Niniejszy materiał stanowi zestawienie zagadnień dotyczących elektrostatyki tj. ładunki elektryczne i ich oddziaływanie, elektryzowanie ciał, zasada zachowania ładunku, prawo Coulomba i inne. Szczegółowe omówienie tych zagadnień znajdziesz w materiałach:

R1W5ECkpbnhCI
Elektrostatyka, choć wydaje się prostym i dość ograniczonym działem fizyki, kryje w sobie wiele tajemnic. Przykładowo: dlaczego materiały i substancje będące dobrymi izolatorami w pewnych warunkach mogą całkiem dobrze przewodzić prąd elektryczny? Najbardziej znanym przykładem tego zjawiska jest uderzenie pioruna
Źródło: BirnWeins, dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.

Ładunek elektryczny

R1CZiUd5sIUqs
Zgromadzony ładunek elektryczny możemy zobaczyć jako przeskakującą iskrę
Źródło: wizetux, edycja: Krzysztof Jaworski, dostępny w internecie: flickr.com, licencja: CC BY-NC 2.0.

Materia zbudowana jest z ogromnej liczby atomów, a te składają się z cząstek elementarnych. Niektóre z nich są obdarzone ładunkiem elektrycznym:

  • elektrony – ładunkiem ujemnym;

  • protony – ładunkiem dodatnim.

W ciele obojętnym elektrycznie liczba elektronów jest równa liczbie protonów.
W ciele naładowanym ujemnie liczba elektronów jest większa od liczby protonów.
W ciele naładowanym dodatnio liczba elektronów jest mniejsza od liczy protonów.
Ładunek elektryczny oznaczany jest najczęściej literą lub .
Jednostką ładunku elektrycznego w układzie SI jest kulomb; oznaczmy go literą .

Ładunek elementarny

RrYTaljxEhGuS
Ładunek elementarny oznaczamy jako e. Jest to wartość ładunku protonu i elektronu
Źródło: ContentPlus, licencja: CC BY 3.0.

Ładunek elementarny to najmniejsza porcja ładunku, jaką można przenieść z jednego ciała na drugie. Oznaczamy go literą . Ładunek elementarny jest równy wartości ładunku, jaki posiadają elektron lub proton i wynosi .
Wartość każdego ładunku elektrycznego jest wielokrotnością ładunku elementarnego:

Zasada zachowania ładunku

Zasada zachowania ładunku posiada dwa niezależne sformułowania, z których każde podkreśla jej inny aspekt:

  1. Ładunki elektryczne nie giną, ani nie można ich stworzyć – mogą jedynie się przemieszczać.

  2. W układach izolowanych sumaryczny ładunek elektryczny (algebraiczna suma ładunków dodatnich i ujemnych) nie ulega zmianie.

Zasada zachowania ładunku pozwala wyjaśnić przebieg wielu zjawisk, do których należą: elektryzowanie ciał (przez tarcie, dotyk i indukcję), zasady rządzące przepływem prądu elektrycznego (pierwsze prawo Kirchhoffa) i wiele zjawisk w mikroświecie, np. reakcje jądrowe.

Elektryzowanie ciał

R17gaUOGCW925
Gdy zbliżysz naelektryzowany przedmiot do swoich włosów poczujesz jak są one przyciągane przez zgromadzone ładunki
Źródło: Tomorrow Sp.z o.o., licencja: CC BY 3.0.

Ciała można elektryzować przez:

  • tarcie,

  • dotyk,

  • indukcję.

  1. Elektryzowanie ciał przez tarcie polega na pocieraniu (oddziaływaniu mechanicznym) o siebie dwóch ciał, pierwotnie obojętnych elektrycznie. Pewna liczba elektronów (obdarzonych ładunkiem ujemnym) przechodzi wtedy z jednego ciała do drugiego. W efekcie na jednym ciele powstanie nadmiar elektronów, czyli ładunku ujemnego, a na drugim – nadmiar ładunku dodatniego (niedobór elektronów). Ostatecznie oba ciała są naelektryzowane ładunkami o tej samej wartości, ale przeciwnym znaku.

  2. Elektryzowanie przez dotyk polega na dotknięciu ciała pozbawionego ładunku ciałem naelektryzowanym. Jeżeli jest ono naładowane dodatnio, to elektrony przechodzą z ciała obojętnego elektrycznie na ciało naelektryzowane. Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane ujemnie, to elektrony przechodzą z niego na ciało obojętne elektrycznie. W efekcie na obu ciałach gromadzi się ładunek elektryczny tego samego znaku.
    Uwaga: elektryzowanie przez dotyk musi być poprzedzone przemieszczeniem się ładunku w ciele, które chcemy naelektryzować.

  3. Elektryzowanie przez indukcję polega na zbliżeniu (na pewną odległość) ciała naładowanego do innego ciała. W efekcie następuje przemieszczanie się elektronów swobodnych: bliżej ciała naelektryzowanego gromadzi się (indukuje) ładunek o znaku przeciwnym niż ładunek ciała naelektryzowanego, a na przeciwnej stronie tego ciała – ładunek mający taki sam znak. Efekt ten znika, gdy oddalimy ciało naelektryzowane.

Oddziaływanie ładunków elektrycznych i prawo Coulomba

RpTpxgPRnt0rZ
Pamiętaj, że ładunki jednoimienne się odpychają, a różnoimienne przyciągają
Źródło: ContentPlus, licencja: CC BY 3.0.
  1. Ciała obdarzone ładunkiem elektrycznym oddziałują wzajemnie jeden na drugi siłą elektrostatyczną:

    • gdy ich ładunki są tego samego znaku (jednoimienne), ciała się odpychają;

    • gdy ich ładunki są przeciwnego znaku (różnoimienne), ciała się przyciągają.

  2. Oddziaływanie elektrostatyczne jest wzajemne.

  3. Wartość siły elektrycznej zależy zarówno od wartości ładunku zgromadzonego na ciałach, jak i od odległości między nimi:

    • im większa wartość ładunku, tym większa siła elektrostatyczna;

    • im większa odległość między ciałami, tym mniejsza siła elektrostatyczna.

  4. Prawo wiążące siłę elektrostatyczną z wartością ładunków i odległością między naelektryzowanymi ciałami nazywamy prawem Coulomba.

prawo Coulomba
Prawo: prawo Coulomba

Siła wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych Q1Q2 jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.
Twierdzenie to można zapisać za pomocą wzoru:

F=kQ1·Q2r2

gdzie:
F – siła,
– stała elektrostatyczna;
Q1, Q2 – punktowe ładunki elektryczne;
r – odległość między punktowymi ładunkami elektrycznymi.

Z prawa Coulomba wynika, że gdy odległość ładunków jest stała, to siła wzajemnego oddziaływania rośnie tyle razy ile razy wzrośnie każdy ładunek - gdy każdy z nich wzrośnie np. dwa razy, to siła wzrośnie 4 razy, gdy tylko jeden wzrośnie np. 3 razy, to siła wzrośnie 3 razy. Przy stałej wartości ładunków siła maleje ze wzrostem odległości – np. dwukrotny wzrost odległości powoduje czterokrotne zmniejszenie wartości siły.

Przewodniki i izolatory

R1LWuXysPeV0O
Przewody są wykonane zarówno z przewodników jak i izolatorów. Wewnętrzny rdzeń, którym płynie prąd (przesyłany jest sygnał) wykonany jest z przewodnika, natomiast otoczka wykonana jest z izolatora (najczęściej tworzywa sztucznego) aby zapobiec porażeniom
Źródło: dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.
  1. Ze względu na łatwość, z jaką ciała przewodzą prąd elektryczny, dzielimy je na:

    • przewodniki,

    • izolatory,

    • półprzewodniki.

  2. Przewodniki to ciała dobrze przewodzące prąd, zawierające cząstki naładowane, które mogą się swobodnie wewnątrz nich przemieszczać. Cząstki te nazywamy nośnikami prądu.
    Przewodnikami są:

    • metale (złoto, srebro, miedź, glin) – nośnikami prądu są w nich elektrony,

    • elektrolity, czyli ciecze przewodzące prąd (niektóre roztwory kwasów, zasad i soli, w tym płyny ustrojowe organizmów żywych) – nośnikami prądu są w nich jony,

    • zjonizowane gazy (gazy zamknięte w świetlówkach i lampach neonowych) – nośnikami prądu są w nich elektrony i jony.

  3. Izolatory to substancje, które nie przewodzą prądu elektrycznego. Cząstki obdarzone ładunkiem nie mogą się w nich swobodnie przemieszczać:

    • do izolatorów zalicza się m.in. gumę, szkło, styropian, papier, suche drewno, tworzywa sztuczne i suche powietrze.

    Izolatory znajdują szerokie zastosowanie jako materiały zabezpieczające przed porażeniem prądem elektrycznym.

  4. Półprzewodnik to materiał wykazujący właściwości przewodnika oraz izolatora.

    • przykładem półprzewodników są krzem i german;

    • najważniejszą cechą półprzewodników jest to, że możemy zmieniać ich zdolność przewodzenia prądu przez wprowadzenie pewnych domieszek;

    • półprzewodniki znalazły zastosowanie głównie w przemyśle – wykorzystuje się je do wyrobu elementów elektronicznych takich jak tranzystory, diody, układy scalone i elementy pamięci;

    • zdolność przewodzenia prądu przez półprzewodniki rośnie wraz ze wzrostem temperatury (odwrotnie niż u przewodników). Dzieje się tak, ponieważ ze wzrostem temperatury wzrasta liczba swobodnych nośników ładunku.

Zadania

1
Ćwiczenie 1
R4JLQpqrjOpMp
Uzupełnij lukę. Kropla rtęci posiadająca ładunek Q1=1 mC spadła do naelektryzowanego pojemnika o ładunku Q2=-5 mC. Ładunek pojemnika z rtęcią wynosi Tu uzupełnij mC.
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
RXmOUMwvxcVQV1
Ćwiczenie 2
Ładunek Q = 32 mC. Ile to kulombów? Możliwe odpowiedzi: 1. 0,032 C, 2. 0,32 C, 3. 3,2 C, 4. 32000 C, 5. 3200 C
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
RVfQvuygakCGh1
Ćwiczenie 3
Uporządkuj ładunki od najmniejszego do największego: Q1=1,95 mC, Q2=195 μC, Q3=0,195 C. Możliwe odpowiedzi: 1. Q2<Q1<Q3, 2. Q3<Q1<Q2, 3. Q2=Q1<Q3, 4. Q2<Q3<Q1, 5. Q1<Q2<Q3
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
R1Dz5VoORtLbr2
Ćwiczenie 4
Uzupełnij lukę w zdaniu, wpisując poprawne słowo. Cząstka posiadająca ładunek ujemny równy wartości ładunku elementarnego to Tu uzupełnij.
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
RpelNAAaY61kG2
Ćwiczenie 5
Określ, czy poniższe materiały są przewodnikami, izolatorami lub półprzewodnikami. Przeciągnij materiał do odpowiedniej grupy lub przyporządkuj grupę wybierając z listy rozwijanej przy każdym z materiałów. przewodnik Możliwe odpowiedzi: 1. guma, 2. bawełniana tkanina, 3. żelazo, 4. ebonit, 5. krew, 6. rtęć, 7. szkło, 8. krzem, 9. miedź, 10. aluminium, 11. platyna, 12. german, 13. woda z kranu (pitna), 14. papier izolator Możliwe odpowiedzi: 1. guma, 2. bawełniana tkanina, 3. żelazo, 4. ebonit, 5. krew, 6. rtęć, 7. szkło, 8. krzem, 9. miedź, 10. aluminium, 11. platyna, 12. german, 13. woda z kranu (pitna), 14. papier półprzewodnik Możliwe odpowiedzi: 1. guma, 2. bawełniana tkanina, 3. żelazo, 4. ebonit, 5. krew, 6. rtęć, 7. szkło, 8. krzem, 9. miedź, 10. aluminium, 11. platyna, 12. german, 13. woda z kranu (pitna), 14. papier
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
RR4TmDV2gFKa72
Ćwiczenie 6
Dokończ zdanie, wybierając poprawne odpowiedzi.
Proton i jon dodatni Możliwe odpowiedzi: 1. odpychają się., 2. są obdarzone ładunkami jednoimiennymi., 3. przyciągają się., 4. nie oddziałują ze sobą., 5. są nośnikami ładunku w cieczach i gazach., 6. są obdarzone ładunkami różnoimiennymi., 7. nie mają ładunku elektrycznego.
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
2
Ćwiczenie 7
R17mPIIrONptq
Zbliżenie naelektryzowanej dodatnio laski szklanej do górnego końca pręta elektroskopu powoduje wychylenie wskazówki. Który z rysunków przedstawia poprawny rozkład ładunków na pręcie i wskazówce elektroskopu?
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RMnWuPTlsKZSn
Możliwe odpowiedzi: 1. Ilustracja przedstawia elektroskop, którego wskazówki są wychylone. Do kulki elektroskopu zbliżona jest szklana laska na której zaznaczone są ładunki dodatnie. Na kulce elektroskopu również zaznaczono występowanie ładunków dodatnich. Na pionowym pręcie i wskazówkach elektroskopu zaznaczono ładunki ujemne., 2. Ilustracja przedstawia elektroskop, którego wskazówki są wychylone. Do kulki elektroskopu zbliżona jest szklana laska na której zaznaczone są ładunki dodatnie. Na kulce elektroskopu również zaznaczono występowanie ładunków dodatnich. Na pionowym pręcie i wskazówkach elektroskopu także zaznaczono występowanie ładunków dodatnich., 3. Ilustracja przedstawia elektroskop, którego wskazówki są wychylone. Do kulki elektroskopu zbliżona jest szklana laska na której zaznaczone są ładunki dodatnie. Na kulce elektroskopu zaznaczono występowanie ładunków ujemnych. Na pionowym pręcie i wskazówkach elektroskopu zaznaczono ładunki dodatnie., 4. Ilustracja przedstawia elektroskop, którego wskazówki są wychylone. Do kulki elektroskopu zbliżona jest szklana laska na której zaznaczone są ładunki dodatnie. Na kulce elektroskopu zaznaczono występowanie ładunków ujemnych. Na pionowym pręcie i wskazówkach elektroskopu również zaznaczono występowanie ładunków ujemnych.
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
2
Ćwiczenie 8
R1beqaWiqjFJa
Który z wymienionych przedmiotów jest izolatorem? Możliwe odpowiedzi: 1. gumowy kalosz, 2. srebrna łyżeczka, 3. złoty pierścionek, 4. metalowy łańcuszek, 5. żelazna poręcz, 6. łodyga kwiatu
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
RcRyEn3jGtTsn3
Ćwiczenie 9
W chmurach burzowych unoszące się w górę kuleczki lodu ocierają cię o kropelki wody. W wyniku tarcia tych drobin chmura elektryzuje się na górze dodatnio, a u podstawy ujemnie. Jak można opisać wymianę ładunków między kroplami wody a kulkami lodu? Możliwe odpowiedzi: 1. Kulki lodu oddają elektrony, a krople wody je przyłączają., 2. Kulki lodu przyłączają protony, a krople wody je oddają., 3. Kulki lodu oddają elektrony, a krople wody oddają protony., 4. Kulki lodu oddają więcej elektronów niż protonów, a krople wody przyłączają więcej elektronów niż protonów.
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
1
Ćwiczenie 10

Plastikowa linijka po potarciu o wełniany szalik naelektryzowała się ujemnie. Wybierz poprawne uzupełnienie każdej luki.

RNMGwFLQc1NwN
Plastikowa linijka po potarciu o wełniany szalik naelektryzowała się ujemnie. Wybierz poprawne uzupełnienia każdej luki. To jest 1. trzeci_niepoprawny, 2. pierwszy_poprawny@@pierwszy_poprawny_2, 3. drugi_poprawny a to 1. trzeci_niepoprawny, 2. pierwszy_poprawny@@pierwszy_poprawny_2, 3. drugi_poprawny element
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
R13wiUCP3UMyK
Cząsteczki te przemieściły się z 1. linijkę, 2. szalik, 3. szalika, 4. linijki na 1. linijkę, 2. szalik, 3. szalika, 4. linijki.
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
RmHAPgixoE9iX
Szalik naelektryzował się 1. dodatnio, 2. większej, 3. o takiej samej, 4. mniejszej, 5. ujemnie ładunkiem 1. dodatnio, 2. większej, 3. o takiej samej, 4. mniejszej, 5. ujemnie wartości.
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
R1QojbY0Rz6Jh1
Ćwiczenie 11
Jakim rodzajem oddziaływania jest oddziaływanie elektrostatyczne? Możliwe odpowiedzi: 1. Oddziaływanie bezpośrednie., 2. Oddziaływanie na odległość., 3. Obie odpowiedzi są poprawne.
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
R1Qk2qc90idGG2
Ćwiczenie 12
Na skutek tarcia powietrza o jadący samochód jego karoseria się elektryzuje. Czy gumowe opony stanowią uziemienie karoserii? 1. izolatorem, 2. przewodnikiem, 3. przewodzi, 4. nie przewodzi, 5. nie stanowią, 6. Tak, 7. stanowią, 8. Nie, opony 1. izolatorem, 2. przewodnikiem, 3. przewodzi, 4. nie przewodzi, 5. nie stanowią, 6. Tak, 7. stanowią, 8. Nie uziemienia dla karoserii, ponieważ guma jest 1. izolatorem, 2. przewodnikiem, 3. przewodzi, 4. nie przewodzi, 5. nie stanowią, 6. Tak, 7. stanowią, 8. Nie zatem 1. izolatorem, 2. przewodnikiem, 3. przewodzi, 4. nie przewodzi, 5. nie stanowią, 6. Tak, 7. stanowią, 8. Nie prądu elektrycznego.
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
1
Ćwiczenie 13
RYMvaDh1AK9UE
To jest 1. pierwszy_poprawny@@pierwszy_poprawny_2, 2. trzeci_niepoprawny, 3. drugi_poprawny a to 1. pierwszy_poprawny@@pierwszy_poprawny_2, 2. trzeci_niepoprawny, 3. drugi_poprawny element
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
3
Ćwiczenie 14
R13si1lBAJbWu
(Uzupełnij).
3
Ćwiczenie 15

Zapylanie kwiatów polega na przeniesieniu pyłku z kwiatu na kwiat i jest możliwe dzięki niektórym owadom. Jednym z tych owadów jest pszczoła. Jeden ze sposobów, w jaki pszczoły mogą przenieść pyłek, polega na elektrostatycznym zbieraniu ziaren pyłku. Pszczoły są zwykle naładowane dodatnio. Gdy pszczoła zawisa w pobliżu pylnika kwiatu, ziarenka pyłku przyczepiają się do pszczoły i są przez nią przenoszone do następnego kwiatu. Ten proces został schematycznie przedstawiony na rysunku poniżej.

R12kFMsVh9N3c
Schematyczne przedstawienie procesu zapylania kwiatów
Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com / www.pexels.com, licencja: CC BY 3.0.
  1. Jaki ładunek posiada pyłek kwiatowy? Odpowiedź uzasadnij.

  2. Czy ziarenko pyłku ma kontakt elektryczny z ciałem pszczoły? Odpowiedź uzasadnij.

R17iGNS9tJkYm
(Uzupełnij) .
Ćwiczenie 16

Ładunek znajduje się w odległości od ładunku . Ile razy wzrośnie siła oddziaływania pomiędzy ładunkami gdy odległość między nimi zmniejszymy o połowę?

R1FWkAHpwTWyO
Siła ta wzrośnie Tu uzupełnij razy.
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 17

Ładunek znajduje się w odległości od ładunku . Wybierz prawidłowe uzupełnienie zdań.

R1VNdGbnMuTkP
Ładunek Q1 zadziała na ładunek Q2 siłą o wartości 1. 0,14N, 2. przeciwnym, 3. mniejszej, 4. większej, 5. takiej samej, 6. takim samym, 7. innym, 8. 1,8N, 9. takim samym, 10. 2,25N, 11. 1,4mN, a ładunek Q2 działa na ładunek Q1 siłą o 1. 0,14N, 2. przeciwnym, 3. mniejszej, 4. większej, 5. takiej samej, 6. takim samym, 7. innym, 8. 1,8N, 9. takim samym, 10. 2,25N, 11. 1,4mN wartości, 1. 0,14N, 2. przeciwnym, 3. mniejszej, 4. większej, 5. takiej samej, 6. takim samym, 7. innym, 8. 1,8N, 9. takim samym, 10. 2,25N, 11. 1,4mN kierunku i 1. 0,14N, 2. przeciwnym, 3. mniejszej, 4. większej, 5. takiej samej, 6. takim samym, 7. innym, 8. 1,8N, 9. takim samym, 10. 2,25N, 11. 1,4mN zwrocie.
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.