Wirtualne laboratorium WL‑I
Badanie ładunku na zewnątrz i wewnątrz naładowanego przewodnika
Przeprowadź dwuczęściowy eksperyment w wirtualnym laboratorium. Wykonaj ćwiczenia i polecenia związane z wyposażeniem laboratorium, przeprowadzeniem eksperymentu i podsumowaniem jego wyników.
Opis Wirtualnego Laboratorium
Na ekranie widać przyrządy ustawione na stole koloru ciemnoniebieskiego. Znajduje się tam maszyna elektrostatyczna i klatka Faradaya. Główną częścią maszyny elektrostatycznej są dwie duże tarcze umieszczone na wspólnej poziomej osi prostopadłej do płaszczyzny ekranu, obracające się w przeciwnych kierunkach. Blisko zewnętrznych krawędzi tarcz, od zewnętrznych stron, znajdują się równomiernie rozmieszczone małe metalowe elementy, o które ocierają się metalowe szczotki. Ładunki elektryczne, które rozdzielają się podczas obracania tarcz, zbierane są przez grzebienie (których na rysunku nie widać) i gromadzone w dwóch butelkach lejdejskich umieszczonych po lewej i prawej stronie maszyny (w każdej – ładunek innego znaku). Na szczycie każdej z butelek umieszczony jest pod skosem w górę metalowy ruchomy pręt zakończony małą kulką. Gdyby te kulki przybliżyć do siebie, nastąpiłoby rozładowanie butelek w formie przeskakującej iskry, ale w naszym doświadczaniu chodzi o zbieranie ładunku elektrycznego po to, by za pomocą metalowego pręta z izolującą rączką, zakończonego kulką przenosić go na różne części klatki Faradaya.
Klatka Faradaya, to przestrzenna siatka w kształcie walca umieszczonego na izolującej nóżce, posiadającego w górnej ścianie otwór na tyle duży, by można było włożyć do niego naładowaną pałeczkę do przenoszenia ładunku elektrostatycznego. Na klatce zaczepione są paski z folii aluminiowej. Jedna połowa każdego paska znajduje się wewnątrz klatki Faradaya, a druga połowa na zewnątrz. Paski te są połączone z klatką, więc jeśli klatka zostanie naelektryzowana, część ładunku znajdzie się również na paskach. Klatę Faradaya można rozładować i należy to zrobić przed i po wykonaniu doświadczenia.
Badanie rozkładu ładunków elektrycznych wewnątrz i na zewnątrz przewodnika
Gdzie na przewodnikach gromadzi się ładunek elektryczny?
Ładunek elektryczny gromadzi się na zewnątrz przewodnika.
Zapoznaj się z obsługą wirtualnego laboratorium.
Przystępując do doświadczenia upewnij się, że klatka Faradaya jest rozładowana.
Naelektryzuj dodatnio małą elektrodę w kształcie kulki przy pomocy maszyny elektrostatycznej. Następnie nanieś ładunek na klatkę Faradaya od zewnątrz. Powtórz tę czynność 6 lub 7 razy i obserwuj, jak zachowują się paski z folii aluminiowej.
Zapisz w dzienniku obserwacji liczbę ładowań i zaobserwowane efekty. Zwróć uwagę na to, jak bardzo wychylały się od pionu części pasków znajdujące się na zewnątrz klatki Faradaya, a jak bardzo te znajdujące się wewnątrz.
Rozładuj wszystko i powtórz doświadczenie, tym razem nanosząc ładunek od wewnątrz klatki Faradaya. Po naelektryzowaniu małej elektrody w kształcie kulki przełóż ją przez otwór znajdujący się u góry klatki Faradaya. Dotknij kulką boku klatki Faradaya od środka i kliknij lewy przycisk myszy. Wyjmij elektrodę przez otwór i powtórz tę czynność tyle samo razy, co poprzednio. Obserwuj, jak zachowują się paski z folii aluminiowej.
Zapisz w dzienniku obserwacji liczbę ładowań i zaobserwowane efekty. Zwróć uwagę na to, jaka była różnica między zachowaniem pasków, kiedy klatka Faradaya była elektryzowana od zewnątrz i kiedy klatka Faradaya była elektryzowana od wewnątrz.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DKghgvnn0
——————————
Wpisz do formularza krótkie podsumowanie wyników doświadczenia. Zawrzyj w nim co najmniej następujące elementy:
Jak wychylały się od pionu części pasków znajdujące się na zewnątrz, a jak od wewnątrz klatki Faradaya?
Jaki wypływa z tego wniosek dotyczący rozkładu ładunku w naelektryzowanym przewodniku? W których jego miejscach gromadzi się ładunek?
Skomentuj, czy hipoteza badawcza potwierdziła się.
Zwróć uwagę, że doświadczenie ma charakter jakościowy, a nie ilościowy.
Badanie rozkładu ładunków elektrycznych wewnątrz i na zewnątrz przewodnika
Gdzie na przewodnikach gromadzi się ładunek elektryczny?
Ładunek elektryczny gromadzi się na zewnątrz przewodnika.
Doświadczenie przeprowadzamy następująco: po rozładowaniu klatki Faradaya przystępujemy do przenoszenia na nią ładunku elektrostatycznego, dotykając pałeczką jednej z elektrod (zawsze tej samej) maszyny elektrostatycznej, a następnie przenosząc pałeczkę do klatki Faradaya i dotykając nią w wybrane miejsce.
W pierwszej części doświadczenia dotykamy klatki od zewnątrz i obserwujemy, że paski folii aluminiowej wychylają się na zewnątrz, a do wewnątrz – nie. Po 7‑8 razach dalsze nanoszenie ładunku nie powoduje już większego wychylenia pasków.
W drugiej części doświadczenia, po rozładowaniu klatki Faradaya przystępujemy do nanoszenia na ładunku w podobny sposób, jednak tym razem wkładamy pałeczkę przez górny otwór i dotykamy nią klatki od wewnątrz. Po wielorodnym powtórzeniu tej procedury obserwujemy, że za każdym razem paski folii odchylają się trochę bardziej na zewnątrz.
Wpisz do formularza zwięzłe podsumowanie wyników doświadczenia. Zawrzyj w nim co najmniej następujące elementy:
Opisz krótko własnymi słowami różnicę w zachowaniu się kawałków pasków z folii aluminiowej wewnątrz i na zewnątrz klatki Faradaya.
Jaki wypływa z tego wniosek dotyczący rozkładu ładunku w naelektryzowanym przewodniku? W których jego miejscach gromadzi się ładunek?
Skomentuj, czy hipoteza badawcza potwierdziła się.
Zwróć uwagę, że doświadczenie ma charakter jakościowy, a nie ilościowy.
Badanie procesu nanoszenia ładunku na klatkę Faradaya
Czy na klatkę Faradaya można nanieść dowolną ilość ładunku, bez ograniczeń?
Upewnij się, że klatka Faradaya jest rozładowana.
Naelektryzuj małą elektrodę w kształcie kulki dodatnio przy pomocy maszyny elektrostatycznej. Następnie nanieś ładunek na klatkę Faradaya od zewnątrz. Powtarzaj tą czynność (licząc liczbę ładowań) aż do momentu, kiedy wychylenie pasków (i co za tym idzie – wartość ładunku na klatce Faradaya) przestanie rosnąć.
Zapisz w dzienniku, ile ładowań powodowało wzrost wartości ładunku elektrycznego zgromadzonego na klatce.
Nie rozładowuj niczego.
Naelektryzuj małą elektrodę w kształcie kulki dodatnio i nanieś ładunek na klatkę Faradaya od wewnątrz. Powtarzaj tę czynność (licząc liczbę ładowań) i obserwuj, czy wychylenie pasków (i co za tym idzie – wartość ładunku na klatce Faradaya) rośnie i przekracza osiągnięty wcześniej limit.
Kontynuuj nanoszenie ładunku dodatniego na klatkę Faradaya od wewnątrz. Czy możesz robić to w nieskończoność, czy i tym razem osiągniesz pewien nowy limit?
Zapisz w dzienniku, ile dalszych ładowań powodowało wzrost wartości ładunku elektrycznego zgromadzonego na klatce.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DKghgvnn0
Dokonaj podsumowania doświadczenia odpowiadając na pytania zawarte w poniższych ćwiczeniach.
Co jest przyczyną faktu, że nie można zwiększać ładunku klatki Faradaya ponad pewną wartość, ładując ją od zewnątrz?
Dlaczego ładując klatkę Faradaya od wewnątrz możemy nanieść na nią więcej ładunku?
Co jest przyczyną faktu, że również ładując klatkę Faradaya od wewnątrz nie można zwiększać jej ładunku ponad pewną wartość?
Podsumuj całe doświadczenie wpisując je do formularza poniżej.
W podsumowaniu skomentuj, czy Twoja hipoteza badawcza potwierdziła się.
Badanie procesu nanoszenia ładunku na klatkę Faradaya
Czy na klatkę Faradaya można nanieść dowolną ilość ładunku, bez ograniczeń?
Doświadczenie należy przeprowadzić podobnie, jak poprzednio, tym razem ładując jednak klatkę Faradaya wyłącznie od wewnątrz. Okazuje się, że po kilkudziesięciu powtórzeniach paski foli aluminiowej na zewnątrz nie wychylają się już bardziej.
Dokonaj podsumowania doświadczenia odpowiadając na pytania zawarte w poniższych ćwiczeniach.
Co jest przyczyną faktu, że nie można zwiększać ładunku klatki Faradaya ponad pewną wartość, ładując ją od zewnątrz?
Dlaczego ładując klatkę Faradaya od wewnątrz możemy nanieść na nią więcej ładunku?
Co jest przyczyną faktu, że również ładując klatkę Faradaya od wewnątrz nie można zwiększać jej ładunku ponad pewną wartość?
Podsumuj całe doświadczenie wpisując je do formularza poniżej.
W podsumowaniu skomentuj, czy Twoja hipoteza badawcza potwierdziła się.