Ładunek elektryczny

około 10 minut

W tej lekcji1/14

Zimą sięgasz do klamki i — strzela iskra. Zdejmujesz czapkę, a włosy stają na sztorc i rozchodzą się na boki. Potrzesz linijkę o rękaw, zbliżasz do skrawków papieru, a one podskakują do niej same. Trzy różne sytuacje, jedna przyczyna. Zaczynamy dział o elektryczności — a wszystko w nim rośnie z jednego pojęcia: ładunku elektrycznego.

Ładunek elektryczny — dwa rodzaje, nie więcej

Ładunek elektryczny to cecha materii — tak samo jak masa. Masa mówi, jak ciało reaguje na grawitację. Ładunek mówi, jak ciało reaguje na inne ciała naelektryzowane.

Obojętne, dopóki plusy równoważą minusy

W zwykłym ciele protonów i elektronów jest dokładnie tyle samo. Plusy i minusy znoszą się nawzajem, więc ciało jest elektrycznie obojętne — na zewnątrz nie widać po nim żadnego ładunku.

Ciało obojętne: listki elektroskopu opadnięte, bo ładunku brak

Jednoimienne się odpychają, różnoimienne przyciągają

Cała elektrostatyka trzyma się na jednym zdaniu:

Druga kulka, również dodatnia, leży z lewej strony

Kulomb i ładunek elementarny

Ładunek oznaczamy literą $q$ , a mierzymy go w kulombach — skrót C, od nazwiska Charlesa Coulomba.

Jak mały jest ładunek elementarny

1
Ładunek elementarny zapisujemy w notacji wykładniczej. W zwykłym zapisie byłoby to osiemnaście zer po przecinku, zanim pojawi się pierwsza cyfra znacząca.
$e \approx 1{,}6 \cdot 10^{-19}\ \text{C}$
2
Dlatego naelektryzowany balonik ma ładunek rzędu milionowych części kulomba, a i tak przykleja się do ściany.
$q_{\text{balonik}} \sim 10^{-6}\ \text{C}$

Wszystkie kroki za Tobą!

Dlaczego włosy stają na sztorc po zdjęciu czapki

1
Przed założeniem czapki wszystko jest obojętne. W każdym włosie tyle samo protonów co elektronów, sumaryczny ładunek zero.
$q_{\text{włos}} = 0\ \text{C}$
2
Ściągasz czapkę. Wełna trze o włosy i zabiera z nich część elektronów — zawsze przenoszą się elektrony, bo są najsłabiej związane.
3
Każdemu włosowi ubyło ładunku ujemnego, więc przeważyły protony. Wszystkie włosy mają teraz ładunek dodatni — i to ten sam znak, co do jednego.
$q_{\text{włos}} > 0$
4
A ładunki jednoimienne się odpychają. Każdy włos odpycha każdego sąsiada, więc uciekają od siebie tak daleko, jak pozwala im długość — czyli na wszystkie strony.
Wskazówka
Włosy nie stają dęba ze strachu, tylko z odpychania. Każdy chce być jak najdalej od pozostałych.
5
Czapka, która te elektrony przyjęła, jest w tym samym momencie naładowana ujemnie. Zbliż ją z powrotem do głowy — włosy pobiegną za nią, bo różnoimienne się przyciągają.
$q_{\text{czapka}} = -q_{\text{włosy}}$

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Dwie plastikowe kulki naelektryzowano tak samo — obie mają ładunek ujemny. Zbliżamy je do siebie. Co się stanie?

Pułapka! Ładunek nie powstaje z niczego

Bardzo częste wyobrażenie: pocieram balonik o włosy i produkuję w nim ładunek — im mocniej trę, tym więcej go wytworzę, jakby tarcie było fabryką minusów.

Tak to nie działa. Tarcie niczego nie wytwarza. Ono tylko przenosi elektrony z jednego ciała na drugie.

Zasada zachowania ładunku

Jeżeli balonik zyskał jakiś ładunek ujemny, to dokładnie tyle samo ładunku ujemnego ubyło włosom — i włosy zostały z takim samym co do wartości ładunkiem dodatnim. Suma ładunków obu ciał jest przed i po pocieraniu taka sama:

$q_1 + q_2 = 0$

To zasada zachowania ładunku: w układzie zamkniętym ładunek nie powstaje i nie ginie, może się tylko przemieszczać.

Protony nie wędrują — wędrują elektrony

Drugie wyobrażenie do wyrzucenia: że wędrują protony. Nie wędrują — siedzą w jądrach atomów, mocno związane. Ruszają się wyłącznie elektrony z zewnętrznych powłok.

Naelektryzowana linijka i skrawki papieru

1
Potrzyj plastikową linijkę o rękaw swetra. Linijka zabiera elektrony z materiału i robi się naładowana ujemnie.
$q_{\text{linijka}} < 0$
2
Skrawki papieru leżą na stole obojętne — mają tyle samo plusów co minusów. Wydawałoby się, że nic się nie stanie.
3
A jednak podskakują. Gdy zbliżasz ujemną linijkę, elektrony w papierze odsuwają się od niej najdalej jak mogą, bo są przez nią odpychane. Po stronie bliższej linijce zostaje przewaga ładunku dodatniego.
4
Teraz naprzeciwko siebie stoją ładunki różnoimienne: minus linijki i plus na krawędzi papierka. A różnoimienne się przyciągają — i to przyciąganie wygrywa, bo działa na mniejszą odległość niż odpychanie z drugiej strony skrawka.
Wskazówka
Dlatego naelektryzowane ciało przyciąga nawet rzeczy obojętne. To ta sama sztuczka, którą robi balonik przyklejony do ściany.
5
Ta sama zasada tłumaczy iskrę przy klamce. Chodząc po dywanie zbierasz na sobie nadmiar ładunku. Przy metalowej klamce ładunek ma wreszcie dokąd uciec i przeskakuje przez powietrze — widzisz błysk i czujesz ukłucie.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Ciało ma ładunek ujemny o wartości $3{,}2 \cdot 10^{-19}$ C. Ile nadmiarowych elektronów się na nim znajduje? Pamiętaj, że $e \approx 1{,}6 \cdot 10^{-19}$ C.

Ściąga do zapamiętania

Jakie są rodzaje ładunku elektrycznego, jak na siebie działają i w czym go mierzymy?

Ładunki są dwa: dodatni (proton) i ujemny (elektron). Ciało z równą liczbą protonów i elektronów jest elektrycznie obojętne. Ładunki jednoimienne (+ i + albo − i −) odpychają się, różnoimienne (+ i −) przyciągają. Jednostką ładunku jest kulomb (C). Najmniejsza porcja to ładunek elementarny $e \approx 1{,}6 \cdot 10^{-19}$ C — każdy ładunek jest jego wielokrotnością. Podczas elektryzowania ładunek nie powstaje z niczego: przenoszą się wyłącznie elektrony, a suma ładunków się nie zmienia (zasada zachowania ładunku).

Sprawdź się!

Ile rodzajów ładunku elektrycznego występuje w przyrodzie?

Dwie kulki mają ładunki dodatni i ujemny. Jak na siebie działają?

Jaka jest jednostka ładunku elektrycznego?

Pocierasz balonik o włosy. Skąd bierze się ładunek balonika?

Po zdjęciu czapki włosy stają na sztorc i rozchodzą się na boki. Dlaczego?

Następny temat

Oddziaływanie ciał naelektryzowanych