..:: FIZYKA ::..

Elektryczność

Część III
Elektroskop jako narzędzie badawcze

Wprowadzenie

Nadal pozostaniemy w świecie prostych doświadczeń z elektrostatyki. Również w tym opracowaniu zajmiemy się elektryzowaniem przez pocieranie. Różnica w stosunku do wcześniejszego tematu będzie polegała na wprowadzeniu nowych narzędzi eksperymentalnych (tu mam na myśli elektroskop oraz elektrofor) a także na wyodrębnieniu z ciał stałych – ze względu na ich elektryczne właściwości – dwóch grup: przewodników i izolatorów.

Budowa elektroskopu

Na rysunku ukazanym poniżej znajduje się schematyczne przedstawienie elektroskopu (więcej przyrządów do badań związanych z ładunkiem elektrycznym a także ich krótkie opisy znajdziecie na stronie Fizyka LO Turek: elektrostatyka - przyrządy).

Elektroskop

Elementy budowy elektroskopu:

  • podstawa do której umocowana jest metalowa obudowa z dwóch stron zamknięta szybami, metalową obudowę możemy uziemić przewodnikiem z ziemią;
  • pionowo przez obudowę przechodzi, odizolowany od niej metalowy pręt;
  • pręt po stronie zewnętrznej zakończony jest przeważnie metalową kulką lub płytką (np. w kształcie koła);
  • wewnątrz do pręta umocowana jest lekka metalowa wskazówka (bardzo łatwo – znaczy używając małej siły – można ją wychylić z położenia równowagi).

Elektryzowanie metalowego pręta elektroskopu naładowaną płytą winidurową.

We wcześniejszym opracowaniu (Elektryzowanie przez pocieranie) pokazaliśmy, że niektóre ciała stałe można naelektryzować pocierając je suknem lub papierem (laska ebonitowa potarta o sukno elektryzuje się ujemnie – sukno dodatnio; laska szklana potarta o papier pozbywa się ładunku ujemnego dlatego elektryzuje się dodatnio – papier natomiast ujemnie).

Tym razem przez pocieranie suknem naelektryzujemy winidurową płytę w kształcie koła. Ale nie całą. Pocierać ją będziemy z jednej strony przy krawędzi. Spodziewamy się, że bezpośrednio pocierany fragment płyty naelektryzuje się (skądinąd – czego nie będziemy tu wyjaśniać – wiemy, że ładunkiem ujemnym) natomiast naelektryzowane sukno z niedoborem elektronów posiądzie wypadkowy ładunek dodatni.

Następnie naładowaną płytę winidurową przykładamy do metalowej kulki na pręcie elektroskopu ale dokładnie tym miejscem, które uprzednio potarliśmy i dokonujemy obserwacji. Ilustracja poniżej.

Elektroskop

Wyraźnie widzimy, że wskazówka elektroskopu wychyliła się. Dlaczego? Wyjaśnimy podsumowując na na końcu następnego przykładu.

Teraz powtarzamy doświadczenie z winidurową płytą. Zanim jednak to nastąpi dotykamy palcem metalowej kulki na elektroskopie i odprowadzamy w ten sposób nadmiar ładunku, inaczej uziemiamy pręt elektroskopu. Wskazówka wraca do pozycji wyjściowej. Ponownie pocieramy płytę w jednym miejscu przy krawędzi. Następnie ją unosimy i dotykamy do kulki na metalowym pręcie elektroskopu ale miejscem leżącym po przeciwnej stronie krążka niż ta, którą pocieraliśmy.

Elektroskop

Tym razem jak wynika z rysunku nic ciekawego nie zauważamy. Wskazówka ani drgnęła. Dlaczego?

Wyjaśnienie:

  • W pierwszym przypadku elektrony z miejsca w którym był potarty krążek winidurowy przeszły do wnętrza metalowego pręta (w trakcie ich zetknięcia). W ten sposób pręt i wskazówka naelektryzowały się ujemnie. Ponieważ ładunki tego samego znaku się odpychają, wskazówka wychyliła się.
  • W drugim przypadku wskazówka elektroskopu pozostała nieporuszona, ponieważ metalowy pręt zetknęliśmy z tą częścią winidurowego krążka, która leżała po przeciwnej stronie potarcia. Elektrony nie mogły przejść do pręta elektroskopu.
    Świadczy to również o tym, że wewnątrz płyty winidurowej elektrony nie mogą się przemieszczać. Gromadzą się co prawda na powierzchni potartej ale dalej się nie przemieszczają.

Na podstawie powyższych informacji możemy podjąć próbę definicji ciał w których elektrony nie mogą się poruszać.

Definicja izolatora:
Ciała stałe wewnątrz których podobnie jak w płycie winidurowej nie mogą przemieszczać się ładunki elektryczne zwane elektronami nazywamy izolatorami. Mówimy, że izolatory nie posiadają swobodnych elektronów. Do izolatorów zaliczmy między innymi szkło, ebonit, winidur, gumę, suche drewno, ceramikę, inne tworzywa sztuczne.

Elektryzowanie metalowego pręta elektroskopu naładowaną płytą metalową.

Ponownie przeprowadzimy powyższe doświadczenie, jednak tym razem w doświadczeniu użyjemy metalowego krążka elektroforu. Przebieg doświadczenia jest następujący. Ustawiamy na stole elektroskop i dotykamy palcem metalową kulkę znajdującą się na górnej części pręta. W ten sposób uziemiając wyrównujemy ilość ładunków dodatnich i ujemnych w pręcie. Obok elektroskopu kładziemy na stole krążek winidurowy i cały pocieramy suknem. Krążek gromadzi ładunek ujemny, sukno pozbywa się ujemnego czyli naładowane zostaje dodatnio. Następnie chwytamy metalowy krążek elektroforu za wykonany z tworzywa uchwyt i jedną jego stronę (pamiętamy którą) przesuwamy delikatnie i powoli po płycie winidurowej. Następnie tą stronę elektroforu, którą przesunęliśmy po naładowanej płycie dotykamy do kulki na metalowym pręcie elektroskopu. Obserwujemy.

Elektroskop

Powtarzamy to samo doświadczenie lecz tym razem metalową kulkę na pręcie dotykamy przeciwną krawędzią metalowego krążka elektroforu.

Elektroskop

W obu przypadkach wskazówka w elektroskopie wychyliła się, czyli metalowy pręt został naelektryzowany ładunkiem jednego rodzaju.

Wyjaśnienie:

  • Na płycie winidurowej został zgromadzony ładunek ujemny (elektrony). Kiedy powoli przesuwaliśmy po niej metalowy krążek elektroforu, elektrony z płyty przechodziły do niego. W ten sposób również elektrofor został naładowany ładunkiem ujemnym. Następnie z metalowej płyty ładunek przenieśliśmy do elektroskopu przez zetknięcie elektroforu z metalową kulką.
  • Fakt, że wskazówka elektroskopu wychyliła się niezależnie od tego którą stroną elektroforu dotknęliśmy metalową kulkę świadczy, że elektrony w metalowym krążku mogły swobodnie przedostać się drugą stronę, do przeciwnej krawędzi elektroforu.

Na podstawie ostatnich dwóch wyjaśnień możemy podjąć próbę definicji ciał, w których elektrony mogą się swobodnie poruszać.

Definicja przewodnika:
Ciała wewnątrz których podobnie jak w płycie aluminiowej mogą przemieszczać się ładunki elektryczne zwane elektronami nazywamy przewodnikami. Mówimy, że przewodniki posiadają swobodne elektrony. Przewodnikami są głównie metale.

Zakończenie

Na początku tego opracowania podaliśmy budowę elektroskopu. Teraz możemy dopowiedzieć. Metalowy pręt ze wskazówką jest przewodnikiem dlatego po dotknięciu kulki ciałem naładowanym ujemnie, elektrony mogą swobodnie dostać się do jego wnętrza. Również powiedzieliśmy, że metalowy pręt ze wskazówką jest oddzielony izolatorem od obudowy elektroskopu. Dlatego ładunki nie mogą się przedostać z pręta na obudowę. A dalej przez uziemienie obudowy do ziemi.

Koniec części III



..:: Elektryczność :: Spis treści ::..    ..:: Spis treści :: Elektryczność ::..

      »»»    Elektryczna budowa materii Część I
      »»»    Elektryzowanie przez pocieranie Część II
      »»»    Elektroskop jako narzędzie badawcze Część III
      »»»    Prawo Coulomba Część IV
      »»»    Elektryzowanie ciał przez indukcję Część V
      »»»    Zasada zachowania ładunku elektrycznego Część VI
      »»»    Centralne i jednorodne pole elektrostatyczne Część VII
      »»»    Natężenie pola elektrostatycznego Część VII

Jeśli masz jakieś uwagi, pytania odnośnie tego działu skorzystaj z
forum fizyka

GÓRA         SZKOŁA         

©2007-2016 Licencja Creative Commons