To ciekawe

R1Kex0VvtcSlW

Zdjęcie przedstawia dziecko zjeżdżające po plastikowej zjeżdżalni rynnowej. Chłopiec znajduje się na dole zjeżdżalni i ma długie włosy, które sterczą mu na wszystkie strony.

Twoje cele

• poznasz definicję elementarnego ładunku elektrycznego,

• opisesz jakościowo i ilościowo oddziaływania między ładunkami,

• omówisz budowę wybranego pierwiastka chemicznego lub jonu,

• opiszesz wyjaśnisz wyniki doświadczeń dotyczących elektryzowania ciał.

Warto przeczytać

Oddziaływanie ciał naelektryzowanych

Właściwości i zachowanie ciał obdarzonych określonym ładunkiem elektrycznym badano już w starożytności. Na przełomie $\mathrm{VII}$ i $\mathrm{VI}$ wieku p.n.e. grecki filozof i matematyk Tales z Miletu zaobserwował tzw. efekt bursztynu. Zauważył, że bursztyn (gr. ēlektron) potarty suknem przyciąga niektóre lekkie ciała, np. piórka, drewniane wiórki, suche źdźbła trawy. Później okazało się, że podobnych zjawisk jest więcej. Obecnie wiadomo, że istnieje jeszcze wiele ciał wykazujących podobne właściwości elektrostatyczne. Często są to przedmioty użytku codziennego, np. koc, sweter, grzebień, balon itp.

Zanim zaczniesz wykonywać doświadczenie zapoznaj się z załączonym materiałem filmowym.

R1SoNZFU12D14

Film dotyczący oddziaływań elektrostatycznych balonów i koca.

Film dotyczący oddziaływań elektrostatycznych balonów i koca.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1SoNZFU12D14

Film dotyczący oddziaływań elektrostatycznych balonów i koca.

Zaobserwowane zjawiska nasuwają przypuszczenie, że przedmioty wykorzystane w doświadczeniu uzyskały jakąś nową właściwość, która jest odpowiedzialna za ich wzajemne oddziaływanie. Aby ją opisać, fizycy wprowadzili wielkość fizyczną nazywaną ładunkiem elektrycznym. Przyjęto, że występują dwa rodzaje ładunków – dodatnie (oznaczane znakiem $+$) i ujemne (oznaczane znakiem $-$). Ładunki tego samego znaku (jednoimienne) się odpychają, a ładunki różnych znaków (różnoimienne) się przyciągają. Za pomocą pojęcia ładunku elektrycznego można wytłumaczyć zaobserwowane zjawisko. Ładunki zgromadzone na balonie i swetrze są różnoimienne, więc oba przedmioty się przyciągają. Na powierzchni balonów gromadzą się ładunki jednoimienne, które powodują, że te ciała się odpychają.

Ładunek zgromadzony na powierzchni ciał decyduje o kierunku oddziaływania. Oczywiście, w życiu codziennym ładunków elektrycznych nie widać gołym okiem, za to można z łatwością zaobserwować skutki ich wzajemnych oddziaływań. Ilość i znak zgromadzonego ładunku elektrycznego pozwalają na dokładne określenie tych oddziaływań. Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb, który oznaczamy symbolem $\mathrm{C}$. Jego nazwa pochodzi od nazwiska Charles'a Augustina de CoulombaCharles Augustin de CoulombCharles'a Augustina de Coulomba – francuskiego uczonego, który jako pierwszy określił wielkość siły oddziaływania między ładunkami elektrycznymi. Kulomb jest dużą jednostką, dlatego w praktyce stosuje się podwielokrotności kulomba – milikulomb i mikrokulomb.

Budowa atomu

Aby wyjaśnić oddziaływania elektryczne, trzeba poznać mikroświat, czyli świat atomów. Każdy pierwiastek chemiczny składa się z takich samych atomów. Każdy atomAtomatom jest obojętny elektrycznie, tzn. ma jednakową liczbę ładunków dodatnich i ujemnych.

R1Z9bQZoAHDUF

Animacja dotycząca budowy atomu wodoru.

Animacja dotycząca budowy atomu wodoru.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1Z9bQZoAHDUF

Animacja dotycząca budowy atomu wodoru.

Powyższa animacja przedstawia tzw. model planetarny atomu wodoru, stworzony na początku $\mathrm{XX}$ wieku. W centrum atomu znajduje się jądro atomowe, które jest zbudowane z protonów i neutronów. Wokół jądra krążą elektrony. Dzięki oddziaływaniu elektrycznemu atom się nie rozpada, a jądro przyciąga elektrony. Protony i elektrony są obdarzone ładunkami elektrycznymi o tej samej wartości, ale o przeciwnych znakach. Ładunek elektryczny protonów jest dodatni, a elektronów – ujemny. Neutrony są cząstkami obojętnymi elektrycznie.

Model planetarny atomu pozwalał wyjaśnić jedynie niektóre zjawiska mikroświata. Dalsze badania wymagały stworzenia bardziej skomplikowanych modeli.

Jeśli do atomu zostanie dostarczony jeden lub kilka elektronów, to staje się on jonem ujemnymJon ujemnyjonem ujemnym. Jon ujemny ma więcej elektronów niż protonów. Jeśli natomiast od atomu zostanie odłączony jeden bądź kilka elektronów, to staje się on jonem dodatnimJon dodatnijonem dodatnim. Jon dodatni ma więcej protonów niż elektronów.

RibIXRyXjhkR3

Schemat opisujący zmianę konfiguracji elektronowej atomu sodu podczas powstawania jonu. Po lewej stronie widoczny jest rysunek przedstawiający jądro atomu sodu w postaci czerwonego koła podpisanego jedenaście p oraz towarzyszącego mu biało‑fioletowego wachlarza ilustrującego obecność trzech powłok elektronowych. Opisana jest też ich zawartość: dwa elektrony na pierwszej powłoce, osiem elektronów na drugiej powłoce i jeden elektron na trzeciej powłoce. Rysunek podpisany jest następująco: liczba protonów równa jedenaście, liczba elektronów równa jedenaście. Całość podpisana atom Na. Lewą stronę schematu z prawą łączy strzałka skierowana w prawo opisana Oddanie elektronu. Po prawej stronie widoczny jest rysunek przedstawiający strukturę kationu sodu, jądro zaznaczone jako czerwone kółko podpisane jedenaście p z dwiema powłokami elektronowymi w formie wachlarza mającymi kolejno dwa i osiem elektronów. Rysunek podpisany jest następująco: liczba protonów równa jedenaście, liczba elektronów równa dziesięć. Jon Na plus.

R10aoqdQImZrY

Schemat opisujący zmianę konfiguracji elektronowej atomu chloru podczas powstawania jonu. Po lewej stronie widoczny jest rysunek przedstawiający jądro atomu chloru w postaci czerwonego koła podpisanego siedemnaście p oraz towarzyszącego mu biało‑fioletowego wachlarza ilustrującego obecność trzech powłok elektronowych. Opisana jest też ich zawartość: dwa elektrony na pierwszej powłoce, osiem elektronów na drugiej powłoce i siedem elektronów na trzeciej powłoce. Rysunek podpisany jest następująco: liczba protonów równa siedemnaście, liczba elektronów równa siedemnaście. Atom Cl. Lewą stronę schematu z prawą łączy strzałka skierowana w prawo opisana przyjęcie elektronu. Po prawej stronie rysunek przedstawiający strukturę anionu chloru z trzema powłokami elektronowymi mającymi kolejno dwa, osiem i osiem elektronów. Rysunek podpisany jest następująco: liczba protonów równa siedemnaście, liczba elektronów równa osiemnaście. Jon Cl minus.

Jony ujemne powstają, gdy do atomu zostaną dostarczone elektrony, a jony dodatnie – gdy elektrony zostaną odłączone. Najłatwiej zmienić liczbę elektronów na powłoce, która znajduje się najdalej od jądra. Dlatego też w przeprowadzonych dotąd doświadczeniach i symulacjach przemieszczały się tylko ładunki ujemne.

Ładunek elementarny

Pod koniec $\mathrm{XIX}$ wieku elektron opisywano jako pewną cząstkę. Tak scharakteryzował ją Hendrik Antoon Lorentz: „...zróbmy założenie, że w każdego rodzaju materii są obecne nadzwyczaj drobne cząsteczki, których jedna połowa posiada niezmiennie ładunki dodatnie, druga zaś tak samo ładunki ujemne...”. Owe drobniutkie cząstki, o których mowa, mają być najmniejsze z tych, którymi zajmują się nauki przyrodnicze, mniejsze od cząsteczek (molekuł) i atomów samych. Nadajmy cząsteczkom tym, zarówno ujemnym jak i dodatnim, wspólne miano „elektronów”, odróżniając je przymiotnikami „ujemny” i „dodatni”. Przypuśćmy dalej, że te elektryczne cząsteczki – elektrony – rozpowszechnione są we wszystkich ciałach, że żadna, nawet najmniejsza cząsteczka materii nie jest od nich wolna, że ilość ich w każdym ciele jest prawie niezliczona i że wreszcie, skoro jakieś ciało nie wykazuje objawów elektrycznych, posiada oba rodzaje elektronów w tej samej ilości. (cyt. za: A. K. Wróblewski, Historia fizyki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa $\text{2007}$, str. $\text{379}$).

Z tej teorii można wyciągnąć wniosek, że ładunek elektryczny, jakim mogą być obdarzone różne ciała, ma naturę ziarnistą, jest bowiem wielokrotnością najmniejszego ładunku. Ładunek ten nazywany jest ładunkiem elementarnym. Kolejny wniosek jest następujący: ciała nienaelektryzowane mają po tyle samo ładunków dodatnich i ujemnych, a naładowane – więcej ładunków jednego znaku („$+$” lub „$-$”).

Składniki materii mające elementarne ładunki ujemne nazywamy obecnie elektronami. Wiemy również, że istnieją cząstki elementarne o ładunku dodatnim (ładunek ma taką samą wartość, jak ładunek elektronu, ale przeciwny znak). Są to protony – cząstki o masie znacznie większej, niż masa elektronu.

Oczywiście, ta hipoteza wymagała potwierdzenia doświadczalnego. Dokonał tego Robert Millikan. W latach $\text{1909-1910}$ udowodnił, że ładunek elektryczny ma strukturę ziarnistą, i wyznaczył wartość ładunku elementarnego. Obecnie przyjmujemy, że wynosi on $\mathrm{e}=1,602·{10}^{-19} \mathrm{C}$.

Słowniczek

Charles Augustin de Coulomb23.08.1806Paryż14.06.1736Angoulȇme

Rgo6EXY6mkUBu

Obraz przedstawiający portret Charlesa Augustina de Coulomba. Mężczyzna w wieku około czterdzieści pięć lat. Blada cera. Czoło wysokie z widocznymi dużymi zakolami. Siwe włosy zaczesane do tyłu. Mocno kręcone nad uszami. Nos wyrazisty. Mężczyzna ubrany w czarny mundur z pagonami na ramionach. Po lewej stronie na piersi zawieszony order na czerwonej kokardce. Mężczyzna lewą dłonią obejmuje wagę skręceń.

Charles Augustin de Coulomb

1736.06.14 Angoulȇme – 1806.08.23 Paryż

[szarl ogiustę dy kulą] Kapitan armii francuskiej, przyrodnik i matematyk. Ukończył studia w Wojskowej Szkole Inżynierii (franc. École du Génie). W latach $1763- 1772$ kierował budową Fortu Bourbon na Martynice (Indie Zachodnie). Po powrocie do Francji poświęcił się pracy naukowej. W roku $1781$ został uhonorowany tytułem członka Francuskiej Akademii Nauk. Był doskonałym eksperymentatorem. Do jego największych osiągnięć naukowych należą pomiar siły oddziaływań między ładunkami elektrycznymi (przeprowadzony przy użyciu tzw. wagi skręceń) oraz prace dotyczące sił tarcia i oporu w płynach.