ELEKTROSTATYKA Magda Maślankiewicz

Elektryczność była znana już starożytnym ludziom,  a grecki filozof i matematyk Tales zauważył że potarty bursztyn przyciąga lekkie ciała. Wszystkie ciała mające takie same własności jak potarty bursztyn nazywa się ciałami naelektryzowanymi. Dziś wiemy, że naelektryzować można wiele ciał w bardzo ławy sposób, jednakże dla Starożytnych było to odkrycie przypadkowe i przez wieki stanowiło tylko ciekawostkę. Dopiero w II połowie XVI wieku William Gilbert na podstawie licznych doświadczeń stwierdził, że przez tarcie można naelektryzować różne ciała. Wynalazł też prosty przyrząd - versorium, za pomocą którego badał przyciąganie  ciał naładowanych. Nazwa elektryczność pochodzi od greckiego słowa „elektron”, a elektron po grecku to bursztyn.  Elektryczność w naszych czaszach jest czymś normalnym i przypominamy sobie o niej w chwili jej braku. Tales z Miletu Potarty bursztyn przyciąga drobne kawałki papieru.

Materia Materia jest to wszytko, co posiada masę. Jest ona zbudowana z atomów, które składają się z cząsteczek elementarnych: neutronów, protonów i elektronów. Elektrony krążą wokół jądra. Pomiędzy jądrem a elektronami działa siła elektrostatycznego przyciągania. Elektrony są niejednakowo oddalone od jądra. Atom jest obojętny elektrycznie, bo liczba elektronów i protonów jest taka sama. Atomy różnych pierwiastków różnią się między sobą właśnie liczbąprotonów i elektronów. Jeśli jednak do obojętnego elektrycznie atomu zostanie przyłączony lub od niego oderwany jeden lub kilka elektronów, to staje się on jonem, który nie jest już obojętny elektrycznie: atom + elektron = jon ujemny, atom - elektron = jon dodatni.

Ładunki elektryczne Q=I t 1C= 1A 1s Istnieją dwa rodzaje ładunku elektrycznego: Dodatni Ujemny Ciała, w których znajdują się te same ilości protonów i elektronów (które się wzajemnie zobojętniają), są elektrycznie obojętne. Jeżeli ciało jest naelektryzowane, oznacza to, że nastąpiło zachwianie równowagi pomiędzy ilością ładunków poszczególnych elektronów. Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb. 1 kulomb (1C) jest to ładunek przepływający w czasie 1 sekundy przez poprzeczny przekrój przewodnik, w którym płynie prąd o natężeniu 1 ampera (1A) Q - ładunek elektryczny [C], t - czas przepływu prądu [s], I - natężenie prądu [A] Q=I t 1C= 1A 1s

Ładunki elektryczne oddziaływują na siebie wzajemnie Ładunki elektryczne oddziaływują na siebie wzajemnie. Rodzaj tego oddziaływania (przyciąganie lub odpychanie) zależy od znaku oddziaływujących na siebie ładunków. Przyciąganie będzie występowało wtedy, gdy ładunki mają przeciwne znaki (ładunki różnoimienne). -F F Odpychanie będzie występować wtedy, gdy ładunki mają te same znaki (ładunki jednoimienne). -F F -F F

Elektryzowanie ciał przez tarcie Elektryzowanie ciał to proces przekazywania im ładunku. Polega on na dodaniu, lub odebraniu elektronów z tego ciała. Wyróżniamy trzy sposoby elektryzowania: przez tarcie, dotyk i indukcję. Elektryzowanie ciał przez tarcie Elektryzowanie przez tarcie polega na przepływie elektronów z jednego ciała do drugiego podczas pocierania ich jedno o drugie. W ten sposób jedno ciało posiada ładunek dodatni, a drugie ujemny. Elektryzowanie ciał przez indukcję Elektryzowanie przez indukcję, czyli wpływ innego, znajdującego się w pobliżu ciała naładowanego, polega na przemieszczeniu się elektronów swobodnych wewnątrz metalu lub polaryzację atomów izolatora (powstają dipole elektryczne). W efekcie ciało jako całość nadal jest elektrycznie obojętne, ale jedną stronę ma naładowaną "+" a drugą "-". Elektryzowanie ciał przez dotyk Elektryzowanie przez dotyk (zetknięcie ciała naładowanego z ciałem nienaładowanym) polega na przejściu nadmiaru elektronów z jednego ciała na drugie [można powiedzieć, że ciało nienaładowane ma "nadmiar" elektronów w porównaniu z ciałem naładowanym "+", nastomiast "niedomiar" w

Doświadczenie Przyrządy: kulka metalowa przymocowana do nieprzewodzącej nici, statyw z uchwytem wykonanym z izolatora, laska ebonitowa i laska szklana Przebieg doświadczenia: Kulkę wieszamy na statywie, tak aby niczego nie dotykała. Laskę ebonitową elektryzujemy pocierając suknem, a następnie dotykamy nią kulki. Obserwacje : Kulka po zetknięciu z naelektryzowanym ciałem natychmiast od niego odskakuje. Wnioski : - Jeżeli ciało naelektryzowane ujemnie zetkniemy z ciałem elektrycznie obojętnym to nadmiar elektronów rozdzieli się na dwa ciała (część elektronów przemieszcza się z ciała naelektryzowanego do ciała elektryzowanego). W efekcie oba ciała są naelektryzowane ładunkiem tego samego znaku. - Jeżeli ciało naelektryzowane dodatnio zetkniemy z ciałem nienaelektryzowanym, to część elektronów z ciała obojętnego eletrycznie przemieści się na ciało naelektryzowane i ładunek dodatni zostanie na nim zmniejszony. Jednocześnie ciało obojętne w wyniku utraty części elektronów naelektryzuje się dodatnio. Laska ebonitowa naelektryzowana ujemnie (-) Laska szklana naelektryzowana dodatnio (+)

Doświadczenie. Polaryzacja w strumieniu wody. Z naczynia A wypływa cienka struga wody . Po zbliżeniu do strugi naelektryzowanej ujemnie pałeczki P (ebonitowa potarta futrem) stwierdzimy odchylenie strugi w kierunku pałeczki. Powtarzamy to z pałeczką szklaną potartą folią (naładowana dodatnio). Również teraz struga jest przyciągana. Dzieje się tak, ponieważ cząsteczki wody mają dipolową naturę. W przypadku, gdy zbudowane z dipoli ciało znajduje się daleko od ciała naładowanego, dipole rozmieszczone są chaotycznie. Gdy zbliżymy do niego naelektryzowany przedmiot, pod wpływem siły Coulomba dipole ustawią się wszystkie w jednym kierunku. Mówimy, że ciało uległo polaryzacji. W wyniku polaryzacji ładunki o znaku przeciwnym do ładunku naelektryzowanego ciała będą bliżej, a ładunki przeciwne dalej. Ponieważ siła Coulomba maleje z odległością, przyciąganie będzie silniejsze niż odpychanie i ciało, mimo że elektrycznie obojętne, będzie przyciągane.

Naelektryzowanie ciała ludzkiego. Doświadczenie. Naelektryzowanie ciała ludzkiego.   Eksperymentator dotyka ręką do jednej z elektrod maszyny elektrostatycznej. Uruchamiamy maszynę i ładujemy ciało osoby poddawanej doświadczeniu do wysokiego potencjału. Jeśli włosy tej osoby są suche, to przy takiej elektryzacji „stają dęba”. Odjąwszy rękę od elektrody maszyny elektrostatycznej człowiek pozostaje naładowany.  

Do wykrywania ładunku służy przyrząd zwany elektroskopem Do wykrywania ładunku służy przyrząd zwany elektroskopem. Składa się on z obudowy, wewnątrz której umieszczony jest odizolowany od niej metalowy pręt zakończony kulą. Do pręta przymocowany jest metalowy cienki listek, który spełnia rolę wskazówki.

Naelektryzowaną laskę ebonitową przykładamy do kuli elektroskopowej. Doświadczenie Naelektryzowaną laskę ebonitową przykładamy do kuli elektroskopowej. Po dotknięciu naelektryzowaną laską kuli elektroskopu jego pręt i listki elektryzują się jednoimiennie i wskutek odpychania ładunków rozchylają się tym więcej, im większy jest dostarczony ładunek elektryczny.

Pole elektrostatyczne Pole elektryczne to przestrzeń, w której na umieszczone w niej ładunki elektryczne działają siły elektryczne. Ładunek elektryczny, wokół którego powstaje pole elektryczne nazywamy źródłem pola. Kierunek i zwrot linii pola elektrostatycznego określa kierunek i zwrot siły, jaka działa na ładunek próbny (bardzo mały i zawsze dodatni) umieszczony w tym polu. Wartość siły elektrycznej działającej na ładunek jest tym większa, im silniejsze jest źródło pola, co jest zgodne z prawem Coulomba. Oddziaływanie między naelektryzowanymi ciałami zależy od odległości między nimi (maleje ze wzrostem odległości, a rośnie gdy odległość maleje). Pole centralne wokół ładunku dodatniego Pole centralne wokół ładunku ujemnego

Dowolny punkt pola elektrostatycznego możemy scharakteryzować przez wielkość zwaną natężeniem pola elektrostatycznego (E). Jest ona wyrażona wzorem:                                         F - siła działająca na ładunek q [N], q - wartość ładunku umieszczonego w danym punkcie pola [C]. Pole jednorodne uzyskujemy między równolegle ułożonymi względem siebie naładowanymi metalowymi płytami. Linie pola są równoległe, a wartość siły, która działa na ładunek umieszczony w dowolnym punkcie pola jest stała.

Kaszka manna w polu elektrostatycznym

Linie pola pomiędzy płytami Brak pola we wnętrzu metalowej puszki Linie pola w okolicy ostrza zagęszczają się Linie pola pomiędzy płytami

Doświadczenie Ruch kulki metalowej w polu elektrostatycznym. Metalowa kulka, zawieszona na izolacyjnej nici, porusza się tam i z powrotem pomiędzy naładowanymi płytami metalowymi A i B (płyty dołączyć do maszyny elektrostatycznej). Po dotknięciu jednej z płyt kulka ładuje się jej ładunkiem np. ujemnym i odpychana porusza się do drugiej płyty; tam ładuje się ładunkiem dodatnim i odpychana biegnie z powrotem.

Demonstracja braku pola elektrycznego we wnętrzu przewodnika. Doświadczenie Klatka Faraday’a Demonstracja braku pola elektrycznego we wnętrzu przewodnika. Z siatki metalowej (aby było widać wnętrze) wykonana jest klatka ustawiona na izolatorach. Na powierzchni walcowej na zewnątrz i od wnętrza przyklejony jest szereg pasków z cienkiej folii aluminiowej. Również dwa paski zwieszają się we wnętrzu ze szczytu klatki. Klatkę ładujemy z maszyny elektrostatycznej. Stwierdzamy, że paski zewnętrzne są odpychane od klatki, wewnętrzne nie - wewnątrz nie istnieje pole elektryczne.  

Doświadczenie Wiatr elektryczny Bez pola elektrycznego W polu elektrycznym Działanie elektrycznego ostrza Jeśli przewodnik ma ostre, wystające części, to gęstość powierzchniowa nabojów na tych częściach może być tak znaczna, a w związku z tym pole elektryczne w ich pobliżu tak silne, że sąsiadujące cząsteczki powietrza zaczną podlegać jonizacji (jonizacja zderzeniowa). W rezultacie tego powstanie strumień jonów odpychanych od ostrza. Możemy to zaobserwować biorąc kulkę metalową z ostrzem, umieszczoną na szklanym pręcie. Przed ostrzem umieszczamy płomień świecy, którego wielkość należy dobrać doświadczalnie. Kulkę łączymy z biegunem maszyny elektrostatycznej. Wprowadziwszy maszynę w ruch stwierdzamy, że strumień jonów nachyla płomień świecy, a przy dostatecznym napięciu maszyny elektrostatycznej może go nawet zgasić.

Lifter - Jonolot                                                                                Elektryczny latawiec, nowoczesny silnik oparty na zjawisku wiatru jonowego, gdy działa w atmosferze, lub wiatru elektronowego, gdy ośrodkiem jest próżnia. Główne części silnika jonolotu to dwie elektrody, różniące się znacznie wymiarami. Górna elektroda jest cienkim drucikiem, natomiast dolna to dość wysoka aluminiowa blaszka. Dysproporcje te są bardzo ważnym warunkiem. Wokół górnego drucika gradient potencjału (z racji jego krzywizny) jest bardzo duży. Ponieważ jest tam wysokie napięcie elektryczne (>30kV), jonizacja zachodzi bardzo szybko. Chmury jonowe przyciągane są do dolnej blaszki (przeciwnie naładowanej), gdzie dochodzi do depolaryzacji chmury i jej odepchnięcie w dół. Wiatr ten popycha cały silnik do góry. W przypadku działania w próżni zamiast chmur jonowych, z górnego drucika mogą być oddawane w przestrzeń elektrony, jednak sprawność wtedy znacznie spada. Wyżej opisany silnik oparty jest na patencie, jaki uzyskał w 1960 roku Townsend Brown. Działanie jonolotu jest przykładem wykorzystania efektu Biefelda-Browna. Dotychczas brak pełnego wytłumaczenia tego efektu (np. tłumaczenie za pomocą wiatru jonowego jest niewystarczające, gdyż obserwowana siła jest o 3 rzędy wielkości większa niż wynikałoby to z obliczeń)

Doświadczenie Młynek Franklina Jony odpychane przez ostrze ze swej strony działają na ostrze, odpychając je w stronę przeciwną (zgodnie z III zasadą dynamiki). Przyrządem, za pomocą którego demonstrujemy odpychanie przewodnika przez odpływający strumień jonów, jest tzw. młynek Franklina. Na pręcie szklanym umocowane jest ostrze metalowe A, na którym wpiera się wiatraczek z drutu aluminiowego o średnicy 23mm, zagiętego na końcach. W miejscu, gdzie wiatraczek wspiera się na ostrzu, jest on lekko rozpłaszczony i ma nieznaczne stożkowe wgłębienie wykonane za pomocą punktaka. Ostrze łączymy z biegunem maszyny elektrostatycznej, którą następnie wprawiamy w ruch. Obserwujemy obracanie się młynka w kierunku przeciwnym do tego, w którym zagięte zostały ramiona młynka. Aby pokazać, że od ostrza skierowany jest strumień jonów, bierzemy nieruchome, poziomo umocowane ostrze i umieszczamy przed nim w odległości 56cm tarczę metalową, połączoną z elektroskopem. Strumień jonów ładuje tarczę i połączony z nią elektroskop. Dotykając kulką próbną osadzoną na izolatorze do ostrza, a następnie do elektroskopu, pokazujemy, że nabój elektroskopu jest jednoimienny z nabojem ostrza (następuje zwiększanie kąta odchylenia listka).

Kule plazmowe Cóż to takiego ? W skrócie mówiąc, to urządzenie z charakterystyczną szklaną kulą wypełnioną gazem. Jest zasilana napięciem przemiennym rzędu 2-5 kV z dużą częstotliwością (rzędu 30-100 kHz). Chociaż to napięcie jest duże, natężenie wyładowań elektrycznych jest minimalne. Kula pełna błędnych ogników, które jak zaczarowane poruszają się za naszym palcem. Ale uwaga osoby z rozrusznikiem serca: lepiej się nie zbliżać! Świecący gaz w kuli to zwykłe powietrze tylko nieco rozrzedzone. A tańczące włókienka to sznury plazmy - prądu elektrycznego przepływającego w gazie. Coś w rodzaju burzowego pioruna, tylko pod zmniejszonym ciśnieniem. Co więcej, ten prąd (lub raczej pole elektryczne) rozchodzi się i poza kulą – można zaobserwować jak świeci neonówka w pobliżu kuli. Fale elektromagnetyczne przenikają przez papier, ale nie przez folię metalową lub rękę.

Natężenie prądu elektrycznego: Prąd elektryczny Prąd elektryczny jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. W polu elektrycznym na ładunki zaczyna działać siła elektryczna, której zwrot zależy od kierunku tego pola. Jeżeli działa na ładunki ujemne jej zwrot jest przeciwny. Takie uporządkowanie przesuwania się ładunków w jednym kierunku tworzy prąd elektryczny. Napięcie prądu elektrycznego: Napięcie prądu jest to różnica potencjałów pomiędzy dwoma punktami, określa przepływ prądu elektrycznego w obwodzie, im większe napięcie tym większy będzie przepływ prądu elektrycznego. Natężenie prądu elektrycznego: Natężenie prądu jest to stosunek ładunku przepływającego przez przekrój poprzeczny przewodnika do czasu jego przepływu. U=I R 1V=1A 1Ω I=q/t 1A=1C/1s Pomiaru napięcia prądu dokonujemy woltomierzem, włączonym do obwodu równolegle. Pomiaru natężenia prądu dokonujemy amperomierzem, włączonym do obwodu szeregowo.

Prawo Ohma Natężenie prądu zależy wprost proporcjonalnie od napięcia i odwrotnie proporcjonalnie od rezystancji: Prawo Ohma jest spełnione tylko wtedy, gdy rezystancja nie zależy od napięcia ani od natężenia prądu. Oznaczenia R - rezystancja; U - różnica potencjałów (napięcie); I - natężenie prądu Prawo Ohma dla obwodu zamkniętego: R - rezystancja obciążenia; E - siła elektromotoryczna ogniwa; I - natężenie prądu; rW - rezystancja wewnętrzna ogniwa.

Pierwsze prawo Kirchhoffa Suma algebraiczna natężeń prądów dopływających(+) i odpływających(-) z danego węzła jest równa 0. lub Suma natężeń prądów dopływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła. Dla każdego węzła obwodu elektrycznego suma algebraiczna wartości chwilowych prądów jest równa zeru.                                                Przyjmuje się konwencję, że prądy zwrócone do węzła mają znak (+), zaś prądy ze zwrotem od węzła mają znak (-), np.: I1 + I2 + I3 − I4 − I5 − I6 = 0

Łączenie oporników Łączenie szeregowe: Oznaczenia R- rezystancja wypadkowa układu; R1,R2,R3 - rezystancje poszczególnych oporników; U - różnica potencjałów (napięcie); U1,U2,U3 – spadki napięć na poszczególnych rezystorach; R1 R2 R3 U1 U2 U3 U I

Łączenie oporników Łączenie równoległe: Oznaczenia R - rezystancja wypadkowa układu; R1,R2,R3 - rezystancje poszczególnych rezystorów; U - różnica potencjałów (napięcie); I1,I2,I3 - natężenia prądu w poszczególnych rezystorach;