Czy proces elektryzowania prowadzi do wytwarzania elektronów? Czy nadwyżka ładunku w jednym miejscu odpowiada zawsze jego niedomiarowi w innym? Jeśli chcesz poznać odpowiedzi na te pytania, czytaj dalej.

Rvp9yyGE5786H
Bursztyn
Źródło: Ludwig Schneider, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org.
Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia
Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia
  • jak opisać gromadzenie się ładunków na powierzchni ciał;

  • jakie są nośniki ładunku elektrycznego;

  • sposoby elektryzowania ciał;

  • jak opisać siłę oddziaływania elektrycznego jako siłę zależną od znaku i wartości ładunków oraz od odległości między ciałami;

  • wyjaśnienie, dlaczego ciałami dobrze przewodzącymi prąd elektryczny są metale, elektrolity i zjonizowane gazy.

Nauczysz się
  • stosować zasadę zachowania ładunku, aby wyjaśnić zjawisko elektryzowania ciał;

  • podawać przykłady zjawisk fizycznych, w których spełniona jest zasada zachowania ładunku.

W życiu codzienny często możemy zaobserwować skutki elektryzowania się ciał. Przykładowo: podczas zdejmowania swetra, słyszymy ciche trzaski, a w trakcie czesania świeżo umytych i suchych włosów grzebień przyciąga ku sobie końcówki włosów. Wszystkie te ciała (włosy, sweter i grzebień) stały sie naelektryzowane, zyskały ładunek elektrycznyŁadunek elektrycznyładunek elektryczny.

Aby wyjaśnić zjawisko elektryzowania się ciał, przyjęto, że ładunki elektryczne mogą być dodatnie albo ujemne. Szybko jednak pojawiły się kolejne wątpliwości. Czy liczba zgromadzonych ładunków dodatnich musi zawsze odpowiadać liczbie ładunków ujemnych? Czy można stworzyć ładunek elektryczny? A może istnieje sposób na jego zniszczenie? W tym rozdziale spróbujemy znaleźć odpowiedzi na wszystkie postawione pytania.

Doświadczenia, jakie wykonasz na dzisiejszej lekcji, pozwolą potwierdzić, że w zjawiskach elektryzowania ciał spełniona jest zasada zachowania ładunku.

Zapamiętaj!

Ładunki elektryczne nie giną ani nie można ich stworzyć.

Należy pamiętać o tym, że zasada zachowania ładunku spełniona jest wyłącznie w tzw. układach izolowanych elektrycznie, czyli takich, które nie wymieniają ładunków z otoczeniem.

Zasada zachowania ładunku
Reguła: Zasada zachowania ładunku

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

1
Doświadczenie 1
Problem badawczy

Czy spełniona jest zasada zachowania ładunku elektrycznego?

Hipoteza

Równa wartość ładunku elektrycznego zgromadzonego na elektroskopach potwierdza prawdziwość zasady zachowania ładunku.

Co będzie potrzebne
  • dwa elektroskopy;

  • metalowy łącznik;

  • pałeczka ebonitowa lub rurka z PVC;

  • wełniana szmatka.

Instrukcja
  1. Umieść dwa elektroskopy obok siebie.

  2. Połącz je ze sobą za pomocą łącznika.

    RBkProcRwt257
    Instrukcja do doświadczenia, rysunek 1
    Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.
  3. Naelektryzuj pałeczkę ebonitową lub rurkę przez tarcie.

  4. Zbliż naelektryzowaną pałeczkę do kulki jednego z elektroskopów (ale jej nie dotykaj).

    R1LfyXosz6LtD
    Instrukcja do doświadczenia, rysunek 2
    Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.
  5. Usuń łącznik.

  6. Odsuń pałeczkę (przynajmniej na odległość jednego metra).

    RJe1vCUkkhTpE
    Instrukcja do doświadczenia, rysunek 3
    Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.
  7. Obserwuj wychylenia wskazówek elektroskopów.

  8. Ponownie połącz ze sobą elektroskopy za pomocą łącznika.

    R15qfge5orR0n
    Instrukcja do doświadczenia, rysunek 4
    Źródło: Krzysztof Jaworski.
Ćwiczenie 1

Wykonaj powyższe doświadczenie. Jak zinterpretujesz jego wynik? Napisz samodzielnie podsumowanie.

R1QP86oVSgYwS
(Uzupełnij).

Zapisz w zeszycie kolejne obserwacje. O czym świadczy to, że wskazówki obu elektroskopów opadły po ich połączeniu? Zapisz dwa wnioski: jeden dotyczący znaku ładunkow na każdym z elektroskopów, a drugi wielkości tych ładunków

Zasada zachowania ładunku pozwala nam lepiej zrozumieć i opisać przebieg wielu zjawisk fizycznych, w tym omawianego już zjawiska elektryzowania ciał.

Podczas elektryzowania przez tarcie pocierane ciała elektryzują się różnoimiennie. Jedno z ciał „oddaje” określoną liczbę elektronów swobodnych, a drugie je „przyjmuje”. Ładunek elektryczny nie powstaje wskutek elektryzowania – jedynie się przemieszcza. Całkowity ładunek zgromadzony na obu ciałach nie ulega zmianie, jest tylko inaczej rozmieszczony. Sprawdź, korzystając z poniższej animacji, że suma algebraiczna ładunków przed pocieraniem była równa zero i po naelektryzowaniu laski ebonitowej (lub rurki z PVC) jest także równa zero.

R137SHXH2uZIu
Film dotyczący elektryzowania ciał poprzez tarcie

Jeśli ciało naelektryzowane dotknie ciała nienaelektryzowanego, ładunek ujemny przechodzi albo z ciała naelektryzowanego (jeżeli miało ono nadmiarowy ładunek ujemny) na ciało obojętne elektrycznie, albo z ciała obojętnego elektrycznie na ciało naładowane (jeżeli miało ono nadmiarowy ładunek dodatni).

W rezultacie ciało początkowo obojętne elektrycznie po zakończeniu opisywanego procesu ulega naelektryzowaniu. Zmienia się rozkład ładunku, ale nie jego wartość ani znak. Ciało obojętne elektrycznie zyskało ładunek kosztem ciała naelektryzowanego; jedno zyskało tyle, ile drugie straciło.

RFft1c5EIDULu
Film dotyczący elektryzowania ciał poprzez dotyk

Jak to jest możliwe, aby np. ładunki ujemne przeszły na obojętną elektrycznie kulkę, albo odwrotnie - z kulki na rurkę? Sposoby indukcji ładunku zostały opisane poniżej, z nich możemy poznać odpowiedź na to pytanie.

Elektryzowanie przez indukcję prowadzi do przesunięcia ładunku (w przewodniku) lub jego polaryzacjiPolaryzacja dielektrycznapolaryzacji (w izolatorze). W przewodniku znajdują się swobodne nośniki ładunku ujemnego – elektrony.

Jeżeli do przewodnika obojętnego elektrycznie zbliżamy (ale nie dotykamy) pałeczkę naładowaną ujemnie, to elektrony w przewodniku odsuwają się jak najdalej od pałeczki. W części przewodnika, która jest bliżej pałeczki, powstaje nadmiar ładunku dodatniego, a po przeciwnej stronie – nadmiar ładunku ujemnego.

Jeżeli do przewodnika zbliżamy pałeczkę naładowaną dodatnio, to elektrony w przewodniku przejdą na stronę przewodnika będącą bliżej pałeczki. Powstanie tam nadmiar ładunku ujemnego, a z przeciwnej strony przewodnika – nadmiar ładunku dodatniego.

Jeżeli zbliżamy naelektryzowaną ujemnie pałeczkę do izolatora obojętnego elektrycznie, to możemy wywołać dwie różne reakcje. Jego dipole elektryczne mogą się ustawić tak, aby ich bieguny dodatnie znajdowały się jak najbliżej pałeczki (jeżeli zbliżymy pałeczkę naładowaną dodatnio, to oczywiście będzie odwrotnie). Dipole wytworzone w obojętnym ciele będą również zorientowane w taki sam sposób.

W obu sytuacjach nastąpi jedynie rozdzielenie istniejących ładunków elektrycznych (nie powstanie żaden nowy ładunek).

R1TiEqct7GEm7
Film dotyczący elektryzowania ciał poprzez indukcję

Uwaga: co sie stanie z ładunkami ujemnymi na kulce po dotknięciu kulki naładowaną dodatnio rurką? Czy ładunek kulki dalej będzie równy zero? Jak zmieni się ładunek na rurce? Powyższa symulacja pokazuje zjawiska podczas zbliżania dodatnio naładowanego ciała do kulki z przewodnika. Jak wyglądałyby te zjawiska, gdyby do metalowej kulki zbliżało się ciało naładowane ujemnie?

RWo53NVvN1QmP1
Ćwiczenie 2
Uzupełnij poniższe luki. Kliknij w nie, aby rozwinąć listę, a następnie wybierz poprawną odpowiedź w każdym przypadku. Dwie identyczne metalowe kulki naelektryzowane różnoimiennie umieszczono na drewnianym blacie stołu. Na powierzchni pierwszej kulki zgromadzony jest ładunek -8 μC, a na drugiej 4 μC. Po zetknięciu kulek 1. 12 μC, 2. tarcie, 3. różnoimiennie, 4. -12 μC, 5. -4 μC, 6. -2 μC, 7. neutrony, 8. odpychać, 9. 6 μC, 10. 4 μC, 11. z drugiej kulki na pierwszą, 12. z pierwszej kulki na drugą, 13. dotyk, 14. 2 μC, 15. elektrony, 16. -6 μC, 17. jednoimiennie, 18. indukcję, 19. protony przemieszczą się 1. 12 μC, 2. tarcie, 3. różnoimiennie, 4. -12 μC, 5. -4 μC, 6. -2 μC, 7. neutrony, 8. odpychać, 9. 6 μC, 10. 4 μC, 11. z drugiej kulki na pierwszą, 12. z pierwszej kulki na drugą, 13. dotyk, 14. 2 μC, 15. elektrony, 16. -6 μC, 17. jednoimiennie, 18. indukcję, 19. protony. Łączny ładunek obu kulek będzie równy 1. 12 μC, 2. tarcie, 3. różnoimiennie, 4. -12 μC, 5. -4 μC, 6. -2 μC, 7. neutrony, 8. odpychać, 9. 6 μC, 10. 4 μC, 11. z drugiej kulki na pierwszą, 12. z pierwszej kulki na drugą, 13. dotyk, 14. 2 μC, 15. elektrony, 16. -6 μC, 17. jednoimiennie, 18. indukcję, 19. protony. Po chwili kulki zaczną się 1. 12 μC, 2. tarcie, 3. różnoimiennie, 4. -12 μC, 5. -4 μC, 6. -2 μC, 7. neutrony, 8. odpychać, 9. 6 μC, 10. 4 μC, 11. z drugiej kulki na pierwszą, 12. z pierwszej kulki na drugą, 13. dotyk, 14. 2 μC, 15. elektrony, 16. -6 μC, 17. jednoimiennie, 18. indukcję, 19. protony , ponieważ naelektryzowały się 1. 12 μC, 2. tarcie, 3. różnoimiennie, 4. -12 μC, 5. -4 μC, 6. -2 μC, 7. neutrony, 8. odpychać, 9. 6 μC, 10. 4 μC, 11. z drugiej kulki na pierwszą, 12. z pierwszej kulki na drugą, 13. dotyk, 14. 2 μC, 15. elektrony, 16. -6 μC, 17. jednoimiennie, 18. indukcję, 19. protony przez 1. 12 μC, 2. tarcie, 3. różnoimiennie, 4. -12 μC, 5. -4 μC, 6. -2 μC, 7. neutrony, 8. odpychać, 9. 6 μC, 10. 4 μC, 11. z drugiej kulki na pierwszą, 12. z pierwszej kulki na drugą, 13. dotyk, 14. 2 μC, 15. elektrony, 16. -6 μC, 17. jednoimiennie, 18. indukcję, 19. protony. Na powierzchni każdej z kulek zgromadzi się ładunek równy 1. 12 μC, 2. tarcie, 3. różnoimiennie, 4. -12 μC, 5. -4 μC, 6. -2 μC, 7. neutrony, 8. odpychać, 9. 6 μC, 10. 4 μC, 11. z drugiej kulki na pierwszą, 12. z pierwszej kulki na drugą, 13. dotyk, 14. 2 μC, 15. elektrony, 16. -6 μC, 17. jednoimiennie, 18. indukcję, 19. protony.
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
RzRI53wLvmtD02
Ćwiczenie 3
Łączenie par. Oceń prawdziwość zdań, dotyczących zasady zachowania ładunku elektrycznego. Przy każdym zdaniu w tabeli zaznacz „Prawda” albo „Fałsz”. . Jest spełniona w dowolnym układzie ciał.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Jest spełniona w układzie ciał izolowanych elektrycznie.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Jest spełniona w przypadku elektryzowania dwóch ciał przez dotyk.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Jest spełniona tylko w przypadku elektryzowania przez indukcję.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
Ciekawostka

Zasada zachowania ładunku pozwoliła wyjaśnić m.in. reguły rządzące przepływem prądu elektrycznego. Dzięki niej wiadomo, że węzły sieci elektrycznej nie wytwarzają ładunku. Z tego natomiast można wywnioskować, że liczba ładunków wpływających do węzła jest równa liczbie ładunków z niego wypływających. Tę zasadę nazywamy pierwszym prawem Kirchhoffa.

RZfObz987G1Zw
Pierwsze prawo Kirchhoffa
Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.
Ciekawostka

Zasada zachowania ładunku jest fundamentalnym prawem opisującym przebieg wielu zjawisk w mikroświecie, np. anihilacji par cząstek elektron–pozytonpozytonpozyton, w wyniku której powstają dwa fotony (nieposiadające ładunku).

R1YWitXWmryiA
Film dotyczący anihilacji pary elektro‑pozyton

Podsumowanie

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

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

  • Dwa powyższe stwierdzenia są niezależnymi sformułowaniami zasady zachowania ładunkui; każde z nich podkreśla inny aspekt tej zasady.

  • Układ ciał izolowany elektrycznie to układ, w którym nie dochodzi do wymiany ładunków z otoczeniem.

  • 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.

Zadania podsumowujące lekcję

RFCzmhUbGn7i12
Ćwiczenie 4
Elektrycznie obojętna kropla wody, uderzając o parapet, rozpadła się na dwie kropelki o tych samych rozmiarach i masie. Ładunek jednej kropelki jest równy +2Q. Jaki jest ładunek drugiej kropelki? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. +2Q, 2. -2Q, 3. Q, 4. -Q
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
R1GWm5MoPg3MZ3
Ćwiczenie 5
Dwie jednakowe metalowe kulki naelektryzowano tak, że na powierzchni pierwszej zgromadził się ładunek równy -Q, a na drugiej ładunek równy +4Q. Korzystając z zasady zachowania ładunku, oblicz, jaki ładunek zgromadził się po zetknięciu na każdej z kulek. Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. Na pierwszej 3Q, a na drugiej 3Q., 2. Na pierwszej -3Q, a na drugiej 3Q., 3. Na pierwszej -12Q, a na drugiej 32Q., 4. Na pierwszej 32Q, a na drugiej 32Q.
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

Słownik

ładunek elektryczny
ładunek elektryczny

wielkość fizyczna mająca wpływ na właściwości materii. Ciała mogą być obojętne elektrycznie, naładowane dodatnio lub mieć ujemny ładunek elektryczny. Oddziaływanie między ciałami obdarzonymi ładunkami jednoimiennymi (czyli mającymi taki sam znak) ma charakter odpychający, oddziaływanie między ciałami mającymi ładunki różnoimienne (czyli mającymi różne znaki) – przyciągający.

polaryzacja dielektryczna
polaryzacja dielektryczna

zjawisko powstawania dipoli w dielektryku lub zjawisko zmiany orientacji (uporządkowania) już istniejących dipoli.

pozyton
pozyton

e+, antycząstka elektronu; jego masa i wartość ładunku są takie same jak w elektronie. Ładunek przenoszony przez pozyton jest dodatni (w odróżnieniu od elektronu, który przenosi ładunek ujemny).

pierwsze prawo Kirchhoffa
pierwsze prawo Kirchhoffa

prawo mówiące, że suma natężeń prądów wpływającego do węzła sieci elektrycznej jest równa sumie natężeń prądu z niego wypływających.

układ izolowany elektrycznie
układ izolowany elektrycznie

układ ciał, w którym nie dochodzi do wymiany ładunku elektrycznego z otoczeniem.

węzeł sieci elektrycznej
węzeł sieci elektrycznej

miejsce, w którym rozgałęziają się przewody elektryczne.

zasada zachowania
zasada zachowania

obowiązujące prawo fizyczne dotyczące m.in. energii mechanicznej i ładunku elektrycznego. Zgodnie z tą zasadą dana wielkość fizyczna jest zachowana, czyli nie zmienia się w pewnych warunkach.