Strona główna – Mechanika część 1 – Mechanika część 2 - Grawitacja – Materia i ciepło - Elektryczność – Magnetyzm i elektromagnetyzm – Ruch drgający – Natura światła – Atom i fizyka współczesna - Księga gości - Słowniczek -  Ankieta

Elektryczność

1. Wzajemne oddziaływanie ładunków

Nauka o elektryczności miała swój początek W starożytności. Dwadzieścia pięć wieków temu grecki filozof i matematyk Tales z Miletu (620-540 p.n.e.) spostrzegł, że potarty suknem bursztyn przyciąga drobne, lekkie ciała jak drewniane wiórki, słomki, puch. Nazwa elektryczność pochodzi od greckiego słowa "elektron", a elektron po grecku oznacza właśnie bursztyn.

Podobnie i Ty w szkole podstawowej na lekcjach fizyki eksperymentowałeś, poznając przy tej sposobności wiele ciekawych zjawisk. Niektóre z nich krótko przypomnimy.

Ciała można elektryzować i to w różny sposób. Jednym ze sposobów jest pocieranie. Wiesz, że potarta suknem laska ebonitowa elektryzuje się ujemnie a sukno dodatnio. Laska szklana zaś potarta jedwabiem elektryzuje się dodatnio a jedwab ujemnie. Elektryzować można też przez zetknięcie ciała nienaelektryzowanego z ciałem naelektryzowanym. Stan naelektryzowania może więc przechodzi† z jednego ciała na drugie. Można też ciało naelektryzować przez indukcję (przez wpływ). Ten sposób elektryzowania nie wymaga zetknięcia się ciała nienaelektryzowanego z ciałem naelektryzowanym - wystarczy je do siebie zbliżyć.

W szkole podstawowej dowiedziałeś się jaka jest przyczyna tych zjawisk.

Ciała naelektryzowane posiadają ładunek elektryczny. Poznałeś dwa rodzaje ładunków elektrycznych: dodatni i ujemny. Sprawdziłeś też zapewne, że ciała naładowane ładunkami tego samego znaku odpychają się, natomiast naładowane ładunkami różnych znaków przyciągają się.

Ten charakterystyczny sposób uzyskiwania ładunków wynika z budowy atomów których złożona jest każda z otaczających nas substancji. Atom badania przeprowadzonego na początku XX wieku, składa się jądra o ładunku dodatnim i elektronów krążących wokół jądra, które niosą ładunek ujemny. Doświadczenia wykonane przez amerykańskiego fizyka Roberta Millikana (1868-1953) pokazały, że ładunek pojedynczego elektronu jest ładunkiem elementarnym. Wartość każdego innego ładunku jest całkowitą wielokrotnością ładunku elementarnego. Jeżeli ładunek oznaczymy symbolem q a ładunek elementarny symbolem e to możemy zapisać:

q=n^.e; gdzie n=1, 2, 3..., a e=1,6^.10^-19 C.

(1 C – 1 koloumb; jednostka ładunku)

Ładunek protonu (jednego ze składników jądra – drugim jest neutron elektrycznie obojętny) jest równy co do wartości ładunkowi elektronu, ale jest dodatni.

Ponieważ liczba elektronów w atomie jest równa liczbie protonów więc atom jako całość jest elektrycznie obojętny. Jeżeli jednak z jakiegoś powodu atom zostanie pozbawiony jednego lub kilku elektronów stanie się wtedy jonem dodatnim (będzie naładowany dodatni). Atom zaś, do którego przyłączy się elektron stanie się jonem ujemnym (naładowanym ujemnie). Ponieważ ciała otaczające nas zbudowane są z atomów więc w większości są one elektrycznie obojętne (nienaelektryzowane).

Badania nad elektryczną budową metali wykazały, że metal jest zbudowany z regularnie ułożonych jednakowych jonów dodatnich, które tworzą sieć przestrzenną. W tej sieci jakby w zamkniętym naczyniu znajdują się elektrony swobodne (nie związane z jonami), które znajdują się w ciągłym, chaotycznym ruchu. Zbiór tych elektronów pochodzących z ostatnich orbit atomów metali zachowujących się podobnie jak gaz nazywamy gazem elektronowym.

Jeżeli metal jest elektrycznie obojętny to ładunek jonów dodatnich jest równy ładunkowi swobodnych elektronów. Elektrony mogą opuszczać metal przechodząc do zetkniętego z nim innego ciała. W wyniku tego w metalu pojawia się nadmiar ładunku dodatniego. Metal elektryzuje się zawsze dodatnio.

Ciała, w których znajdują się elektrony swobodne nazywamy przewodnikami. Typowymi przewodnikami są metale.

Inną grupę stanowią ciała, w których nie ma elektronów swobodnych (Wszystkie elektrony są związane z jądrami atomów). Takie ciała nazywamy izolatorami lub dielektrykami.

Doświadczenia wykazały , że dwa różne dielektryki potarte o siebie elektryzują się różnoimiennie. Najwidoczniej przy zetknięciu dielektryków elektrony mogą przejść z jednego ciała na drugie. Nie mają one jednak swobody w poruszaniu się w dielektryku dlatego też elektryzuje się tylko ta część, która styka się z ciałem naelektryzowanych.

Do wykrywania ładunku elektrycznego, przybliżonej oceny wielkości ładunku, a nawet - przy odpowiednim postępowaniu - do stwierdzenia jakiego znaku jest ładunek służy elektroskop.

Rys. 1. Naładowany elektroskop.

Wiesz, że ciało może być elektrycznie obojętne lub naelektryzowane. Ładunek elektryczny mają jony i elektrony. Być może zastanawiałeś się czy ładunek może powstawać z niczego lub zginąć. Odpowiedź na to pytanie daje jedno z podstawowych praw nauki o elektryczności, zwane zasadą zachowania ładunku.

Spróbujmy wyjaśnić elektryzowanie a wnioski nasuną się same.

Podczas pocierania (zwiększa to powierzchnię zetknięcia) suknem laska ebonitowa zostaje naładowana ujemnie co oznacza, że uzyskała nadmiar elektronów; sukno tracąc elektrony ładuje się dodatnio. Elektrony przeszły z sukna na ebonit. Suma dodatnich i ujemnych ładunków jest równa zero chociaż każde z ciał - sukno i laska ebonitowa - są naładowane.

Przy elektryzowaniu przez dotyk, część elektronów przechodzi na ciało obojętne (rys. 2), wskutek czego obydwa ciała będą posiadać nadmiar elektronów. Gdy natomiast z ciałem obojętnym zetkniemy ciało naelektryzowane dodatnio, część elektronów przechodzi z ciała obojętnego na ciało naelektryzowane oba ciała będą posiadać nadmiar ładunków dodatnich.

Rys.2. Elektryzowanie przez dotknięcie ciałem naelektryzowanym.

Całkowity ładunek każdego elektroskopu przed zbliżeniem laski ebonitowej, a więc i ładunek układu elektroskopów wynosił zero (rys. 3). Pod wpływem naelektryzowanej laski elektrony z elektroskopu położonego bliżej laski zostały odepchnięte na drugi elektroskop. Oba elektroskopy zostały naładowane przeciwnymi ładunkami na skutek przesunięcia elektronów.

Zjawisko to nosi nazwę indukcji elektrostatycznej a elektryzowanie elektroskopów elektryzowaniem przez indukcją.

Rys.3. Pod wpływem ujemnie naładowanej laski ebonitowej elektrony przepływają z jednego elektroskopu na drugi.

Zwróć uwagę, że chociaż oba elektroskopy są naładowane to całkowity ładunek układu elektroskopów nie uległ zmianie - nadal jest równy zeru.

Można to łatwo sprawdzić łącząc elektroskopy ze sobą. łatwo zauważyć pewne prawidłowości:

ładunek elektryczny układu ciał pozostaje stały, jeżeli do tego układu ładunek nie dopływa ani z układu nie odpływa (rys. 2),

ładunek elektryczny układu ciał w szczególnym przypadku jest równy zeru (rys.3),

ładunek elektryczny układu zmienia się o taką wartość, jaka dopłynie lub odpłynie z układu.

Te trzy sformułowania stanowią treść zasady zachowania ładunku.

Możemy sformułować ja nieco inaczej:

W izolowanym układzie ciał całkowita ilość ładunku elektrycznego, to znaczy suma algebraiczna ładunków dodatnich i ujemnych nie ulega zmianie. Może się ona zmieniać jedynie na skutek pobierania lub oddawania ładunku innym układom.

Wprawdzie, jeżeli weźmiemy na przykład pod uwagę taki układ jak naładowany elektroskop, zawsze zaobserwujemy jego powolne, trwające nieraz godziny a nawet dni, rozładowanie. To pozorne odstępstwo od zasady zachowania ładunku wynika z niedoskonałości izolacji. Ładunek ucieka bowiem z elektroskopu przez ciała przewodzące do ziemi.

Ładunek jest ściśle związany z materią, jest jej pewna cecha, nie może podobnie jak ona, ani z niczego powstać. Zasada zachowania ładunku nabiera szczególnego znaczenia przy wyjaśnianiu zjawisk atomowych. Nie zaobserwowano dotychczas ładnych odstępstw od tej zasady.

Prawo to będące wynikiem wielu doświadczeń po raz pierwszy sformułował w 1785 roku francuski fizyk Charles Coulomb (1736-1806),

Dwa naelektryzowane ciała odpychają się lub przyciągają wzajemnie siła wprost proporcjonalną do iloczynu wartości ich ładunków i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między ich środkami 9rys. 4).

Jeżeli ładunki ciał oznaczymy symbolami q₁ i q₂ to matematycznie prawo to możemy wyrazić wzorem.

[1]

W przypadku dwóch ciał o niewielkich wymiarach w porównaniu z odległością między nimi (ładunki punktowe) za r możemy przyjąć odległość między ciałami.

Rys.4. Ładunki różnoimienne przyciągają się, a jednoimienne odpychają.

W układzie SI jednostką ładunku jest kulomb.

1 kulomb (1 C) jest to ładunek elektryczny przepływający w czasie 1 sekundy przez poprzeczny przekrój przewodnika, w którym płynie prąd o natężeniu 1 ampera (1 A).

Możemy więc zapisać

[2]

gdzie: q – ładunek

I – natężenie prądu

t – czas przepływu prądu

Wobec tego

Jeżeli ładunek wyrazimy w kulombach, odległość w metrach, a siłę w niutonach, to współczynnik k (równanie: I) w przypadku ciał oddziaływujących na siebie w próżni będzie: miał wartość

Ponieważ siła wzajemnego oddziaływania ładunków zależy od rodzaju ośrodka, dlatego w prawie Coulomba umieszcza się dodatkowy współczynnik charakteryzujący ośrodek, w którym się ciała znajdują. Współczynnik ten nazwiemy przenikalnością elektryczną lub stałą elektryczną i oznaczymy symbolem є (epsilon). Dla próżni jego wartość wynosi

W innych ośrodkach i współczynnik wyraża się zależnością

gdzie gdzie jest liczba bez jednostki miary, informującą, ile razy współczynnik przenikalności elektrycznej i danego ośrodka jest większy od przenikalności elektrycznej próżni. Liczbę tę nazywamy względną przenikalnością elektryczną lub stałą dielektryczną.

Stałe dielektryczne różnych ośrodków znajdziesz w tablicach fizycznych.

Porównując prawo Coulomba z prawem powszechnego ciążenia Newtona bez trudu zauważysz, że wyrażają one dwa analogiczne prawa przyrody. Prawo powszechnego ciążenia mówi o oddziaływaniach związanych z masą, natomiast prawo Coulomba o oddziaływaniach ciał (mających oczywiście masę) obdarzonych ładunkiem. Może się jednak zdarzyć, że oba rodzaje oddziaływań wystąpią równocześnie. Rozpatrzmy następujący przykład:

Rozważając zachowanie się ciał o tak małych masach jak masa elektronu można zaniedbać siły oddziaływania grawitacyjnego.

 

Pytania i zadania

1. Jaki ładunek niesie że sobą elektron?

2. Wymień składniki atomu.

3. Wymień składniki jądra atomowego.

4. Czym różni się w zasadach sposób izolator (dielektryk) od przewodnika?

5. Podczas elektryzowania ciał przez pocieranie ładunki ........................... z jednego ciała na drugie.

6. Dwa naelektryzowane ciała umieszczone w odległości r działają na siebie siła F. W jaki sposób można tę siłę zwiększyć?

7. Dwa jednakowe dodatnie ładunki działają na siebie siłą F Jak zmieni się siła wzajemnego oddziaływania między nimi jeżeli jednemu odjęto ładunek D q a drugiemu dodano taki sam ładunek D q?

8. Jaki ładunek przepłynie w ciągu 1 godziny przez przewodnik, w którym płynie prąd o natężeniu 1 ampera?

9. Akumulator może dostarczyć prąd o natężeniu I = 2 A w czasie t = 10h. Oblicz ładunek elektryczny, który popłynie z jednej okładki akumulatora na drugą.

10. Dwa punktowe ładunki znajdują się w odległości r = 1 m od siebie. Oblicz siłę oddziaływania tych ładunków, jeżeli znajdują się one:

a) w próżni

b) w wodzie, dla której

11. Porównaj wartości sił grawitacji i sił oddziaływania elektrycznego pomiędzy dwoma elektronami, znajdującymi się w próżni w odległości 1m od siebie.

12. Oblicz wartość siły jaką oddziaływują na siebie dwa ładunki i znajdujące się w próżni w odległości r = 3 m od siebie.

13. Dwa ładunki i umieszczone w próżni oddziaływują na siebie siłą Oblicz odległość w jakiej znajdują się od siebie.

---

2. Pole elektrostatyczne i jego natężenie

Poznałeś już jedno pole – pole grawitacyjne (moduł 3) czyli przestrzeń w której na umieszczenie w nim ciała działają siły grawitacyjne. Źródłem sił grawitacyjnych są ciała materialne.

Natomiast źródłem sił elektrycznych są ciała naelektryzowane lub ładunki elektryczne. Działania te, podobnie jak siły grawitacyjne, są wywierane bez pośrednictwa ciał materialnych. Takie działania – jak już wiesz – opisujemy za pomocą pojęcia pola sił. Możemy przyjąć więc, że ładunek elektryczny zmienia własności otaczającej go przestrzeni. Ładunki mogą się poruszać lub pozostawać w spoczynku. Ograniczymy się początkowo do przypadków, w których ładunki nie poruszają się. Przestrzeń, wokół ładunku elektrycznego pozostającego w spoczynku będziemy nazywać polem elektrostatycznym. Pole ma tę własność, że na jakikolwiek ładunek w nim umieszczony działają siły nazwane siłami elektrycznymi.

Polem elektrostatycznym nazywamy pole nie znajdujące się w czasie, wytworzone przez nieruchome ładunki elektryczne. W polu tym na każde ciało naładowane działają siły elektryczne.

W celu lepszego wyobrażenia sobie pola elektrostatycznego posługiwać się będziemy podobnie jak dla pola grawitacyjnego liniami sił pola. Aby zbadać jaki jest kształt linii sił pola należy wybrać „przyrząd pomiarowy”. W polu grawitacyjnym była to masa próbna, którą umieszczaliśmy w różnych punktach przestrzeni badając działającą na nią siłę. Istnienie pola elektrostatycznego będziemy wykrywać za pomocą ładunków Zdecydowano, że ładunkiem próbnym będzie hipotetyczny ładunek dodatni tak mały, że jego własne pola można zaniedbać. Umieszczając ładunek próbny w różnych punktach przestrzeni wyznaczyć można kierunki i zwroty sił w polu elektrycznym.

W przypadku pola ładunku punktowego lub kulki o niewielkich wymiarach, kierunki sił działających na ładunek próbny biegną promieniście, a ich zwroty są zależne od znaku ładunku (rys. 5). Takie pole nazywamy polem centralnym.

Rys. 5. Pole centralne wokół ładunku punktowego.

W jednorodnym polu elektrostatycznym wytworzonym przez naładowaną płytę lub dwie płyty znajdujące się w pewnej odległości od siebie (rys. 6) linie sił są do siebie równoległe.

Rys. 6. Jednorodne pole elektrostatyczne.

Liniami sił pola nazywamy linie styczne do kierunków działania sił elektrycznych na dodatni ładunek próbny.

O tym, jak silne jest pole, można sądzić po gęstości jego linii. Im gęściej są one rozmieszczone, tym silniejsze jest pole (rys. 7).

Rys.7. Przebieg linii sił pola elektrostatycznego dla układu ładunków o jednakowej wartości (różnoimiennych i jednoimiennych).

1. Pole elektryczne, które nie zmienia się w czasie nazywamy ...............................................................................

2. Kierunek i zwrot wektora natężenia pola w danym punkcie jest taki sam jak kierunek i zwrot ................................

---