Warto przeczytać

Na początku zastanówmy się, czym jest elektryzowanie.

Wyróżniamy trzy sposoby elektryzowania ciał:

• przez tarcie,

• przez dotyk,

• przez indukcję.

Omówmy po kolei każdy z tych sposobów.

Efekty elektryzowania przez pocieranie możesz zaobserwować zdejmując wełniany sweter. W podobny sposób elektryzuje się sierść głaskanego kota i poręcz przy ruchomych schodach. Zapewne skutki takiego elektryzowania są Wam i niektórym kotom - dobrze znane. Zapadają one w pamięć zwłaszcza wtedy, gdy podczas kontaktu z naelektryzowanymi ciałami dochodzi do niewielkich wyładowań.

To, w jaki sposób naelektryzuje się ciało – dodatnio, czy ujemnie - jest cechą charakterystyczną materiału, z jakiego zostało wykonane. Na przykład pocierana wełną laska ebonitowaebonitebonitowa elektryzuje się ujemnie, natomiast pocierana jedwabiem laska szklana elektryzuje się dodatnio (Rys. 1.).

RxLxFBuGG4pGB

Rys. 1. Z lewej strony rysunku znajduje się wełniana szmatka i leżąca na niej pałeczka ebonitowa. Na pałeczce są zielone kółeczka ze znakiem minus, a na wełnie czerwone kółeczka ze znakiem plus. Znaki te symbolizują ładunki, jakie pojawiły się na tych przedmiotach. Od wełny do ebonitowej pałeczki narysowano strzałkę, pokazującą kierunek przemieszczania się elektronów podczas pocierania. Z prawej strony rysunku znajduje się jedwabna szmatka i leżąca na niej pałeczka szklana. Na pałeczce są czerwone kółeczka ze znakiem plus, a na jedwabiu zielone kółeczka ze znakiem minus. Znaki te symbolizują ładunki, jakie pojawiły się na tych przedmiotach. Od szklanej pałeczki do jedwabiu narysowano strzałkę, pokazującą kierunek przemieszczania się elektronów podczas pocierania.

Informację o tym w jaki sposób elektryzuje się dany materiał (dodatnio, czy ujemnie) można znaleźć w tzw. szeregu tryboelektrycznymszereg tryboelektrycznyszeregu tryboelektrycznym. Szereg ten zawiera zestawienie materiałów uszeregowanych pod względem znaku oraz ładunku, jakim się one elektryzują podczas pocierania. Wyciąg z takiego szeregu został pokazany na poniższej grafice.

RdGXvV3CXWyQR

Grafika „Szereg tryboelektryczny”. Na rysunku jest pionowy prostokąt, zakończony u góry i u dołu strzałkami. Nad górną strzałką znajduje się czerwone kółko ze znakiem plus, pod dolną strzałką, niebieskie kółko ze znakiem minus. Kolor prostokąta u góry jest czerwony, u dołu niebieski i kolory te stopniowo przechodzą jeden w drugi. Na prostokącie od góry do dołu zapisane są nazwy materiałów:
Powietrze
Ludzka skóra
Sierść kota
Szkło
Ludzkie włosy
Nylon
Wełna
Jedwab
Aluminium
Papier
Bawełna
Stal
Drewno
Twarda guma, czyli ebonit
Nikiel i miedź
Mosiądz i srebro
Złoto i platyna
Sztuczny jedwab
Poliester
PCV
Silikon
Teflon

Jako przykład przeanalizujmy następujące doświadczenie:

Mamy laskę ebonitowąebonitebonitową, która została potarta wełną, a więc jest naelektryzowana ujemnie. Chcemy sprawdzić, czy ładunek rzeczywiście znajduje się na lasce. Gdy zbliżymy laskę do elektrody elektroskopuelektroskopelektroskopu jego listki rozchylą się. Stanie się tak, ponieważ na liski elektroskopu przepłyną, odepchnięte przez ujemny ładunek laski, elektrony z elektrody (Rys. 2. a.). Zetknięcie laski z elektrodą elektroskopu sprawi, że część ładunku z laski na trwałe przepłynie na elektroskop. Z tego powodu, gdy ebonitowa laska zostanie oddalona od elektroskopu, jego listki pozostaną rozchylone (Rys. 2. b.) - elektroskop został przez dotyk naładowany ładunkiem ujemnym.

ReWpNXm0aOjoQ

Rys. 2. Rysunek przedstawia elektryzowanie elektroskopu. Elektroskop składa się z uziemionej obudowy, w której od góry umocowano metalową pałeczkę tak, że pałeczka częściowo jest wewnątrz obudowy a częściowo na zewnątrz. Pałeczka jest odizolowana od obudowy i zakończona na górze metalową kulką. Od dołu do pałeczki przymocowane są dwa prostokątne listki z cienkiej i lekkiej folii przewodzącej prąd. Po naelektryzowaniu listków, następuje odpychanie się jednoimiennych ładunków elektrycznych i listki odchylają się od siebie.
Rysunek a. Do kulki elektroskopu zbliżono od góry pałeczkę ebonitową naładowaną ujemnie, co symbolizują minusy na pałeczce. Na kulce od góry narysowane są plusy, a od dołu minusy. Na listkach wewnątrz obudowy również zaznaczone są minusy. Listki odchylają się od siebie.
Rysunek b. Rysunek przedstawia sytuację po dotknięciu naładowaną ujemnie ebonitową pałeczką kulki elektroskopu i odsunięciu pałeczki. Na całej kulce oraz na listkach elektroskopu zaznaczone są znaki minus i listki odchylają się od siebie.

Jako przykład rozpatrzy następujące doświadczenie:

Mamy naładowany ujemnie elektroskopelektroskopelektroskop (Rys. 3. a.) i szklaną laskę, która została potarta jedwabną szmatką, a wiec jest naelektryzowana dodatnio. Chcemy sprawdzić, czy na lasce rzeczywiście znajduje się ładunek dodatni. Gdy zbliżymy laskę do elektrody elektroskopu jego rozchylone listki nieco opadną (Rys. 3. b.). Stanie się tak, ponieważ ujemny ładunek z lisków elektroskopu zostanie przyciągnięty przez dodatni ładunek szklanej laski i odpłynie w kierunku elektrody - na elektrodzie elektroskopu zostanie wyindukowany dodatkowy ładunek ujemny, który zniknie, gdy oddalimy szklaną laskę.

RPt48SzpOp6BC

Rys. 3. Rysunek pokazuje, co się stanie, gdy do elektroskopu naładowanego ujemnie zbliżymy pałeczkę szklaną naelektryzowaną dodatnio.
Rysunek a. Rysunek pokazuje elektroskop naładowany ujemnie. Na kulce oraz na listkach elektroskopu zaznaczone są znaki minus i listki odchylają się od siebie.
Rysunek b. Do kulki elektroskopu zbliżono na niewielką odległość szklaną pałeczkę naelektryzowaną dodatnio, co symbolizują znaki plus na pałeczce. Na kulce elektroskopu od strony pałeczki jest zagęszczenie znaków minus. Z drugiej strony kulki i na listkach elektroskopu znaki minus są rzadziej rozmieszczone. Listki elektroskopu opadły nieco w dół, są mniej odchylone od siebie niż na rysunku a.

Więcej informacji na temat elektryzowania przez indukcję znajdziesz w e‑materiale pt. „Elektryzowanie przez indukcję”).

Wiemy już, w jaki sposób możemy naelektryzować ciała, ale w jaki sposób naniesiony ładunek rozkłada się w naelektryzowanym ciele?

W przewodnikach ładunki mogą się swobodnie przemieszczać. Oznacza to, że jeśli naładujemy przewodnik ładunkiem elektrycznym to okaże się, że cały ładunek zgromadzony jest na jego powierzchni. Wynika to z faktu, że ładunki jednoimienne odpychają się i będą dążyć do takiego rozkładu, by minimalizować oddziaływanie coulombowskie. W przypadku metalowej kuli wszystkie ładunki zgromadzą się na powierzchni tej kuli (Rys. 4. a.). W przypadku przewodników o innych kształtach niż kula ładunki będą gromadzić się chętniej na powierzchniach o mniejszym promieniu krzywizny –na ostrzach (Rys. 4. b).

RZCsTV736wLet

Rys. 4. Z lewej strony rysunku jest metalowa kula. Przy powierzchni kuli zaznaczono znaki minus, które oznaczają, że kula naładowana jest ujemnie. Znaki minus są równych odległościach od siebie. Z prawej strony rysunku jest metalowy przedmiot o kształcie zwężającym się z lewej strony. Lewa powierzchnia ma mniejszy promień krzywizny niż prawa powierzchnia przedmiotu. Na lewej powierzchni zagęszczenie znaków minus jest znacznie większe niż na prawej powierzchni, co symbolizuje gromadzenie się ładunków na ostrzach.

Na koniec rozważmy jeszcze jeden ciekawy przykład rozkładu ładunku na powierzchni przewodnika - tzw. puszkę Faradyapuszka Faraday'apuszkę Faradya. Jeśli za pomocą naelektryzowanej pałki naniesiemy ładunek do wnętrza metalowej puszki, ładunek ten rozłoży się na jej zewnętrznej powierzchni. Stanie się tak dlatego, ponieważ ładunki jednoimienne odpychają się od siebie i w stanie równowagi ułożą się w taki sposób, by odległości między nimi były jak największe, czyli na zewnętrznej powierzchni puszki.

Słowniczek

elektroskop

elektroskop

(ang. elektroskope) – elektroskop (zob. ilustrację poniżej) to przyrząd do wykrywania i określania ładunku elektrycznego. Elektroskop składa się z uziemionej obudowy i metalowego słupka odizolowanego od obudowy zakończonego na górze metalową kulką lub blaszką. Do słupka przymocowany jest prostokątny listek z cienkiej i lekkiej folii przewodzącej prąd. Po naelektryzowaniu słupka i listków przez dotknięcie, następuje odpychanie się jednoimiennych ładunków elektrycznych i listki wychylają się.

Ri8jTe8Y3jQob

Prosty elektroskop (listkowy) posiada metalową obudowę z zamkniętymi w środku dwoma listkami, wykonanymi z przewodzącej blaszki (np. ze złota). Listki przymocowane są do pionowego pręta prowadzącego na zewnątrz elektroskopu. Niektóre elektroskopy mają obudowę cylindryczną, inne kwadratową. W niektórych modelach elektroskopów jeden z listków jest przymocowany na stałe i wychylać może się jedynie ten drugi.

maszyna elektrostatyczna

maszyna elektrostatyczna

(ang. electrostatic generator) –  prosta maszyna służąca do wytwarzania ładunków elektrycznych, które następnie są magazynowane za pomocą butelek lejdejskich (zob. fotografię poniżej).

R4vLKrrl4ojvZ

Maszyna elektrostatyczna jest rodzajem prostego generatora elektrostatycznego, działającego na zasadzie indukcji elektrostatycznej. W procesie indukcji elektrostatycznej powodowany jest rozdział ładunków w danym ciele poprzez zbliżenie do innego ciała naładowanego, które są następnie przenoszone elektryzując dane miejsce ciała. Maszyna elektrostatyczna składa się z dwóch tarcz izolacyjnych, które za pomocą korbki i odpowiedniej przekładni obracają się w przeciwnych kierunkach. Na zewnętrznych stronach tarcz są nałożone aluminiowe segmenty, które ulegają elektryzacji. Na osi obrotu tarcz z obu stron są umocowane metalowe pręty, zaopatrzone na końcach w metalowe szczotki, które dotykają segmentów aluminiowych. Na wysokości poziomej średnicy tarcz są umocowane pręty, opatrzone ostrzami (tzw. "grzebieniami"), które są zwrócone do obu tarcz, ale nie dotykają ich. Ostrza te zbierają ładunki, które są doprowadzone do iskiernika. Iskiernik stanowią dwie kulki na prętach metalowych opatrzonych ebonitowymi uchwytami. Kulki iskiernika są połączone z dwiema wewnętrznymi okładkami butelki lejdejskiej. Okładki zewnętrzne tych butelek są połączone prętem poziomym, którym włącza się butelki w obwód. Podczas obracania tarcz powstają ładunki, które są zbierane przez grzebienie i między iskiernikami powstaje duża różnica potencjałów, co powoduje przeskok iskry.

Maszyna elektrostatyczna składa się z dwóch tarcz izolacyjnych, które za pomocą korbki i odpowiedniej przekładni obracamy w przeciwnych kierunkach. Na zewnętrznej stronie tarczy są nałożone aluminiowe segmenty. Na osi obrotu tarcz z obu stron są umocowane metalowe pręty, zaopatrzone na końcach w metalowe szczotki, które dotykają segmentów aluminiowych. Na wysokości poziomej średnicy tarcz są umocowane zgięte pręty, opatrzone ostrzami (tzw., grzebieniami), które są zwrócone do obu tarcz, ale nie dotykają ich. Ostrza te zbierają ładunki, które są doprowadzone do iskiernika. Iskiernik stanowią dwie kulki na prętach metalowych opatrzonych ebonitowymi uchwytami. Kulki iskiernika są połączone z dwiema wewnętrznymi okładkami butelki lejdejskiej. Okładki zewnętrzne tych butelek są połączone prętem poziomym. Podczas obracania tarczy powstają ładunki, które są zbierane przez grzebienie i między iskiernikami powstaje duża różnica potencjałów, co powoduje przeskok iskry.

puszka Faraday'a

puszka Faraday'a

(ang.: Faraday's can)  puszka wykonana z metalowej blachy lub z metalowej siatki (zob. fotografię poniżej).

R3rdi7w5SdkxN

Puszka Faradaya – metalowa komora otwarta z jednej strony, rodzaj klatki Faradaya, przeznaczona do doświadczeń i prac nad ładunkami elektrycznymi. Ciało naelektryzowane, przewodzące prąd elektryczny wprowadzone do wnętrza puszki po dotknięciu ścianki puszki oddaje całkowicie swój ładunek elektryczny puszce (przestaje być naelektryzowane).