Spis treści

Wprowadzenie

Przeczytaj

Grafika interaktywna

Sprawdź się

Dla nauczyciela

Zasada zachowania ładunku

Czy to nie ciekawe?

Czy zauważyłeś kiedyś, że długopis pocierany przez chwilę o ubranie przyciąga małe skrawki papieru? A może zwróciłeś uwagę, że czasem, gdy zdejmujesz bluzę, przeskakują iskry (widać to szczególnie w ciemności)? Te zjawiska są tylko jednymi z mnóstwa przejawów oddziaływań elektromagnetycznych, które mogą występować między ciałami obdarzonymi ładunkiem elektrycznym. Czym jest ten ładunek? Skąd się bierze? Czy może powstać lub zniknąć, czy też zawsze jest go tyle samo? Zastanowimy się nad tym, analizując budowę materii.

Fot. a. Długopis przyciągający skrawki papieru (autor fot.: Jan Kamiński)

Twoje cele

- dowiesz się, czym jest ładunek elektryczny i w jakich jednostkach go mierzymy,

- dowiesz się, co to jest ładunek elementarny i które cząstki mają ładunek równy ładunkowi elementarnemu,

- zrozumiesz, dlaczego ciała można naelektryzować,

- poznasz zasadę zachowania ładunku,

- zrozumiesz, co oznacza ta zasada i jakie wnioski z niej płyną,

- zastosujesz zasadę zachowania ładunku do analizy prostych problemów fizycznych.

Przeczytaj

Warto przeczytać

Kluczowym pojęciem potrzebnym do wyjaśnienia wszystkich zjawisk związanych z elektrycznością jest pojęcie ładunku elektrycznego. Ładunek elektryczny jest to cecha ciała umożliwiająca mu oddziaływanie elektromagnetyczne, w szczególności z innymi ciałami, mającymi ładunek (mówimy też: naładowanymi). Oddziaływanie to polega na przyciąganiu bądź odpychaniu jednego ciała przez drugie.

Rys. 1. Artystyczna wizja atomu

Aby dobrze zrozumieć, co to dokładnie oznacza, warto przyjrzeć się temu, jak zbudowana jest materia. Ciała dookoła nas składają się z atomów. Jednak atomy nie są najmniejszymi, niepodzielnymi składnikami materii – składają się z mniejszych cząstek: protonów, neutronów i elektronów. Z protonów i neutronów zbudowane jest jądro atomowe, elektrony zaś tworzą „chmurę” wokół jądra.

Ładunkiem elektrycznym obdarzone są protony i elektrony, natomiast neutrony nie mają ładunku: mówimy, że są elektrycznie obojętne.

Okazuje się, że ładunek cząstki niepodzielnej jest jej niezmienną cechą, a wszystkie cząstki naładowane elektrycznie można podzielić na dwie kategorie. O tych, które są odpychane przez proton mówimy, że mają ładunek dodatni. O tych, które są odpychane przez elektron mówimy, że mają ładunek ujemny. Ładunki o tych samych znakach nazywamy jednoimiennymi, a ładunki o różnych znakach – różnoimiennymi.

Ładunki jednoimienne odpychają się, natomiast ładunki różnoimienne przyciągają się. Przykładem tego zjawiska jest wzajemne przyciąganie elektronu i protonu oraz wzajemne odpychanie dwóch protonów. O właściwościach siły, z jaką działają na siebie ciała naładowane, mówi prawo Coulomba.

Ponieważ w każdym atomie jest taka sama liczba protonów i elektronów, atomy są obojętne elektrycznie: nie odpychają ani nie przyciągają się. Obojętne są więc również obiekty, które są z atomów złożone. Może się jednak zdarzyć, że równowaga między ładunkami dodatnimi i ujemnymi w ciele zostanie zachwiana, tak że jednych będzie więcej niż drugich. Mówimy wtedy, że na ciele został zgromadzony ładunek lub, że zostało ono naelektryzowane.

Ilość ładunku zgromadzonego na ciele możemy zmierzyć. W układzie SI jednostką miary ładunku elektrycznego jest kulomb. Symbol kulomba to C. Nazwa pochodzi od nazwiska fizyka Charlesa Coulomba. Dokładne pomiary ładunku naelektryzowanych ciał wskazują, że ładunek elektryczny nie jest wielkością ciągłą – nie może przyjąć dowolnej wartości. Ładunek dowolnego ciała fizycznego jest zawsze całkowitą wielokrotnością wartości, którą nazywamy ładunkiem elementarnym i oznaczamy małą literą

. Proton ma ładunek +, elektron ma ładunek -. Wartość ładunku elementarnego wynosi . Można też powiedzieć inaczej: jeden kulomb to ładunek odpowiadający ładunkom elementarnym (zwróć uwagę, że to po prostu odwrotność liczby ).

Z ładunkiem elektrycznym jest związane prawo, które nazywamy zasadą zachowania ładunku. Można je sformułować następująco:

W izolowanym układzie ciał całkowity ładunek elektryczny nie ulega zmianie.

Zastanówmy się, czy dobrze rozumiemy to zdanie. Izolowany układ ciał to taki, z którego ładunek nie może odpłynąć do „otoczenia”, czyli nie może zostać uniesiony przez inne ciała, których nie zaliczamy do tego układu. Całkowity ładunek elektryczny to algebraiczna suma ładunków dodatnich i ujemnych. Na przykład w układzie dwóch ciał, z których pierwsze jest naładowane ładunkiem +5 mC, a drugie ładunkiem -7 mC całkowity ładunek ma wartość -2 mC.

Zasada zachowania ładunku oznacza, że ładunek elektryczny nie może być ani utworzony, ani zniszczony. Ilustracją tej zasady może być elektryzowanie ciał przez pocieranie. Gdy dwa ciała początkowo obojętne są o siebie pocierane, elektrony „przechodzą” z jednego ciała na drugie. W ten sposób jedno z ciał zyskuje ładunek ujemny w postaci nadmiarowych elektronów, drugie ciało zyskuje ładunek dodatni w postaci dodatnich jonów czy pozbawionych elektronów cząsteczek. Następuje rozdzielenie ładunku dodatniego i ujemnego, jednak po naelektryzowaniu, tak jak przed naelektryzowaniem, całkowity ładunek elektryczny ciał układu wynosi zero.

Przy okazji tego przykładu warto zwrócić uwagę, że ładunek między ciałami „przechodzi” porcjami, każdy „przeskakujący” elektron przenosi ze sobą ładunek elementarny. Właśnie dlatego ładunek ciała zawsze jest całkowitą wielokrotnością

.

Ciekawostka

Protony i neutrony są zbudowane z mniejszych cząstek: kwarków, które mają ładunek będący ułamkiem

.

Rys. 3. Model protonu z oddziałującymi wewnątrz kwarkami

Jednak wyniki doświadczeń i teoria oddziaływań silnych sugerują, że natura wiązania kwarków zdaje się praktycznie wykluczać możliwość otrzymania kwarku pojedynczego, a więc cząstki o ułamkowym ładunku elektrycznym. Natomiast układy wielu takich cząstek to osobny problem. We wczesnych stadiach rozwoju Wszechświata istniał przedział czasu, w którym dominującą formą materii była tzw. plazma kwarkowo-gluonowa. Materię taką udało się uzyskać w laboratorium.

Z zasady zachowania ładunku można wyprowadzić niektóre inne prawa fizyki. Przykładem może być pierwsze prawo Kirchhoffa, które dotyczy prądu elektrycznego. Mówi ono, że w obwodzie elektrycznym ilość ładunku wpływającego w określonym czasie do węzła jest równa ilości ładunku wypływającego z węzła w tym samym czasie. Wynika to wprost z zasady zachowania ładunku: ładunek, który wpłynął do węzła, nie może zniknąć; musi z niego wypłynąć. Nie jest też możliwe, aby w węźle ładunek się wytworzył czy zniknął.

Warto zaznaczyć, że zasada zachowania ładunku obowiązuje również w świecie atomowym i subatomowym. Na przykład w przemianie promieniotwórczej beta obojętny elektrycznie neutron przemienia się w dodatni proton, ujemny elektron i obojętne antyneutrino elektronowe. Całkowity ładunek elektryczny przed i po przemianie wynosi zero.

Zasada zachowania ładunku nie jest jedyną zasadą w fizyce, w której jakaś wielkość „jest zachowana”, czyli jest stale taka sama. Wiemy, że w izolowanym układzie zachowane są energia i pęd, a także moment pędu. Zasady zachowania odgrywają we współczesnej fizyce ogromną rolę.

Słowniczek

Subatomowy (ang. subatomic)

dotyczący zjawisk, które zachodzą w skalach mniejszych niż rozmiary atomu, na przykład w jądrze atomowym, wewnątrz nukleonów.

Oddziaływanie elektromagnetyczne (ang. electromagnetic interaction)

jedno z oddziaływań fundamenalnych w przyrodzie. Zachodzi między ciałami obdarzonymi ładunkiem elektrycznym.

Ładunek elektryczny (ang. electric charge)

cecha ciała polegająca na zdolności do oddziaływania elektromagnetycznego z innymi ciałami obdarzonymi takim ładunkiem.

Cząstka naładowana (ang. charged particle)

cząstka, która posiada niezerowy ładunek elektryczny. Cząstkami naładowanymi są na przykład proton i elektron.

Proton (ang. proton)

jeden z dwóch rodzajów cząstek, z których zbudowane jest jądro atomowe. Ma dodatni ładunek elektryczny o wartości ładunku elementarnego. Proton zbudowany jest z trzech kwarków – cząstek fundamentalnych.

Neutron (ang. neutron)

jeden z dwóch rodzajów cząstek, z których zbudowane jest jądro atomowe. W przeciwieństwie do protonu jest obojętny elektrycznie – nie ma ładunku elektrycznego. Neutron, podobnie jak proton, zbudowany jest z trzech kwarków – cząstek fundamentalnych.

Elektron (ang. electron)

jedna z cząstek, z których zbudowany jest atom. Elektrony w atomie tworzą „chmurę” wokół jądra atomowego. Elektron ma ładunek ujemny o wartości ładunku elementarnego. Elektron jest cząstką fundamentalną – nie składa się z żadnych mniejszych cząstek.

Kulomb (ang. coulomb)

jednostka ładunku elektrycznego w układzie SI. Symbolem kulomba jest duża litera C. Ładunek o wartości 1 C odpowiada

ładunkom elementarnym.

Ładunek elektryczny elementarny (ang. elementary electric charge)

najmniejszy ładunek elektryczny ciała możliwy do zaobserwowania w przyrodzie. Wynosi

. Protony i elektrony mają ładunek równy co do wartości bezwzględnej ładunkowi elementarnemu. Ładunek każdego ciała jest całkowitą wielokrotnością ładunku elementarnego.

Zachowanie ładunku (ang. charge conservation)

zasada mówiąca, że w izolowanym układzie ciał całkowity ładunek elektryczny jest zachowany.

Grafika interaktywna

Zasada zachowania ładunku

Grafika interaktywna ilustruje przykłady zastosowania zasady zachowania ładunku wskazane w tekście „Warto przeczytać” oraz rozszerza je o kilka dodatkowych. Jest podzielona na dwa pola z nagłówkami, w pierwszym mamy przykłady zachowania ładunku w zjawiskach makroskopowych, w drugim przykłady z poziomu atomowego. Każdy przykład to rysunek, który po najechaniu myszką powiększa się, natomiast obok niego wyświetla się dymek z krótkim objaśnieniem.

Ilustracja interaktywna 1. elektyzacja przez pocieranie W trakcie pocierania dwóch ciał, na obu z nich może pojawić się ładunek. Jednak zawsze pojawia się tyle samo ładunku dodatniego, co ujemnego. Można by przypuszczać, że w czasie pocierania ładunek jest w jakiś sposób „wytwarzany”, ale to nieprawda. W rzeczywistości elektryzowanie polega na przestrzennej separacji ładunków dodatnich i ujemnych, które od początku znajdowały się w elektryzowanych ciałach., 2. rozgałęziony obwód elektryczny W jednostce czasu z węzła obwodu elektrycznego może wypłynąć tylko taka ilość ładunku, jaka do niego wpłynęła. Ładunek w obwodzie elektrycznym nie ginie ani nie powstaje. To prawo, wynikające z zasady zachowania ładunku, nazywa się pierwszym prawem Kirchhoffa (lub prądowym prawem Kirchhoffa)., 3. rozpad beta neutronu Podczas przemiany promieniotwórczej beta obojętny neutron zamienia się w dodatni proton, ujemny elektron i obojętne antyneutrino. Ponieważ ładunki protonu i elektronu są równe co do wartości bezwzględnej, całkowity ładunek przed i po przemianie ma wartość zero. Zasada zachowania ładunku jest spełniona., 4. przemiana kwantu światła : W świecie cząstek elementarnych jest możliwe, że kwant światła – foton – traci pęd, padając na jądro atomowe, i zamienia się w dwie cząstki: elektron i jego antycząstkę – pozyton. Proces ten nazywa się kreacją pary elektron–pozyton. Foton nie ma ładunku elektrycznego, natomiast elektron i pozyton mają ładunki równe co do wartości, lecz o przeciwnym znaku. W ten sposób całkowity ładunek przed i po rozpadzie wynosi zero. Możliwe jest też zdarzenie odwrotne, gdy pozyton i elektron łączą się, tworząc foton. Taki proces nazywamy anihilacją pary elektron–pozyton.

Polecenie 1

Większość ciał zawiera bardzo dużo naładowanych cząstek. Dlaczego więc większość ciał nie wykazuje statycznego ładunku elektrycznego?

Uzupełnij

Pokaż odpowiedź

Polecenie 2

W jaki sposób określiłbyś, czy dany pręt jest naładowany ładunkiem dodatnim, czy ujemnym?

Uzupełnij

Pokaż odpowiedź

Sprawdź się

Pokaż ćwiczenia:

Ćwiczenie 1

Wybierz poprawne uzupełnienia poniższych zdań, zawierających informację na temat budowy atomu:

Atom jest zbudowany z dodatnio / ujemnie / obojętnie naładowanego jądra oraz elektronów, które mają ładunek dodatni / ujemny / obojętny. Spośród cząstek tworzących jądro atomowe, protony mają ładunek dodatni / ujemny / obojętny, a neutrony dodatni / ujemny / obojętny. Atom jako całość jest naładowany dodatnio / naładowany ujemnie / elektrycznie obojętny.

Ćwiczenie 2

Nadmuchany balon został naelektryzowany przez potarcie jedwabną chustką. Balon jest teraz naładowany ujemnie. Wybierz poprawne dokończenie zdania spośród podanych:

Korzystając z zasady zachowania ładunku, możemy powiedzieć, że:

Zaznacz prawidłową odpowiedź.

- jedwabna chustka jest teraz obojętna elektrycznie.

- jedwabna chustka ma teraz również ładunek ujemny, ale trochę mniejszy.

- jedwabna chustka jest teraz naładowana ładunkiem dodatnim.

Ćwiczenie 3

Jak oddziałują ze sobą dwa elektrony? Wybierz poprawną odpowiedź.

Zaznacz prawidłową odpowiedź.

- Nie ma między nimi oddziaływania.

- Odpychają się.

- Przyciągają się.

Ćwiczenie 4

Grzebień i włosy naelektryzowały się na skutek pocierania o siebie. Na grzebieniu zgromadził się ładunek o wartości bezwzględnej 12 C. Uzupełnij zdanie:

Bezwzględna wartość ładunku zgromadzonego na włosach wynosi          C.

Ćwiczenie 5

W pewnym obwodzie elektrycznym ładunek elektryczny wpływa do węzła dwoma przewodami, wypływa z węzła jednym przewodem. W ciągu sekundy do węzła wpływa ładunek o wartości 100 mC pierwszym przewodem oraz ładunek o wartości 200 mC drugim przewodem. Uzupełnij poniższe zdanie:

W ciągu sekundy z badanego węzła trzecim przewodem wypływa ładunek o wartości          mC.

Ćwiczenie 6

W czasie elektryzowania dwóch ciał przeszedł pomiędzy nimi ładunek o wartości 1 C. Wybierz poprawne dokończenie zdania:

Liczbę ładunków elementarnych, która przeszła z jednego ciała na drugie podczas elektryzowania, wyrazimy w:

Zaznacz prawidłową odpowiedź.

- tysiącach.

- milionach.

- bilionach.

- setkach.

Ćwiczenie 7

W reakcji rozpadu jądra uranu, wykorzystywanym w energetyce jądrowej, jądro uranu uderzone przez neutron rozpada się na dwa jądra lżejszych pierwiastków: baru i kryptonu. Przy okazji są emitowane 3 nadmiarowe neutrony. Korzystając z układu okresowego pierwiastków sprawdź, czy w rozpadzie tym jest spełniona zasada zachowania ładunku.

Uzupełnij

Pokaż podpowiedź

Pokaż odpowiedź

Ćwiczenie 8

Kwarki – cząstki z których są zbudowane protony i neutrony – mają ładunek ułamkowy: dodatni o wartości lub ujemny o wartości . Każdy nukleon (proton lub neutron) składa się z trzech kwarków. Określ, jakie muszą być ładunki kwarków tworzących proton i neutron a następnie uzupełnij poniższą tabelkę wpisując liczbę kwarków o podanym ładunku.

cząstka

proton

neutron

Dla nauczyciela

Imię i nazwisko autora:

Jan Kamiński

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Zasada zachowania ładunku elektrycznego

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony

Podstawa programowa

Cele kształcenia - wymagania ogólne

II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych.

III. Planowanie i przeprowadzanie obserwacji lub doświadczeń oraz wnioskowanie na podstawie ich wyników.

Zakres podstawowy

Treści nauczania - wymagania szczegółowe

I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:

10) przeprowadza wybrane obserwacje, pomiary i doświadczenia korzystając z ich opisów; wyróżnia kluczowe kroki i sposób postępowania oraz wskazuje rolę użytych przyrządów i uwzględnia ich rozdzielczość;

15) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu;

VI. Elektrostatyka. Uczeń:

1) posługuje się zasadą zachowania ładunku;

Zakres rozszerzony Treści nauczania – wymagania szczegółowe

I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:

10) przeprowadza wybrane obserwacje, pomiary i doświadczenia korzystając z ich opisów; planuje i modyfikuje ich przebieg; formułuje hipotezę i prezentuje kroki niezbędne do jej weryfikacji;

19) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu;

VII. Elektrostatyka. Uczeń: 1) posługuje się zasadą zachowania ładunku.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenie Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:

- kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji,

- kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,

- kompetencje cyfrowe,

- kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. wyjaśnia pojęcie ładunku elektrycznego,

2. tłumaczy mechanizm elektryzowania ciał przez tarcie,

3. formułuje i objaśnia zasadę zachowania ładunku,

4. stosuje zasadę zachowania ładunku do rozwiązania prostych problemów.

Strategie nauczania:

IBSE (Inquiry-Based Science Education - nauczanie/uczenie się przedmiotów przyrodniczych przez

odkrywanie/dociekanie naukowe)

Metody nauczania:

- eksperyment,

- dyskusja i analiza pomysłów,

- wykład ilustrowany materiałem multimedialnym,

- burza mózgów.

Formy zajęć:

- praca samodzielna,

- praca wspólna całej klasy.

Środki dydaktyczne:

- kartki papieru,

- długopisy,

- komputer z rzutnikiem lub dużym monitorem.

Materiały pomocnicze:

-

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

- Nauczyciel prosi uczniów o przygotowanie kilku małych skrawków papieru. Następnie prosi, by swoimi długopisami pocierali intensywnie o włosy a następnie zbliżyli je do papierków. Uczniowie obserwują zjawisko przyciągania papierków przez długopis. Nauczyciel zadaje pytanie:

- Dlaczego długopis przyciąga skrawki papieru?

- Padają propozycje wyjaśnienia. Wśród nich powinno paść hasło „długopis został naelektryzowany”. W razie potrzeby nauczyciel poprzez pytania pomocnicze naprowadza uczniów na właściwy trop.

Faza realizacyjna:

Nauczyciel zadaje pytanie:

- Co to znaczy, że długopis się elektryzuje? W jaki sposób to się dzieje?

Padają propozycje uczniów. W razie potrzeby nauczyciel poprzez pytania pomocnicze naprowadza uczniów na właściwy trop. Ważne, by uczniowie zrozumieli, że na długopisie zgromadził się ładunek elektryczny.

Teraz nauczyciel przedstawia uczniom dwie hipotezy wyjaśniające gromadzenie się ładunku elektrycznego na długopisie i prosi o wypowiedzenie się uczniów na temat tego, która z nich jest prawdziwa:

1. W czasie pocierania długopisem o włosy wytwarzany jest ładunek.

2. W czasie pocierania długopisem o włosy ładunki elektryczne przechodzą z jednego ciała na drugie, ale nie są w żaden sposób wytwarzane.

- Nauczyciel pozwala uczniom się wypowiedzieć, a następnie przeprowadzamy głosowanie nad hipotezami. W zależności od wyniku nauczyciel chwali dobrą intuicję uczniów albo zwraca uwagę, że nie wszystkie fakty fizyczne są oczywiste.

- Nauczyciel podsumowuje dyskusję mówiąc, że w przyrodzie obowiązuje zasada zachowania ładunku. Następnie formułuje zasadę, zapisuje ją na tablicy (brzmienie jak w tekście) i omawia, by upewnić się, że uczniowie rozumieją użyte sformułowania; w szczególności tłumaczy pojęcia układu izolowanego oraz całkowitego ładunku.

- Teraz nauczyciel podaje przykłady obowiązywania zasady zachowania ładunku, posługując się grafiką interaktywną (multimedium bazowe). Omawia po kolei podane tam przykłady, wyświetlając jednocześnie grafikę za pomocą monitora/projektora.

Faza podsumowująca:

Nauczyciel rozwiązuje z uczniami zadanie 2, stosując metodę „burzy mózgów”.

Praca domowa:

Zadanie 4 i 5 z zestawu ćwiczeń niniejszego e- materiału.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium:

Grafika interaktywna może zostać również wykorzystane jako:

- wprowadzenie do lekcji (np. na temat elektryzowania się ciał lub na której będą rozwiązywane zadania dotyczące zasady zachowania ładunku) – uczniowie mają się z nim zapoznać w domu przed lekcją,

- praca domowa (po lekcji nt. zasady zachowania ładunku) – uczniowie mają na podstawie multimedium sporządzić własną notatkę pt. „zasada zachowania ładunku w przykładach”, np. w formie mapy myśli.

Table of Contents

Wprowadzenie

Przeczytaj

Grafika interaktywna

Sprawdź się

Dla nauczyciela