Indukcja elektrostatyczna

około 12 minut

W tej lekcji1/11

Umiesz już elektryzować przez tarcie i przez dotyk. W obu sposobach coś się z czymś stykało i ładunek przechodził z ciała na ciało. A teraz sztuczka: połóż pustą metalową puszkę na boku na gładkim stole i zbliż do niej naelektryzowaną pałeczkę. Nie dotykaj jej. Puszka potoczy się w twoją stronę. Nic jej nie ubyło i nic nie przybyło, a jednak zareagowała. Dziś trzeci sposób elektryzowania — jedyny, który działa bez dotknięcia.

Co dzieje się w przewodniku, gdy zbliżysz naelektryzowane ciało

W metalu część elektronów jest swobodna — nie należą do konkretnego atomu i wędrują przez całą bryłę. To one są bohaterkami tej lekcji.

Puszka toczy się w stronę pałeczki, która stoi poza kadrem z lewej

Najważniejsze zdanie tej lekcji

Mimo tego przesunięcia całkowity ładunek puszki nadal wynosi zero. Żaden elektron nie wyszedł z niej ani do niej nie wszedł — przesunęły się tylko z końca na koniec:

$q_{\text{bliska}} + q_{\text{daleka}} = 0$

Gdyby pałeczka była dodatnia, elektrony pobiegłyby w jej stronę i bliższa strona zrobiłaby się ujemna. Reguła jest jedna: bliższa strona przewodnika dostaje znak przeciwny do zbliżanego ciała, dalsza — taki sam.

Trzy sposoby elektryzowania obok siebie

Cała różnica siedzi w tym, co robią elektrony:

sposób	co robimy	co robią elektrony	znak ciała na końcu
tarcie	pocieramy o siebie dwa różne materiały	przechodzą z jednego ciała na drugie	przeciwny niż drugie ciało
dotyk	dotykamy przewodnika naelektryzowanym ciałem	przechodzą, aż ładunek rozłoży się na oba	taki sam jak ciało elektryzujące
indukcja	zbliżamy, ale nie dotykamy	tylko rozsuwają się w środku przewodnika	ciało zostaje obojętne (suma zero)

Dlaczego linijka przyciąga obojętny skrawek papieru

Gdy zbliżasz ujemną linijkę do skrawka, jego bliższa strona robi się dodatnia, a dalsza ujemna. Linijka przyciąga bliższą stronę i odpycha dalszą — obie siły naprawdę działają. Ale siła elektryczna szybko maleje z odległością, więc przyciąganie bliższej strony wygrywa i skrawek podskakuje.

Naelektryzowana linijka znajduje się z prawej strony skrawka papieru: bliższa strona jest przyciągana, dalsza odpychana

Jak naelektryzować puszkę na stałe — indukcja z uziemieniem

1
Postaw metalową puszkę na podstawce z izolatora, na przykład na styropianie albo na plastikowym kubku. Podstawka jest ważna: dzięki niej ładunek nie ucieka z puszki do stołu. Na razie puszka jest obojętna.
$q_{\text{puszka}} = 0\ \text{C}$
2
Zbliż z jednej strony pałeczkę naelektryzowaną ujemnie i trzymaj ją nieruchomo. Swobodne elektrony uciekają na przeciwległy koniec puszki: bliższa strona staje się dodatnia, dalsza ujemna. Suma wciąż zero.
3
Nie odsuwając pałeczki, dotknij palcem dalszej strony puszki. Twoje ciało i podłoga to razem ogromny przewodnik — mówimy, że puszka została uziemiona.
Wskazówka
Uziemienie to nic innego jak otwarcie drzwi do bardzo dużego pokoju. Ładunek dostaje wreszcie dokąd uciec.
4
Nadmiarowe elektrony zebrane po dalszej stronie są cały czas odpychane przez pałeczkę — a teraz mają dokąd pójść. Uciekają przez palec do ziemi. W puszce zostaje ich mniej, niż było na początku.
$q_{\text{puszka}} > 0$
5
Teraz uwaga, tu decyduje kolejność: najpierw zabierz palec, a dopiero potem odsuń pałeczkę. Gdyby zrobić to odwrotnie, elektrony wróciłyby z ziemi przez palec i cała robota poszłaby na marne.
6
Odsuń pałeczkę. Brakujące elektrony nie mają skąd wrócić, więc niedobór rozkłada się równomiernie po całej puszce. Puszka jest teraz trwale naelektryzowana dodatnio — czyli znakiem przeciwnym do pałeczki. A pałeczka? Ma dokładnie tyle ładunku co przed doświadczeniem, bo niczego nie oddała.
Wskazówka
Porównaj z dotykiem: tam ciało dostaje ładunek tego samego znaku i pałeczka go traci. Przy indukcji z uziemieniem znak wychodzi przeciwny, a pałeczka nic nie traci.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Do metalowej kulki zawieszonej na izolacyjnej nitce zbliżasz pałeczkę naelektryzowaną dodatnio, ale jej nie dotykasz. Jaki znak ma ładunek na stronie kulki bliższej pałeczce?

Pułapka! Samo zbliżenie i odsunięcie niczego nie zmienia

Częsty tok myślenia: skoro zbliżenie pałeczki rozdzieliło ładunki, to po jej odsunięciu puszka zostaje naelektryzowana. Nie zostaje.

Elektrony po dalszej stronie trzymała wyłącznie pałeczka. Gdy pałeczka znika, znika powód, żeby siedziały stłoczone w jednym końcu — odpychają się nawzajem i rozbiegają po całej puszce:

$q_{\text{puszka}} = 0\ \text{C}$

Żeby coś zostało na stałe, część ładunku musi mieć dokąd odejść — po to jest uziemienie. Indukcja bez uziemienia daje efekt tymczasowy, z uziemieniem — trwały, znakiem przeciwnym do pałeczki.

Elektroskop, którego nikt nie dotknął

1
Elektroskop przed doświadczeniem
Gdy oba listki elektroskopu dostają ładunek tego samego znaku, odpychają się i rozchylają — po ich kącie poznajemy, że coś jest naelektryzowane. Na starcie elektroskop jest obojętny.
$q_{\text{elektroskop}} = 0\ \text{C}$
2
Zbliżamy do górnej kulki pałeczkę naelektryzowaną ujemnie. Nie dotykamy jej — zostawiamy około centymetra odstępu.
3
Ładunek rozdzielony przez zbliżoną pałeczkę: przy gałce jeden znak, na listkach drugi
Swobodne elektrony w elektroskopie uciekają od pałeczki najdalej jak mogą, czyli w dół, do listków. Kulka na górze zostaje dodatnia, a oba listki dostają nadmiar elektronów.
$q_{\text{listki}} < 0$
4
Oba listki są teraz naładowane ujemnie, czyli jednoimiennie — więc się odpychają i rozchylają. A przecież nikt niczego nie dotknął i całkowity ładunek elektroskopu to dalej zero.
Wskazówka
Rozchylone listki nie zawsze znaczą, że przybyło ładunku. Czasem znaczą tylko, że ładunek się przesunął.
5
Pałeczka odsunięta: elektroskop wygląda dokładnie tak jak na początku
Odsuwamy pałeczkę. Listki natychmiast opadają — elektrony wracają w górę i rozkładają się po całym elektroskopie. Nic po doświadczeniu nie zostało.
6
Po indukcji z uziemieniem: pałeczki już nie ma, a listki zostają rozchylone
Powtórzmy to samo, ale w kroku trzecim dotknijmy palcem obudowy elektroskopu i dopiero potem zabierzmy palec, a na końcu pałeczkę. Tym razem listki po odsunięciu pałeczki zostają rozchylone — elektroskop naelektryzował się dodatnio przez indukcję z uziemieniem.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Trzymasz naelektryzowaną pałeczkę tuż przy metalowej puszce, ale jej nie dotykasz i puszka nie jest uziemiona. Ile w tej chwili wynosi całkowity ładunek puszki w kulombach?

Ściąga do zapamiętania

Na czym polega indukcja elektrostatyczna i czym różni się od elektryzowania przez dotyk?

To rozdzielenie ładunków w przewodniku pod wpływem zbliżonego ciała naelektryzowanego, bez dotykania go. Strona bliższa dostaje znak przeciwny, dalsza — taki sam.
• Całkowity ładunek nadal wynosi zero: $q_{\text{bliska}} + q_{\text{daleka}} = 0$ . Nic nie weszło ani nie wyszło — ładunek tylko się przesunął.
• Pułapka: samo zbliżenie i odsunięcie niczego nie zmienia. Po odsunięciu elektrony wracają na miejsce.
• Żeby naelektryzować trwale: uziem przewodnik, gdy ciało jest blisko, odłącz uziemienie i dopiero na końcu odsuń ciało. Zostaje znak przeciwny.
• Różnica wobec dotyku: przy dotyku ładunek przechodzi i oba ciała mają ten sam znak; przy indukcji nic nie przechodzi.
• To indukcja tłumaczy, czemu linijka przyciąga obojętne skrawki papieru: bliższa strona ma znak przeciwny, a bliżej znaczy silniej.

Sprawdź się!

Do metalowej kulki zbliżono naelektryzowaną pałeczkę, nie dotykając kulki. Ile wynosi całkowity ładunek kulki?

Do przewodnika zbliżamy ciało naelektryzowane dodatnio. Jaki ładunek pojawi się na bliższej i na dalszej stronie przewodnika?

Zbliżyliśmy naelektryzowaną pałeczkę do obojętnej metalowej puszki, a po chwili ją odsunęliśmy. Puszki nie dotykaliśmy i nie uziemialiśmy. Jaki jest jej stan po odsunięciu pałeczki?

Elektryzujemy przewodnik przez indukcję z uziemieniem, używając pałeczki naelektryzowanej ujemnie. Jaki ładunek zostanie na przewodniku?

W jakiej kolejności trzeba kończyć doświadczenie z indukcją z uziemieniem, żeby przewodnik naprawdę został naelektryzowany?

Następny temat

Pole elektryczne. Zasada zachowania ładunku