłonią obejmuje wagę skręceń. — Charles Augustin de Coulomb
Źródło: Louis Hierle, dostępny w internecie: http://commons.wikimedia.org, domena publiczna.

Charles Augustin de Coulomb

1736.06.14 Angoulȇme – 1806.08.23 Paryż

[szarl ogiustę dy kulą] Kapitan armii francuskiej, przyrodnik i matematyk. Ukończył studia w Wojskowej Szkole Inżynierii (franc. École du Génie). W latach $1763- 1772$ kierował budową Fortu Bourbon na Martynice (Indie Zachodnie). Po powrocie do Francji poświęcił się pracy naukowej. W roku $1781$ został uhonorowany tytułem członka Francuskiej Akademii Nauk. Był doskonałym eksperymentatorem. Do jego największych osiągnięć naukowych należą pomiar siły oddziaływań między ładunkami elektrycznymi (przeprowadzony przy użyciu tzw. wagi skręceń) oraz prace dotyczące sił tarcia i oporu w płynach.

jon

atom, który ma nadmiar lub niedobór elektronów.

jon dodatni

atom, w którym liczba protonów przewyższa liczbę elektronów.

jon ujemny

atom, w którym liczba elektronów jest większa od liczby protonów.

ładunek elementarny

stała fizyczna o wartości $1, 602 \cdot 10^{- 19} C$ , odpowiadająca ładunkowi elektrycznemu protonu.

kulomb

(C)

kulomb

(C)

jednostka ładunku elektrycznego w układzie SI.

milikulomb

(mC)

milikulomb

(mC)

podwielokrotność kulomba, równa $10^{- 3}$ $C$ .

mikrokulomb

(µ C)

mikrokulomb

(µ C)

podwielokrotność kulomba, równa $10^{- 6}$ $C$ .

pierwiastek chemiczny

substancja chemiczna składająca się z atomów, które mają taką samą liczbę atomową.

liczba atomowa (liczba porządkowa)

liczba protonów w jądrze atomu; oznaczana literą $Z$ .

liczba porządkowa

patrz: liczba atomowa.

liczba masowa

liczba protonów i neutronów (nukleonów) w jądrze atomowym; oznaczana literą $A$ .

proton

(p)

proton

(p)

składnik jądra atomowego; ładunek protonu odpowiada wielkości ładunku elementarnego. Proton to główny składnik promieniowania kosmicznego.

neutron

(n)

neutron

(n)

obojętny elektrycznie składnik jądra atomowego.

elektron

(e)

elektron

(e)

cząstka elementarna, której ładunek elektryczny odpowiada wielkości ładunku elementarnego o znaku ujemnym. Powłoki elektronowe w atomach są tworzone przez elektrony. Ich ruch jest ściśle związany ze zjawiskiem przepływu prądu elektrycznego.

układ okresowy pierwiastków

tabela zawierająca wszystkie znane dotąd pierwiastki chemiczne, uporządkowane według ich rosnącej liczby atomowej. Pierwotną formą układu okresowego była tzw. tablica Mendelejewa, której nazwa pochodzi od nazwiska wybitnego rosyjskiego chemika Dymitra Mendelejewa. Jej obecny wygląd zawdzięczamy Nielsowi Bohrowi – duńskiemu fizykowi, laureatowi Nagrody Nobla.

Zadania

R1Jd0kya0I0s7

Ćwiczenie 12

Dwukrotne zwiększenie wartości jednego z ładunków powoduje, że wartość siły Coulomba

wzrośnie dwukrotnie.
zmaleje dwukrotnie.

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

RKik7eZkPgvll

Ćwiczenie 13

Dwukrotne zwiększenie wartości obu ładunków elektrycznych powoduje, że wartość siły Coulomba

zmaleje dwukrotnie.
wzrośnie dwukrotnie.
zmaleje czterokrotnie.
wzrośnie czterokrotnie.

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

R48HczwhcrAQi

Ćwiczenie 14

Opierając się na wynikach symulacji, można stwierdzić, że wartość sił wzajemnego oddziaływania

jest wprost proporcjonalna do iloczynu wielkości ładunków.
nie zależy od wielkości ładunków.
zależy tylko od wielkości jednego z ładunków.

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

RFJ6KPLqSjdDv

Ćwiczenie 15

Dwukrotne zwiększenie odległości między ciałami bez zmiany ładunków powoduje, że wartość siły

zmaleje dwukrotnie.
wzrośnie dwukrotnie.
wzrośnie czterokrotnie.
zmaleje czterokrotnie.

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

Ćwiczenie 16

RYpdCLujwQekM

Na podstawie symulacji i odpowiedzi na poprzednie pytanie, można stwierdzić, że wartość siły jest

odwrotnie proporcjonalna do odległości między naładowanymi ciałami.
odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między naładowanymi ciałami.
wprost proporcjonalna do odległości między naładowanymi ciałami.
wprost proporcjonalna do kwadratu odległości między naładowanymi ciałami.

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

R1WRZ18qd5NAX

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

R1F0L4HwFSf6X

Ćwiczenie 17

Wybierz prawidłowe stwierdzenia dotyczące oddziaływań między kulkami. Dwie kulki (o rozmiarach zbliżonych do piłki ping-pongowej) naelektryzowano tak, że na pierwszej zebrał się ładunek równy +3 μC, a na drugiej -5 μC. Następnie umieszczono je w odległości 5 cm.

Kulki przyciągają się siłami o tej samej wartości.
Kulki przyciągają się siłami o tej samej wartości, ponieważ mają zbliżone rozmiary i kształt.
Pierwsza kulka mocniej przyciąga drugą, ponieważ jej ładunek jest dodatni.
Druga kulka mocniej przyciąga pierwszą, ponieważ jej ładunek jest większy.
Zwiększenie odległości do 10 cm spowoduje, że siła przyciągania będzie większa dwukrotnie.
Dowolne zmniejszenie odległości spowoduje, że siła przyciągania wzrośnie.
Zwiększenie odległości do 10 cm spowoduje, że siła przyciągania będzie mniejsza czterokrotnie.

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

Ćwiczenie 18

R1FlkBWGFJZWg

Uzupełnij puste miejsca. Dwie naelektryzowane kulki przyciągają się siłami

10 mN

. Jeśli odległość między nimi zmniejszymy trzykrotnie, to wartość siły 1. wzrośnie, 2.

20

, 3.

90

, 4. wzrośnie, 5. zmaleje i będzie równa 1. wzrośnie, 2.

20

, 3.

90

, 4. wzrośnie, 5. zmaleje

mN

.
Jeśli do jednej kulki dostarczymy ładunek, podwajając go, to wartość siły 1. wzrośnie, 2.

20

, 3.

90

, 4. wzrośnie, 5. zmaleje i będzie równa 1. wzrośnie, 2.

20

, 3.

90

, 4. wzrośnie, 5. zmaleje

mN

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

R1MMqiyKxjPC5

Ćwiczenie 19

Uzupełnij luki w zdaniach, wpisując odpowiednią liczbę lub słowo: zmaleje, wzrośnie. Dwie naelektryzowane kulki przyciągają się wzajemnie siłami

36 mN

. Jeśli odległość między nimi zwiększymy dwukrotnie, to wartość każdej siły Tu uzupełnij i będzie równa Tu uzupełnij

mN

. Jeśli do jednej kulki dostarczymy ładunek, podwajając go, to wartość każdej z sił Tu uzupełnij i będzie równa Tu uzupełnij

mN

Uzupełnij puste miejsca.

Dwie naelektryzowane kulki przyciągają się wzajemnie siłami 36 mN. Jeśli odległość między nimi zwiększymy dwukrotnie, to wartość każdej siły .............. i będzie równa ............ mN.
Jeśli do jednej kulki dostarczymy ładunek, podwajając go, to wartość każdej z sił .................. i będzie równa ............ mN.

Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

Charles Augustin de Coulomb23.08.1806Paryż14.06.1736Angoulȇme

RjTG5cLzPGbGB

Charles Augustin de Coulomb

1736.06.14 Angoulȇme – 1806.08.23 Paryż