Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej Portalu www.szkolnictwo.pl Wszelkie treści i zasoby edukacyjne publikowane na łamach Portalu www.szkolnictwo.pl mogą być wykorzystywane przez jego Użytkowników wyłącznie w zakresie własnego użytku osobistego oraz do użytku w szkołach podczas zajęć dydaktycznych. Kopiowanie, wprowadzanie zmian, przesyłanie, publiczne odtwarzanie i wszelkie wykorzystywanie tych treści do celów komercyjnych jest niedozwolone. Plik można dowolnie modernizować na potrzeby własne oraz do wykorzystania w szkołach podczas zajęć dydaktycznych.

ELEKTROSTATYKA

Spis treści Cząstki elementarne Uproszczony model budowy atomu Jony Budowa przewodników i izolatorów Budowa elektroskopu Elektryzowanie przez pocieranie Elektryzowanie ciał przez dotyk Elektryzowanie przez indukcję Elektrofor - wykorzystanie zjawiska indukcji elektrostatycznej do gromadzenia ładunku elektrycznego Pole elektrostatyczne Zasada zachowania ładunków Prawo Couloumba Podsumowanie

CZĄSTKI ELEMENTARNE Wszystkie ciała zbudowane są z ogromnej liczby atomów, które są podstawowymi elementami budowy materii. Atomy składają się z trzech różnych cząstek: protonów - p neutronów - n elektronów – e - Elektrony odpychają się od siebie, każdy z nich ma jednakową zdolność odpychania, która wzrasta, im bliżej siebie się znajdują. Mówimy, że elektrony mają elementarny ładunek ujemny i oznaczamy znakiem minus (-) Ładunek elektronu jest najmniejszą „ porcją” ładunku elektrycznego. Protony również odpychają się wzajemnie, natomiast protony i elektrony wzajemnie się przyciągają. Mówimy, że protony mają elementarny ładunek dodatni i oznaczamy znakiem plus (+) Neutrony nie wykazują ładunku elektrycznego – są elektrycznie obojętne. +

Ładunki elektryczne protonu i elektronu mają jednakową wartość!! Szczególny rodzaj sił działających między cząsteczkami obdarzonymi ładunkiem elektrycznym nazywamy siłami elektrycznymi Ładunki elektryczne protonu i elektronu mają jednakową wartość!! proton – proton (+) –(+) odpychają się elektron – elektron (-) - (-) odpychają się Proton – elektron (+) –(-) przyciągają się Ładunki elektryczne protonu i elektronu zobojętniają się Ładunki jednoimienne Ładunki różnoimienne Wartość bezwzględna ładunku elektronu i protonu nosi nazwę ładunku elementarnego :    e =1,6.10-19 C (kulomb) W układzie SI jednostką ładunku jest kulomb (C), 1 C jest równy około 6,24·1018 ładunków elementarnych.

UPROSZCZONY MODEL BUDOWY ATOMU W środku atomu znajduje się jadro. W skład jądra wchodzą tylko protony i neutrony. Wokół jądra krążą po określonych torach elektrony Atom jest elektrycznie obojętny – suma ładunków protonów w jądrze równa jest sumie ładunków elektronów krążących wokół jądra. Pomimo, iż protony odpychają się, to jednak trwale „ siedzą” w jądrze obok siebie i neutronów. Trzeba użyć wielkich sił, aby je rozdzielić. Tak się dzieje na skutek występowania sił jądrowych. Siły jądrowe mają bardzo duże wartości, o wiele większe od sił odpychających ładunki elektryczne, ale ich zasięg jest niewiele większy od średnicy jądra atomowego.

JONY Elektrony zajmujące w atomie najbardziej skrajne położenie mogą pod działaniem sił zewnętrznych odrywać się od atomu. Mogą również przyłączać się do atomu dodatkowe elektrony. Uwaga: Protony zlokalizowane w jądrach nie zmieniają swoich położeń. „ wędrującymi” cząstkami mogą być tylko elektrony Po odłączeniu części elektronów atomy mają ich niedobór i wykazują ładunek dodatni. Po przyłączeniu nadmiarowych elektronów mają ich nadmiar i wykazują ładunek ujemny. Atomy, w których liczby elektronów i protonów nie są jednakowe, nazywamy jonami, odpowiednio dodatnimi ( kationami) lub ujemnymi (anionami). W ciele elektrycznie obojętnym liczba elektronów jest równa liczbie protonów, czyli suma ładunków elementarnych ujemnych jest równa sumie ładunków elementarnych dodatnich.

BUDOWA PRZEWODNIKÓW I IZOLATORÓW Przewodniki Ciała w których ładunki elektryczne mogą się przemieszczać. Przewodniki pierwszego rodzaju Metale Grafit Przewodniki drugiego rodzaju Roztwory kwasów, zasad i soli Sole i wodorotlenki w stanie stopionym Zjonizowane gazy Budowa metalu Atomy tkwiące w równych odstępach tworzą sieć krystaliczną. Są ciasno upakowanie, czego wynikiem jest przenikanie się ich powłok elektronowych. Występujące najdalej od jądra elektrony staja się zdelokalizowane tzn. nie należą do konkretnych atomów, a jedynie tworzą chmurę , chaotycznie poruszających się elektronów (elektrony swobodne). Takie elektrony ,zwane są również gazem elektronowym. Atomy w węzłach sieci są więc dodatnimi jonami. Swobodne elektrony równoważą ładunek jonów – przewodnik jako całość jest elektrycznie obojętny.

Izolatory , to ciała, których nie występują elektrony swobodne lub jony mogące się swobodnie przemieszczać w ich wnętrzu. Izolatory nie przenoszą ( przewodzą) ładunków elektrycznych. Izolują ładunek elektryczny zgromadzony w pewnym miejscu na ich powierzchni i nie dopuszczają do jego rozprzestrzeniania się. Przykłady izolatorów: Porcelana Szkło Gips Papier Bursztyn Ebonit PCW Polietylen Drewno Guma Styropian

BUDOWA ELEKTROSKOPU Do wykrywania ładunku służy przyrząd zwany elektroskopem. Składa się: z uziemionej metalowej obudowy, z dwóch stron zamkniętej szybkami wewnątrz umieszczony jest odizolowany od niej metalowy pręt zakończony kulą. do pręta przymocowany jest metalowy cienki listek, który spełnia rolę wskazówki. Po naładowaniu kulki elektroskopu ( przewodnik) listki uzyskują ładunki jednoimienne, więc odpychają się. Wielkość odchylenia listków zależy od zgromadzonego na nich ładunku. Mierząc ich wychylenie możemy wnioskować o wielkości ładunku.

ELEKTRYZOWANIE CIAŁ PRZEZ POCIERANIE Znane są zjawiska, w których pewne ciała przy pocieraniu nabierają własność przyciągania innych ciał, np. bursztyn pocierany jedwabiem przyciąga małe skrawki papieru (od greckiej nazwy bursztynu "elektron" nadano tym zjawiskom nazwę elektryzacji.) Jednym z dowodów na istnienie elektryzacji w przyrodzie jest zachowanie pałeczki ze szkła gdy potrze się ją jedwabiem i pałeczki ebonitowej gdy potrze się ją wełną. Dwie naelektryzowane tak pałeczki przyciągają się, natomiast dwie naelektryzowane pałeczki ze szkła lub dwie z ebonitu odpychają się. Badając w ten sposób własności różnych ciał można stwierdzić, że albo elektryzują się one tak, jak ebonit potarty wełną tzn. odpychają naelektryzowaną pałeczkę ebonitową, albo też tak jak szkło potarte jedwabiem czyli odpychają naelektryzowaną pałeczkę szklaną. Omówione wyżej doświadczenie wykazuje, że ładunki elektryczne jednoimiennie odpychają się wzajemnie, a ładunki różnoimienne przyciągają się. Elektryzacja (elektryzowanie) to proces polegający na wytworzeniu w ciele, początkowo elektrycznie obojętnym, nadmiaru ładunków elektrycznych jednego znaku..

Na skutek pocierania laski ebonitowej wełną część elektronów z wełny przechodzi na powierzchnię laski. Laska uzyskuje nadmiar elektronów – elektryzuje się ujemnie Wełna na skutek oddania tych elektronów ma ich niedobór, więc elektryzuje się dodatnio. Na skutek pocierania laski szklanej jedwabiem część elektronów ze szkła przeszła na powierzchnię jedwabiu. Laska uzyskuje niedobór elektronów – elektryzuje się dodatnio Jedwab na skutek pobrania elektronów elektryzuje się ujemnie. Tworzywa sztuczne elektryzują się ujemnie, natomiast szkło i porcelana dodatnio. Metal w zależności od ciała, którym pocieramy. Cechy elektryzowania przez pocieranie: Ciała przed potarciem są elektrycznie obojętne Na skutek pocierania część elektronów przechodzi z jednego ciała na drugie Ciała uzyskują ładunki takie same co do wartości, lecz przeciwnych znaków. Jest to elektryzowanie trwałe

ELEKTRYZOWANIE CIAŁ PRZEZ DOTYK Naelektryzowaną dodatnio laskę szklaną (niedobór elektronów)zbliżamy do obojętnej metalowej kuli. Po zetknięciu się dwóch ciał część elektronów z kuli przepłynie na szklaną laskę Laska szklana nadal będzie naładowana dodatnio, ale już ładunek ten będzie mniejszy. Natomiast część metalowa elektroskopu uzyska ładunek dodatni. Listki elektroskopu odchylą się ( odpychanie ładunków jednoimiennych) Cechy elektryzowania przez dotyk: Co najmniej jedno z ciał jest obdarzone ładunkiem elektrycznym Na skutek zetknięcia część elektronów przechodzi z jednego ciała na drugie Przepływ odbywa się do momentu wyrównania ładunków Ciała uzyskują ładunki takie same co do wartości i znaku. Jest to elektryzowanie trwałe Ciało A ( I) Ciało B (I) Ciało A (II) Ciało B (II) -20 -10 +20 +10 +5 -15 -5 PRZYKŁAD

ELEKTRYZOWANIE PRZEZ INDUKCJĘ Do nie naelektryzowanego elektroskopu zbliżamy naelektryzowaną laskę ebonitową (-) (bez dotykania), a następnie laskę szklaną(+). Zbliżanie ciała naelektryzowanego (bez względu na jego znak) do nie naelektryzowanego elektroskopu powoduje odchylanie się jego listków. Po oddaleniu ciał naelektryzowanych listki elektroskopu opadają. Pod wpływem oddziaływania ciała naelektryzowanego elektrony swobodne przewodnika przemieszczają się. Podczas oddziaływania ciała naelektryzowanego dodatnio elektrony „ zbliżają się” do niego. Podczas zbliżania ciała naelektryzowanego ujemnie elektrony swobodne przewodnika „ uciekają” jak najdalej. W 1 przypadku następuje rozdział ładunków – niedobór elektronów na listkach (+) W 2 przypadku nadmiar elektronów na listkach (-) Na skutek występowania ładunków jednoimiennych listki rozchylają się.

Cechy elektryzowania przez indukcję (wpływ) Oddziaływanie zachodzi z pewnej odległości Jedno z ciał wykazuje ładunek elektryczny , zaś drugie jest elektrycznie obojętne. Elektrony nie przechodzą z jednego ciała na drugie - przy elektryzowaniu przez wpływ następuje jedynie przemieszczanie ładunków w obrębie tego samego ciała. Jest to elektryzowanie nietrwałe Elektryzowanie przez indukcję przewodnika polega na przemieszczeniu się w jego wnętrzu elektronów swobodnych. Elektryzowanie przez indukcję izolatora powoduje jego polaryzację ( rozsunięcie ładunków wewnątrz atomów – dipole).

Czy można trwale naelektryzować elektroskop, nie dotykając go ciałem naelektryzowanym? Zbliżmy naelektryzowaną laskę do elektroskopu, tak by jego listki się odchyliły. Dotykamy palcem (nie laską) elektroskopu. Nasz palec działa jak uziemienie. Elektrony odepchnięte na listki "szukają" dalszej drogi, by jak najdalej uciec od ujemnej laski i przez nasz palec opuszczą elektroskop. Listki z powrotem opadną. Odsuwamy palec z elektroskopu - sytuacja nie zmienia się. Zabieramy naelektryzowaną laskę, którą cały czas trzymaliśmy blisko elektroskopu, wówczas listki ponownie się odchylą. Dzieje się tak dlatego, że elektrony „uciekły” przez nasz palec gdyż były odpychane, przez laskę. W elektroskopie jest niedobór elektronów. Elektroskop został naładowany trwale

Elektrofor - wykorzystanie zjawiska indukcji elektrostatycznej do gromadzenia ładunku elektrycznego. Celem działania elektroforu jest naładowanie ładunkiem elektrycznym metalowej płyty. Uzyskuje się to wykonując kolejno następujące czynności: Przez pocieranie elektryzuje się płytę z winidurową. Płytę metalową przybliża się do naelektryzowanej płyty. Podczas zbliżenia uziemia się płytę metalową (można zrobić to przez dotknięcie jej palcem). Odłącza się uziemienie. Płytę metalową odsuwa się od płyty z tworzywa sztucznego.

POLE ELEKTROSTATYCZNE Oddziaływania elektrostatyczne zachodzą zarówno, gdy ciała są w bezpośrednim kontakcie, jak również na odległość – podobnie, jak w przypadku oddziaływania grawitacyjnego. Dzieje się tak, ponieważ wokół każdego ładunku powstaje tzw. pole elektryczne. Oznacza to, że w każdym punkcie otaczającej go przestrzeni na umieszczony tam ładunek punktowy q działa pewna siła F . Pole elektrostatyczne Jest to przestrzeń , w której na umieszczone ładunki działają siły elektryczne. Źródłami pól elektrostatycznych są wszystkie ładunki i ciała naelektryzowane.  Linie, wzdłuż których działają siły , są nazywane liniami pola i ich przebieg stanowi obraz pola. Ich  zwroty są zgodne ze zwrotami sił. Ładunek punktowy jest to wyidealizowany model, ciało o nieskończenie małych rozmiarach zawierające ładunek elektryczny. W rzeczywistości ciała naładowane są rozciągłe, ale model ten jest użyteczny i dobrze opisuje oddziaływanie naładowanych ciał, gdy odległość między naładowanymi ciałami jest znacznie większa od rozmiarów tych ciał

Pole dodatniego ładunku punktowego Pole dodatniego ładunku punktowego. Jego linie rozchodzą się promieniście na zewnątrz (w przypadku ładunku ujemnego linie skierowane są do tego ładunku). / pole centralne/ Pole wytworzone przez parę ładunków przeciwnego znaku znajdujących się w niedużej odległości od siebie Pole jednorodne -przestrzeń, w której we wszystkich punktach natężenie pola jest takie samo, czyli ma stałą wartość, kierunek i zwrot. Linie sił w takim polu są prostymi równoległymi.

Zasada zachowania ładunków: W układzie ciał izolowanych elektrycznie od otoczenia całkowity ładunek (suma ładunków dodatnich i ujemnych) nie ulega zmianie. Ładunek może jedynie przemieszczać się z jednego ciała (lub jego części) do innego ciała (lub jego części). Ciała naelektryzowane nie są dla siebie obojętne ,działają na siebie siłami [elektrycznymi] przyciągania lub odpychania w zależności od tego czy ładunki tych ciał są jednoimienne , czy różnoimienne. Odkrycia ilościowego prawa wzajemnego oddziaływania nieruchomych ładunków elektrycznych dokonał w 1785 r. Charles Coloumb. Prawo Couloumba Dwa ładunki punktowe działają na siebie siłą, która jest wprost proporcjonalna do iloczynu wartości tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. F - siła wzajemnego oddziaływania dwóch punktowych ładunków elektrycznych, q1 , q2 - punktowe ładunki elektryczne, r - odległość między ładunkami, k - współczynnik proporcjonalności

PODSUMOWANIE Ciało może uzyskać ładunek elektryczny tylko wtedy, gdy część elektronów spłynie na inne ciało, lub gdy z innego ciała dopłyną elektrony. Wielkość ładunku naelektryzowanego ciała zależy od ilości niezobojętnionych elektronów ( ładunek ujemny/ anion) lub od niezobojętnionych protonów w jądrach atomowych ( ładunek dodatni / kation) Rodzaj elektryzowania Elektryzowanie przez tarcie Elektryzowanie przez dotyk Elektryzowanie przez indukcję Oddziaływanie Bezpośrednie Z odległości Ładunek wziętych ciał Elektrycznie obojętne Co najmniej jedno naelektryzowane Naelektryzowane zbliżane do obojętnego Ładunek końcowy Ładunki takie same co do wartości, lecz przeciwnych znaków Ładunki takie same co do wartości i znaków Brak przepływu ładunku z ciała naelektryzowanego. Rozdzielenie ładunków w ciele elektrycznie obojętnym Skutki Trwałe Nietrwałe

Bibliografia „ Elektryczność wokół nas” – K.W. Augustyniakowie „ Nauczanie fizyki” – Mazur; Wessely „ Fizyka 2” Rozenbajgier http://pl.wikipedia.org/wik