Czy proces elektryzowania prowadzi do wytwarzania elektronów? Czy nadwyżka ładunku w jednym miejscu odpowiada zawsze jego niedomiarowi w innym? Czy można uzyskać ładunek ujemny bez wytworzenia ładunku dodatniego? Jeśli chcesz poznać odpowiedzi na te pytania, czytaj dalej.

Jeżeli poprzez pocieranie kawałkiem zwykłego materiału równie zwyczajnej bryłki bursztynu możliwe jest wygenerowanie ładunku elektrycznego, to czy ładunki te biorą się znikąd? Przeczy to zdrowemu rozsądkowi, ale jakie jest w takim razie wyjaśnienie tego znanego od ponad 2,5 tysiąca lat zjawiska?
Już wiesz
  • opisać gromadzenie się ładunkow na powierzchni ciał;

  • wymienić nośniki ładunku elektrycznego, czyli elektrony swobodne i jony;

  • wymienić sposoby elektryzowania ciał: tarcie, dotyk i indukcja;

  • opisać siłę oddziaływania elektrycznego jako siłę zależną od znaku i wartości ładunków oraz od odległości między ciałami;

  • podać wyjaśnienie, dlaczego ciałami dobrze przewodzącymi prąd elektryczny są metale, elektrolity i zjonizowane gazy.

Nauczysz się
  • stosować zasadę zachowania ładunku, aby wyjaśnić zjawisko elektryzowania ciał;

  • podawać przykłady zjawisk fizycznych, które spełniają zasadę zachowania ładunku elektrycznego.

W życiu codzienny często możemy zaobserwować skutki elektryzowania się ciał. Przykładowo: podczas zdejmowania swetra, słyszymy ciche trzaski, a w trakcie czesania grzebień przyciąga ku sobie końcówki włosów. Wszystkie te ciała (włosy, sweter i grzebień) stały sie naelektryzowane, zyskały ładunek elektryczny.

Aby wyjaśnić zjawisko elektryzowania się ciał, przyjęto, że ładunki elektryczne mogą być dodatnie albo ujemne. Szybko jednak pojawiły się kolejne wątpliwości. Czy liczba zgromadzonych ładunków dodatnich musi zawsze odpowiadać liczbie ładunków ujemnych? Czy można stworzyć ładunek elektryczny? A może istnieje sposób na jego zniszczenie? W tym rozdziale spróbujemy znaleźć odpowiedzi na wszystkie postawione pytania.

Doświadczenia, jakie wykonasz na dzisiejszej lekcji, pozwolą potwierdzić, że w zjawiskach elektryzowania ciał spełniona jest zasada zachowania ładunku.

Zapamiętaj!

Ładunki elektryczne nie giną ani nie można ich stworzyć.
Należy pamiętać o tym, że zasada zachowania ładunku spełniona jest wyłącznie w tzw. układach izolowanych elektrycznie, czyli takich, które nie wymieniają ładunków z otoczeniem.

editor.block.Reguła: Zasada zachowania ładunku

W układach izolowanych sumaryczny ładunek (algebraiczna suma ładunków dodatnich i ujemnych) nie ulega zmianie.

Polecenie 1

Wykonaj poniższe doświadczenie. Jak zinterpretujesz jego wynik? Napisz samodzielnie podsumowanie.

Doświadczenie 1
Problem badawczy

Czy spełniona jest zasada zachowania ładunku elektrycznego?

Hipoteza

Równa wartość ładunku elektrycznego zgromadzonego na elektroskopach potwierdza prawdziwość zasady zachowania ładunku.

Co będzie potrzebne
  • dwa elektroskopy;

  • metalowy łącznik;

  • pałeczka

    ebonitowa lub rurka z PVC;

  • wełniana szmatka.

Instrukcja
  1. Umieść dwa elektroskopy obok siebie.

  2. Połącz je ze sobą za pomocą łącznika.

  1. Naelektryzuj pałeczkę ebonitową lub rurkę przez tarcie.

  2. Zbliż pałeczkę do kulki jednego z elektroskopów (ale jej nie dotykaj).

  1. Oddal łącznik od elektroskopów.

  2. Odsuń pręt (przynajmniej na odległość jednego metra).

  1. Obserwuj wychylenia wskazówek elektroskopów.

  2. Ponownie połącz ze sobą elektroskopy za pomocą łącznika.

Zapisz w zeszycie kolejne obserwacje. O czym świadczy to, że wskazówki obu elektroskopów opadły po ich połączeniu? Zapisz dwa wnioski: jeden dotyczący znaku ładunkow na każdym z elektroskopów a drugi wielkości tych ładunków

Zasada zachowania ładunku pozwala nam lepiej zrozumieć i opisać przebieg wielu zjawisk fizycznych, w tym omawianego już zjawiska elektryzowania ciał.

Podczas elektryzowania przez tarcie ciała uzyskują ładunki różnoimiennie. Jedno z ciał „oddaje” określoną liczbę elektronów swobodnych, a drugie je „przyjmuje”. Ładunek elektryczny nie powstaje wskutek elektryzowania – jedynie się przemieszcza. Całkowity ładunek zgromadzony na obu ciałach nie ulega zmianie, jest tylko inaczej rozmieszczony. Sprawdź w poniższej animacji, że suma algebraiczna ładunków przed pocieraniem była równa zero i po naelektryzowaniu laski ebonitowej (lub rurki z PVC) jest także równa zero.

Jeśli ciało naelektryzowane dotknie ciała nienaelektryzowanego, ładunek ujemny przechodzi albo z ciała naelektryzowanego (jeżeli miało ono nadmiarowy ładunek ujemny) na ciało obojętne elektrycznie, albo z ciała obojętnego elektrycznie na ciało naładowane (jeżeli miało ono nadmiarowy ładunek dodatni).

W rezultacie ciało początkowo obojętne elektrycznie po zakończeniu opisywanego procesu ulega naelektryzowaniu. Zmienia się rozkład ładunku, ale nie jego wartość ani znak. Ciało obojętne elektrycznie zyskało ładunek kosztem ciała naelektryzowanego; jedno zyskało tyle, ile drugie straciło.

Jak to jest możliwe, aby np. ładunki ujemne przeszły na obojętną elektrycznie kulkę, albo odwrotnie - z kulki na rurkę? Wyjaśnienie znajduje się poniżej.

Elektryzowanie przez indukcję prowadzi do przesunięcia ładunku (w przewodniku) lub jegopolaryzacji(w izolatorze). W przewodniku znajdują się swobodne nośniki ładunku ujemnego – elektrony.

Jeżeli do przewodnika obojętnego elektrycznie zbliżamy (ale nie dotykamy) pałeczkę naładowaną ujemnie, to elektrony w przewodniku odsuwają się jak najdalej od pałeczki. W części przewodnika, która jest bliżej pałeczki, powstaje nadmiar ładunku dodatniego a na przeciwnej stronie – nadmiar ładunku ujemnego.

Jeżeli do przewodnika zbliżamy pałeczkę naładowaną dodatnio, to elektrony w przewodniku przejdą na stronę przewodnika będącą bliżej pałeczki. Powstanie tam nadmiar ładunku ujemnego, a z przeciwnej strony przewodnika – nadmiar ładunku dodatniego.
Jeżeli zbliżamy naelektryzowaną ujemnie pałeczkę do izolatora obojętnego elektrycznie to możemy wywołać dwie różne reakcje. Jego dipole elektryczne mogą się ustawić tak, aby ich bieguny dodatnie znajdowały się jak najbliżej pałeczki (jeżeli zbliżymy pałeczkę naładowaną dodatnio, to oczywiście będzie odwrotnie). Dipole wytworzone w obojętnym ciele będą również zorientowane w taki sam sposób.

W obu sytuacjach nastąpi jedynie rozdzielenie istniejącego ładunku elektrycznego (nie powstanie żaden nowy ładunek).

Uwaga: co sie stanie z ładunkami ujemnymi na kulce po dotknięciu kulki naładowaną dodatnio rurką? Czy ładunek kulki dalej będzie równy zero? Jak zmieni się ładunek na rurce? Powyższa symulacja pokazuje zjawiska podczas zbliżania dodatnio naładowanego ciała do kulki z przewodnika. Jak wyglądałyby te zjawiska, gdyby do metalowej kulki zbliżało się ciało naładowane ujemnie?

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ciekawostka

Zasada zachowania ładunku pozwoliła wyjaśnić m.in. reguły rządzące przepływem prądu elektrycznego. Dzięki niej wiadomo, że węzły sieci elektrycznej nie wytwarzają ładunku. Z tego natomiast można wywnioskować, że liczba ładunków wpływających do węzła jest równa liczbie ładunków z niego wypływających. Tę zasadę nazywamy pierwszym prawem Kirchhoffa.

Ciekawostka

Zasada zachowania ładunku jest fundamentalnym prawem opisującym przebieg wielu zjawisk w mikroświecie, np. anihilacji par cząstek elektron – pozyton.

Podsumowanie

  • Ładunki elektryczne nie giną ani nie można ich stworzyć – mogą jedynie się przemieszczać.

  • W układach izolowanych elektryczniesumaryczny ładunek elektryczny (algebraiczna suma ładunków dodatnich i ujemnych) nie ulega zmianie.

  • Dwa powyższe stwierdzenia są niezależnymi sformułowaniami zasady zachowania energii; każde z nich podkreśla inny aspekt tej zasady.

  • Układ ciał izolowany elektrycznie to układ, w którym nie dochodzi do wymiany ładunków z otoczeniem.

  • Zasada zachowania ładunku pozwala wyjaśnić przebieg wielu zjawisk, do których należą elektryzowanie ciał (przez tarcie, dotyk i indukcję), zasady rządzące przepływem prądu elektrycznego (pierwsze prawo Kirchhoffa) i wiele zjawisk w mikroświecie, np. reakcje jądrowe.

Słowniczek

ładunek elektryczny

– wielkość fizyczna mająca wpływ na właściwości materii. Ciała mogą być obojętne elektrycznie, naładowane dodatnio lub mieć ujemny ładunek elektryczny. Oddziaływanie między ciałami obdarzonymi ładunkami jednoimiennymi (czyli mającymi taki sam znak) ma charakter odpychający, oddziaływanie między ciałami mającymi ładunki różnoimienne (czyli mającymi różne znaki) – przyciągający.

polaryzacja dielektryczna

– zjawisko powstawania dipoli w dielektryku lub zjawisko zmiany orientacji (uporządkowania) dipoli już istniejących dipoli.

pozyton (e+)

– antycząstka elektronu; jego masa i wartość ładunku są takie same jak w elektronie. Ładunek przenoszony przez pozyton jest dodatni (w odróżnieniu od elektronu, który przenosi ładunek ujemny).

pierwsze prawo Kirchhoffa

– prawo mówiące, że suma natężeń prądu wpływającego do węzła sieci elektrycznej jest równa sumie natężeń prądu z niego wypływającego.

układ izolowany elektrycznie

– układ ciał, w którym nie dochodzi do wymiany ładunku elektrycznego z otoczeniem.

węzeł sieci elektrycznej

– miejsce, w którym rozgałęziają się przewody elektryczne.

zasada zachowania

– obowiązujące prawo fizyczne dotyczące m.in. energii mechanicznej i ładunku elektrycznego. Zgodnie z tą zasadą dana wielkość fizyczna jest zachowana, czyli nie zmienia się w pewnych warunkach.

Zadania podsumowujące lekcję

Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4