MODUŁ 05 · BLOK II: MATERIA I JEJ WŁAŚCIWOŚCI

Przewodniki i izolatory

PPrezentacja dla nauczyciela

Dlaczego ładunek na metalowym przedmiocie trzymanym w dłoni często szybko odpływa, a na plastikowym balonie trzyma się długo? Odpowiedź tkwi w tym, jak łatwo ładunki mogą się przemieszczać w danym materiale. Na tej podstawie dzielimy materiały na przewodniki i izolatory.

Przewodniki: ładunki mogą się przemieszczać

W przewodnikach część ładunków może poruszać się przez materiał. Najlepszym przykładem są metale: miedź, aluminium, żelazo. W metalu część elektronów nie jest przywiązana do jednego atomu — może wędrować po całym kawałku metalu.

Skutek jest taki, że metalowy przedmiot szybko rozprowadza ładunek po swojej powierzchni. Jeżeli ma przy tym przewodzącą drogę do Ziemi — np. trzymasz go w dłoni — ładunek może z niego odpłynąć. Sam metal ładunku nie niszczy: odizolowany metalowy przedmiot również może pozostać naładowany.

Izolatory: ładunki są uwięzione

W izolatorach ładunki są mocno związane z atomami i przemieszczają się znacznie trudniej. Do izolatorów należą szkło, suchy plastik, guma, porcelana, a w typowych warunkach także suche powietrze.

Dzięki temu ładunek na izolatorze pozostaje blisko miejsca, w którym powstał — dlatego naelektryzowany balon trzyma ładunek przez dłuższy czas.

Cecha	Przewodnik (np. metal)	Izolator (np. szkło, plastik)
Ruch ładunków	Stosunkowo łatwy	Bardzo ograniczony
Rozkład ładunku	Ładunek rozkłada się na powierzchni zgodnie z kształtem przedmiotu i warunkami — na ostrzach i krawędziach może być gęstszy	Ładunek może pozostać skupiony w pobliżu miejsca naelektryzowania
Czy można go naelektryzować?	Tak	Tak — różnica dotyczy tylko łatwości ruchu ładunków
Przykłady	Miedź, aluminium, żelazo, woda z solami	Szkło, suchy plastik, guma, suche powietrze

Nie myl pojęć:
• Przewodnik nie „produkuje” ładunku. On tylko umożliwia jego przemieszczanie.
• Izolator też może zostać naelektryzowany. Balon z gumy jest izolatorem, a przecież świetnie się elektryzuje — i właśnie dlatego trzyma ładunek długo.

To rozróżnienie nie jest absolutne

Nie ma materiałów „przewodzących doskonale” i „nieprzewodzących wcale”. Wszystko zależy od warunków:

Woda z rozpuszczonymi solami przewodzi znacznie lepiej niż czysta woda.
Wilgotne powierzchnie pozwalają ładunkom odpływać łatwiej niż suche — dlatego doświadczenia w wilgotnej sali często się nie udają.
Powietrze, które zwykle jest izolatorem, może przewodzić podczas silnego wyładowania — właśnie dlatego powstaje iskra (moduł 09).

Model interaktywny: przewodnik i izolator obok siebie

Przyłóż ładunek do obu przedmiotów i zobacz, co się z nim stanie. W przewodniku ładunki rozchodzą się po całej powierzchni płytki, a w izolatorze zostają ściśnięte w jednym miejscu. W obu płytkach jest tyle samo ładunku — różni się tylko rozmieszczenie.

To uproszczony model. Pokazuje, że ładunek w przewodniku się rozchodzi, a w izolatorze zostaje na miejscu. W rzeczywistym przedmiocie rozkład ładunku nie zawsze jest równomierny — zależy także od jego kształtu (na ostrzach i krawędziach bywa gęstszy).

Dlaczego ładunek układa się właśnie tak? Ładunki jednoimienne się odpychają, więc każdy z nich „chce” być jak najdalej od pozostałych. W przewodniku elektrony mogą się swobodnie przesuwać, więc odpychanie rozpycha je po całej powierzchni płytki. W izolatorze nie mają jak się ruszyć, więc zostają ściśnięte w jednym miejscu — tam, gdzie zostały przyłożone.
To dlatego izolator nadaje się na „magazyn” ładunku, a metal na „przewód”. W obu płytkach jest tyle samo ładunku; kropki pokazują tylko jego rozmieszczenie.
Uwaga: równy rozkład na rysunku to cecha naszego modelu płaskiej płytki. Na przedmiocie o innym kształcie ładunek nie musi rozłożyć się równo — zagęszcza się na ostrzach i krawędziach.

1. 1. Który materiał jest przewodnikiem?

Sucha guma Suche szkło Miedź

2. 2. Które zdanie o izolatorach jest poprawne?

Nie mogą się naelektryzować Przewodzą ładunek lepiej niż metale Mogą się naelektryzować, ale ruch ładunków jest w nich mocno ograniczony

3. 3. Dlaczego balon z gumy trzyma ładunek dłużej niż metalowa łyżka trzymana w dłoni?

Bo guma jest cięższa od metalu Bo guma jest izolatorem, a ładunek z łyżki odpływa przez ciało do Ziemi Bo metal nie przyciąga papieru

Dlaczego metalowa klamka czasem „kopie”?

Po przejściu po dywanie (szczególnie w suchym pomieszczeniu) Twoje ciało może zgromadzić ładunek. Gdy zbliżasz palec do metalowej klamki, między palcem a metalem powstaje silne pole elektryczne. Ładunek przeskakuje przez małą szczelinę jako iskra i czujesz krótkie ukłucie.

Dlaczego iskra jest krótka? Bo po wyrównaniu różnicy ładunków pole słabnie i wyładowanie ustaje.
Dlaczego klamka, a nie drewniane drzwi? Bo metal jest przewodnikiem — ładunek z całej klamki może niemal natychmiast wziąć udział w wyładowaniu. Drewno (suche) jest izolatorem i ładunek nie przepłynie przez nie tak łatwo.
Dlaczego częściej zimą? Bo powietrze w ogrzewanych pomieszczeniach jest suchsze, więc ładunek z Twojego ciała nie ma jak odpływać na bieżąco.

Przykład wyjaśniony krok po kroku

Przykład 1 — balon czy łyżka?

Treść: Naelektryzowany balon i metalową łyżkę trzymaną w dłoni zbliżono do skrawków papieru. Balon przyciągał papier długo, a łyżka — prawie wcale. Wyjaśnij dlaczego.

Rozwiązanie krok po kroku:

Balon z gumy jest izolatorem — ładunek zostaje na jego powierzchni i długo się trzyma.
Łyżka jest przewodnikiem, a Ty trzymasz ją w dłoni.
Twoje ciało jest dla ładunku drogą do Ziemi, więc ładunek z łyżki odpływa przez dłoń niemal natychmiast.

Odpowiedź: Łyżka nie „gorzej się elektryzuje” — ona nie zatrzymuje ładunku, bo jest przewodnikiem połączonym z Ziemią przez Twoje ciało. Żeby łyżka naelektryzowała się i utrzymała ładunek, trzeba trzymać ją za uchwyt z izolatora.

Przykład 2 — dlaczego doświadczenie nie wyszło?

Treść: W poniedziałek balon potarty o sweter przyciągał papier. We wtorek, w tej samej sali po długiej przerwie, ten sam balon nie przyciągał niczego. Podaj dwa możliwe wyjaśnienia i napisz, jak sprawdzić, które jest prawdziwe.

Rozwiązanie krok po kroku:

Wilgoć. We wtorek powietrze mogło być wilgotniejsze (np. po sprzątaniu sali), więc ładunek odpływał z balonu.
Zabrudzenie lub wilgoć na balonie. Tłuszcz z rąk albo wilgoć na powierzchni też utrudniają utrzymanie ładunku.
Jak sprawdzić? Powtórzyć próbę z takim samym balonem i swetrem, w tym samym pomieszczeniu, ale zmieniać tylko jedną rzecz naraz: raz z suchym balonem, raz z wilgotnym; raz w suchym powietrzu, raz po nawilżeniu.

Wniosek: Żeby ustalić przyczynę, trzeba kontrolować warunki. Bez tego nie wiadomo, czy różnica wynikła z wilgoci, z brudu, czy z czegoś jeszcze innego. Metodę naukową omówimy w module 11.

4. 4. Dlaczego podczas silnego wyładowania powietrze przestaje być izolatorem?

Bo traci wszystkie elektrony na zawsze Bo przy bardzo silnym polu może zacząć przewodzić — wtedy powstaje iskra Bo zmienia się w wodę

5. Który materiał jest izolatorem?

Aluminium Grafit Miedź Szkło

6. Dlaczego metale przewodzą prąd?

Są ciężkie Mają wolne elektrony Są bardzo twarde Mają wolne protony

Ćwiczenia i podsumowanie

Zadania do samodzielnego rozwiązania

Zadanie 1. Czym różni się przewodnik od izolatora?

Wskazówka 1 — co decyduje o różnicy

Chodzi o to, jak łatwo ładunki mogą się przemieszczać w materiale.

Wskazówka 2 — czy oba mogą się naelektryzować

Oba mogą. Różnica dotyczy tylko łatwości ruchu ładunków w materiale.

Izolator nie może się naelektryzować Przewodnik zawsze ma ładunek dodatni W przewodniku ładunki mogą się przemieszczać łatwiej niż w izolatorze

Zadanie 2. Dlaczego naelektryzowana metalowa łyżka trzymana w dłoni prawie nie przyciąga papieru?

Wskazówka 1 — z czego zrobiona jest łyżka

Metal to przewodnik — ładunek może się w nim łatwo przemieszczać.

Wskazówka 2 — dokąd może odpłynąć ładunek

Trzymasz łyżkę w dłoni. Czy Twoje ciało może być dla ładunku drogą do Ziemi?

Bo ładunek odpływa przez dłoń do Ziemi — łyżka jest przewodnikiem Bo metal nie może się naelektryzować Bo łyżka jest za ciężka, żeby przyciągać papier

Zadanie 3. Dlaczego w wilgotnym pomieszczeniu balon często nie przyciąga papieru?

Wskazówka 1 — co robi wilgoć

Woda na powierzchni przedmiotu zmienia to, jak łatwo ładunek może się z niej wydostać.

Wskazówka 2 — gdzie podziewa się ładunek

Jeśli ładunek może odpływać, to czy zostaje go jeszcze dość na balonie, żeby przyciągnąć papier?

Bo woda przyciąga protony z powietrza Bo wilgoć pozwala ładunkowi odpływać, więc balon szybko traci ładunek Bo balon staje się wtedy cięższy

Zadanie transferowe — zaprojektuj uchwyt

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

Polecenie: Chcesz naelektryzować metalową kulkę i utrzymać na niej ładunek, żeby zbliżyć ją do skrawków papieru. Kulka ma cienki metalowy uchwyt. Jak rozwiążesz problem „uciekania” ładunku przez dłoń?

Rozwiązanie

Trzeba przerwać drogę do Ziemi — czyli oddzielić dłoń od metalu izolatorem. Można nałożyć na uchwyt rurkę z izolatora (np. kawałek suchego plastiku, gumy albo korka) i trzymać za tę rurkę. Wtedy ładunek nie ma jak odpłynąć przez Twoje ciało i pozostaje na kulce. To dokładnie ten sam pomysł, dla którego uchwyty narzędzi elektrycznych robi się z izolatora.

Podsumowanie modułu

Zapamiętaj

Przewodnik (np. metal) pozwala ładunkom przemieszczać się łatwo — ładunek rozchodzi się po powierzchni. Jego rozkład zależy od kształtu przedmiotu.
Izolator (np. szkło, plastik) ogranicza ruch ładunków — ładunek zostaje w miejscu i trzyma się długo.
Rozróżnienie nie jest absolutne: wilgoć i inne warunki zmieniają zachowanie materiałów.

Uważaj na błąd

„Izolator nie może się naelektryzować.” Wręcz przeciwnie — izolatory elektryzują się bardzo dobrze i utrzymują ładunek dłużej niż metale. Balon z gumy jest tego najlepszym przykładem.

Sprawdź, czy rozumiesz

Dlaczego uchwyty narzędzi elektrycznych wykonuje się z tworzywa sztucznego, a nie z metalu?

Odpowiedź

Bo tworzywo sztuczne jest izolatorem — nie pozwala ładunkom (i prądowi) przepływać przez dłoń do ciała. Metalowy uchwyt byłby przewodnikiem i stanowiłby drogę dla prądu, co jest niebezpieczne.