RwCGaG47s2xzB1

Zdjęcie przedstawia maszynę elektrostatyczną, której głównym elementem konstrukcyjnym są dwie sąsiadujące ze sobą obracające się tarcze. Na zdjęciu wykonane są one z przezroczystego materiału, dzięki czemu dobrze widoczne są jedynie koncentrycznie ułożone wzdłuż krawędzi aluminiowe paski, które podczas obrotu tarcz w przeciwnych kierunkach ulegają elektryzacji. Przed tarczami na ruchomych ramionach znajdują się metalowe kulki iskiernika, które można zbliżać lub oddalać od siebie.

1. Elektryzowanie ciał przez tarcie

Ze zjawiskiem elektryzowania ciał przez tarcie spotykasz się w życiu codziennym, np. podczas rozczesywania suchych włosów po kąpieli. Możesz wówczas zaobserwować, że ich końce unoszą się w stronę grzebienia, a poszczególne włosy się odpychają. Podobny efekt możesz uzyskać, gdy będziesz pocierać nadmuchanym balonem o wełniany sweter.
Zjawisko to daje się wytłumaczyć jedynie na poziomie mikroświata.

Film ilustruje efekt elektryzowania się włosów przez tarcie. Polega ono na przemieszczaniu się elektronów z jednego ciała na drugie, które elektryzują się ładunkami o przeciwnych znakach. Włosy mają nadmiar jedego rodzaju ładunków i się wzajemnie odpychają ale przyciągane są przez grzebień, który naelektryzował się ładunkiem przeciwnego znaku niż włosy.

Częstym zjawiskiem sa wyładowania elektryczne podczas burzy. Jak powstaje takie zjawisko? Na rysunku poniżej możecie prześledzic obieg wody w przyrodzie:

R1RwjFVC4vOuE1

Ilustracja przedstawia obieg wody w przyrodzie. W dolnej części ilustracji widoczny jest zróżnicowany teren oraz zbiorniki wodne. Po prawej stronie teren nizinny, wyżyny i góry. Na górze ilustracji niebo. Po lewej stronie żółte słońce z promieniami skierowanymi w kierunku oceanu. Efekt nagrzanej wody jest przedstawiony na prawo od słońca. Niebieski faliste linie unoszą się od strony powierzchni oceanu w kierunku nieba. Woda paruje. Powyżej białe nierówne owalne obiekty. To para wodna. Krople wody pary wodnej tworzą chmury. Białe chmury narysowane są na prawo od pary wodnej. Para wodna skrapla się. Pod chmurami symboliczne drobne krople deszczu. Para wodna przedstawiona jest też jako opady śniegu nad szczytami gór. Góry pokryte są śniegiem. Poniżej gór znajduje się niebieskie szerokie pasmo. To woda spływająca z wyższych terenów do oceanu. Pozostała część wody zbiera się w zbiorniku wodnym u podnóża gór. Część wody trafia głębiej. Niebieskie strzałki skierowane w dół. Poniżej strzałek zbiornik wody. To zgromadzone wody gruntowe.

W chmurach występują ruchy pionowe kropelek wody lub kryształków lodu. Występujące wtedy tarcie powoduje naelektryzowanie różnych części chmury. W poszczególnych fragmentach chmury mamy albo nadmiar ładunków dodatnich albo ujemnych. To różne naelektryzowanie jest przyczyną tego, że w pewnej chwili możliwy jest przepływ ładunku pomiędzy dwiema chmurami, pomiędzy dwiema częściami chmury lub pomiędzy chmurą a powierzchnią Ziemi. Obserwujemy wówczas wyładowania elektryczne.

R12suQ8LBaiUC1

Zdjęcie przedstawia uderzenie pioruna w ziemię. Jest noc. Na samej górze zdjęcia piorun rozdwaja się. Dwa odgałęzienia pioruna rozchodzą się na niebie daleko od siebie. Prawe odgałęzienie pioruna to tylko pojedyncza błyskawica. Lewa błyskawica przybiera kształt powykrzywianej linii. Lewe odgałęzienie pioruna ma liczne mniejsze rozgałęzienia. Małe błyskawice rozchodzą się po lewej i prawej stronie pioruna. W dolnej części lewego pioruna jest bardzo dużo rozgałęzień. Wszystkie sięgają aż do ziemi. Nocne niebo jest najbardziej oświetlone wzdłuż błyskawic. Pozostałe części nieba są ciemne.

Takie wyładowania są niezwykle efektowne, a napięcie elektryczne tuż przed wyładowaniem sięga kilkudziesięciu milionów woltów. Piorun, czyli gwałtownie wyzwolona energia, niesie za sobą duże zagrożenie dla ludzi, budynków, drzew itd. Ochronę przed tego typu niebezpieczeństwem gwarantuje zamontowanie piorunochronu. O jego działaniu dowiesz się więcej w dalszej części podręcznika.

2. Elektryzowanie ciał przez dotyk

Jednym ze sposobów elektryzowania ciał jest elektryzowanie przez dotyk. Zjawisko to zachodzi podczas zetknięcia ciała naładowanego elektrycznie z ciałem nienaelektryzowanym. W trakcie zbliżania do siebie obu ciał ładunki elektryczne rozdzielają się na ciele nienaelektryzowanym i grupują w różnych obszarach tego ciała. To zaś może prowadzić do przenoszenia części tak zgrupowanych ładunków na inne ciała i powstawania nadmiaru ładunków elektrycznych o jednym znaku – czyli naelektryzowania ciała.

Przykładowo: jeżeli szklaną pałeczkę naładowaną dodatnio zbliżymy do metalowego ciała (w metalu ładunki elektryczne mogą się swobodnie przemieszczać), to ładunki ujemne znajdujące się w tym ciele zgromadzą się w obszarze znajdującym się możliwie jak najbliżej pałeczki. Po zetknięciu ze sobą obu ciał pewna ilość ładunków ujemnych przechodzi z metalowego ciała na pałeczkę, na metalu powstaje więc nadmiar ładunków dodatnich. Rezultatem jest naelektryzowanie metalowego obiektu ładunkiem dodatnim. Jeżeli natomiast zbliżymy do pałeczkę naładowaną ujemnie (może być to rurka ebonitowa lub innego tworzywa), to na metalowym ciele ładunki ujemne, odepchnięte przez ładunki ujemne na pałeczce, przemieszczają się na przeciwną stronę tego ciała. W tym momencie po stronie metalowego obiektu znajdującej się w pobliżu pałeczki (lub rurki) powstaje nadmiar ładunku dodatniego i po zetknięciu pałeczki z metalem ładunki ujemne z pałeczki przechodzą na metalowe ciało. Ostatecznie oba ciała elektryzują się ładunkiem takiego samego znaku.

Gdy ciałem obojętnym elektrycznie jest izolator, to ładunek elektryczny, który przepłynie na to ciało, będzie niewielki i zlokalizowany (umieszczony w miejscu zetknięcia obu ciał). Zespół zjawisk powodujących zarówno rozdzielenie ładunków w izolatorach, jak i przepływ ładunku jest bardziej złożony.

Elektryzowanie przez dotyk znalazło zastosowanie w przyrządzie laboratoryjnym nazywanym elektroskopem. Zapoznaj się z filmem i rozwiąż poniższe zadania.

Dotknięcie elektroskopu ręką (gdy nie jesteśmy w żaden sposób naelektryzowani) lub nienaelektryzowaną rurką nie powoduje żadnych zmian położenia jego wskazówki. Jeśli jednak najpierw rurka zostanie naelektryzowana (np. przez tarcie laską ebonitową), a potem przyłożymy ją do elektroskopu, to jego wskazówka się wychyli. Im większy ładunek zostanie zgromadzony na rurce, tym większe będzie wychylenie wskazówki. Aby elektroskop znów stał się obojętny elektrycznie, wystarczy dotknąć go dłonią – wtedy ładunki elektryczne spłyną do ziemi.

Dotknięcie naelektryzowanego metalowego pręta elektroskopu sprawia, że elektrony się przemieszczają. Kierunek ich ruchu zależy od znaku ładunku naelektryzowanej rurki. Jeśli jest ona naelektryzowana ujemnie, to elektrony swobodne przepływają na metalowy pręt i wskazówkę, a gdy rurka jest naelektryzowana dodatnio, to elektrony przemieszczają się w odwrotnym kierunku, czyli na rurkę. Za każdym razem dochodzi do wychylenia wskazówki elektroskopu. Pełne wyjaśnienie tego zjawiska znajduje się w części rozszerzonej, opisującej elektryzowanie ciał przez indukcję.

R18fyGxm1Lqyq1

Schemat działania elektroskopu

Ciekawostka

Benjamin FranklinBenjamin FranklinBenjamin Franklin, amerykański polityk i uczony poświęcał zagadnieniom sił elektrycznych znaczną część swojej pracy naukowej. Przeprowadził eksperyment, którym udało mu się udowodnić, że błyskawica to bardzo silne wyładowanie elektryczne. Eksperyment ten polegał na wypuszczeniu w trakcie burzy jedwabnego latawca z metalowym elementem, który został połączony z ziemią konopnym sznurkiem obciążonym przy ziemi metalowym kluczem. Układ składający się z dwóch metalowych elementów i sznura były w tym przypadku przewodnikiem prądu. Sam Franklin operował latawcem za pomocą jedwabnej taśmy, o której uczony wiedział, że nawet kiedy zmoknie, będzie mogła pełnić rolę izolatora. W trakcie wykonywania eksperymentu uczony zaobserwował silne elektryzowanie się sznura oraz przeskakiwanie pomiędzy kluczem i ziemią iskier elektrycznych. Na podstawie tych obserwacji Benjamin Franklin uzyskał potwierdzenie swojej hipotezy: błyskawica to silne wyładowanie elektryczne. Dzięki tej wiedzy skonstruował pierwszy piorunochron – był to miedziany pręt umieszczony na dachu.

RrLBH1m11opoh1

Ilustracja przedstawia domek jednorodzinny. Jest to prosty rysunek domu ze skośnym dachem. Frontowa ściana z wejściem głównym jest skierowana w stronę osoby patrzącej na ilustrację. Wzdłuż lewej strony ściany frontowej oraz wzdłuż dachu jest widoczna czerwona prosta linia. Linia biegnie wzdłuż i równolegle do krawędzi domu i do brzegu dachu. Jest to metalowy pręt zwany piorunochronem. Piorunochron nie styka się ze ścianą domu i z dachem. Piorunochron jest przymocowany do domu za pomocą linek. Linki oddalają metalowy pręt na odległość kilkunastu centymetrów. Górna część piorunochronu kończy się powyżej linii dachu. Pionowe metalowe pręty piorunochronu umieszczone na dachu są skierowane w górę. Dolna część piorunochronu jest umieszczona w ziemi. W ziemi znajduje się metalowy przewód uziemiający. Ładunek elektryczny po uderzeniu pioruna jest odprowadzony do ziemi.

Średnica pręta, z którego jest skonstruowany piorunochron, ma ok. 2 cm. Pręt połączony jest z długim miedzianym lub aluminiowym przewodem stykającym się z siatką przewodzącą umieszczoną pod warstwą ziemi. Piorunochrony zapewniają właściwe odprowadzenie ładunków elektrycznych do ziemi. Jeśli przewody nie będą wykonane z materiałów będących dobrymi przewodnikami ciepła i elektryczności i nie będą miały wystarczająco dużego przekroju powierzchni poprzecznej, to po uderzeniu pioruna może dojść do stopienia tych przewodów. Dom przestanie być wówczas chroniony i kolejne wyładowanie może być groźne dla ludzi przebywających w budynku i spowodować straty materialne.

3. Elektryzowanie przez indukcję (zwaną też influencją lub wpływem)

Trzecim sposobem elektryzowania jest indukcja. Jest to metoda, która nie wymaga bezpośredniego kontaktu między ciałami. Pozostają one w niewielkiej odległości od siebie, ale się nie stykają.

Zjawisko elektryzowania przez indukcję polega na zbliżeniu ciała naładowanego do ciała obojętnego elektrycznie. Efektem jest przesunięcie elektronów w przewodniku bądź polaryzacja atomów (cząsteczek) w izolatorze. By lepiej zrozumieć ten proces, wykonaj poniższe doświadczenie.

Ruch puszki wywołany zbliżeniem naelektryzowanej rurki z tworzywa sztucznego jest efektem procesów zachodzących w mikroświecie. Przyjrzyj się animacji.

Puszka się nie porusza, gdy zbliżamy do niej rurkę obojętną elektrycznie. Zakładamy, że w wyniku tarcia rurka elektryzuje się ujemnie. Zbliżenie jej do metalowej puszki wykonanej z materiału będącego dobrym przewodnikiem wywołuje przemieszczenie się elektronów swobodnych – przeważającym ładunkiem (od strony rurki) staje się ładunek dodatni. Działają wówczas dwie siły, tj. przyciągania i odpychania elektrostatycznego. Siła przyciągania występuje między ładunkami dodatnimi (gromadzącymi się powierzchni puszki od tej strony, z której do puszki zbliżona została ujemnie naładowana rurka) a ładunkiem naelektryzowanej rurki. Siła odpychania działa między elektronami swobodnymi zgromadzonymi z przeciwnej strony puszki a ujemnym ładunkiem rurki. Pamiętajmy, że siły oddziaływania elektrostatycznego są zależne od odległości między ciałami – im bliżej siebie znajdują się wzajemnie oddziałujące ciała, tym siła tych oddziaływań jest większa. W tym przypadku siła przyciągania, która jest efektem oddziaływania rurki z bliższą stroną puszki (tą, na której zebrały się ładunki dodatnie) ma więc większą wartość, niż siła odpychania, która jest efektem oddziaływania rurki z dalszą stroną puszki (tą, na której zebrały się ładunki ujemne). Ruchowi rurki towarzyszy ruch podążającej za nią puszki. Gdy oddalimy naelektryzowaną rurkę na odpowiednią odległość, elektrony swobodne na puszce wrócą na swoje właściwe miejsce (tj. do położenia początkowego) i ruch puszki ustanie.

Postawmy pytanie: Czy przez indukcję można naelektryzować np. papier?
Aby poznać odpowiedź, wykonaj poniższe doświadczenie.

R18OSxUMq9NCo1

Dipol elektryczny

Elektryzowanie przez indukcję polega na zbliżeniu ciała naelektryzowanego do ciała obojętnego elektrycznie. Wtedy wewnątrz niego przemieszczają się elektrony swobodne (metalowa puszka) lub powstają dipole elektryczne (papier). Siła odpychania między ciałami jest mniejsza niż siła przyciągania. Odsunięcie ciała naelektryzowanego od ciała początkowo obojętnego elektrycznie sprawia , że elektrony wracają na swoje miejsce.

Podsumowanie

• Ciała można elektryzować na trzy sposoby: przez tarcie, dotyk i indukcję.

• Podczas pocierania (oddziaływania mechanicznego) o siebie dwóch ciał obojętnych elektrycznie niewielka ilość ładunku ujemnego przechodzi z jednego ciała na drugie. W efekcie na jednym ciele powstaje nadmiar ładunku dodatniego, a na drugim – ładunku ujemnego. Zjawisko to nazywamy elektryzowaniem ciał przez tarcie.

• Elektryzowanie przez dotyk polega na dotknięciu ciałem naelektryzowanym ciała nienaelektryzowanego. Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane dodatnio, to przechodzi na nie ładunek ujemny z ciała obojętnego elektrycznie. Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane ujemnie, to ładunek ujemny przechodzi z tego ciała na ciało obojętne elektrycznie. W efekcie na obu ciałach gromadzi się jednoimienny ładunek elektryczny.

• Gdy ciało elektryzowane jest przez indukcję, to w wyniku zbliżenia ciała naładowanego do ciała obojętnego elektrycznie obojętnego, na tym drugim pojawiają się dwie grupy ładunków o przeciwnych znakach.

• Indukcja elektrostatyczna polega na przemieszczaniu się elektronów swobodnych wewnątrz przewodnika lub na powstawaniu dipola elektrycznego (polaryzacja elektryczna cząsteczki albo atomu) w izolatorze. Proces ten zachodzi, kiedy ciało naładowane elektrycznie znajduje się blisko ciała obojętnego elektrycznie.

Zadania podsumowujące lekcję

Słowniczek

dipol elektryczny

dipol elektryczny

– układ dwóch ładunków różnoimiennych o jednakowej wartości, które znajdują się w pewnej odległości od siebie.

RNJ4LJRkJlVMh1

Dipol elektryczny

Benjamin Franklin-17Filadelfia-17Boston

R1ZM1W5Reh6io1

Portret Beniamina Franklina

Benjamin Franklin

17.01.1706 Boston – 17.04.1790 Filadelfia

Jeden z inicjatorów powstania Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej. Zaangażowany w życie polityczne, przez trzy lata był prezydentem Pensylwanii. Miał wiele zainteresowań, do których należały m.in. meteorologia, oceanografia, elektryczność i teoria światła. Jako pierwszy wprowadził pojęcie ładunków dodatnich i ujemnych.