Elektrostatyka - elektryzowanie ciał i ładunek - Spotkania z fizyką 8

1.Elektrostatyka

Część nauki o elektryczności, która dotyczy oddziaływań i właściwości ładunków elektrycznych w stanie spoczynku. Zajmuje się m.in. elektryzowaniem się ciał, np. trzaskami przy zdejmowaniu swetra albo iskrą przy dotknięciu klamki.

2.Skąd pochodzi nazwa „elektryczność”?

Od greckiego słowa elektron, czyli bursztyn. Już w VI w. p.n.e. Tales z Miletu zauważył, że bursztyn potarty suknem przyciąga lekkie ciała. Ponad dwa tysiące lat później William Gilbert stwierdził, że także inne ciała po potarciu zachowują się podobnie.

3.Elektryzowanie się ciał

Gromadzenie przez ciało ładunku elektrycznego jednego znaku, np. podczas pocierania. Naelektryzowane ciało przyciąga drobne, lekkie przedmioty: potarty balon unosi kawałki styropianu, a woreczek foliowy potarty o kartkę przywiera do niej.

4.Ładunek elektryczny

Cecha niektórych ciał, która pojawia się w wyniku ich pocierania (i innych procesów) i sprawia, że ciała te oddziałują ze sobą na odległość. Oznaczamy go symbolem $q$. Istnieją dwa rodzaje ładunków: dodatnie ($q > 0$) i ujemne ($q < 0$).

5.Oddziaływanie elektrostatyczne

Oddziaływanie na odległość między naelektryzowanymi ciałami. Ładunki jednoimienne (tego samego znaku) się odpychają, a ładunki różnoimienne (różnych znaków) się przyciągają.

6.Jak oddziałują baloniki potarte tą samą tkaniną?

Odpychają się, bo naelektryzowały się ładunkami tego samego znaku (tak samo odpychają się dwie słomki potarte tkaniną). Natomiast balonik potarty wełnianą rękawiczką przywiera do niej - balonik i rękawiczka naelektryzowały się różnoimiennie, więc się przyciągają.

7.Budowa atomu

Atom składa się z dodatnio naładowanego jądra i krążących wokół niego z dużą prędkością elektronów o ładunku ujemnym, które tworzą powłoki elektronowe. W skład jądra wchodzą protony o ładunku dodatnim i elektrycznie obojętne neutrony.

8.Jądro atomowe

Środkowa część atomu zbudowana z protonów i neutronów. Skupia prawie całą masę atomu, bo masa elektronu jest 1836 razy mniejsza od masy protonu lub neutronu. Jest około 100 000 razy mniejsze niż cały atom, którego promień jest rzędu $10^{-10}~\mathrm{m}$.

9.Powłoki elektronowe

Elektrony - cząstki o ładunku ujemnym ($-e$) - krążą z dużą prędkością wokół jądra w różnych odległościach od niego i tworzą powłoki elektronowe. Ostatnia z nich to powłoka walencyjna: z niej atom oddaje elektrony albo na nią je przyjmuje.

10.Proton

Cząstka o ładunku dodatnim wchodząca w skład jądra atomu. Jej ładunek jest równy ładunkowi elementarnemu $e$ - ma taką samą wartość jak ładunek elektronu, ale przeciwny znak. Protony są uwięzione w jądrach, więc podczas elektryzowania nie przechodzą między ciałami.

11.Atom obojętny elektrycznie

Atom, w którym liczba protonów w jądrze jest równa liczbie elektronów krążących wokół jądra. Ładunki dodatnie i ujemne się równoważą, więc atom jako całość nie ma ładunku.

12.Jon

Atom, którego równowaga elektryczna została zachwiana. Jon dodatni (kation) powstaje, gdy od atomu zostaną oderwane elektrony (jeden lub kilka). Jon ujemny (anion) powstaje, gdy atom przyjmie na powłokę walencyjną dodatkowe elektrony.

13.Ładunek elementarny i jego wartość

Ładunek protonu, oznaczany $e$: $e = 1{,}602 \cdot 10^{-19}~\mathrm{C}$. Elektron ma ładunek o tej samej wartości, ale ujemny: $-e$. To najmniejsza porcja ładunku, jaką ciało może zyskać lub stracić.

14.Kulomb (C)

Jednostka ładunku elektrycznego w układzie SI. To bardzo duży ładunek: $1~\mathrm{C} = 6{,}24 \cdot 10^{18}\,e$. Nazwa pochodzi od nazwiska francuskiego fizyka Charles'a Augustina de Coulomba.

15.Ładunek jako wielokrotność ładunku elementarnego

Każdy ładunek zgromadzony na naelektryzowanym ciele jest wielokrotnością ładunku elementarnego. Jego wartość to $q = n \cdot e$, gdzie $n$ to liczba nadmiarowych albo brakujących elektronów: nadmiar elektronów daje ładunek ujemny, a niedobór - dodatni. Najmniejsza możliwa wartość nadmiarowego ładunku to $e$.

16.Na czym polega elektryzowanie ciał?

Na przenoszeniu elektronów z jednego ciała na drugie. Ciało, które zyskało elektrony (ma ich nadmiar), jest naelektryzowane ujemnie, a ciało, które je straciło (ma ich niedobór), jest naelektryzowane dodatnio. Protony, uwięzione w jądrach atomów, nie mogą się przemieszczać.

17.Elektryzowanie przez pocieranie

Sposób elektryzowania: podczas pocierania dwóch obojętnych ciał część elektronów przechodzi z jednego ciała na drugie, więc ciała elektryzują się różnoimiennie. Np. balonik potarty tkaniną zyskuje elektrony i ma ładunek ujemny, a tkanina, której ich ubyło, ma ładunek dodatni.

18.Szereg tryboelektryczny

Uporządkowana lista substancji, z której odczytujemy, jakim ładunkiem elektryzuje się materiał przy pocieraniu. Z dwóch potartych substancji ta, która leży bliżej znaku +, elektryzuje się dodatnio, a ta bliżej znaku - ujemnie. Im dalej od siebie leżą w szeregu, tym silniej się elektryzują.

19.Elektrony swobodne w metalach

Elektrony walencyjne w metalach, które nie są związane z atomami i mogą swobodnie poruszać się w obrębie całej bryły metalu. Tworzą wewnątrz przewodnika tzw. gaz elektronowy.

20.Przewodniki

Ciała, w których może następować swobodny przepływ ładunków elektrycznych, bo zawierają swobodne ładunki (w metalach - elektrony swobodne). Przewodnikami są m.in. wszystkie metale.

21.Izolatory

Ciała, w których nie występują swobodne ładunki elektryczne: elektrony są mocno związane z atomami (lub cząsteczkami) i nie mogą się swobodnie poruszać. Dlatego elektrony przechodzą między izolatorami tylko w miejscach ich styku.

22.Przykłady przewodników i izolatorów

Przewodniki: wszystkie metale (np. miedź, aluminium, żelazo), ciało człowieka i ziemia. Izolatory: m.in. powietrze, czysta chemicznie (destylowana) woda, guma, tworzywa sztuczne, szkło, ceramika, drewno i ebonit.

23.Kiedy można naelektryzować przewodnik?

Gdy jest odizolowany od otoczenia, np. od ziemi, która jest dobrym przewodnikiem. Zarówno przewodniki, jak i izolatory można naelektryzować, ale z przewodnika trzymanego w ręce ładunek od razu odpływa przez rękę do ziemi - dlatego potarta folia aluminiowa nie przywiera do kartki.

24.Zasada zachowania ładunku

W izolowanym układzie ciał (odizolowanym elektrycznie od otoczenia) całkowity ładunek elektryczny, czyli suma algebraiczna ładunków dodatnich i ujemnych, nie ulega zmianie. Ładunki mogą przepływać między ciałami, np. przy pocieraniu na balonik przechodzi tyle elektronów, ile ubywa ich z tkaniny.

25.Ładunek jednakowych kul po zetknięciu

Po zetknięciu dwóch identycznych kul z przewodnika całkowity ładunek $Q$ (suma ładunków obu kul ze znakami) rozdziela się po równo: $q_1 = q_2 = \frac{Q}{2}$. Przemieszczają się tylko elektrony, np. z kuli naładowanej ujemnie na kulę naładowaną dodatnio.

26.Do czego służy elektroskop?

Do stwierdzenia, czy ciało jest naelektryzowane. Elektroskop ma metalowy pręt z kulką i listki (albo wskazówkę); gdy jest naładowany, listki odpychają się i rozchylają. Wyskalowany elektroskop z podziałką to elektrometr - im większy ładunek, tym większe odchylenie wskazówki.

27.Elektryzowanie przez dotyk

Sposób elektryzowania: ciało elektrycznie obojętne dotyka się ciałem naelektryzowanym i dotknięte ciało uzyskuje ładunek tego samego znaku. Gdy ciało naelektryzowane ma ładunek ujemny, elektrony przepływają z niego na ciało obojętne; gdy ma ładunek dodatni, elektrony przechodzą z ciała obojętnego na nie.

28.Co się dzieje z paskami folii elektroskopu dotkniętego potartym balonikiem?

Paski się rozchylają. Elektrony z balonika przechodzą na metalową kulkę i, odpychając się, rozbiegają się po metalowych częściach elektroskopu, także po paskach. Paski mają ładunek tego samego znaku, więc się odpychają. Potarta szklanka też je rozchyla (paski są wtedy dodatnie), a dotknięcie kulki palcem rozładowuje elektroskop.

29.Zobojętnienie

Sposób rozładowania ciała naelektryzowanego: ciało otrzymuje ładunek przeciwnego znaku o takiej samej wartości jak zgromadzony na nim ładunek albo oddaje swój ładunek innemu ciału. Np. elektroskop rozładowuje się, gdy dotkniemy go ciałem naelektryzowanym ładunkiem przeciwnym.

30.Uziemienie

Rozładowanie ciała naelektryzowanego przez przepływ ładunku między tym ciałem a ziemią przez łączący je przewodnik. Np. elektroskop rozładowuje się, gdy dotkniemy jego kulki ręką, bo ciało człowieka jest dobrym przewodnikiem.

31.Piorunochron

Urządzenie chroniące np. budynki przed skutkami uderzenia pioruna; działa dzięki uziemieniu - odprowadza ładunki elektryczne do ziemi. Najprostszy to zaostrzony metalowy pręt w najwyższym punkcie budynku, połączony przewodem (najlepiej miedzianym) z metalową płytą zakopaną w ziemi. Twórcą był Benjamin Franklin.

32.Indukcja elektrostatyczna

Sposób elektryzowania przez zbliżenie (bez dotykania) ciała naelektryzowanego do ciała obojętnego. W metalowym ciele swobodne elektrony się przemieszczają i następuje rozdział ładunku: część najbliżej zbliżonego przedmiotu elektryzuje się ładunkiem przeciwnym, a pozostała część - ładunkiem tego samego znaku.

33.Co się dzieje z listkami elektroskopu, gdy zbliżamy do niego naelektryzowaną rurkę?

Listki się rozchylają, choć rurka nie dotyka kulki. Ujemnie naelektryzowana rurka odpycha swobodne elektrony z kulki i pręta na listki: listki mają ładunek ujemny, a kulka dodatni. Po odsunięciu rurki elektrony znów rozkładają się równomiernie i listki opadają. Rurka dodatnia daje ten sam efekt, ale listki mają wtedy ładunek dodatni.

34.Rozpoznawanie znaku ładunku miernikiem uniwersalnym

Miernik ustawiony na pomiar napięcia stałego łączymy paskiem papieru (słabo przewodzi dzięki wilgoci) ze słomką, a przewód z gniazdka COM dotyka blatu. Szybkie zbliżenie do słomki ciała naelektryzowanego ujemnie daje wynik ze znakiem minus, a odsunięcie - wynik dodatni. Dla ciała naelektryzowanego dodatnio jest odwrotnie.

35.Sposoby elektryzowania ciał

Ciała można elektryzować przez: pocieranie (elektrony przechodzą z jednego ciała na drugie, ciała mają ładunki różnych znaków), dotyk (ciało obojętne dotknięte ciałem naelektryzowanym uzyskuje ładunek tego samego znaku) i indukcję elektrostatyczną (zbliżenie bez dotykania rozsuwa ładunki w ciele).

36.Drukarka laserowa

Urządzenie, w którym obraz powstaje dzięki elektryzowaniu. Najpierw elektryzuje się obrotowy bęben, potem światło lasera neutralizuje ładunek w miejscach, które nie będą zadrukowane. Toner naelektryzowany ładunkiem przeciwnym niż bęben przyczepia się tylko do miejsc naelektryzowanych, przechodzi na kartkę i zostaje utrwalony w wysokiej temperaturze.

37.Druk CIJ

Druk ciągłym strumieniem tuszu, którym nanosi się np. datę przydatności do spożycia i numer serii na opakowaniach. Krople tuszu wyrzucane z dyszy są elektryzowane, a przelatując obok naelektryzowanych płytek, odchylają się w pionie. Taśma z produktami przesuwa się w poziomie, więc z kropek powstają cyfry i litery.

38.Malowanie pistoletem naelektryzowaną farbą

Drobiny rozpylanej farby są elektryzowane, a malowany element elektryzuje się ładunkiem przeciwnego znaku albo jest uziemiony. Drobinki są przyciągane do elementu i osiadają na nim także z boków i z tyłu, a nie tylko od strony pistoletu. Gdyby farba nie była naelektryzowana, drobinki, które ominęły element, nie przyczepiłyby się do niego.

39.Sortowanie odpadów z tworzyw sztucznych

Rozdrobnione kawałki różnych tworzyw sztucznych ocierają się o siebie i elektryzują ładunkami przeciwnych znaków. Trafiają na obrotowy bęben, obok którego jest dodatnia elektroda - rozdziela ona fragmenty o różnych ładunkach. W jednym procesie sortowania można rozdzielić ponad 90% mieszaniny.