Elektrostatyka

1. Jakie są przejawy oddziaływania elektrostatycznego w codziennym życiu?

• Podczas ściągania swetra włosy unoszą się do góry pod wpływem jakiejś siły, czasami przeskoczy iskra.
• Gdy czeszesz się, włosy się elektryzują, nie chcą się układać.
• Na ekranie telewizora gromadzi się kurz.
• Potarty szmatką długopis (lub inny plastikowy przedmiot) przyciąga skrawki papieru, kurz itp.
• Folia do pakowania żywności przykleja się do kanapki.

To wszystko są przejawy działania sił elektrostatycznych. Nazwa wzięła się od greckiego słowa elektron, które po polsku oznacza bursztyn, jako że starożytni Grecy po raz pierwszy zauważyli te siły u pocieranego kawałka bursztynu.

 

2. Co to jest ładunek elektryczny?

Za różne siły odpowiedzialne są różne, dające się mierzyć, cechy materii. Na przykład siły przyciągania grawitacyjnego są zależne od masy ciał. Czy istnieje taka cecha, która decyduje o zdolności ciał do udziału w oddziaływaniach elektrostatycznych? Tak, istnieje. Tą cechą jest ładunek elektryczny. Siłami elektrostatycznymi mogą działać na siebie tylko takie ciała, które mają ładunek elektryczny.
Są dwa rodzaje ładunków elektrycznych: dodatnie i ujemne. Umówimy się (tak jak to zrobili uczeni już wcześniej), że

• potarta futrem laska szklana ma dodatni ładunek,
• a potarta papierem laska ebonitowa – ujemny.

Okazuje się, że dwa ładunki dodatnie lub dwa ładunki ujemne odpychają się tym silniej, im są bliżej siebie, natomiast ładunki różnych znaków (+ i –) przyciągają się.

Uczeni nauczyli się mierzyć ładunek elektryczny. Jednym z przyrządów służących do pomiaru ładunku jest elektroskop.

Dostarczamy ładunek na kulkę elektroskopu. Rozpływa się on na listki (cieniutkie blaszki) A i B elektroskopu. Ponieważ jest to ładunek jednego znaku, blaszki A i B będą się odpychać i listki elektroskopu oddalą się tym bardziej, im większy ładunek elektryczny dostarczyliśmy.

Zapamiętaj!
Jednostką ładunku elektrycznego jest jeden kulomb (C). Sam ładunek oznaczamy zwykle q lub Q.

[q] = 1C

 

3. Jakie cząstki składają się na materię?

Wiesz, że otaczające nas ciała i my sami jesteśmy zbudowani z atomów. Atom można podzielić na jeszcze mniejsze części: zajmujące centralne miejsce jądro atomowe i krążące wokół niego elektrony. Jądro atomowe jest złożone z protonów i neutronów. Elektrony mają ładunek ujemny. Jest to najmniejszy dotychczas obserwowany ładunek w przyrodzie. Protony są dodatnio naładowane, a ich ładunek jest co do wartości równy ładunkowi elektronu. Neutrony nie mają ładunku – są elektrycznie obojętne. We wszystkich ciałach mamy zarówno ładunki dodatnie, jak i ujemne. Ciała są zazwyczaj elektrycznie obojętne, bo ładunek dodatni jest w nich równy ładunkowi ujemnemu.

 

4. Co to są przewodniki, a co izolatory (dielektryki)?

Substancje różnią się między sobą. Można je dzielić na rozmaite klasy. Jedną z możliwości jest podział na przewodniki i izolatory (dielektryki). W przewodnikach część ładunków (jakie, to zależy od rodzaju przewodnika) ma swobodę ruchu. Jeśli przekażemy przewodnikowi ładunek, to nie pozostanie on w miejscu przekazania, lecz rozpłynie się po nim (dokładniej: po całej jego powierzchni). Jeśli naładujemy dielektryk, to przekazany ładunek pozostanie w tym miejscu, do którego został dostarczony.

 

5. Jakie są sposoby elektryzowania ciał?

Podstawowe to:

A) Przez tarcie.
Pocierając jednym ciałem o drugie, możemy (jeśli dobrze dobierzemy ciała) je naelektryzować. Przykładem jest pocieranie papierem plastikowego długopisu. Ładuje się on wtedy ujemnie, a papier dodatnio. Zawsze, jeśli jakieś ciało ładuje się przez tarcie – to, czym trzemy, ładuje się ładunkiem o przeciwnym znaku.

B) Przez dotyk.
Jeśli mamy ciało naelektryzowane, możemy dotknąć nim innego, nienaelektryzowanego ciała, a to zostanie naładowane. Ładunek przepłynie z jednego na drugie.

C) Przez indukcję.
Tak można elektryzować przedmioty metalowe (ogólniej: wykonane z przewodników). Na czym polega ten sposób? Zobacz to na rysunkach:

• a) Stykamy ze sobą dwa ciała wykonane z przewodnika. Ciała są na izolujących podstawkach.

• b) Zbliżamy do nich ciało naelektryzowane, które powoduje przyciągnięcie ładunków przeciwnego znaku, a odepchnięcie ładunków tego samego znaku.

• c) Rozdzielamy ciała. Ciało naelektryzowane jest cały czas w pobliżu.

• d) Wycofujemy naelektryzowane ciało. Otrzymujemy dwa naelektryzowane przeciwnie ciała.

6. Zasada zachowania ładunku elektrycznego.

Jeśli ciała były pierwotnie obojętne, czyli ich ładunek był równy zeru, to po naelektryzowaniu przez indukcję, czy przez tarcie, suma ładunków na obu ciałach nadal będzie równa zeru. Jest to szczególny przypadek bardzo ważnego prawa fizycznego: zasady zachowania ładunku. Wyobraź sobie układ ciał. Ciała te odizolowane są od otoczenia. Z zewnątrz nie dopływa, ale też nie odpływa do otoczenia żaden ładunek. Taki układ ciał nazwiemy zamkniętym. Zasada zachowania ładunku mówi, że:

W układzie zamkniętym całkowity ładunek jest stały.

W doświadczeniu z elektryzowaniem przez indukcję nie tworzy się żaden ładunek. On tylko przepływa. Początkowo dodatnie i ujemne ładunki są w kuli wymieszane tak, że cała kula jest obojętna elektrycznie. Później pod wpływem naelektryzowanej pałeczki ładunki rozdzielają się. Żaden ładunek nie powstał. Podobnie jest z elektryzowaniem przez tarcie. W szkle nie wytwarza się dodatni ładunek. On tylko przepływa z futra, które samo ładuje się ujemnie.

7. Jakie prawo mówi o sile wzajemnego oddziaływania ładunków?

O sile działającej między ładunkami mówi prawo Coulomba.

Ładunki q1, q2 działają na siebie siłami o wartości proporcjonalnej do iloczynu ładunków, a odwrotnie proporcjonalnej do kwadratu odległości między nimi.

Oddziaływanie elektrostatyczne może być dwojakiego rodzaju:

przyciągające – gdy ładunki są różnoimienne
odpychające – gdy ładunki są jednoimienne

Można to zapisać w postaci wzoru:

q1 – ładunek elektryczny pierwszego obiektu
q2 – ładunek elektryczny drugiego obiektu
r – odległość między ładunkami
k – stała elektrostatyczna, a jej wartość dla próżni i powietrza wynosi

Siły elektrostatyczne zależą od ośrodka w jakim oddziaływują. Jeśli dwa ładunki przeniesiemy (nic poza tym nie zmieniając) do np. wody, siła działająca między nimi zmniejszy się. Stałą tę można zinterpretować tak: jest to siła, z jaką będą działać na siebie dwa ładunki o wartości 1 C każdy z odległości 1 m, to prawie 10 miliardów niutonów. Dużo!

Zadanie

Dwie jednakowe kulki z folii aluminiowej wiszą na nitkach dość blisko siebie. Nitki są wykonane z izolatora. Jedną z nich naładowano ładunkiem dodatnim. Druga pozostała obojętna. Kulki te:

A) będą odpychać się;
B) pozostaną w bezruchu, nie będą działać na siebie siłami;
C) będą się przyciągać;
D) będą się wahać.

Rozwiązanie
Wydawać by się mogło, że skoro ładunek jednej z kulek jest równy zeru, kulki nie będą działać na siebie siłami. Trzeba jednak pamiętać, że w metalu (folia aluminiowa to metal) są wymieszane ładunki dodatnie i ujemne. Na dodatek mają one (przynajmniej ujemne) swobodę ruchu. Dodatni ładunek drugiej kuli przyciągnie ładunki ujemne, po drugiej zaś stronie zostaną ładunki dodatnie. Naładowana kula będzie przyciągać ładunki ujemne drugiej kuli, a odpychać ładunki dodatnie. Rzecz w tym, że dodatnie są dalej niż ujemne, zatem odpychanie będzie słabsze niż przyciąganie. Kulki będą więc się przyciągać. Prawidłowa jest odpowiedź C).