MODUŁ 03 · BLOK I: ŁADUNKI I ELEKTRYZOWANIE

Elektryzowanie przez dotyk i przez wpływ

PPrezentacja dla nauczyciela

Tarcie to nie jedyny sposób. Ciało można naelektryzować także wtedy, gdy dotknie innego naładowanego przedmiotu — albo nawet wtedy, gdy tylko zbliżymy go bez dotykania. Ten drugi przypadek jest najbardziej zaskakujący, więc przyjrzymy się mu dokładnie.

Elektryzowanie przez dotyk

Jeśli naładowane ciało dotknie przewodzącego przedmiotu, część ładunku może przepłynąć między nimi. Po rozdzieleniu oba ciała mają ładunek tego samego znaku — bo ładunek podzielił się między nie. Dzieje się tak, gdy oba ciała przewodzą i ładunek ma drogę, żeby przepłynąć; przy dwóch izolatorach efekt będzie znacznie słabszy.

Ile ładunku zostanie na każdym z nich, zależy od ich rozmiarów, kształtu i warunków. Nie musisz tego obliczać — wystarczy zrozumieć, że ładunek się rozdziela, a nie znika.

Elektryzowanie przez dotyk: ładunek przepływa i dzieli się. Oba ciała uzyskują ładunek tego samego znaku.

Dotyk a tarcie — nie mieszaj!

Tarcie: ciała naelektryzują się przeciwnie (jedno oddaje elektrony, drugie je zyskuje).
Dotyk naładowanym przedmiotem: ciała mają potem ładunek tego samego znaku (ładunek się dzieli).

Rozszerzenie · dla zainteresowanych

Elektryzowanie przez wpływ (indukcja elektrostatyczna)

Teraz najciekawszy przypadek. Naładowane ciało zbliżone do przewodnika może spowodować przesunięcie ładunków w jego wnętrzu — bez dotykania. To zjawisko nazywamy indukcją elektrostatyczną.

W przewodniku elektrony mogą się swobodnie przesuwać. Gdy zbliżysz do niego ładunek ujemny, elektrony „uciekają” na dalszą stronę. Bliższa strona staje się wtedy względnie dodatnia, a dalsza względnie ujemna.

Indukcja: naładowany pręt odpycha elektrony na dalszą stronę kuli. Ładunki się rozdzieliły, choć nic nie zostało dotknięte.

Uwaga na słowo „rozdzieliły”. To nie znaczy, że kula ma teraz ładunek netto. Ładunek całkowity kuli nadal wynosi zero — ładunki tylko się przesunęły na różne strony. Kula jest spolaryzowana, ale nie naładowana.

1. 2. Czym jest indukcja elektrostatyczna?

Wytworzeniem nowych ładunków w przewodniku Rozdzieleniem ładunków w ciele pod wpływem pobliskiego naładowanego przedmiotu, bez dotykania Przenoszeniem elektronów przez tarcie

2. 3. Do czego służy uziemienie w doświadczeniu z indukcją?

Umożliwia ładunkowi odpłynięcie do Ziemi albo dopłynięcie z niej Zatrzymuje ładunek w kulce na zawsze Wytwarza w kulce ładunek dodatni z niczego

3. Jak naelektryzować ciało przez dotyk?

Oświetlić je Zanurzyć w wodzie Ogrzać je mocno Zetknąć z naładowanym

Model interaktywny: indukcja krok po kroku

Przejdź przez cztery kroki doświadczenia z indukcją i uziemieniem. Po każdym kroku patrz na ładunek kuli oraz na jej połączenie z Ziemią.

Kolejność czynności ma znaczenie. Najpierw zbliżamy pręt, potem uziemiamy kulę, potem odłączamy uziemienie, a na końcu odsuwamy pręt. Jeśli zmienisz kolejność, kula nie pozostanie naładowana. Właśnie dlatego w doświadczeniach trzeba dokładnie trzymać się instrukcji.

Rozszerzenie · dla zainteresowanych

Co robi uziemienie?

Uziemienie to połączenie ciała z Ziemią drogą, przez którą ładunek może odpłynąć lub dopłynąć. Ziemia jest tak ogromna w porównaniu z małym przedmiotem, że może przyjąć albo oddać elektrony, nie zmieniając zauważalnie swojego stanu.

W doświadczeniu z indukcją uziemienie pozwala części elektronów odpłynąć do Ziemi wtedy, gdy pręt jest jeszcze blisko. Potem odłączamy uziemienie (żeby ładunek nie mógł wrócić) i dopiero wtedy odsuwamy pręt. Kula zostaje naładowana ładunkiem przeciwnym do ładunku pręta: pręt ujemny wypchnął elektrony, więc kula została dodatnia.

Zasada zachowania ładunku w tym doświadczeniu. Policz kropki na rysunku: protonów jest zawsze tyle samo (w modelu 4). Zbliżenie pręta tylko przesuwa elektrony na dalszą stronę — nic nie ubywa, więc kula nadal jest obojętna. Dopiero uziemienie usuwa część elektronów (w modelu zostają 2 z 4) i wtedy kula ma ładunek dodatni. Protonów nie ubywa ani nie przybywa — dlatego po uziemieniu ładunek dodatni bierze się z braku elektronów, a nie z „nowych” ładunków dodatnich.

Przykład wyjaśniony krok po kroku

Przykład 1 — dotyk czy tarcie?

Treść: Obojętną metalową kulkę dotknięto naładowaną ujemnie pałeczką. Pałeczka nie została potarta o kulkę. Jakie ładunki mają teraz oba ciała?

Rozwiązanie krok po kroku:

To dotyk, a nie tarcie — pałeczką nie pocierano, tylko zetknięto.
Część ładunku ujemnego (elektronów) przepłynęła z pałeczki na kulkę.
Po rozdzieleniu oba ciała mają ładunek ujemny, tylko pałeczka ma go teraz mniej.

Odpowiedź: Oba ciała są naładowane ujemnie — ładunek się podzielił. Gdyby to było tarcie, znaki byłyby przeciwne.

Przykład 2 — czy kula po indukcji jest naładowana?

Treść: Uczennica zbliżyła naładowany pręt do metalowej kuli i zapytała: „Czy kula jest teraz naładowana?”. Pręt nadal jest blisko, nic nie było uziemiane. Co powinieneś odpowiedzieć?

Rozwiązanie krok po kroku:

Ładunki w kuli przesunęły się — bliższa strona jest względnie dodatnia, dalsza względnie ujemna.
Ale nic nie odpłynęło ani nie dopłynęło z zewnątrz — ładunek całkowity kuli nadal wynosi zero.
Kula jest spolaryzowana, ale nie naładowana.

Odpowiedź: Kula nie jest naładowana — jest tylko spolaryzowana. Żeby pozostała naładowana, trzeba by wykonać całą procedurę z uziemieniem i właściwą kolejnością czynności.

4. Co robi uziemienie naładowanego przewodnika?

Nic nie zmienia Dodaje elektrony Odbiera protony Odprowadza ładunek

5. Gdzie gromadzi się ładunek w przewodniku?

Na powierzchni W jądrze atomu Równomiernie W środku

6. Co przyciąga naelektryzowana laska?

Duże przedmioty Tylko wodę Drobne skrawki Tylko metale

Ćwiczenia i podsumowanie

Zadania do samodzielnego rozwiązania

Zadanie 1. Obojętną metalową kulkę dotknięto naładowaną dodatnio pałeczką. Jakie ładunki mają teraz oba ciała?

Wskazówka 1 — co się dzieje przy dotyku

Ładunek przepływa z pałeczki na kulkę i się dzieli.

Wskazówka 2 — znak ładunku

Pałeczka była dodatnia. Co dzieje się ze znakiem ładunku, który na nią przeszedł?

Kulka dodatnia, pałeczka ujemna Oba ciała dodatnie Kulka obojętna, pałeczka dodatnia

Zadanie 2. Naładowany pręt zbliżono do metalowej kuli, nie dotykając jej i nie uziemiając niczego. Jaki jest ładunek całkowity kuli?

Wskazówka 1 — co się przesunęło

Ładunki w kuli przesunęły się na różne strony, ale czy cokolwiek do niej dopłynęło z zewnątrz?

Wskazówka 2 — bilans

Nic nie odpłynęło i nic nie dopłynęło. Ile wynosi suma ładunków?

Dodatni, bo pręt go przyciągnął Ujemny, bo pręt go odepchnął Zero — ładunki się tylko przesunęły

Zadanie 3. W doświadczeniu z indukcją, w którym momencie odłączamy uziemienie?

Wskazówka 1 — po co jest uziemienie

Uziemienie pozwala ładunkowi odpłynąć do Ziemi. Żeby kula została naładowana, ładunek nie może wrócić.

Wskazówka 2 — co dzieje się po odsunięciu pręta

Gdy pręt jest daleko, nie ma już siły, która rozdzielałaby ładunki. Więc uziemienie trzeba odłączyć, zanim odsuniemy pręt.

Po uziemieniu, ale przed odsunięciem pręta Dopiero po odsunięciu pręta Przed zbliżeniem pręta

Zadanie transferowe — co poszło nie tak?

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

Polecenie: Uczeń chciał naładować metalową kulkę przez indukcję. Zrobił tak: (1) odsunął pręt daleko, (2) uziemił kulkę, (3) zbliżył pręt, (4) odłączył uziemienie. Na końcu kulka była obojętna. Wskaż błąd w kolejności i podaj poprawną.

Rozwiązanie

Uczeń zmienił kolejność w sposób, który uniemożliwił naładowanie. Kula była uziemiona, gdy pręt był daleko — wtedy nie było czego rozdzielać, więc uziemienie nic nie dało. Potem, gdy pręt zbliżył się po uziemieniu, ładunki rozdzieliły się, ale uziemienie zostało już odłączone, więc nadmiar nie mógł odpłynąć. Poprawna kolejność: (1) zbliż pręt → (2) uziemij kulkę → (3) odłącz uziemienie → (4) odsuń pręt. Wtedy kulka pozostanie naładowana ładunkiem przeciwnym do ładunku pręta.

Podsumowanie modułu

Zapamiętaj

Tarcie → ciała naelektryzują się przeciwnie.
Dotyk naładowanym przedmiotem → ciała mają ładunek tego samego znaku (ładunek się dzieli).
Wpływ (indukcja) → ładunki się rozdzielają bez dotykania; z uziemieniem i właściwą kolejnością można ciało trwale naładować.

Uważaj na błąd

Mylenie roz dzielenia ładunków z naładowaniem ciała. Po zbliżeniu pręta kula ma ładunki rozdzielone na dwie strony, ale jej ładunek całkowity nadal wynosi zero — nie jest jeszcze naładowana.

Sprawdź, czy rozumiesz

Dlaczego przy indukcji trzeba odłączyć uziemienie przed odsunięciem pręta?

Odpowiedź

Bo pręt jest tym, co rozdziela ładunki. Dopóki jest blisko, nadmiar ładunku „wypycha” elektrony do Ziemi przez uziemienie. Gdy odłączymy uziemienie przy blisko stojącym pręcie, ten nadmiar nie ma jak wrócić. Gdybyśmy najpierw odsunęli pręt, ładunki wróciłyby na swoje miejsca i kula zostałaby obojętna.