Fizyka dla każdego

Spójrz na bałwanka. Ma w środku styropianowe kulki i wiatraczek, który powoduje, że kuki ocierają się o siebie i o ścianki. Ocierając się przekazują sobie ładunek elektryczny - nie są już obojętne elektrycznie. Pojawiają się siły elektrostatyczne (wrócimy do nich na końcu tego opracowania). Kulki są przyciągane do ścianek. 

Styropianowe kulki są również przyciągane (lub odpychane) przez naładowaną elektrycznie laskę z tworzywa sztucznego.

Ziarenka dmuchanego ryżu również się elektryzują

Skrawki papieru również są przyciągane przez ujemnie naładowaną laskę. Nie muszą być wcale naładowane: mówimy, że ulegają polaryzacji.

Zobacz applet elektryzowanie porzez tarcie

W obojętnych elektrycznie skrawkach są ładunki dodatnie i ujemne. Jeśli laska jest naładowana ujemnie, dodatnie ładunki w skrawkach są przyciągane a ujemne odpychane.

Mogłoby się wydawać, że wypadkowa siła powinna wynosić zero, ale zapomnieliśmy o prawie Coulomba. Ładunki elektryczne zawarte w skrawkach mogą się nieco przesuwać: odepchnięte przez laskę ładunki ujemne znajdują się ciut dalej niż ładunki dodatnie, która laska przyciąga. Ta drobna różnica odległości sprawia to, że skrawki są bardziej przyciągane, niż odpychane.

Niektóre skrawki po dotknięciu laski przejmują jej ładunek i w tym momencie są od niej gwałtownie odpychane.

Przewodniki też są przyciągane w ten sposób: ładunki w puszce (w metalach są to ujemne elektrony) przesuwają się i wypadkowa siła jest przyciągająca.

Powiedzieliśmy, że po potarciu laska z tworzywa sztucznego nie jest obojętna elektrycznie - jest naładowana. Możemy ten ładunek w jakis sposób zmierzyć? Oczywiście. Służy do tego elektroskop.

Poniżej przedstawiono schematycznie sposób jego działania. Zbliżająca się naelektryzowana laska (w tym przypadku ujemnie) powoduje przesuwanie się ładunków elektrycznych (w tym przypadku elektronów) ku dołowi części pomiarowej części elektroskopu. Ładunki jednoimienne się odpychają, więc wskazówka, która posiada ten sam znak, co jej stabilizator odchyla się od niej.   

A tak to wygląda w doświadczeniu. Na początku elektroskop naładowany jest nietrwale (kiedy oddalilibyśmy laske pokazywałby 0 V). Po dotknięciu (słychać trzask przeskakującej iskry) ładunek pozostaje na listkach aż do ich zobojętnienia (uziemienia).

Inny sposób uziemienia elektroskopu. Warto zwrócić uwagę na jednostkę, w której mierzy. Oznaczenie kV (kilo Volt - 1000 Woltów) nie jest błędem drukarskim przy jego produkcji. Ładunek, który jest zgromadzony na lasce faktycznie powoduje naładowanie elektroskopu do napięcia ponad 4000 V. Tego napięcia nie należy się oczywiście obawiać, bo ładunek przenoszony przez laskę jest bardzo, bardzo mały.

Na koniec tej części opracowania przyjrzymy się siłę, która powodowała efekty w powyższych doświadczeniach. Siłą tą jest siła Coulomba:

gdzie q - ładunki, r odległość pomiędzy nimi, k - współczynnik proporcjonalności zależny od przenikalności elektrycznej ośrodka, w którym znajdują się ładunki.

Doświadczalnie siłę Coulomba można zademonstrować tak:

JW Player goes here

 

Proste doświadczenia z fizyki

Wybór doświadczeń, tekst, multimedia: mgr K. Służewski

Projekt dydaktyczny: prof. G. Karwasz

 

 

Doświadczenie "choinkowe", bałwanek, cekiny: G. Karwasz

 

Uwagi dla nauczyciela (GK)

Są to znane doświadzcenia z elektrostatyki. Ich innowacyjność polega na:

1. kwantyfikacji ładunku w doświadczeniu z papierowymi "cekinami" o jednolitych rozmiarach

2. to samo doświadczenie pokazuje, że cekiny odskakują od laski po naładowaniu się - mozna obserwować piękne paraboliczne trajektorie

3. kwantyfikacji mierzonego potencjału w elektroskopie: powstający potencjał, poprzez pojemność elektryczną (mierzoną w faradach) jest miarą przekazanego (lub indukowanego) ładunku, ale elektroskop wycechowany jest w kV.

 

Unikamy stwierdzeń:

1. "ładunki w papierkach przemieściły się" - nie jest to przesuwanie się ładunków ale polaryzacja przez ukierunkowanie dipoli i/lub polaryzacja elektronowa w pojedycznych atomach/ cząsteczkach

2. "laska naładowała się ujemnie". Alessandro Volta sporządził "szereg elektrostatyczny", od szkła przez siarkę i żywice chcąc uszeregować powstające napięcia elektrostatyczne, ale nie był to do końca udany pomysł (zob. 202 lata ogniwa Volty, na stornach "Fizyki zabawek"). Znak ładunku jest do ustalenia, w zasadzie każdorazowo. Spodziewamy się, że materiały plastikowe ładują się ujemnie, a szkło dodatnio. Problem zostanie umówiony w oddzielnym artykule.

3. "ładunkami przepływającymi są elektrony" - w półprzewodnikach mogą przepływac również tzw. "dziury" (choć jest to przepływ "braku" elektronu), w gazach i cieczach jony (w gazach głównie jony dodatnie).

 

Doświadczenia z elektrostatyki najlepiej demonstrować zimą, kiedy wilgotność (absolutna) powietrza jest najmniejsza. Laski, elektroskop (i maszynę elektrostatyczną) warto dodatkowo ogrzać/ wysuszyć na kaloryferze.

 

Literatura (na stronach ZDF)

A. Okoniewska, G. Karwasz, 202 lat ogniwa Volty

M. Sadowska, G. Karwasz, Stara, poczciwa maszyna (elektrostatyczna)

prace studenckie w dziale: Publikacje dydaktyczne "Elektryczność"