Ładunek i indukcja elektrostatyczna: rozdzielenie ładunków to nie ich stworzenie
Naładowany przedmiot przyciąga obojętny skrawek papieru. Czy papier musiał wcześniej otrzymać ładunek? Nie. Wystarczy, że dodatnie i ujemne ładunki nieco inaczej się rozłożą. Obojętność całego przedmiotu nie oznacza braku ładunków w środku.
W tym materiale
Naładowany przedmiot przyciąga obojętny skrawek papieru. Czy papier musiał wcześniej otrzymać ładunek? Nie. Wystarczy, że dodatnie i ujemne ładunki nieco inaczej się rozłożą. Obojętność całego przedmiotu nie oznacza braku ładunków w środku.
Potrzebne wiadomości: Budowa atomu, znaki liczb i jednostka ładunku.
Co naprawdę zmienia się przy elektryzowaniu?
Dwie początkowo obojętne rzeczy pocieramy o siebie i rozdzielamy. Jedna przyciąga drobne skrawki papieru. Nie musiała w tym czasie wyprodukować żadnych nowych cząstek. W typowym szkolnym opisie część elektronów przeszła z jednego ciała na drugie. Tam, gdzie pojawił się nadmiar elektronów, ładunek jest ujemny; tam, skąd odpłynęły, dodatni. Dodatni znak nie oznacza powstania dodatkowych protonów.
W rachunkach przyjmujemy wartość ładunku elementarnego e = 1,60 · 10⁻¹⁹ C. Ładunek elektronu wynosi −e, a protonu +e. Jeżeli na obojętne ciało trafiło n elektronów:
Q=-ne.
Po oddaniu n elektronów przez to ciało znak byłby dodatni. Liczba cząstek n jest bez jednostki; pomnożenie jej przez kulomby daje kulomby. Dla 10¹⁰ dodatkowych elektronów otrzymujemy −1,60 nC. Partner, który oddał te elektrony, zmienia swój ładunek o +1,60 nC. Sumując zmiany obu ciał, dostajemy zero.
Przewodnik może być naładowany i odizolowany
W metalu część elektronów ma możliwość przemieszczania się przez cały przedmiot. W izolatorze taka swoboda jest znacznie mniejsza. Nie oznacza to jednak, że metal natychmiast traci każdy ładunek: kula na izolującej podstawie nie ma drogi, którą elektrony mogłyby odpłynąć do ziemi. W izolatorze także może dojść do polaryzacji, czyli lokalnego przesunięcia lub uporządkowania ładunków, bez ich swobodnego przepływu przez cały przedmiot.
Zbliżenie pałeczki nie jest przekazaniem ładunku
Ustawmy dodatnią pałeczkę obok neutralnej metalowej kuli, bez kontaktu i przeskoku ładunku. Elektrony w kuli przesuwają się ku pałeczce. Po dalszej stronie pozostaje ich niedobór. Ładunek całej kuli nadal wynosi zero: zmienił się rozkład, nie bilans. Po odsunięciu pałeczki znika przyczyna rozdzielenia. Przyciąganie neutralnego przedmiotu nie dowodzi więc, że został on trwale naładowany.
Uziemienie otwiera drogę elektronom
Teraz użyjmy pałeczki ujemnej i połączmy kulę z ziemią. Elektrony są odpychane od pałeczki; część odpływa przewodem. Aby zachować dodatni ładunek kuli, najpierw odłączamy uziemienie, a dopiero potem odsuwamy pałeczkę. Elektrony nie mogą już wrócić. Jeśli zamienimy kolejność, kula przy odsuwaniu pałeczki nadal wymienia ładunek z ziemią i w idealnym, pozbawionym innych pól otoczeniu wraca do obojętności.
Jak wybrać układ do bilansu?
Przy uziemieniu sama kula nie jest układem zamkniętym dla przepływu ładunku. Trzeba policzyć również ziemię. Jeśli kula oddała 2 · 10⁹ elektronów, jej zmiana ładunku wynosi +0,32 nC, a zmiana ładunku ziemi −0,32 nC. Ziemia nie usuwa ładunku z bilansu; zapewnia miejsce, do którego może on przepłynąć.
Dodatnia pałeczka i odłączenie uziemienia jako pierwszy krok — jaki znak?
Ujemny. Dodatnia pałeczka przyciąga elektrony z ziemi do kuli. Odłączenie przewodu zatrzymuje ten nadmiar. Odwróciliśmy znak pałeczki, więc przy tej samej kolejności odwrócił się znak końcowego ładunku.
Warsztat: liczmy przepływ, nie liczbę znaków na szkicu
Na rysunkach przewodnika zwykle mieści się kilka plusów i minusów. To oznaczenia nadmiaru lub niedoboru ładunku, a nie spis wszystkich protonów i elektronów. Obojętny metal również zawiera ogromne liczby jednych i drugich. Szkic z trzema minusami po jednej stronie nie mówi, że cała kula ma trzy elektrony.
Przećwiczmy rzeczywisty bilans. Dwa ciała A i B są początkowo obojętne. A przekazuje B 2,0·10⁹ elektronów. Potem 0,50·10⁹ elektronów wraca z B do A. W pierwszym etapie A ma +0,32 nC, B ma −0,32 nC. Powrót przenosi 0,080 nC ujemnego ładunku w przeciwną stronę. Końcowe ładunki wynoszą więc +0,24 nC oraz −0,24 nC. Kontrola przez łączny transfer daje ten sam wynik: 1,5·10⁹ elektronów razy 1,60·10⁻¹⁹ C to 0,24 nC.
Jeżeli natomiast przybliżymy pałeczkę i elektrony przesuną się wyłącznie wewnątrz A, żaden transfer przez granicę całego A nie nastąpi. Możemy zmienić znak nadmiaru po lewej stronie, nie zmieniając całkowitego Q. To właśnie warto ustalić przed rachunkiem: czy obserwujemy całe ciało, jego część, czy parę ciał?
Sprawdź sam
Po opisanych dwóch transferach A oddaje jeszcze 0,50·10⁹ elektronów do ziemi. Jakie są zmiany? A kończy z +0,32 nC, B nadal z −0,24 nC, a ziemia otrzymuje −0,080 nC. Suma tych trzech zmian nadal wynosi zero. Pominięcie ziemi sprawiłoby tylko, że wybrany układ przestałby być zamknięty dla przepływu ładunku.
Zadania do tego tematu
- Nadmiar elektronów a znak ładunku
- Obojętny przewodnik obok dodatniej pałeczki
- Dlaczego najpierw odłącza się uziemienie?
- Dodatni ładunek po oddaniu części elektronów
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto