Elektryzowanie ciał
To ciekawe
Twoje cele
Nauczysz się
elektryzować ciała przez tarcie, dotyk i indukcję (zwaną też influencją lub wpływem);
jak jest zbudowany i jak działa elektroskop;
opisywać proces powstawania pioruna;
wyjaśniać działanie instalacji odgromowej;
analizować i omawiać wyniki doświadczeń dotyczących elektryzowania ciał.
Warto przeczytać
Elektryzowanie ciał przez tarcie
Ze zjawiskiem elektryzowania ciał przez tarcie spotykasz się w życiu codziennym, np. podczas rozczesywania suchych włosów po kąpieli. Możesz wówczas zaobserwować, że ich końce unoszą się w stronę grzebienia, a poszczególne włosy się odpychają. Podobny efekt możesz uzyskać, gdy będziesz pocierać nadmuchanym balonem o wełniany sweter. Zjawisko to daje się wytłumaczyć jedynie na poziomie mikroświata.
Obejrzyj film o elektryzowaniu się włosów.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/RpoLZBDCkKZAV
Materiał dotyczący elektryzowania włosów poprzez tarcie.
Film ilustruje efekt elektryzowania się włosów przez tarcie. Polega on na przemieszczaniu się elektronów z jednego ciała na drugie – w efekcie ciała te elektryzują się ładunkami o przeciwnych znakach. Włosy mają nadmiar jednego rodzaju ładunków i wzajemnie się odpychają, ale przyciągane są przez grzebień, który naelektryzował się ładunkiem przeciwnego znaku niż włosy.
Częstym zjawiskiem są wyładowania elektryczne podczas burzy. Jak powstaje takie zjawisko? Na rysunku poniżej możesz prześledzić obieg wody w przyrodzie:
W chmurach występują ruchy pionowe kropelek wody lub kryształków lodu. Występujące wtedy tarcie powoduje naelektryzowanie różnych części chmury. W poszczególnych fragmentach chmury mamy albo nadmiar ładunków dodatnich albo ujemnych. To różne naelektryzowanie jest przyczyną tego, że w pewnej chwili możliwy jest przepływ ładunku pomiędzy dwiema chmurami, pomiędzy dwiema częściami chmury lub pomiędzy chmurą a powierzchnią Ziemi. Obserwujemy wówczas wyładowania elektryczne.
Takie wyładowania są niezwykle efektowne, a napięcie elektryczne tuż przed wyładowaniem sięga kilkudziesięciu milionów woltów. Piorun, czyli gwałtownie wyzwolona energia, niesie za sobą duże zagrożenie dla ludzi, budynków, drzew itd. Ochronę przed tego typu niebezpieczeństwem gwarantuje zamontowanie piorunochronu.
zjawisko zachodzące podczas pocierania (oddziaływania mechanicznego) o siebie dwóch ciał obojętnych elektrycznie. W wyniku tarcia ciał niewielka ilość ładunku ujemnego (elektronów) przechodzi z jednego ciała na drugie; na jednym ciele powstaje nadmiar, na drugim niedobór elektronów (ciała elektryzują się więc odpowiednio ujemnie i dodatnio - oba ładunki mają przy tym taką samą wartość).
Elektryzowanie ciał przez dotyk
Jednym ze sposobów elektryzowania ciał jest elektryzowanie przez dotyk. Zjawisko to zachodzi podczas zetknięcia ciała naładowanego elektrycznie z ciałem nienaelektryzowanym. W trakcie zbliżania do siebie obu ciał ładunki elektryczne rozdzielają się na ciele nienaelektryzowanym i grupują w różnych obszarach tego ciała. To zaś może prowadzić do przenoszenia części tak zgrupowanych ładunków na inne ciała i powstawania nadmiaru ładunków elektrycznych o jednym znaku – czyli naelektryzowania ciała.
Przykładowo: jeżeli szklaną pałeczkę naładowaną dodatnio zbliżymy do metalowego ciała (w metalu ładunki elektryczne mogą się swobodnie przemieszczać), to ładunki ujemne znajdujące się w tym ciele zgromadzą się w obszarze znajdującym się możliwie jak najbliżej pałeczki. Po zetknięciu ze sobą obu ciał pewna ilość ładunków ujemnych przechodzi z metalowego ciała na pałeczkę, na metalu powstaje więc nadmiar ładunków dodatnich. Rezultatem jest naelektryzowanie metalowego obiektu ładunkiem dodatnim. Jeżeli natomiast zbliżymy pałeczkę naładowaną ujemnie (może być to rurka ebonitowa lub innego tworzywa), to na metalowym ciele ładunki ujemne, odepchnięte przez ładunki ujemne na pałeczce, przemieszczają się na przeciwną stronę tego ciała. W tym momencie po stronie metalowego obiektu znajdującej się w pobliżu pałeczki (lub rurki) powstaje nadmiar ładunku dodatniego i po zetknięciu pałeczki z metalem ładunki ujemne z pałeczki przechodzą na metalowe ciało. Ostatecznie oba ciała elektryzują się ładunkiem takiego samego znaku.
Gdy ciałem obojętnym elektrycznie jest izolator, to ładunek elektryczny, który przepłynie na to ciało, będzie niewielki i zlokalizowany punktowo (umieszczony w miejscu zetknięcia obu ciał). Zespół zjawisk powodujących zarówno rozdzielenie ładunków w izolatorach, jak i przepływ ładunku jest bardziej złożony.
Elektroskop
Elektryzowanie przez dotyk znalazło zastosowanie w przyrządzie laboratoryjnym nazywanym elektroskopemelektroskopem.
Dotknięcie elektroskopu ręką (gdy nie jesteśmy w żaden sposób naelektryzowani) lub nienaelektryzowaną rurką nie powoduje żadnych zmian położenia jego wskazówki. Jeśli jednak najpierw rurka zostanie naelektryzowana (np. przez tarcie laską ebonitową), a potem przyłożymy ją do elektroskopu, to jego wskazówka się wychyli. Im większy ładunek zostanie zgromadzony na rurce, tym większe będzie wychylenie wskazówki. Aby elektroskop znów stał się obojętny elektrycznie, wystarczy dotknąć go dłonią – wtedy ładunki elektryczne spłyną do ziemi.
Dotknięcie naelektryzowanego metalowego pręta elektroskopu sprawia, że elektrony przemieszczają się. Kierunek ich ruchu zależy od znaku ładunku naelektryzowanej rurki. Jeśli jest ona naelektryzowana ujemnie, to elektrony swobodne przepływają na metalowy pręt i wskazówkę, a gdy rurka jest naelektryzowana dodatnio, to elektrony przemieszczają się w odwrotnym kierunku, czyli na rurkę. Za każdym razem dochodzi do wychylenia wskazówki elektroskopu.
elektryzowanie polegające na dotknięciu ciałem naelektryzowanym ciała nienaelektryzowanego. W trakcie zetknięcia ładunki ujemne przemieszczają się z jednego ciała do drugiego i oba ciała są naładowane ładunkiem tego samego znaku.
Benjamin FranklinBenjamin Franklin, amerykański polityk i uczony poświęcał zagadnieniom sił elektrycznych znaczną część swojej pracy naukowej. Przeprowadził eksperyment, którym udało mu się udowodnić, że błyskawica to bardzo silne wyładowanie elektryczne. Eksperyment ten polegał na wypuszczeniu w trakcie burzy jedwabnego latawca z metalowym elementem, który został połączony z ziemią konopnym sznurkiem obciążonym przy ziemi metalowym kluczem. Układ składający się z dwóch metalowych elementów i sznura były w tym przypadku przewodnikiem prądu. Sam Franklin operował latawcem za pomocą jedwabnej taśmy, o której uczony wiedział, że nawet kiedy zmoknie, będzie mogła pełnić rolę izolatora. W trakcie wykonywania eksperymentu uczony zaobserwował silne elektryzowanie się sznura oraz przeskakiwanie pomiędzy kluczem i ziemią iskier elektrycznych. Na podstawie tych obserwacji Benjamin Franklin uzyskał potwierdzenie swojej hipotezy: błyskawica to silne wyładowanie elektryczne. Dzięki tej wiedzy skonstruował pierwszy piorunochron – był to miedziany pręt umieszczony na dachu.
Średnica pręta, z którego jest skonstruowany piorunochron, ma ok. . Pręt połączony jest z długim miedzianym lub aluminiowym przewodem stykającym się z siatką przewodzącą umieszczoną pod warstwą ziemi. Piorunochrony zapewniają właściwe odprowadzenie ładunków elektrycznych do ziemi. Jeśli przewody nie będą wykonane z materiałów będących dobrymi przewodnikami ciepła i elektryczności i nie będą miały wystarczająco dużego przekroju powierzchni poprzecznej, to po uderzeniu pioruna może dojść do stopienia tych przewodów. Dom przestanie być wówczas chroniony i kolejne wyładowanie może być groźne dla ludzi przebywających w budynku i spowodować straty materialne.
Elektroskop został wykorzystany do pomiaru promieniowania kosmicznegopromieniowania kosmicznego.
Elektryzowanie przez indukcję (zwaną też influencją lub wpływem)
Trzecim sposobem elektryzowania jest indukcja. Jest to metoda, która nie wymaga bezpośredniego kontaktu między ciałami. Pozostają one w niewielkiej odległości od siebie, ale się nie stykają.
Zjawisko elektryzowania przez indukcję polega na zbliżeniu ciała naładowanego do ciała obojętnego elektrycznie. Efektem jest przesunięcie elektronów w przewodniku bądź polaryzacja atomów (cząsteczek) w izolatorze. By lepiej zrozumieć ten proces, prześledź (a najlepiej byłoby, gdybyś je wykonał) poniższe doświadczenie.
Czy można naelektryzować przewodnik przez indukcję?
Elektryzowanie przez indukcję jest możliwe.
rurka z tworzywa sztucznego (np. rura od odkurzacza);
wełniany koc lub sweter;
pusta aluminiowa puszka po napoju;
podłoże z izolatora (drewniany stół, podłoga itp.).
Znajdź takie podłoże, które jest wypoziomowane (puszka nie może się stoczyć).
Naelektryzuj rurkę przez tarcie.
Zbliż rurkę do puszki.
Jeśli puszka nie zmienia swojej pozycji, spróbuj naelektryzować ją ponownie lub zmniejsz odległość między ciałami.
Obserwuj, jak zachowuje się puszka.
Przełóż rurkę z drugiej strony puszki.
Zastanów się, co może być przyczyną ruchu puszki.
Jeśli puszka się toczyła, to udało ci się ją naelektryzować przez indukcję.
Ruch puszki wywołany zbliżeniem naelektryzowanej rurki z tworzywa sztucznego jest efektem procesów zachodzących w mikroświecie. Przyjrzyj się animacji.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/RpJUEeRTfaMpo
Materiał dotyczący elektryzowania przez indukcję
Puszka się nie porusza, gdy zbliżamy do niej rurkę obojętną elektrycznie. Zakładamy, że w wyniku potarcia rurka elektryzuje się ujemnie. Zbliżenie jej do metalowej puszki wykonanej z materiału będącego dobrym przewodnikiem wywołuje przemieszczenie się elektronów swobodnych – przeważającym ładunkiem (od strony rurki) staje się ładunek dodatni. Działają wówczas dwie siły, tj. przyciągania i odpychania elektrostatycznego. Siła przyciągania występuje między ładunkami dodatnimi (gromadzącymi się powierzchni puszki od tej strony, z której do puszki zbliżona została ujemnie naładowana rurka) a ładunkiem naelektryzowanej rurki. Siła odpychania działa między elektronami swobodnymi zgromadzonymi z przeciwnej strony puszki a ujemnym ładunkiem rurki. Pamiętajmy, że siły oddziaływania elektrostatycznego są zależne od odległości między ciałami – im bliżej siebie znajdują się wzajemnie oddziałujące ciała, tym siła tych oddziaływań jest większa. W tym przypadku siła przyciągania, która jest efektem oddziaływania rurki z bliższą stroną puszki (tą, na której zebrały się ładunki dodatnie) ma więc większą wartość, niż siła odpychania, która jest efektem oddziaływania rurki z dalszą stroną puszki (tą, na której zebrały się ładunki ujemne). Ruchowi rurki towarzyszy ruch podążającej za nią puszki. Gdy oddalimy naelektryzowaną rurkę na odpowiednią odległość, elektrony swobodne na puszce wrócą na swoje właściwe miejsce (tj. do położenia początkowego) i ruch puszki ustanie.
Postawmy pytanie: Czy przez indukcję można naelektryzować np. papier?
Aby poznać odpowiedź, wykonaj poniższe doświadczenie.
Czy przez indukcję można naelektryzować izolator?
Izolator można naelektryzować przez indukcję.
plastikowa linijka lub rurka;
wełniany koc lub sweter;
skrawki papieru.
Potrzyj linijką (rurką) o koc (sweter) i zbliż ją do skrawków papieru.
Obserwuj ich zachowanie.
Jeśli skrawki papieru zaczęły zbliżać się do rurki, to udało ci się naelektryzować przez indukcję.
Elektryzowanie przez indukcję polega na zbliżeniu ciała naelektryzowanego do ciała obojętnego elektrycznie. Wtedy wewnątrz niego przemieszczają się elektrony swobodne (metalowa puszka) lub następuje rozsunięcie elektronów i dodatnio naładowanych jąder atomów składających się na ciało, a więc powstają dipole elektrycznedipole elektryczne (papier). Siła odpychania między ciałami jest mniejsza niż siła przyciągania. Odsunięcie ciała naelektryzowanego od ciała początkowo obojętnego elektrycznie sprawia, że elektrony wracają na swoje miejsce.
przemieszczanie się elektronów swobodnych wewnątrz przewodnika lub powstawanie dipola elektrycznego (polaryzacja elektryczna cząsteczki albo atomu) w izolatorze. Zjawisko to zachodzi, gdy ciało naładowane elektrycznie znajduje się blisko ciała, które nie jest naelektryzowane.
Jeżeli zbliżymy ciało naelektryzowane do nienaelektryzowanego (ale go nie dotkniemy), natychmiast pojawi się efekt indukcji. Na części nienaelektryzowanego ciała położonej najbliżej ciała naładowanego wyindukowany zostanie ładunek przeciwnego znaku. Gdy następnie zetkniemy oba ciała ze sobą, ładunek ujemny przejdzie z ciała nienaelektryzowanego na naelektryzowane (albo odwrotnie: z ciała naelektryzowanego na nienaelektryzowane).
Zanim jakiekolwiek ciało zostanie dotknięte innym ciałem, oba te ciała należy do siebie zbliżyć. Z tego też powodu wystąpienie zjawiska przechodzenia ładunków po zetknięciu ze sobą dwóch ciał (elektryzowanie przez dotyk) zawsze jest poprzedzane wystąpieniem zjawiska indukcji.
Elektroskop z powodzeniem możesz zbudować w domu! Jest na to kilka sposobów. My proponujemy przepis jak poniżej, ale w internecie bez problemu powinieneś znaleźć ich więcej.
Przygotuj:
słoik z plastikową pokrywką (możesz też wyciąć z większego kawałka plastiku kółko o średnicy jak w otworze słoika – pamiętaj, że słoik będzie musiał być szczelnie zamknięty),
jeśli zamiast pokrywki używasz innego plastiku, przygotuj taśmę klejącą, najlepiej izolacyjną, żeby przykleić plastik do słoika,
wyprostowany drut miedziany,
plastelinę albo pistolet na klej z nabojami do niego,
folię aluminiową.
Wytnij dwa takie same listki z folii aluminiowej, jak na obrazku poniżej. Zwróć uwagę na dziurki, będą potrzebne do zawieszenia listków na drucie.
Po środku plastikowej pokrywki zrób dziurkę – tylko na tyle szeroką, żeby udało się włożyć drut. Drut zagnij na jednym końcu w haczyk, na którym będzie można powiesić listki elektroskopu. Przeciągnij go przez dziurkę tak, żeby po założeniu na słoik już z nałożonymi listkami, listki znajdowały się mniej więcej po środku słoika. Pamiętaj, że listki muszą być na tyle małe, żeby nie dotknęły słoika podczas unoszenia się. Drugi koniec druta możesz zawinąć w spiralkę, tak jak na obrazku (nie musi być dokładnie taka sama).
Plasteliną lub klejem przytwierdź mocniej (przy okazji zatykając wszelkie dziury) drut do plastiku. Na koniec, nałóż na haczyk aluminiowe listki i zakręcić słoik (przykleić plastik taśmą izolacyjną do otworu słoika).
Teraz wystarczy już tylko naelektryzować wybraną rzecz, przyłożyć do drucika i cieszyć się z wykonania wspaniałej roboty. Miłej zabawy!
Elektroskop z powodzeniem można zbudować w domu! Jest na to kilka sposobów. My opisujemy jeden z nich, ale w internecie bez problemu powinieneś znaleźć ich więcej.
Aby zbudować elektroskop należy wyciąć dwa takie same listki z folii aluminiowej; listki te mogą mieć kształt krótkich pasków: rozszerzających się i zaokrąglonych na szerszym końcu. Należy przy węższych końcach wyciąć dziurki, ponieważ są one potrzebne do zawieszenia listków na drucie, po którym ładunek będzie przepływał do listków.
Po środku plastikowej pokrywki należy zrobić dziurkę – tylko na tyle szeroką, żeby udało się włożyć drut. Drut powinien być zagięty na jednym końcu w haczyk, na którym będą wisieć listki elektroskopu. Należy go przeciągnąć przez dziurkę tak, żeby po założeniu na słoik już z nałożonymi listkami, listki znajdowały się mniej więcej po środku słoika. Listki muszą być na tyle małe, żeby nie dotknęły słoika podczas unoszenia się. Drugi koniec druta można zawinąć w płaską spiralkę.
Drut należy, plasteliną lub klejem, przytwierdzić mocniej do plastiku (przy okazji zatykając wszelkie dziury). Na koniec, należy nałożyć na haczyk aluminiowe listki i zakręcić słoik (przykleić plastik taśmą izolacyjną do otworu słoika).
Elektroskop gotowy! Teraz wystarczy przyłożyć do jego drucika naelektryzowany przedmiot.
Słowniczek
układ dwóch ładunków różnoimiennych o jednakowej wartości, które znajdują się w pewnej odległości od siebie.
przyrząd laboratoryjny służący do wykrywania ładunku elektrycznego; wykorzystuje zjawisko wzajemnego odpychania się jednoimiennych ładunków elektrycznych.
Benjamin Franklin
Jeden z inicjatorów powstania Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej. Zaangażowany w życie polityczne, przez trzy lata był prezydentem Pensylwanii. Miał wiele zainteresowań, do których należały m.in. meteorologia, oceanografia, elektryczność i teoria światła. Jako pierwszy wprowadził pojęcie ładunków dodatnich i ujemnych.
zjawisko, do którego dochodzi na skutek oddziaływania cząsteczki z ładunkami elektrycznymi znajdującymi się w pobliżu. Cząsteczki, które mają różnoimienne ładunki elektryczne, pod wpływem pola elektrycznego się przesuwają. W efekcie powstaje dipol elektryczny.
zjawisko, do którego dochodzi na skutek oddziaływania atomu z ładunkami elektrycznymi znajdującymi się w pobliżu. Pod wpływem tego oddziaływania ujemny ładunek powłoki elektronowej atomu przesuwa się w stosunku do dodatnio naładowanego jądra. W rezultacie powstaje dipol elektryczny.
strumień złożony z cząstek oraz promieniowania elektromagnetycznego, który dociera do Ziemi z otaczającej ją przestrzeni kosmicznej. Jednym ze źródeł promieniowania kosmicznego jest Słońce.