Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

Jeśli chcesz poznać mechanizm elektryzowania ciał, wiedzieć, jak przebiega proces tworzenia się chmur burzowych, a dzięki wiedzy o elektryczności sterować ruchem puszki – czytaj dalej.

Ręczna maszyna elektrostatyczna opracowana w drugiej połowie XIX wieku przez Jamesa Wimshursta umożliwia wytwarzanie napięcia rzędu dziesiątków tysięcy woltów generujących efektowne wyładowania
Już wiesz
  • opisać gromadzenie się ładunków elektrycznych w ciałach;

  • wskazać, że ładunki jednoimienne się odpychają, a różnoimienne – przyciągają;

  • opisać zjawisko przemieszczania się elektronów między ciałami stałymi;

  • opisać oddziaływanie nieruchomych ładunków elektrycznych i zależność siły oddziaływania od wielkości ładunków i ich odległości.

Nauczysz się
  • elektryzować ciała przez tarcie, dotyk i indukcję (zwaną też influencją lub wpływem);

  • opisywać działanie elektroskopu;

  • opisywać proces powstawania pioruna;

  • opisywać działanie instalacji odgromowej;

  • analizować i omawiać wyniki doświadczeń dotyczących elektryzowania ciał.

1. Elektryzowanie ciał przez tarcie

Ze zjawiskiem elektryzowania ciał przez tarcie spotykasz się w życiu codziennym, np. podczas rozczesywania suchych włosów po kąpieli. Możesz wówczas zaobserwować, że ich końce unoszą się w stronę grzebienia, a poszczególne włosy się odpychają. Podobny efekt możesz uzyskać, gdy będziesz pocierać nadmuchanym balonem o wełniany sweter.
Zjawisko to daje się wytłumaczyć jedynie na poziomie mikroświata.

Polecenie 1

A teraz obejrzyj film o elektryzowaniu się włosów.

Film ilustruje efekt elektryzowania się włosów przez tarcie. Polega ono na przemieszczaniu się elektronów z jednego ciała na drugie, które elektryzują się ładunkami o przeciwnych znakach. Włosy mają nadmiar jedego rodzaju ładunków i się wzajemnie odpychają ale przyciągane są przez grzebień, który naelektryzował się ładunkiem przeciwnego znaku niż włosy.

Częstym zjawiskiem sa wyładowania elektryczne podczas burzy. Jak powstaje takie zjawisko? Na rysunku poniżej możecie prześledzic obieg wody w przyrodzie:

W chmurach występują ruchy pionowe kropelek wody lub kryształków lodu. Występujące wtedy tarcie powoduje naelektryzowanie różnych części chmury. W poszczególnych fragmentach chmury mamy albo nadmiar ładunków dodatnich albo ujemnych. To różne naelektryzowanie jest przyczyną tego, że w pewnej chwili możliwy jest przepływ ładunku pomiędzy dwiema chmurami, pomiędzy dwiema częściami chmury lub pomiędzy chmurą a powierzchnią Ziemi. Obserwujemy wówczas wyładowania elektryczne.

Takie wyładowania są niezwykle efektowne, a napięcie elektryczne tuż przed wyładowaniem sięga kilkudziesięciu milionów woltów. Piorun, czyli gwałtownie wyzwolona energia, niesie za sobą duże zagrożenie dla ludzi, budynków, drzew itd. Ochronę przed tego typu niebezpieczeństwem gwarantuje zamontowanie piorunochronu. O jego działaniu dowiesz się więcej w dalszej części podręcznika.

elektryzowanie ciał przez tarcie

– zjawisko zachodzące podczas pocierania (oddziaływania mechanicznego) o siebie dwóch ciał obojętnych elektrycznie. W wyniku tarcia ciał niewielka ilość ładunku ujemnego (elektronów) przechodzi z jednego ciała na drugie; na jednym ciele powstaje nadmiar ładunku dodatniego, a na drugim – ładunku ujemnego (oba ładunki mają taką samą wartość).

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3

2. Elektryzowanie ciał przez dotyk

Jednym ze sposobów elektryzowania ciał jest elektryzowanie przez dotyk. Zjawisko to zachodzi podczas zetknięcia ciała naładowanego elektrycznie z ciałem nienaelektryzowanym. W trakcie zbliżania do siebie obu ciał ładunki elektryczne rozdzielają się na ciele nienaelektryzowanym i grupują w różnych obszarach tego ciała. To zaś może prowadzić do przenoszenia części tak zgrupowanych ładunków na inne ciała i powstawania nadmiaru ładunków elektrycznych o jednym znaku – czyli naelektryzowania ciała.

Przykładowo: jeżeli szklaną pałeczkę naładowaną dodatnio zbliżymy do metalowego ciała (w metalu ładunki elektryczne mogą się swobodnie przemieszczać), to ładunki ujemne znajdujące się w tym ciele zgromadzą się w obszarze znajdującym się możliwie jak najbliżej pałeczki. Po zetknięciu ze sobą obu ciał pewna ilość ładunków ujemnych przechodzi z metalowego ciała na pałeczkę, na metalu powstaje więc nadmiar ładunków dodatnich. Rezultatem jest naelektryzowanie metalowego obiektu ładunkiem dodatnim. Jeżeli natomiast zbliżymy do pałeczkę naładowaną ujemnie (może być to rurka ebonitowa lub innego tworzywa), to na metalowym ciele ładunki ujemne, odepchnięte przez ładunki ujemne na pałeczce, przemieszczają się na przeciwną stronę tego ciała. W tym momencie po stronie metalowego obiektu znajdującej się w pobliżu pałeczki (lub rurki) powstaje nadmiar ładunku dodatniego i po zetknięciu pałeczki z metalem ładunki ujemne z pałeczki przechodzą na metalowe ciało. Ostatecznie oba ciała elektryzują się ładunkiem takiego samego znaku.

Gdy ciałem obojętnym elektrycznie jest izolator, to ładunek elektryczny, który przepłynie na to ciało, będzie niewielki i zlokalizowany (umieszczony w miejscu zetknięcia obu ciał). Zespół zjawisk powodujących zarówno rozdzielenie ładunków w izolatorach, jak i przepływ ładunku jest bardziej złożony.

Elektryzowanie przez dotyk znalazło zastosowanie w przyrządzie laboratoryjnym nazywanym elektroskopem. Zapoznaj się z filmem i rozwiąż poniższe zadania.

Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5
Ćwiczenie 6

Dotknięcie elektroskopu ręką (gdy nie jesteśmy w żaden sposób naelektryzowani) lub nienaelektryzowaną rurką nie powoduje żadnych zmian położenia jego wskazówki. Jeśli jednak najpierw rurka zostanie naelektryzowana (np. przez tarcie laską ebonitową), a potem przyłożymy ją do elektroskopu, to jego wskazówka się wychyli. Im większy ładunek zostanie zgromadzony na rurce, tym większe będzie wychylenie wskazówki. Aby elektroskop znów stał się obojętny elektrycznie, wystarczy dotknąć go dłonią – wtedy ładunki elektryczne spłyną do ziemi.

Dotknięcie naelektryzowanego metalowego pręta elektroskopu sprawia, że elektrony się przemieszczają. Kierunek ich ruchu zależy od znaku ładunku naelektryzowanej rurki. Jeśli jest ona naelektryzowana ujemnie, to elektrony swobodne przepływają na metalowy pręt i wskazówkę, a gdy rurka jest naelektryzowana dodatnio, to elektrony przemieszczają się w odwrotnym kierunku, czyli na rurkę. Za każdym razem dochodzi do wychylenia wskazówki elektroskopu. Pełne wyjaśnienie tego zjawiska znajduje się w części rozszerzonej, opisującej elektryzowanie ciał przez indukcję.

elektryzowanie przez dotyk

– elektryzowanie polegające na dotknięciu ciałem naelektryzowanym ciała nienaelektryzowanego. W efekcie czego ładunki ujemne przemieszczają z jednego ciała do drugiego i oba ciała są naładowane ładunkiem tego samego znaku.

Ciekawostka

Benjamin Franklin, amerykański polityk i uczony poświęcał zagadnieniom sił elektrycznych znaczną część swojej pracy naukowej. Przeprowadził eksperyment, którym udało mu się udowodnić, że błyskawica to bardzo silne wyładowanie elektryczne. Eksperyment ten polegał na wypuszczeniu w trakcie burzy jedwabnego latawca z metalowym elementem, który został połączony z ziemią konopnym sznurkiem obciążonym przy ziemi metalowym kluczem. Układ składający się z dwóch metalowych elementów i sznura były w tym przypadku przewodnikiem prądu. Sam Franklin operował latawcem za pomocą jedwabnej taśmy, o której uczony wiedział, że nawet kiedy zmoknie, będzie mogła pełnić rolę izolatora. W trakcie wykonywania eksperymentu uczony zaobserwował silne elektryzowanie się sznura oraz przeskakiwanie pomiędzy kluczem i ziemią iskier elektrycznych. Na podstawie tych obserwacji Benjamin Franklin uzyskał potwierdzenie swojej hipotezy: błyskawica to silne wyładowanie elektryczne. Dzięki tej wiedzy skonstruował pierwszy piorunochron – był to miedziany pręt umieszczony na dachu.

Średnica pręta, z którego jest skonstruowany piorunochron, ma ok. 2 cm. Pręt połączony jest z długim miedzianym lub aluminiowym przewodem stykającym się z siatką przewodzącą umieszczoną pod warstwą ziemi. Piorunochrony zapewniają właściwe odprowadzenie ładunków elektrycznych do ziemi. Jeśli przewody nie będą wykonane z materiałów będących dobrymi przewodnikami ciepła i elektryczności i nie będą miały wystarczająco dużego przekroju powierzchni poprzecznej, to po uderzeniu pioruna może dojść do stopienia tych przewodów. Dom przestanie być wówczas chroniony i kolejne wyładowanie może być groźne dla ludzi przebywających w budynku i spowodować straty materialne.

Ciekawostka

Elektroskop został wykorzystany do pomiaru promieniowania kosmicznego.

3. Elektryzowanie przez indukcję (zwaną też influencją lub wpływem)

Trzecim sposobem elektryzowania jest indukcja. Jest to metoda, która nie wymaga bezpośredniego kontaktu między ciałami. Pozostają one w niewielkiej odległości od siebie, ale się nie stykają.

Zjawisko elektryzowania przez indukcję polega na zbliżeniu ciała naładowanego do ciała obojętnego elektrycznie. Efektem jest przesunięcie elektronów w przewodniku bądź polaryzacja atomów (cząsteczek) w izolatorze. By lepiej zrozumieć ten proces, wykonaj poniższe doświadczenie.

Doświadczenie 1
Problem badawczy

Czy można naelektryzować przewodnik przez indukcję?

Hipoteza

Elektryzowanie przez indukcję jest możliwe.

Co będzie potrzebne
  • rurka z tworzywa sztucznego (np. rura od odkurzacza);

  • wełniany koc lub sweter;

  • pusta aluminiowa puszka po napoju;

  • podłoże z izolatora (drewniany stół, podłoga itp.).

Instrukcja
  1. Znajdź takie podłoże, które jest wypoziomowane (puszka nie może się stoczyć).

  2. Naelektryzuj rurkę przez tarcie.

  3. Zbliż rurkę do puszki.

  4. Jeśli puszka nie zmienia swojej pozycji, spróbuj naelektryzować ją ponownie lub zmniejsz odległość między ciałami.

  5. Obserwuj, jak zachowuje się puszka.

  6. Przełóż rurkę z drugiej strony puszki.

  7. Zastanów się, co może być przyczyną ruchu puszki.

Podsumowanie

Jeśli puszka się toczyła, to udało ci się ją naelektryzować przez indukcję.

Ruch puszki wywołany zbliżeniem naelektryzowanej rurki z tworzywa sztucznego jest efektem procesów zachodzących w mikroświecie. Przyjrzyj się animacji.

Puszka się nie porusza, gdy zbliżamy do niej rurkę obojętną elektrycznie. Zakładamy, że w wyniku tarcia rurka elektryzuje się ujemnie. Zbliżenie jej do metalowej puszki wykonanej z materiału będącego dobrym przewodnikiem wywołuje przemieszczenie się elektronów swobodnych – przeważającym ładunkiem (od strony rurki) staje się ładunek dodatni. Działają wówczas dwie siły, tj. przyciągania i odpychania elektrostatycznego. Siła przyciągania występuje między ładunkami dodatnimi (gromadzącymi się powierzchni puszki od tej strony, z której do puszki zbliżona została ujemnie naładowana rurka) a ładunkiem naelektryzowanej rurki. Siła odpychania działa między elektronami swobodnymi zgromadzonymi z przeciwnej strony puszki a ujemnym ładunkiem rurki. Pamiętajmy, że siły oddziaływania elektrostatycznego są zależne od odległości między ciałami – im bliżej siebie znajdują się wzajemnie oddziałujące ciała, tym siła tych oddziaływań jest większa. W tym przypadku siła przyciągania, która jest efektem oddziaływania rurki z bliższą stroną puszki (tą, na której zebrały się ładunki dodatnie) ma więc większą wartość, niż siła odpychania, która jest efektem oddziaływania rurki z dalszą stroną puszki (tą, na której zebrały się ładunki ujemne). Ruchowi rurki towarzyszy ruch podążającej za nią puszki. Gdy oddalimy naelektryzowaną rurkę na odpowiednią odległość, elektrony swobodne na puszce wrócą na swoje właściwe miejsce (tj. do położenia początkowego) i ruch puszki ustanie.

Postawmy pytanie: Czy przez indukcję można naelektryzować np. papier?
Aby poznać odpowiedź, wykonaj poniższe doświadczenie.

Doświadczenie 2
Problem badawczy

Czy przez indukcję można naelektryzować izolator?

Hipoteza

Izolator można naelektryzować przez indukcję.

Co będzie potrzebne
  • plastikowa linijka lub rurka;

  • wełniany koc lub sweter;

  • skrawki papieru.

Instrukcja
  1. Potrzyj linijką (rurką) o koc (sweter) i zbliż ją do skrawków papieru.

  2. Obserwuj ich zachowanie.

Podsumowanie

Jeśli skrawki papieru zaczęły zbliżać się do rurki, to udało ci się naelektryzować przez indukcję.

Elektryzowanie przez indukcję polega na zbliżeniu ciała naelektryzowanego do ciała obojętnego elektrycznie. Wtedy wewnątrz niego przemieszczają się elektrony swobodne (metalowa puszka) lub powstają dipole elektryczne (papier). Siła odpychania między ciałami jest mniejsza niż siła przyciągania. Odsunięcie ciała naelektryzowanego od ciała początkowo obojętnego elektrycznie sprawia , że elektrony wracają na swoje miejsce.

indukcja elektrostatyczna

– przemieszczanie się elektronów swobodnych wewnątrz przewodnika lub powstawanie dipola elektrycznego (polaryzacja elektryczna cząsteczki albo atomu) w izolatorze. Zjawisko to zachodzi, gdy ciało naładowane elektrycznie znajduje się blisko ciała, które nie jest naelektryzowane.

Zapamiętaj!

Jeżeli zbliżymy ciało naelektryzowane do nienaelektryzowanego (ale go nie dotkniemy), natychmiast pojawi się efekt indukcji. Na części nienaelektryzowanego ciała położonej najbliżej ciała naładowanego wyindukowany zostanie ładunek przeciwnego znaku. Gdy następnie zetkniemy oba ciała ze sobą, ładunek ujemny przejdzie z ciała nienaelektryzowanego na naelektryzowane (albo odwrotnie: z ciała naelektryzowanego na nienaelektryzowane).
Zanim jakiekolwiek ciało zostanie dotknięte innym ciałem, oba te ciała należy do siebie zbliżyć. Z tego też powodu wystąpienie zjawiska przechodzenia ładunków po zetknięciu ze sobą dwóch ciał (elektryzowanie przez dotyk) zawsze jest poprzedzane wystąpieniem zjawiska indukcji.

Ćwiczenie 7
Ćwiczenie 8

Podsumowanie

  • Ciała można elektryzować na trzy sposoby: przez tarcie, dotyk i indukcję.

  • Podczas pocierania (oddziaływania mechanicznego) o siebie dwóch ciał obojętnych elektrycznie niewielka ilość ładunku ujemnego przechodzi z jednego ciała na drugie. W efekcie na jednym ciele powstaje nadmiar ładunku dodatniego, a na drugim – ładunku ujemnego. Zjawisko to nazywamy elektryzowaniem ciał przez tarcie.

  • Elektryzowanie przez dotyk polega na dotknięciu ciałem naelektryzowanym ciała nienaelektryzowanego. Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane dodatnio, to przechodzi na nie ładunek ujemny z ciała obojętnego elektrycznie. Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane ujemnie, to ładunek ujemny przechodzi z tego ciała na ciało obojętne elektrycznie. W efekcie na obu ciałach gromadzi się jednoimienny ładunek elektryczny.

  • Gdy ciało elektryzowane jest przez indukcję, to w wyniku zbliżenia ciała naładowanego do ciała obojętnego elektrycznie obojętnego, na tym drugim pojawiają się dwie grupy ładunków o przeciwnych znakach.

  • Indukcja elektrostatyczna polega na przemieszczaniu się elektronów swobodnych wewnątrz przewodnika lub na powstawaniu dipola elektrycznego (polaryzacja elektryczna cząsteczki albo atomu) w izolatorze. Proces ten zachodzi, kiedy ciało naładowane elektrycznie znajduje się blisko ciała obojętnego elektrycznie.

Praca domowa
Polecenie 2.1

Zastanów się, kiedy najczęściej dochodzi do burz w twojej okolicy. Możesz także sprawdzić, czy w najbliższym czasie są zapowiadane burze. Zorientuj się także, jak kosztowna jest instalacja piorunochronu. Na podstawie tych informacji odpowiedz na pytanie: Gdyby twoim zadaniem było zaplanowanie budowy domu (bloku), to czy twój projekt uwzględniałby zainstalowanie piorunochronu? Uzasadnij swoją odpowiedź w kliku zdaniach (5–10).

Polecenie 2.2

W internecie znajdź informację na temat domowych sposobów budowy elektroskopu. Spróbuj go skonstruować.

Zadania podsumowujące lekcję

Ćwiczenie 9
Ćwiczenie 10

Słowniczek

dipol elektryczny

– układ dwóch ładunków różnoimiennych o jednakowej wartości, które znajdują się w pewnej odległości od siebie.

elektroskop

– przyrząd laboratoryjny służący do wykrywania ładunku elektrycznego; wykorzystuje zjawisko wzajemnego odpychania się jednoimiennych ładunków elektrycznych.

Benjamin Franklin

Jeden z inicjatorów powstania Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej. Zaangażowany w życie polityczne, przez trzy lata był prezydentem Pensylwanii. Miał wiele zainteresowań, do których należały m.in. meteorologia, oceanografia, elektryczność i teoria światła. Jako pierwszy wprowadził pojęcie ładunków dodatnich i ujemnych.

polaryzacja cząsteczkowa

– zjawisko, do którego dochodzi na skutek oddziaływania cząsteczki z ładunkami elektrycznymi znajdującymi sie w pobliżu. Cząsteczki, które mają różnoimienne ładunki elektryczne, pod wpływem pola elektrycznego się przesuwają. W efekcie powstaje dipol elektryczny.

polaryzacja elektronowa

– zjawisko, do którego dochodzi na skutek oddziaływania atomu z ładunkami elektrycznymi znajdującymi się w pobliżu. Pod wpływem tego oddziaływania ujemny ładunek powłoki elektronowej atomu przesuwa się w stosunku do dodatnio naładowanego jądra. W rezultacie powstaje dipol elektryczny.

promieniowanie kosmiczne

– strumień cząstek i promieniowania elektromagnetyczne dochodzącego do Ziemi z otaczającej ją przestrzeni kosmicznej. Jednym ze źródeł promieniowania kosmicznego jest Słońce.