Przeczytaj
Warto przeczytać
Czy wiesz, czym jest elektryzowanie ciał? O naelektryzowaniu mówimy wtedy, gdy na ciało, początkowo obojętne, naniesiemy ładunek elektryczny. Istnieje kilka sposobów elektryzowania. Omówmy je pokrótce.
Elektryzowanie przez tarcie
Gdy pocieramy dwa ciała, które były elektrycznie obojętne, elektrony mogą przemieszczać się między nimi. Jeśli elektrony „przepłyną” z ciała A na ciało B, to ciało A ma więcej ładunków dodatnich niż ujemnych i mówimy, że jest naelektryzowane dodatnio. Ciało B ma natomiast nadmiar ładunków ujemnych i mówimy, że jest naelektryzowane ujemnie. Efekty takiego naelektryzowania są trwale.
Elektryzowanie przez dotyk
Gdy ciałem naelektryzowanym dotykamy ciała obojętnego elektrycznie, następuje między nimi przepływ ładunku. Efekty takiego naelektryzowania są trwale. Obejrzyj ten proces na trzyczęściowym rysunku 2 (kliknij wewnątrz ramki, aby ją rozwinąć i zobaczyć rysunek).
Elektryzowanie przez indukcję
W tym przypadku nie dochodzi do kontaktu ciał. Elektryzowanie następuje wskutek zbliżenia ciała naelektryzowanego (dalej: ciała A) do ciała obojętnego elektrycznie (dalej: ciała B). Pole elektryczne wytworzone przez ciało A wpływa na rozkład ładunków wewnątrz ciała B - ten wpływ właśnie nazywamy indukcją elektryczną.
Istnieją różne mechanizmy elektryzownaia przez indukcję.
Ciało B, które chcemy naelektryzować, posiada elektrony swobodne - są przewodnikami. Tak jest, na przykład, w przypadku metali.
W wyniku zbliżenia ujemnie naładowanego ciała A (rys. 3a), elektrony swobodne w ciele B zostają odepchnięte w obszar możliwe odległy od ciała A. Sumaryczny ładunek ciała B się nie zmienił - jego obszar znajdujący się w pobliżu ciała A jest naładowany dodatnio. Na rys. 3b. pokazano sytuację odwrotną, w której ciało A jest naładowane dodatnio i przyciąga elektrony ciała B w swoje pobliże, pozostawiając dodatnio naładowany przeciwległy jego obszar.
W obu przypadkach ustala się stan równowagi - liczba przemieszczonych elektronów w ciele B zależy od ładunku ciała A oraz od odległości pomiędzy tymi ciałami.
Po oddaleniu ciała A rozsunięcie ładunków w ciele B znika.
Na Rys. 2. widzieliśmy, w jaki sposób elektryzujemy elektroskopelektroskop przez dotyk: naniesiony ładunek rozkłada się na przewodzącej płytce na szczycie elektroskopu, na jego osi oraz na wskazówce. A jak elektroskop zachowa się podczas zbliżenia do niego naelektryzowanej pałeczki? Taką sytuację przedstawiono na Rys. 4.
Gdy do elektroskopu zbliżymy pałeczkę naelektryzowaną dodatnio, to nie nanosimy na elektroskop dodatkowego ładunku - jako całość pozostaje on elektrycznie obojętny. Zmieniamy jedynie rozkład ładunków tam już obecnych. Ujemne ładunki - są to elektrony - przemieszczają się i gromadzą w pobliżu pałeczki, przyciągane przez dodatnie ładunki na niej zgromadzone. Dodatnie ładunki natomiast nie mają zdolności przemieszczania się w metalu. Jednak w okolicy osi i wskazówki elektroskopu panuje teraz niedobór ładunków ujemnych. Oś i wskazówka są naładowane dodatnio, więc odpychają się od siebie - wskazówka się wychyla.
Ciało B składa się z dipolidipoli elektrycznych, mających swobodę obrotu. Tak jest w gazach oraz cieczach o budowie cząsteczkowej, gdy cząsteczki składają się z różnych atomów. Jako przykłady można podać COIndeks dolny 22 oraz HIndeks dolny 22O.
Przed zbliżeniem ciała A, cząsteczki ciała B przyjmują losowe ułożenie (rys. 4a.). Gdy zbliżymy do niego naelektryzowane ujemnie ciało A, wówczas dipole porządkują się: ustawiają się tak, aby dodatnie ich bieguny znajdowały się możliwe blisko ciała B (rys. 4b.). W związku z tym, ta strona ciała B będzie miała ładunek dodatni, a strona przeciwna - ładunek ujemny. Sumaryczny ładunek w ciele B będzie nadal równy zeru.
Stopień uporządkowania dipoli w ciele B zależy od ładunku ciała A oraz od odległości pomiędzy tymi ciałami. Zależy także od temperatury ciała B.
Po oddaleniu ciała A to uporządkowanie zostaje zniszczone przez ruchy termiczne w ciele B.
Ciało B składa się z dipoli elektrycznych bez swobody obrotu lub z cząsteczek niebędących dipolami. Tak jest w izolatorach w stanie skupienia stałym (np. w szkle czy papierze) oraz w cieczach i gazach, których atomy czy cząsteczki nie są dipolami (np. OIndeks dolny 22 i NIndeks dolny 22). W takich strukturach środek ładunku ujemnego pokrywa się ze środkiem ładunku dodatniego (rys. 6a).
Obecność ujemnie naelektryzowanego ciała A deformuje chmury elektronowe atomów czy cząsteczek ciała B w taki sposób, że odsuwa je od centrum ładunku dodatniego. Każda taka struktura staje się wtedy dipolem elektrycznym; wszystkie one są od razu uporządkowane.
Jak w każdym przypadku elektryzowania przez indukcję, sumaryczny ładunek w ciele B pozostaje równy zeru.
(a) Środki dodatniego ładunku, oznaczonego kolorem czerwonyn, pokrywają się ze środkami ładunku ujemnego, oznaczonymi kolorem niebieskim.
(b) Naładowana pałeczka wywołuje deformację chmury elektronowej atomu lub cząsteczki. Środek ładunku ujemnego nie pokrywa się ze środkiem ładunku dodatniego - cząsteczka staje się dipolem.
Stopień zdeformowania chmur elektronowych cząstek w ciele B zależy od ładunku ciała A oraz od odległości pomiędzy tymi ciałami.
Po oddaleniu ciała A ta deformacja znika i ciało B przestaje wykazywać oznaki naelektryzowania.
Zastanówmy się nad tym, czy przez indukcję rzeczywiście możemy naładować izolatory? Sprawdźmy to jak prawdziwi fizycy, czyli przeprowadźmy eksperyment.
W tym celu będzie nam potrzebna kartka papieru lub serwetka, linijka lub inny przedmiot ze sztucznego tworzywa oraz coś wełnianego (np. sweter, czapka). Podrzyjmy papier na malutkie kawałki (ok. 0,5 cm × 0,5 cm). Linijkę potrzyjmy o sweter - to powinno ją naelektryzować.
Zbliżmy teraz linijkę do skrawków papieru (ale nie za blisko). Co się dzieje? Poruszyły się one, niektóre się nawet uniosły. Zostały naelektryzowane i oddziałują z linijką - są przez nią przyciągane.
Ale czy na pewno było to elektryzowanie przez indukcję? Zastanówmy się. Mieliśmy obojętny elektrycznie papier i naelektryzowaną linijkę. Ciała te nie dotykały się. Skoro papier zaczął się poruszać, oznacza to, że się naelektryzował. Tylko jeden rodzaj elektryzowania „działa” na odległość bez dotykania. Jest to właśnie elektryzowanie przez indukcje. Oto udowodniliśmy, że przez indukcję można naelektryzować izolatory.
Zwróć jeszcze uwagę, że czerwone skrawki folii aluminiowej nie uniosły się. Co może być tego przyczyną?
Słowniczek
(ang.: electroscope) przyrząd służący do pomiaru napięcia. W najprostszej wersji, składa się z metalowego pręta, na którego końcu znajdują się oś wraz z przymocowaną do niej ruchomą wskazówką. Po zetknięciu pręta z ciałem naelektryzowanym (dodatnio lub ujemnie), na osi oraz wskazówce gromadzą się ładunki jednego znaku, co powoduje odepchnięcie wskazówki.
(ang.: dipole) – układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych o takiej samej wartości i oddalonych od siebie na pewną odległość . Słowo dipol pochodzi od greckiego słowa dipolos oznaczającego dwa bieguny.