Kompetencja Fizyka i Matematyka Gimnazjum w Gołuchowie Temat: Ładunki wokół nas Kompetencja Fizyka i Matematyka Gimnazjum w Gołuchowie Grupa 98/81_MF_G1 Semestr IV

Uczestnicy grupy podstawowej: Konstancja Balcer Monika Duczka Anna Filipowicz Joanna Klaczyńska Klaudia Składnikiewicz Mateusz Pływaczyk Magdalena Urbaniak Mateusz Walendowski Aleksandra Walerowicz Błażej Wasiewicz Opiekun: Monika Piękna

Plan prezentacji: Charles Coulomb Podstawowe wiadomości o ładunku Pole elektrostatyczne Dipol i polaryzacja Sposoby elektryzowania ciał Tarcie Dotyk Indukcja elektrostatyczna Przewodniki i izolatory Prawo Coulomba Zasada zachowania ładunku Rozkład ładunku na powierzchni przewodnika Kondensator Zjawiska elektryczne w przyrodzie Wnioski

1. Charles coulomb (ur. 14 czerwca 1736 w Angouleme, zm. 23 sierpnia 1806 w Paryżu) – francuski fizyk, od którego nazwiska pochodzi prawo Coulomba i jednostka ładunku elektrycznego – kulomb. Od 1773 całkowicie poświęcił się pracom badawczym dotyczącym magnetyzmu, teorii maszyn prostych i elektrostatyki. Od 1781 członek francuskiej Akademii Nauk. W 1785 sformułował prawo nazwane od jego nazwiska prawem Coulomba, będące podstawowym prawem elektrostatyki. Później rozwinął teorię elektryzowania powierzchniowego przewodników. W 1786 odkrył zjawisko ekranowania elektrycznego, a w 1789 wprowadził pojęcie momentu magnetycznego.

2. Podstawowe wiadomości o ładunku Ładunek elektryczny ciała (lub układu ciał) - fundamentalna własność materii przejawiająca się w oddziaływaniu elektromagnetycznym ciał obdarzonych tym ładunkiem. Ciała obdarzone ładunkiem mają zdolność wytwarzania pola elektromagnetycznego oraz oddziaływania z tym polem. Ładunek elektryczny ciała może być dodatni lub ujemny. Ładunki elektryczne są skwantowane, elektronowi przypisano elementarny ładunek ujemny, protonowi dodatni. Symbol : q Jednostka: Coulomb [C]

3. POLE ELEKSTROSTATYCZNE Pole elektrostatyczne to przestrzeń wokół nieruchomych ładunków lub ciał naelektryzowanych, w której na ładunki elektryczne działają siły.

DOŚWIADCZENIE 1 Cel: Wyjaśnienie, co to znaczy, że wokół naelektryzowanego ciała istnieje pole elektrostatyczne. Przyrządy: metalowa kula z przymocowanymi za pomocą plasteliny nitkami, statyw, maszyna elektrostatyczna Kolejne czynności: Umieszczamy kulę na statywie Łączymy kulę z jedną z kulek maszyny elektrostatycznej Za pomocą maszyny elektrostatycznej naelektryzowujemy kulę Obserwacje: Nitki przymocowane do kuli układają się w charakterystyczny sposób.

DOŚWIADCZENIE 1

DOŚWIADCZENIE 1 Wniosek: Obszar wokół ciała naelektryzowanego (kuli) działa na każde inne ciało naelektryzowane (na ładunki) siłą elektryczną występującą w tym obszarze. Ciało naelektryzowane wytwarza wokół siebie pole elektrostatyczne, tzn. jest jego źródłem.

RODZAJE PÓL ELEKTROSTATYCZNYCH Pole jednorodne - wytwarzane przez dwa równolegle ustawione płaskie powierzchnie posiadające ładunek linie pola są ułożone równolegle względem siebie. siła elektrostatyczna w każdym punkcie tego pola jest taka sama. natężenie tego pola w każdym punkcie jest takie samo.

Pole jednorodne elektrostatyczne

RODZAJE PÓL ELEKTROSTATYCZNYCH Pole centralne - wytwarzane przez ciała o kształcie kulistym które posiadają ładunek linie pola centralnego ułożone są promieniście wokół ciał skierowane są do środka ładunku ujemnego i wychodzą ze środka ładunku dodatniego. siła elektrostatyczna maleje wraz ze wzrostem odległości. natężenie pola maleje wraz ze wzrostem odległości.

Pole centralne elektrostatyczne

Pole centralne elektrostatyczne Linią pola elektrostatycznego przypisujemy zwrot zgodny ze zwrotem siły działającej na umieszczone w danym punkcie ładunek dodatni.

Przydatne Wzory Siła elektrostatyczna Natężenie pola elektrostatycznego Potencjał elektryczny

Przydatne Wzory - symbole Fe - siła elektrostatyczna k - współczynnik proporcjonalności q1, q2 - punktowe ładunki elektryczne r - odległość między ładunkami E - pole wektorowe F - siła wywierana przez pole q - ładunek próbny Φ - pole skalarne WP→ - praca q - ładunek

POWIERZCHNIE EKWIPOTENCJALNE Powierzchnia ekwipotencjalna (powierzchnia równego potencjału) - powierzchnia w polu potencjalnym, której wszystkie punkty mają jednakowy potencjał. Powierzchnie potencjalne określa się dla wszystkich pól potencjalnych, np. pola elektrostatycznego, pola grawitacyjnego. Powierzchnie ekwipotencjalne są w każdym punkcie pola prostopadłe do wektora siły, czyli do linii natężenia pola. W geodezji i oceanografii jest to powierzchnia, która jest wszędzie pozioma, to znaczy w każdym punkcie tej powierzchni jej normalna (prosta prostopadła do stycznej) pokrywa się z kierunkiem pionu. W przypadku pola centralnego, np. pola elektrycznego ładunku punktowego czy pola grawitacyjnego masy punktowej, są to współśrodkowe sfery, natomiast w przypadku pola jednorodnego, np. pola elektrycznego między okładkami kondensatora, są to równoległe płaszczyzny.

4. Dipol i polaryzacja DIPOL - to układ dwóch różnoimiennych ładunków lub biegunów magnetycznych. Układ można scharakteryzować przez wektor zwany momentem dipolowym. Dipol wytwarza charakterystyczne pole zwane polem dipolowym.

4. Dipol i polaryzacja Dipol elektryczny - układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych q, umieszczonych w pewnej odległości l od siebie. Linia przechodząca przez oba ładunki nazywa się osią dipolu; tego rodzaju dipole wykazują elektryczny moment dipolowy. Dipol magnetyczny - układ wytwarzający pole magnetyczne, które cechuje magnetyczny moment dipolowy np. magnes trwały, solenoid lub pojedyncza pętla z prądem. Wszystkie skończone źródła pola magnetycznego są dipolami.

4. Dipol i polaryzacja POLARYZACJA - to zjawisko, w którym pod wpływem ciała naelektryzowanego następuje rozsunięcie ładunku w obrębie atomu lub cząsteczki i powstają tzw. dipole. Polaryzacja izolatora pod wpływem ciała: naelektryzowanego dodatnio - rozsunięcie ładunku następuje zgodnie z prawem Coulomba. Ładunek ujemny dipolu ustawia się jak najbliżej ciała naelektryzowanego. Ładunki różnoimienne przyciągają się. naelektryzowanego ujemnie - rozsunięcie ładunku następuje tak, aby ładunek ujemny dipolu znajdował się jak najdalej od ciała naelektryzowanego. Ładunki jednoimienne odpychają się. Przewodniki i izolatory naelektryzowane pod wpływem innego ciała naelektryzowanego zawsze przyciągają się do tego ciała.

5. Sposoby elektryzowania ciał Wyróżnia się trzy sposoby elektryzowania ciał: przez tarcie przez dotyk przez indukcję elektrostatyczną

5. Sposoby elektryzowania ciał Elektryzowanie przez tarcie - polega na przepływie elektronów z jednego ciała do drugiego podczas pocierania ich jedno o drugie. W ten sposób jedno ciało elektryzuje się dodatnio, a drugie ujemnie.

DOŚWIADCZENIE 2 Cel: Badanie zachowania się ciał naelektryzowanych przez tarcie. Przyrządy: pałeczka ebonitowa i szklana, statyw Kolejne czynności: Pocieramy pałeczkę ebonitową suchą wełną, a szklaną suchą gazetą Pałeczkę ebonitową zawieszamy na nitce i umieszczamy na statywie Do pałeczki ebonitowej zbliżamy pałeczkę szklaną Obserwacje: Pałeczki przyciągają się wzajemnie.

DOŚWIADCZENIE 2

DOŚWIADCZENIE 2 Wniosek: Pałeczki podczas pocierania elektryzują się, ebonitowa–ujemnie, a szklana – dodatnio. Dlatego pałeczki naelektryzowane różnoimiennie przyciągają się.

5. Sposoby elektryzowania ciał Elektryzowanie przez dotyk - ciało naelektryzowane dotykamy do ciała obojętnego elektrycznie, następuje przepływ ładunku od ciała naelektryzowanego do ciała nienaelektryzowanego.

5. Sposoby elektryzowania ciał Elektryzowanie przez indukcję elektrostatyczną - polega na przemieszczaniu się ładunku elektrycznego w obrębie ciała pod wpływem ciała naelektryzowanego.

DOŚWIADCZENIE 3 Cel: Naelektryzowanie ciała przez indukcję elektrostatyczną. Przyrządy: pałeczka drewniana, wełniana szmatka, elektroskop

DOŚWIADCZENIE 3 Kolejne czynności: Elektryzujemy pałeczkę przez tarcie wełnianą szmatką Zbliżamy, nie dotykając główki, pałeczkę do elektroskopu Obserwujemy wskazówkę Obserwacje: Po zbliżeniu pałeczki do główki, wskazówka odchyla się. Przy oddalaniu pałeczki, powraca na pierwotne miejsce.

DOŚWIADCZENIE 3

DOŚWIADCZENIE 3

DOŚWIADCZENIE 3 Wniosek: Gdy pałeczka jest blisko elektroskopu w główce elektroskopu jest niedobór elektronów swobodnych, natomiast w części dolnej, gdzie są wskazówki, jest ich nadmiar. Główka ma ładunek dodatni, a dolna część ujemny. Jest to nietrwały sposób elektryzowania, ponieważ, gdy usuniemy laskę wszystko wraca do równowagi.

6. Przewodniki i izolatory

Przewodniki Przewodnik elektryczny - substancja, która dobrze przewodzi prąd elektryczny, a przewodzenie prądu ma charakter elektronowy. Atomy przewodnika tworzą wiązania, w których elektrony walencyjne (jeden, lub więcej) pozostają swobodne (nie związane z żadnym z atomów), tworząc w ten sposób tzw. gaz elektronowy. Nośnikami ładunku elektrycznego w przewodnikach są: elektrony swobodne - w metalach i graficie jony dodatnie i ujemne - w elektrolitach jony dodatnie i ujemne oraz elektrony swobodne w zjonizowanych gazach

Przewodniki Gdy zbliżymy przewodnik do źródła pola elektrostatycznego to jego elektrony swobodne zostaną przeniesione w jego wnętrzu.

Przewodniki Załóżmy, że t ≠ 0 nośniki ładunku rozmieszczone są równomiernie w całej objętości przewodnika. Pole elektryczne wewnątrz przewodnika powoduje ruch nośników ładunku ku jego powierzchni. Ruch ładunku trwa dotąd, aż pole wewnątrz przewodnika nie zniknie.

Przewodniki Z twierdzenia Gaussa wynika, że gęstość ładunku wewnątrz przewodnika jest równa 0 (ładunek gromadzi się na powierzchni przewodnika).

izolatory Izolator - materiał, który nie przewodzi prądu elektrycznego, ponieważ nie występują w nim elektrony swobodne, ani jony dodatnie czy ujemne, które mogłyby się swobodnie poruszać w ich wnętrzu.

7. Prawo coulomba Prawo Coulomba głosi, że siła wzajemnego oddziaływania dwóch punktowych ładunków elektrycznych jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ich środkami. Prawo to można przedstawić za pomocą wzoru: F - siła wzajemnego oddziaływania dwóch punktowych ładunków elektrycznych, q1, q2 - punktowe ładunki elektryczne, r - odległość między ładunkami, k - współczynnik proporcjonalności.

8. Zasada zachowania ładunku Zasada zachowania ładunku elektrycznego - w układzie ciał izolowanych elektrycznie od otoczenia, całkowity ładunek nie ulega zmianie. Ładunek może jedynie przemieszczać się z jednego ciała (lub jego części) do innego ciała (lub jego części).

Jak zmienia się siła gdy rośnie wartość ładunku? Siła elektrostatyczna jest wprost proporcjonalna do iloczynu ładunków, jeśli jeden z nich wzrośnie to tyle samo razy wzrośnie siła,

Jak zmienia SIĘ SIŁA, GDY MALEJE WARTOŚĆ ŁADUNKU? Jeśli jeden z ładunków zmaleje, to tyle samo razy zmaleje siła elektrostatyczna.

JAK ZMIENIA SIĘ SIŁA, GDY ROŚNIE ODLEGLOŚĆ MIĘDZY ŁADUNKAMI? Wraz ze wzrostem odległości między ładunkami maleje wartość siły.

JAK ZMIENIA SIŁA, GDY MALEJE ODLEGLOŚĆ MIĘDZY ŁADUNKAMI? Wraz ze zmniejszenie odległości między ładunkami rośnie wartość siły.

ZADANIE 1 Oblicz siłę działającą między dwoma ładunkami o wartości 3C i 2C oddalonymi od siebie o 20 cm. Dane Szukane Wzory q1= 3C Fe= ? q2= 2C R = 20cm= 0,2m

ZADANIE 1 Rozwiązanie: Odpowiedź: siła działająca między ładunkami ma wartość: 1,35 1012 N.

ZADANIE 2

9. Rozkład ładunku na powierzchni przewodnika Ładunek wprowadzony na przewodnik gromadzi się na jego powierzchni. Rozmieszczenie ładunku na powierzchni przewodnika jest równomierne, jeśli przewodnik ma kształt kuli. Na innych powierzchniach rozkład ładunku nie jest równomierny. Najwięcej ładunku gromadzi się na najbardziej zakrzywionych częściach przewodnika, np. na ostrzach (wykorzystano to w piorunochronach).

9. Rozkład ładunku na powierzchni przewodnika Do opisania rozkładu ładunku używamy pojęcia gęstości powierzchniowej ładunku. Gęstością powierzchniową ładunku nazywamy stosunek (iloraz) ładunku zgromadzonego na powierzchni do pola tej powierzchni. - gęstość powierzchniowa ładunku Q - ładunek zgromadzony na powierzchni S - pole powierzchni

10. kondensator Jest to element elektryczny (elektroniczny), zbudowany z dwóch przewodników (okładek) rozdzielonych dielektrykiem.

Pojemność kondensatora Pojemność kondensatora - w poniższych wzorach jest przenikalnością elektryczną próżni, zaś - względną przenikalnością elektryczną ośrodka, z którego wykonano dzielący okładki izolator. POJEMNOŚĆ KONDENSATORA PŁASKIEGO: S - powierzchnia okładek kondensatora, d - odległość między okładkami.

Pojemność kondensatora POJEMNOŚĆ KONDENSATORA WALCOWEGO: l - długość okładek kondensatora walcowego, r1 - promień wewnętrznej okładki kondensatora, r2 - promień zewnętrznej okładki kondensatora.

Pojemność kondensatora POJEMNOŚĆ KONDENSATORA KULISTEGO: r1 - promień wewnętrznej okładki kondensatora, r2 - promień zewnętrznej okładki kondensatora.

Łączenie kondensatora w obwodach POŁĄCZENIE RÓWNOLEGŁE KONDENSATORÓW Dla połączenia równoległego kondensatorów wypadkowa pojemność jest sumą składowych pojemności: podobnie dla reaktancji pojemnościowej: Susceptancja pojemościowa (BC) definiowana jest jako: BC = 1/XC, dlatego też powyższe równanie jest tożsamościowo równoznaczne z:

Łączenie kondensatora w obwodach POŁĄCZENIE SZEREGOWE KONDENSATORÓW Dla połączenia szeregowego kondensatorów wypadkowa pojemność jest mniejsza niż najmniejsza ze składowych pojemności: dla reaktancji pojemnościowej, ze względu na to, że:

ENERGIA ZGROMADZONA W KONDENSATORZE Energia zmagazynowana w naładowanym kondensatorze jest równa pracy jaką należy wykonać podczas ładowania kondensatora, co można wyrazić: q - ładunek już zgromadzony w kondensatorze, Q - ładunek, do który zgromadzono na okładce kondensatora, C - pojemność kondensatora, U - napięcie uzyskane między okładkami kondensatora

ENERGIA ZGROMADZONA W KONDENSATORZE Energia ta jest równa energii pola elektrycznego występującego między okładkami kondensatora, co można wyrazić wzorem: Dla kondensatora w którym natężenie pola elektrycznego w całej jego objętości jest jednakowe: V - objętość, w której występuje pole elektryczne.

ZJAWISKA ELEKTRYCZNE W PRZYRODZIE WYŁADOWANIA ELEKTRYCZNE - przepływ prądu elektrycznego w dielektryku (izolatorze) następujący pod wpływem pola elektrycznego. Warunkiem wystąpienia wyładowania elektrycznego jest obecność czynników jonizujących lub źródeł swobodnych elektronów. Może ono zachodzić w dielektrykach stałych, gazowych i ciekłych. W gazach obserwuje się błyski świetlne w postaci łuku elektrycznego lub piorunu oraz towarzyszące im efekty akustyczne.

ZJAWISKA ELEKTRYCZNE W PRZYRODZIE ZORZA POLARNA - zjawisko świetlne obserwowane na wysokich szerokościach geograficznych, występuje głównie za kołem podbiegunowym, chociaż w sprzyjających warunkach bywa widoczna nawet w okolicach 50. równoleżnika. Zdarza się, że zorze polarne obserwowane są nawet w krajach śródziemnomorskich.

ZJAWISKA ELEKTRYCZNE W PRZYRODZIE BIOLUMINESCENCJA - świecenie żywych organizmów, jeden z rodzajów chemiluminescencji. Występuje u wielu bakterii, protistów, grzybów, morskich jamochłonów, gąbek, mięczaków (głównie głowonogów), skorupiaków, owadów, osłonic, ryb.

ZJAWISKA ELEKTRYCZNE W PRZYRODZIE ELEKTROLUMINESCENCJA - zjawisko luminescencji w ciałach stałych i gazach pod wpływem przepływu prądu, wyładowania elektrycznego, pola elektrycznego, fali elektromagnetycznej.

ZJAWISKA ELEKTRYCZNE W PRZYRODZIE FUNKCJA UKŁADU NERWOWEGO - cechą układu nerwowego jest szybki przekaz sygnałów na duże odległości, który odbywa się w postaci impulsów elektrycznych, przesyłanych wzdłuż błony komórkowej neuronu. Przekazanie sygnału między komórkami nerwowymi i mięśniowymi lub nerwowymi i gruczołowymi odbywa się przez synapsy, najczęściej dzięki wydzieleniu substancji chemicznej zwanej neuroprzekaźnikiem.

12. WNIOSKI Ładunki otaczają nas, dzięki nim funkcjonujemy, są nie tylko wokół nas ale i wewnątrz nas. Z nich składają się atomy, z atomów cząsteczki, a z cząsteczek my i wszystko co nas otacza. Dzięki ładunkom obserwujemy również ciekawe zjawiska w przyrodzie, szkoda tylko, że niektóre tak niebezpieczne dla naszego życia, aczkolwiek bardzo ułatwiające nam funkcjonowanie w nowoczesnej rzeczywistości. Mamy też takie, które ratują nam to samo życie, chociażby przy reanimacji serca. Bez ładunków świat nie mógłby istnieć.

literatura http://pl.wikipedia.org http://www.dachy.org/aktualnosci,1368,Diody_w_nowoczesnych_ wnetrzach.html http://wdict.net/pl/gallery/bioluminescencja/n/2/ http://sciaga.onet.pl/12581,57,150,84,1,23055,sciaga.html http://www.edukator.pl/portal-edukacyjny/elektrostatyka/5154.html