MODUŁ 02 · BLOK I: ŁADUNKI I ELEKTRYZOWANIE

Elektryzowanie przez tarcie

PPrezentacja dla nauczyciela

To najczęstszy sposób naelektryzowania przedmiotu w domu: potrzyj dwa różne materiały o siebie. Brzmi banalnie, ale dzieje się wtedy coś bardzo konkretnego — elektrony przechodzą z jednego materiału na drugi. Zobaczmy dokładnie, co i dlaczego.

Co dzieje się podczas tarcia?

Gdy pocierasz o siebie dwa różne materiały, elektrony mogą przejść z jednego z nich na drugi. Jeden przedmiot zyskuje nadmiar elektronów i staje się ujemny. Drugi traci część elektronów i staje się dodatni.

To, który materiał uzyska elektrony, zależy od rodzaju materiałów i od warunków (na przykład od wilgotności powietrza). Nie da się tego zgadnąć „na logikę” — trzeba sprawdzić doświadczalnie albo posłużyć się tabelą materiałów.

Tarcie nie „wytwarza” ładunku. Przenosi elektrony, więc jedno ciało zyskuje dokładnie tyle, ile drugie traci.

Zapamiętaj: jeżeli dwa początkowo obojętne ciała elektryzują się przez tarcie, a układ nie wymienia ładunku z otoczeniem, jedno z nich może uzyskać ładunek dodatni, a drugie ujemny. Ładunek całkowity układu pozostaje niezmieniony. To, który przedmiot zyska elektrony, zależy od pary materiałów i od warunków doświadczenia — dlatego mówimy „zwykle”, a nie „zawsze”.

Model interaktywny: przenoszenie elektronów

Dwa obojętne ciała (po 8 ładunków dodatnich i 8 elektronów). Suwakiem ustaw, ile elektronów przejdzie z ciała A na ciało B. Obserwuj, co dzieje się z ładunkiem każdego z nich i z ładunkiem całego układu.

Ile elektronów przechodzi z A na B: 3

Popatrz na sumę. Ładunek ciała A jest dodatni, ciała B ujemny, ale suma ich ładunków wynosi zawsze zero — dokładnie tyle, ile przed tarciem. To właśnie zasada zachowania ładunku w praktyce.

1. 1. Co przenosi się między materiałami podczas tarcia?

Elektrony Protony Całe jądra atomów

2. 2. Balon potarty o sweter ma ładunek ujemny. Jaki ładunek ma sweter?

Też ujemny Obojętny Dodatni

3. 3. Dlaczego w wilgotnym pomieszczeniu doświadczenie z balonem często się nie udaje?

Bo woda przyciąga protony z powietrza Bo wilgoć pozwala ładunkowi odpływać z powierzchni przedmiotu Bo balon staje się cięższy

Przykład: balon i sweter

Potrzyj nadmuchany balon o suchy wełniany sweter. W tej parze materiałów balon zwykle zyskuje elektrony, więc staje się ujemny, a sweter traci elektrony i staje się dodatni.

Naładowany balon przyciąga włosy — mimo że włosy nie są naładowane. Wyjaśnimy to w module 06.
Naładowany balon przyciąga skrawki papieru — z tego samego powodu.
Dwa balony potarte tym samym swetrem odpychają się — bo oba mają ładunek tego samego znaku (ujemny).

Uwaga na wilgoć. W wilgotnym powietrzu ładunek łatwo „ucieka” z powierzchni przedmiotu, więc doświadczenie może się nie udać. Brak efektu nie znaczy, że teoria jest błędna — znaczy, że warunki nie sprzyjały. Powtórz próbę na suchym materiale.

Przykład wyjaśniony krok po kroku

Przykład 1 — balon i sweter

Treść: Balon potarto o sweter. Balon ma teraz ładunek ujemny. Jaki ładunek ma sweter? Uzasadnij, nie zgadując.

Rozwiązanie krok po kroku:

Balon ma ładunek ujemny, czyli zyskał elektrony.
Elektrony musiały skądś pochodzić — jedynym drugim ciałem jest sweter.
Sweter oddał elektrony, więc przeważają w nim ładunki dodatnie.

Odpowiedź: Sweter ma ładunek dodatni, równy co do wartości ładunkowi balonu. Nie trzeba do tego żadnych pomiarów — wynika to z zasady zachowania ładunku.

Przykład 2 — dwa balony

Treść: Dwa balony potarto o ten sam sweter. Czy balony będą się przyciągać, czy odpychać? Co się stanie, jeśli jeden z balonów potrzesz o zupełnie inny materiał, od którego zyska elektrony, a drugi od którego straci?

Rozwiązanie krok po kroku:

Oba balony potarte tym samym materiałem w ten sam sposób zyskują ładunek tego samego znaku (najczęściej oba ujemny).
Ładunki jednoimienne się odpychają — balony odskakują od siebie.
W drugim przypadku jeden balon jest ujemny, a drugi dodatni — ładunki różnoimienne, więc przyciągają się.

Wniosek: O zachowaniu balonów decyduje znak ładunku, a nie to, że „oba są potarte”. Dwa ciała potarte w ten sam sposób zwykle mają ładunki jednoimienne.

4. Dlaczego balon po tarciu przyciąga papier?

Indukuje ładunki Odpycha protony Nagrzewa papier Zwiększa masę

5. Co dzieje się z nadmiarem ładunku po dotknięciu balona?

Odpływa do ręki Zamienia znak Zostaje na zawsze Podwaja się

6. Od czego zależy siła tarcia przy elektryzowaniu?

Od temperatury wrzenia Od rodzaju materiałów Od koloru ciał Od kształtu ciał

Ćwiczenia i podsumowanie

Zadania do samodzielnego rozwiązania

Zadanie 1. Dwa obojętne ciała potarto o siebie. Jakie będą ich ładunki?

Wskazówka 1 — co się przenosi

Podczas tarcia wędrują elektrony — z jednego ciała na drugie.

Wskazówka 2 — zasada zachowania ładunku

Jeśli jedno ciało zyskało elektrony, to drugie musiało je oddać. Jaki znak ma każde z nich?

Oba dodatnie Jedno dodatnie, drugie ujemne Oba ujemne

Zadanie 2. Od czego zależy, który z dwóch potartych materiałów zyska elektrony?

Wskazówka 1 — czy to zawsze ten sam materiał

Potrzyj balon o wełnę, a potem o folię. Czy wynik musi być taki sam?

Wskazówka 2 — co jeszcze wpływa

Pomyśl o wilgotności powietrza i o stanie powierzchni materiałów.

Zawsze elektrony zyskuje materiał lżejszy Zawsze elektrony zyskuje materiał ciemniejszy Od rodzaju obu materiałów i od warunków, np. wilgotności

Zadanie 3. Dwa balony potarto o ten sam sweter. Jak zachowają się względem siebie?

Wskazówka 1 — jaki znak ma każdy balon

Ten sam materiał, ten sam sposób tarcia — więc oba balony uzyskają ładunek tego samego znaku.

Wskazówka 2 — zasada oddziaływania

Ładunki jednoimienne się odpychają, różnoimienne się przyciągają.

Będą się odpychać Będą się przyciągać Nie będą na siebie działać

Zadanie transferowe — dlaczego doświadczenie się nie udało?

Nie liczy się do paska postępu. Rozwiązanie pojawi się po sprawdzeniu.

Polecenie: Uczniowie potarli balon o sweter i zbliżyli go do skrawków papieru — nic się nie stało. Powtórzyli próbę w dobrze ogrzanej, wilgotnej sali po treningu — też nic. Trzecia próba, w suchej sali, udała się. Wyjaśnij, dlaczego pierwsze próby mogły się nie udać, i podaj dwie rzeczy, które warto było kontrolować.

Rozwiązanie

Najbardziej prawdopodobna przyczyna to wilgoć. Woda na powierzchni przedmiotów (i w powietrzu) pozwala ładunkowi „uciekać”, więc balon szybko tracił swój ładunek i nie przyciągał papieru. Warto było kontrolować: (1) wilgotność i suchość materiałów (ten sam balon i sweter, wysuszone, w suchym pomieszczeniu) oraz (2) sposób i czas pocierania (tyle samo ruchów, podobna siła). Bez tego nie wiadomo, czy różnica wyniku pochodzi od wilgoci, czy od czegoś innego.

Podsumowanie modułu

Zapamiętaj

Tarcie przenosi elektrony z jednego materiału na drugi.
Po potarciu dwóch początkowo obojętnych ciał jedno ma ładunek dodatni, a drugie ujemny — o ile układ nie wymienia ładunku z otoczeniem.
To, który materiał zyska elektrony, zależy od rodzaju materiałów i warunków (np. wilgotności).

Uważaj na błąd

„Przez tarcie powstają nowe elektrony.” Nie — elektrony są tylko przenoszone. Gdyby powstały, ładunek całkowity by wzrósł, a tego nigdy nie obserwujemy.

Sprawdź, czy rozumiesz

Dwa balony potarte o ten sam sweter odpychają się, a balon i sweter przyciągają się. Wyjaśnij oba zachowania.

Odpowiedź

Oba balony uzyskały ładunek tego samego znaku (np. ujemny), więc się odpychają — ładunki jednoimienne. Balon i sweter mają ładunki przeciwne (sweter oddał elektrony), więc się przyciągają — ładunki różnoimienne.