W tym dziale przedstawiliśmy informacje o ładunkach elektrycznych, ich pochodzeniu, rodzajach oraz prawach rządzących oddziaływaniami między tymi ładunkami. Pokazaliśmy, jak można przekonać się o istnieniu ładunków i sprawdzić, od czego zależy siła ich wzajemnego oddziaływania. Podaliśmy klasyfikację materiałów ze względu na właściwości elektryczne oraz przedstawiliśmy przykłady izolatorów i przewodników elektrycznych.

Elektrostatyka, choć wydaje się prostym i dość ograniczonym działem fizyki, kryje w sobie wiele tajemnic. Przykładowo: dlaczego materiały i substancje będące dobrymi izolatorami w pewnych warunkach mogą całkiem dobrze przewodzić prąd elektryczny? Najbardziej znanym przykładem tego zjawiska jest uderzenie pioruna

1. Elektryzowanie ciał

Ciała można elektryzować przez:

  • tarcie;

  • dotyk;

  • *indukcję.

  1. Elektryzowanie ciał przez tarcie polega na pocieraniu (oddziaływaniu mechanicznym) o siebie dwóch ciał, pierwotnie obojętnych elektrycznie. Pewna liczba elektronów (obdarzonych ładunkiem ujemnym) przechodzi wtedy z jednego ciała do drugiego. W efekcie na jednym ciele powstanie nadmiar elektronów, czyli ładunku ujemnego, a na drugim – nadmiar ładunku dodatniego (niedobór elektronów). Ostatecznie oba ciała są naelektryzowane ładunkami o tej samej wartości, ale przeciwnym znaku.

  2. Elektryzowanie przez dotyk polega na dotknięciu ciała pozbawionego ładunku ciałem naelektryzowanym. Jeżeli jest ono naładowane dodatnio, to elektrony przechodzą z ciała obojętnego elektrycznie na ciało naelektryzowane. Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane ujemnie, to elektrony przechodzą z niego na ciało obojętne elektrycznie. W efekcie na obu ciałach gromadzi się ładunek elektryczny tego samego znaku.
    Uwaga: elektryzowanie przez dotyk musi być poprzedzone przemieszczeniem się ładunku w ciele, które chcemy naelektryzować.

  3. *Elektryzowanie przez indukcję polega na zbliżeniu (na pewną odległość) ciała naładowanego do innego ciała. W efekcie następuje przemieszczanie się elektronów swobodnych: bliżej ciała naelektryzowanego gromadzi się (indukuje) ładunek o znaku przeciwnym niż ładunek ciała naelektryzowanego, a na przeciwnej stronie tego ciała – ładunek mający taki sam znak. Efekt ten znika, gdy oddalimy ciało naelektryzowane.

2. Ładunek elektryczny

Materia zbudowana jest z ogromnej liczby atomów, a te składają się z cząstek elementarnych. Niektóre z nich są obdarzone ładunkiem elektrycznym:

  • elektrony – ładunkiem ujemnym;

  • protony – ładunkiem dodatnim.

W ciele obojętnym elektrycznie liczba elektronów jest równa liczbie protonów.
W ciele naładowanym ujemnie liczba elektronów jest większa od liczby protonów.
W ciele naładowanym dodatnio liczba elektronów jest mniejsza od liczy protonów.
Ładunek elektryczny oznaczany jest najczęściej literą Q lub q.
Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb; oznaczmy go literką „C”.

3. Oddziaływanie ładunków elektrycznych

  1. Ciała obdarzone ładunkiem elektrycznym oddziałują wzajemnie jeden na drugi siłą elektrostatyczną:

    • gdy ich ładunki są tego samego znaku (jednoimienne), ciała się odpychają;

    • gdy ich ładunki są przeciwnego znaku (różnoimienne), ciała się przyciągają.

  2. Oddziaływanie elektrostatyczne jest wzajemne.

  3. Wartość siły elektrycznej zależy zarówno od wartości ładunku zgromadzonego na ciałach, jak i o dodległości między nimi:

    • im większa wartość ładunku, tym większa siła elektrostatyczna;

    • im większa odległość między ciałami, tym mniejsza siła elektrostatyczna.

  4. Prawo wiążące siłę elektrostatyczną z wartością ładunków i odległością między naelektryzowanymi ciałami nazywamy prawem Coulomba.

Prawo: prawo Coulomba

Siła wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych Q1Q2 jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.
Twierdzenie to można zapisać za pomocą wzoru:

F=kQ1·Q2r2

gdzie:
F – siła;
k – stała elektrostatyczna; k=9·109N·m2C2;
Q1, Q2 – punktowe ładunki elektryczne;
r – odległość między punktowymi ładunkami elektrycznymi.

Z prawa Coulomba wynika, że gdy odległość ładunków jest stała, to siła wzajemnego oddziaływania rośnie tyle razy ile razy wzrośnie każdy ładunek - gdy każdy z nich wzrośnie np. dwa razy, to siła wzrośnie 4 razy, gdy tylko jeden wzrośnie np 3 razy, to siła wzrośnie 3 razy. Przy stałej wartości ładunków siła maleje ze wzrostem odległości - np. dwukrotny wzrost odległości powoduje czterokrotne zmniejszenie wartości siły.

4. Ładunek elementarny

Ładunek elementarny to najmniejsza porcja ładunku, jaką można przenieść z jednego ciała na drugie. Oznaczamy go literą „e”. Ładunek elementary jest równy wartości ładunku, jaki posiadają elektron lub proton, i wynosi 1,602·10-19 C.
Wartość każdego ładunku elektrycznego jest wielokrotnością ładunku elementarnego:

Q=n·e

5. Zasada zachowania ładunku

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

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

  3. Dwa powyższe stwierdzenia są niezależnymi sformułowaniami zasady zachowania ładunku; każde z nich podkreśla jej inny aspekt.

  4. W układzie izolowanym elektrycznie nie dochodzi do wymiany ładunków z otoczeniem.

  5. 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.

6. Przewodniki i izolatory

  1. Ze względu na łatwość, z jaką ciała przewodzą prąd elektryczny, dzielimy je na:

    • przewodniki;

    • izolatory;

    • *półprzewodniki.

  2. Przewodniki to ciała dobrze przewodzące prąd, zawierające cząstki naładowane, które mogą się swobodnie wewnątrz nich przemieszczać. Cząstki te nazywamy nośnikami prądu.
    Przewodnikami są:

    • metale (złoto, srebro, miedź, glin) – nośnikami prądu są w nich elektrony;

    • elektrolity, czyli ciecze przewodzące prąd (roztwory kwasów, zasad i soli, w tym płyny ustrojowe organizmów żywych), a nośnikami prądu są w nich jony;

    • zjonizowane gazy (gazy zamknięte w świetlówkach i lampach neonowych, iskra, błyskawica) – nośnikami prądu są w nich elektrony i jony.

  3. Izolatory to substancje, które nie przewodzą prądu elektrycznego. Cząstki obdarzone ładunkiem nie mogą się w nich swobodnie przemieszczać;

    • do izolatorów zalicza się m.in. gumę, szkło, styropian, papier, suche drewno, tworzywa sztuczne i suche powietrze;

    • izolatory znajdują szerokie zastosowanie jako materiały zabezpieczające przed porażeniem prądem elektrycznym.

  4. *Półprzewodnik to materiał wykazujący właściwości przewodnika oraz izolatora.

    • przykładem półprzewodników są krzem i german;

    • najważniejszą cechą półprzewodników jest to, że możemy zmieniać ich zdolność przewodzenia prądu przez wprowadzenie pewnych domieszek;

    • półprzewodniki znalazły zastosowanie głównie w przemyśle – wykorzystuje się je do wyrobu elementów elektronicznych takich jak tranzystory, diody, układy scalone i elementy pamięci;

    • zdolność przewodzenia prądu przez półprzewodniki rośnie wraz ze wzrostem temperatury (odwrotnie niż u przewodników). Dzieje się tak, ponieważ ze wzrostem temperatury wzrasta liczba swobodnych nośników ładunku.

Test

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5
Ćwiczenie 6
Ćwiczenie 7
Ćwiczenie 8
Ćwiczenie 9

Zadania

Polecenie 1

Plastikowa linijka potarta o wełniany szalik naelektryzowała się ujemnie.

  1. Napisz, jakie cząstki elementarne zostały przemieszczone miedzy linijką a szalikiem.

  2. Zostały one przeniesione z szalika na linijkę czy odwrotnie?

  3. Czy szalik też się naelektryzował? Jeśli tak, to jakiego znaku i jakiej wartości jest ładunek uzyskany przez szalik?

Polecenie 2

Napisz, jak powstają jony dodatnie, a jak – ujemne.

Polecenie 3

W części wstępnej tego podręcznika (klasa pierwsza) napisano, że oddziaływania między ciałami dzielimy na oddziaływania bezpośrednie i oddziaływania na odległość. Do której grupy zaliczysz oddziaływanie między naelektryzowanymi balonikami? Odpowiedź uzasadnij.

Polecenie 4

W podręczniku biologii napisano: „Zapylanie kwiatów zależy od owadów przenoszących ziarenka pyłku z kwiatu na kwiat. Jeden ze sposobów, w jaki pszczoły mogą to zrobić, polega na elektrostatycznym zbieraniu ziaren pyłku. Pszczoły są zwykle naładowane dodatnio. Gdy pszczoła zawisa w pobliżu pylnika kwiatu, ziarenka pyłku padają na pszczołę i są przez nią przenoszone do następnego kwiatu”.

  1. Wyjaśnij, dlaczego ziarenka pyłku spadają na pszczołę.

  2. Czy ziarenko pyłku ma kontakt elektryczny z ciałem pszczoły? Wskazówka: zastanów się, jaki ładunek elektryczny miałoby ziarenko połączone z pszczołą.

Polecenie 5

Na długiej nici wisi styropianowa kulka. Wiadomo, że jest ona naelektryzowana, ale nie wiemy, jaki znak ma zgromadzony na niej ładunek. Zaproponuj doświadczenie pozwalające rozpoznać znak tego ładunku. Wskaż materiały potrzebne do przeprowadzenia eksperymentu, które stosunkowo łatwo znajdziesz w domu lub w klasie.

Polecenie 6

Na skutek tarcia powietrza o jadący samochód jego karoseria się elektryzuje. Czy gumowe opony stanowią uziemienie karoserii? W swojej odpowiedzi odwołaj się do pojęcia przewodnika i izolatora.

Polecenie 7

*Aby zapobiec elektryzowaniu się ubrań lub sprzętu elektronicznego, stosuje się różne środki antyelektrostatyczne. Powinny być one przewodnikami czy izolatorami? Odpowiedź uzasadnij.