Podsumowanie wiadomości z elektrostatyki

R1W5ECkpbnhCI

Zdjęcie przedstawia krajobraz podczas burzy.

Ładunek elektryczny

R1CZiUd5sIUqs

Zdjęcie przedstawia silnikową świecę zapłonową. Widać iskrę przeskakującą pomiędzy drucikiem, a metalową płytką.

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 $Q$ lub $q$.
Jednostką ładunku elektrycznego w układzie SI jest kulomb; oznaczmy go literą $\mbox{C}$.

Ładunek elementarny

RrYTaljxEhGuS

Rysunek przedstawia trzy wózki sklepowe na kółkach, pierwszy od lewej jest prowadzony przez osobę. W każdym wózku znajduje się litera e, każda w innym kolorze. Powyżej rysunku zapisano wzór: jeden i sześć dziesiątych razy dziesięć do minus dziewiętnastej kulomba.

Ładunek elementarny to najmniejsza porcja ładunku, jaką można przenieść z jednego ciała na drugie. Oznaczamy go literą $e$. Ładunek elementarny jest równy wartości ładunku, jaki posiadają elektron lub proton i wynosi $1,602\cdot 10^{-19}\,\mbox{C}$.
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

Zdjęcie przedstawia długie włosy. Pojedyncze włosy zbliżają się do plastikowego grzebienia.

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

Rysunek przedstawia sześć kół. Koła ustawione są w trzy wiersze. Pomiędzy kołami w danym wierszu znajduje się pewna odległość. Koła symbolizują ładunki punktowe. W pierwszym wierszu na obydwu kołach napisano znak minus, czyli obydwa ładunki są ujemne. Zatem się odpychają, co zaznaczono poprzez narysowanie obok tych kółek strzałek, które znajdują się na prostej łączącej środki tych kółek ale posiadają przeciwne zwroty, na zewnątrz. W drugim wierszu na pierwszym ładunku napisano znak minus, czyli ładunek jest ujemny, na drugim znak plus, czyli ładunek jest dodatni. Ładunki się przyciągają, co zaznaczono poprzez narysowanie obok każdego z kółek strzałki znajdującej się na prostej łączącej środki tych kółek, a zwroty strzałek skierowane są do siebie, do środka. W trzecim wierszu na obydwu kołach napisano znak plus, czyli obydwa ładunki są dodatnie. Zatem się odpychają, co zaznaczono poprzez narysowanie obok tych kółek strzałek które znajdują się na prostej łączącej środki tych kółek ale posiadają przeciwne zwroty, na zewnątrz.

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.

Przewodniki i izolatory

R1LWuXysPeV0O

Zdjęcie przedstawia złącze słuchawkowe typu mini‑Jack.

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

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

Ilustracja składa się z pięciu zdjęć ułożonych jeden obok drugiego. Pomiędzy zdjęciami znajdują się strzałki pokazujące przebieg procesu od lewej do prawej. Na pierwszym rysunku widać pszczołę. Na drugim pszczoła znajduje się w pobliżu kwiatu i zbiera dojrzały pyłek kwiatowy. Na trzecim pszczoła leci pokryta pyłkiem kwiatowym. Na czwartym pszczoła znajduje się w kolejnym kwiatku i pozbywa się pyłku. Na ostatnim pszczoła leci dalej bez pyłku.

1. Jaki ładunek posiada pyłek kwiatowy? Odpowiedź uzasadnij.

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

R17iGNS9tJkYm

(Uzupełnij) .

Pokaż przykładową odpowiedź

1. Pyłek kwiatowy przyczepia się do dodatnio naładowanej pszczoły, zatem musi mieć ładunek ujemny.

2. Ziarenko pyłku nie może mieć kontaktu elektrycznego z ciałem pszczoły, ponieważ wtedy nastąpiłaby wymiana ładunków pomiędzy pszczołą a pyłkiem i stałyby się one elektrycznie obojętne lub naładowane jednoimiennie, zatem pyłek odpadłby od pszczoły i nie mógłby zostać przetransportowany do następnego kwiatka.