..:: FIZYKA ::..

Elektryczność

Część V
Elektryzowanie ciał przez indukcję

Wprowadzenie

Jednym z ciekawszych rodzajów elektryzowania ciał jest zachodzące w sposób niewymagający by ciała były ze sobą w kontakcie. Ukuto do niego nazwę elektryzowanie przez indukcję. Z samym pojęciem indukcji możemy się spotkać w biologii, psychologii, elektryczności, magnetyzmie czy matematyce. I chyba tylko pojęcie matematyczne odrywa się od przyjętego jego rozumienia w pozostałych dziedzinach. Cóż, matematyka to nauka abstrakcyjna, oderwana :) ale zaraz należy dodać, że nieodzowna do funkcjonowania nauk przyrodniczych.

Wracając do tematu, tym razem poznamy na czym polega elektryzowanie ciał przez indukcję w przeciwieństwie do już poznanych elektryzowania przez pocieranie (mechaniczne przenoszenie ładunków z jednego ciała na drugie) oraz wpływ (przepłynięcie z ciała naelektryzowanego elektronów – ładunków o znaku ujemnym – do przewodnika).

Indukcja na przykładzie elektroforu

O elektroforze już wspomnieliśmy podczas omawiania tematu Elektroskop jako narzędzie badawcze w części poświęconej elektryzowaniu elektroskopu naładowaną metalową płytą. Teraz przyjrzyjmy się bliżej jego budowie.

Elektrofor

W budowie elektroforu możemy wyodrębnić trzy elementy:

  • podwójny w środku pusty metalowy (aluminiowy) krążek - w naszym przypadku - może też być całkowicie wykonany z jednolitego materiału;
  • do aluminiowego krążka przymocowany jest uchwyt z izolatora;
  • płyta winidurowa, którą się elektryzuje przez pocieranie (np. suknem).

Przebieg doświadczenia:

Pocieramy suknem leżącą na stole płytę winidurową. Następnie równolegle do niej zbliżamy trzymając za uchwyt z izolacji aluminiowy krążek elektroforu ale nie dotykamy nim płyty. Tak ustawiony elektrofor dotykamy – w wierzchnią jego część – palcem drugiej ręki by po chwili go zjąć. Po zdjęciu paleca z metalowego krążka oddalamy całość spokojnym zdecydowanym ruchem. Teraz możemy przyłożyć krążek elektroforu do kulki na pręcie elektroskopu.

Indukcja elektrostatyczna

W wyniku przeprowadzonego doświadczenia zaobserwowaliśmy wyraźne wychylenie skazówki elektroskopu. Jak do tego doszło. Dlaczego elektroskop posiada ładunek dodatni?

Wyjaśnienie:

Odpowiedź podzielimy na dwa etapy.

Pierwszy będzie dotyczył elektryzowania przez indukcję. Na podstawie wcześniejszych opracowań wiemy, że potarta płyta winidurowa elektryzuje się ładunkiem ujemnym. Wiemy też, że w przewodnikach elektrony potrafią się przemieszczać. Wiemy również, że cała materia zbudowana jest z atomów z dodatnimi jądrami i ujemnymi elektronami w chmurach (na orbitach) wokół jąder.

Jeśli aluminiowy krążek zbliżymy do ujemnie naładowanej płyty winidurowej elektrony (-) z jego spodniej części zostaną wypchnięte na część zewnętrzną Jeśli teraz dotkniemy ją palcem to swobodne elektrony uciekną przez rękę do ziemi. Aluminiowy elektrofor pozbędzie się części ładunków ujemnych, więc jako całość uzyska wypadkowy ładunek dodatni. W ten sposób nie dotykając do winidurowej płyty spowodowaliśmy jego naładowanie ładunkiem dodatnim na skutek indukcji!

Druga część wyjaśnienia jest banalna. Kiedy dotykamy dodatnio naładowany krążek do metalowego pręta elektroskopu elektrony z pręta chcą uzupełnić ich brak na aluminiowym krążku (są przyciągane przez dodatnie jądra) więc pewna ich ilości przepływa do krążka. Tak w pręcie elektroskopu powstaje niedobór elektronów i wypadkowy jego ładunek staje się dodatnim. Na tym etapie mieliśmy już do czynienia z typowym elektryzowaniem przez wpływ.

Indukcja na przykładzie puszki aluminiowej i naładowanej rury z tworzywa

Również w poniższym doświadczeniu mamy do czynienia z indukcją. Przyjrzyjmy się sytuacji i postarajmy wyjaśnić. W końcu fizyka jest prosta :)

Przebieg doświadczenia:

Przewracamy stojącą na stole metalową puszkę w kształcie walca. Następnie zbliżamy równolegle do jej boku mocno naelektryzowaną rurkę z tworzywa (w wyniku pocierania suknem posiada ona wypadkowy ładunek ujemny). Zauważamy, że aluminiowa puszka zaczyna się poruszać w kierunku naelektryzowanej rurki. Jak to możliwe? Przecież nienaelektryzowana rurka nie przyciągała puszki

Indukcja elektrostatyczna

Wyjaśnienie jest banalnie proste. Wymaga tylko wiedzy o tym, że ładunki działają na siebie siłami zgodnie z prawem Coulomba oraz tego, że w metalu elektrony mogą się przemieszczać.

Wyjaśnienie:

Popatrzmy. Na skutek indukcji prawa część puszki naładowała się dodatnio. Stało się tak ponieważ ładunki tego samego znaku odpychają się. Elektrony swobodne przepłynęły dalej na przeciwną stronę puszki i wytworzyła się pewna sytuacja. Bliżej ujemnie naładowanej plastikowej rurki znalazły się ładunki dodatnie a dalej ze znakiem ujemnym. Ponieważ siła wzajemnego oddziaływania ładunków – zgodnie z prawem Coulomba – zależy odwrotnie proporcjonalnie od odległości w drugiej potędze :), ładunki dodatnie są mocniej przyciągane niż odpychane są ładunki ujemne, te z przeciwnej strony puszki. Stąd puszka zaczyna poruszać się w stronę plastikowej rurki.

Przyciąganie skrawków papieru, dipol elektryczny

Przebieg doświadczenia:

Przyjrzyjmy się jeszcze jednej sytuacji. Na początku tego działu w drugim opracowaniu kiedy omawialiśmy elektryzowanie przez pocieranie przedstawiliśmy przykład z plastikową linijką i i przyciąganymi przez nią skrawkami papieru. Linijka w wyniku pocierania o wełniany materiał naładowała się ujemnie (wełna pozbyła się elektronów więc naładowała się dodatnio). Po zbliżeniu do skrawków papieru coś się wydarzyło co pozwoliło je przyciągnąć do linijki. Cóż takiego się zdarzyło?

Indukcja elektrostatyczna

Wyjaśnienie:

Również w tym przypadku mamy do czynienia z indukcją czyli ze spowodowaniem na odległość zmiany zachowania ładunków. Papier jak każde ciało zbudowany jest z atomów. Te natomiast posiadają w środku dodatnio naładowane jądro a wokół chmurę elektronów o ładunku ujemnym. W wyniku zbliżenia do papieru naładowanej ujemnie linijki następuje deformacja budowy atomów tak, że chmura elektronowa odsuwa się od linijki. Atomy kartki zamieniają się w dipole elektryczne.

Dipol elektryczny

Jeśli skrawek papieru posiada w sobie szereg wzbudzonych przez indukcję dipoli elektrycznych to ich ładunki dodatnie (tych dipoli) znajdują się bliżej naładowanej ujemnie linijki niż ich ładunki ujemne (dla każdego dipola oddzielnie). Zgodnie z prawem Coulomba siły przyciągania między dodatnimi jadrami a ujemnie naładowaną linijką będą większe niż siły odpychania między bardziej odległymi elektronami każdego z dipoli a elektronami linijki.

Podsumowanie

Teraz za Wikipedią możemy podać definicję indukcji elektrostatycznej:

Indukcja elektrostatyczna (zwana też influencją elektrostatyczną) - zjawisko fizyczne, sposób elektryzowania ciała w wyniku zbliżenia do niego naelektryzowanego ciała.

Pełniejsza definicja na stronie Wikipedii: Indukcja elektrostatyczna.

Warto jeszcze wyraźnie zauważyć, że w wyniku indukcji elektrony w przewodniku przemieszczają się w obrębie całego przewodnika (np. uciekają na jego przeciwległą część) natomiast w przypadku izolatorów (np. papier) elektrony przesuwają się w obrębie pojedynczych atomów deformując je do postaci dipoli elektrycznych.

BUM

Koniec części V



..:: 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