I jest to jedna z istotnych właściwości jakie elektryczność, szczególnie ta zwana statyczną charakteryzuje.
Co ciekawe, elektryczność będąca efektem pocierania jednych materiałów wcale nie występuje podczas samej czynności, ale dopiero po rozdzieleniu wykorzystanych materiałów. Z elektrycznością eksperymentował angielski fizyk William Gilbert, nadworny specjalista królewski. Przekonał się on szybko, że te same zjawiska co w bursztynie można zaobserwować także w innych materiałach: w żywicach albo szkle. Gilbert zajmował się także magnetyzmem zatem świetnie orientował się w generowanych przez magnesy niedzielnych siłach. Odkrył, że naładowane elektrycznie ciała zachowują się całkiem podobnie: odpychają się gdy są tego samego znaku, a przyciągają gdy naładowano je różnie. Ponieważ w tamtych czasach pojęcia ładunków dodatnich i ujemnych nie były jeszcze dokładnie znane, mówiono o "elektryczności szkła", która była tak naprawdę wynikiem obecności ładunków dodatnich oraz "elektryczności żywicy", która odpowiadała ładunkom ujemnym…
Znamy wiele nieskomplikowanych i pięknych doświadczeń, przy pomocy których elektryczność można wytwarzać i wykrywać. Dział fizyki, który wyniki takich eksperymentów bada i opisuje nazywamy elektrostatyką. Do eksperymentów z elektrostatyki stosuje się rozmaite urządzenia i przyrządy.
Elektroskop to przyrząd do wykrywania i określania ładunku elektrycznego. Profesjonalny elektroskop składa się z uziemionej obudowy i metalowego słupka odizolowanego od obudowy zakończonego na górze metalową kulką czyli tzw. konduktorem. Do słupka przymocowane są prostokątne listki z cienkiej i lekkiej folii przewodzącej prąd lub delikatna wskazówka obracająca się w maleńkim łożysku. Po naelektryzowaniu słupka, listków bądź wskazówki, następuje odpychanie się jednoimiennych ładunków elektrycznych i elementy odchylają się. Znane są różne konstrukcje elektroskopów, niektóre to prawdziwe dzieła sztuki wzorniczej. Możecie obejrzeć klika z nich w galeriach PDKiN, poświęconej przyrządom i pomocom naukowym oraz wzornictwu. Końcówka "skop" w nazwie urządzenia pochodzi podobnie jak "elektron" z języka greckiego i oznacza słowo widzieć (skopein). Elektroskop pozwala nam zobaczyć "niewidzialne", czyli: ładunki elektryczne... Pierwszy elektroskop z listkami ze złota wykonał Charles de Cisternay Du Fay w 1728 roku. Pierwszy w metalowej puszce zaprojektował Michel Maussion. Zasada działania elektroskopu jest prosta: na izolowanym pręcie lub pasku metalu są umieszczone swobodnie dwa bardzo lekkie i przewodzące ciała. Jeżeli do pręta zostanie doprowadzony ładunek elektryczny, to naładowane zostaną także lekkie ciała swobodnie umocowane do pręta. Odpychając się - zostaną bowiem naładowane ładunkiem o tym samym znaku - pokażą wykrytą elektryczność... Laska ebonitowa służy do elektryzowania przez tarcie. Poprzez potarcie laski ebonitowej o sukno elektrony z sukna przechodzą na laskę ebonitową i laska jest naelektryzowana ujemnie, a sukno dodatnio. Zamiast laski ebonitowej można wykorzystać rurki wykonane z PCV. Doskonale się elektryzują i gromadzą ładunki elektryczne. Rurki o różnych średnicach można kupić w sklepach z artykułami przemysłowymi. Sukno do elektryzowania należy dobrać eksperymentalnie, bardzo dobre efekty uzyskuje się stosując dostępne w sklepach AGD ściereczki do usuwania kurzu. Laska szklana służy do elektryzowania przez tarcie. Poprzez potarcie laski szklanej o sukno elektrony z laski przechodzą na sukno i laska jest naelektryzowana dodatnio, a sukno ujemnie.
Versorium było pierwszym instrumentem, który potrafił wykryć obecność ładunków elektrostatycznych. Został zbudowany na początku XVII wieku przez przez Williama Gilberta, nadwornego lekarza królowej Elżbiety I. Versorium to lekka, metalowa igła, która może swobodnie obracać się na cokole (podobna do igły kompasu, tylko nie namagnesowana). Igła jest przyciągana przez ładunki elektryczne, odwracając się w stronę naładowanego obiektu. Podobny do Versorium, prototyp elektroskopów tzw. Fidybus można zbudować ze świecy, w którą należy wbić igłę a na niej – umieścić kształtkę z karteczki cienkiego papieru lub folii, zagiętą podwójnie wzdłuż osi. Maszyna elektrostatyczna. To podstawowe urządzenie mechaniczne do wytwarzania ładunków i generowania wyładowań używane w pracowniach fizycznych. Opis oraz ilustracje przyrządu znajdziecie także w naszych ekspozycjach. Generator Van de Graaffa. Drugi po elektrostatycznej maszynie podstawowy przyrząd do generowania ładunków o znacznej mocy stosowany w elektrostatyce. Podobnie jak maszyna opisany i zaprezentowany jest szczegółowo w ekspozycji PDKiN poświęconej pomocom naukowym.
ILUSTRACJE sugerowane do wykorzystania podczas zajęć: fotografie/filmy z wyładowaniami elektrycznymi (także klasyczne przezrocza), historycznymi i współczesnymi przyrządami i urządzeniami.
EKSPONATY POKAZOWE i POMOCE NAUKOWE: bursztyn, laska ebonitowa, przedmioty z tworzyw sztucznych, zapalniczka piezoelektryczna, maszyna elektrostatyczna, elektroskopy fabryczne – szkolne, stosowane współcześnie oraz starsze (te są zdecydowanie najlepsze i najsolidniejsze).
NARZĘDZIA: nożyczki, szczypce uniwersalne, pistolet do kleju na gorąco (z zapasem kleju), wiertarka stołowa na kolumnie, wiertło śr. 1.7 mm
MATERIAŁY: - płyta CD - krążek drewniany śr. 25 mm - drut stalowy śr. 1.8 mm - drut miedziany śr. 0.2 mm - folia aluminiowa, ark. 30 x 40 mm, 80 x 80 mm - rurka do napojów śr. 5mm - pineska - karton ~ 200g
MONTAŻ: - w krążku drewnianym (śr. 25 mm) wykonać koncentryczny otwór wiertłem o śr. ~ 1.7 mm (wspornik z drutu śr. 1.8 mm powinien dać się wcisnąć pasownie w wykonany otwór). - krążek nakleić klejem na gorąco w środku płyty CD. Dla koncentrycznego umieszczenia krążka, wcześniej można wytrasować na płycie okrąg ustalający położenie krążka. - z drutu stalowego wygiąć wspornik elektroskopu. Sposób wykonania oraz szacunkowe wymiary poszczególnych segmentów pokazuje fotografia. Zacząć należy od odmierzenia ~130 mm (w praktyce jest to połowa odcinka drutu). Jeśli zachodzi taka potrzeba, przed rozpoczęciem gięcia drut wyprostować. - z drutu miedzianego o śr. 0.2 mm przygotować uszko listka elektroskopu. W praktyce wykonuje się to zaginając odcinek drutu w połowie, oplatając go na drucie albo pręcie o śr. około 2 mm i skręcając pozostałą część w „warkoczyk”. - tak przygotowane uszko wkleić w listek elektroskopu: arkusik folii aluminiowej o wymiarach 30 x 40 mm zagiąć wzdłuż osi symetrii, prostopadłej do krótszej krawędzi. Po obu stronach zagięcia powinny powstać dwa prostokąty o wymiarach 15 x 40 mm. Na jednym z nich, od strony „wewnętrznej” przykleić kawałeczek dwustronnej taśmy klejącej. W osi symetrii (zagięcia) umieścić uszko z drutu w taki sposób, aby nad krawędzią wystawała tylko zasadnicza jego część. Zagiąć do końca arkusik wzdłuż osi symetrii z wmontowanym wewnątrz uszkiem i sprasować delikatnie. Powinien powstać element o wymiarach 15 x 40 mm. Dociąć tak sklejony listek, wzdłuż linii równoległej do dłuższego boku do szerokości ok. 6 – 8 mm. - zamocować w podstawie (krążek drewniany na płycie CD) wspornik wygięty z drutu. - na wsporniku zawiesić listek elektroskopu. Powinien od pozostawać w pozycji pionowej, równolegle do wspornika w odległości nie większej niż 10 mm. - odcinek rurki do napojów (długość około 35 mm dobrać doświadczalnie do ramienia wspornika) nasunąć ciasno na ramię wspornika. - po włożeniu pineski do rurki, ale tak żeby była w kontakcie z drutem – elektroskop jest gotowy do pracy. Pineska pełni w tej konstrukcji rolę konduktora. - dodatkowo wykonujemy tarczę elektroskopu. W tym celu z kartonu wycinamy kółko o średnicy 50 mm. W centrum wykonujemy otwór, w który wciskamy pineskę. - tarczę mocujemy na ramieniu elektroskopu alternatywnie zamiast pojedynczej pineski konduktora elektroskopu).
Doświadczenia z elektroskopem: ładowanie za pomocą plastikowej rurki, długopisu lub innego przedmiotu gromadzącego ładunki. Elektryzowanie przez dotyk. Rozładowywanie przez uziemianie (np. dotknięcie palcem). Zbliżanie naelektryzowanego przedmiotu - elektryzowanie przez indukcję. Naładowane przedmioty przysuwamy do tarczy albo konduktora elektroskopu. Zbliżanie naładowanych przedmiotów do listka (od przeciwnej strony) daje możliwości przeprowadzania eksperymentów z tzw. wahadełkiem elektrostatycznym. Do eksperymentowania z elektroskopem i wahadełkiem nadają się wszelkie przedmioty wykonane z tworzyw sztucznych czyli dielektryków. Na nich pod wpływem elektryzowania zbierają się ładunki. Gdy naelektryzowany kubeczek z PCV (można eksperymentować z rozmaitymi materiałami) zbliżymy do wahadełka elektrostatycznego, listek zostanie przyciągnięty (można ustawić kubeczek w takiej odległości, aby listek nie dotykał go a tylko pozostawał pod wpływem pola elektrostatycznego). Teraz można spróbować dotknąć dynamicznie listka od góry i zaobserwować ciekawe zjawisko: listek będzie unikał palca, zupełnie jakby był chroniony przez niewidzialną siłę. Można spróbować użyć innych przedmiotów zamiast palca i zaobserwować zachowanie wahadełka…
W wielu prostych doświadczeniach z elektrostatyki wytwarzamy ładunki elektryczne poprzez pocieranie materiału. Każdego dnia "produkujemy" takie ładunki często nie zdając sobie z tego sprawy (np. kiedy szczotkujemy włosy, wciągamy lub zdejmujemy sweter, itp. ) W laboratorium najlepszym sposobem na otrzymywanie ładunków o różnych znakach - jest pocieranie pałeczek ze szkła lub bakelitu wełną albo jedwabiem. Pałeczka szklana potarta wełną ma zawsze ładunek dodatni, bakelitowa - ujemny... Bardziej zaawansowanym sposobem produkowania ładunków jest Maszyna Elektrostatyczna oraz generatory Van de Graaffa, które wytwarzają efektowne iskry i wyładowania.
Elektroskop to przyrząd do wykrywania i określania ładunku elektrycznego. Profesjonalny elektroskop składa się z uziemionej obudowy i metalowego słupka odizolowanego od obudowy zakończonego na górze metalową kulką czyli tzw. konduktorem. Do słupka przymocowane są prostokątne listki z cienkiej i lekkiej folii przewodzącej prąd lub delikatna wskazówka obracająca się w maleńkim łożysku. Po naelektryzowaniu słupka, listków bądź wskazówki, następuje odpychanie się jednoimiennych ładunków elektrycznych i elementy odchylają się. Znane są różne konstrukcje elektroskopów, niektóre to prawdziwe dzieła sztuki wzorniczej. Możecie obejrzeć klika z nich w galeriach PDKiN, poświęconej przyrządom i pomocom naukowym oraz wzornictwu. Końcówka "skop" w nazwie urządzenia pochodzi podobnie jak "elektron" z języka greckiego i oznacza słowo widzieć (skopein). Elektroskop pozwala nam zobaczyć "niewidzialne", czyli: ładunki elektryczne... Pierwszy elektroskop z listkami ze złota wykonał Charles de Cisternay Du Fay w 1728 roku. Pierwszy w metalowej puszce zaprojektował Michel Maussion. Zasada działania elektroskopu jest prosta: na izolowanym pręcie lub pasku metalu są umieszczone swobodnie dwa bardzo lekkie i przewodzące ciała. Jeżeli do pręta zostanie doprowadzony ładunek elektryczny, to naładowane zostaną także lekkie ciała swobodnie umocowane do pręta. Odpychając się - zostaną bowiem naładowane ładunkiem o tym samym znaku - pokażą wykrytą elektryczność... Laska ebonitowa służy do elektryzowania przez tarcie. Poprzez potarcie laski ebonitowej o sukno elektrony z sukna przechodzą na laskę ebonitową i laska jest naelektryzowana ujemnie, a sukno dodatnio. Zamiast laski ebonitowej można wykorzystać rurki wykonane z PCV. Doskonale się elektryzują i gromadzą ładunki elektryczne. Rurki o różnych średnicach można kupić w sklepach z artykułami przemysłowymi. Sukno do elektryzowania należy dobrać eksperymentalnie, bardzo dobre efekty uzyskuje się stosując dostępne w sklepach AGD ściereczki do usuwania kurzu. Laska szklana służy do elektryzowania przez tarcie. Poprzez potarcie laski szklanej o sukno elektrony z laski przechodzą na sukno i laska jest naelektryzowana dodatnio, a sukno ujemnie.
Versorium było pierwszym instrumentem, który potrafił wykryć obecność ładunków elektrostatycznych. Został zbudowany na początku XVII wieku przez przez Williama Gilberta, nadwornego lekarza królowej Elżbiety I. Versorium to lekka, metalowa igła, która może swobodnie obracać się na cokole (podobna do igły kompasu, tylko nie namagnesowana). Igła jest przyciągana przez ładunki elektryczne, odwracając się w stronę naładowanego obiektu. Podobny do Versorium, prototyp elektroskopów tzw. Fidybus można zbudować ze świecy, w którą należy wbić igłę a na niej – umieścić kształtkę z karteczki cienkiego papieru lub folii, zagiętą podwójnie wzdłuż osi. Maszyna elektrostatyczna. To podstawowe urządzenie mechaniczne do wytwarzania ładunków i generowania wyładowań używane w pracowniach fizycznych. Opis oraz ilustracje przyrządu znajdziecie także w naszych ekspozycjach. Generator Van de Graaffa. Drugi po elektrostatycznej maszynie podstawowy przyrząd do generowania ładunków o znacznej mocy stosowany w elektrostatyce. Podobnie jak maszyna opisany i zaprezentowany jest szczegółowo w ekspozycji PDKiN poświęconej pomocom naukowym.
ILUSTRACJE sugerowane do wykorzystania podczas zajęć: fotografie/filmy z wyładowaniami elektrycznymi (także klasyczne przezrocza), historycznymi i współczesnymi przyrządami i urządzeniami.
EKSPONATY POKAZOWE i POMOCE NAUKOWE: bursztyn, laska ebonitowa, przedmioty z tworzyw sztucznych, zapalniczka piezoelektryczna, maszyna elektrostatyczna, elektroskopy fabryczne – szkolne, stosowane współcześnie oraz starsze (te są zdecydowanie najlepsze i najsolidniejsze).
NARZĘDZIA: nożyczki, szczypce uniwersalne, pistolet do kleju na gorąco (z zapasem kleju), wiertarka stołowa na kolumnie, wiertło śr. 1.7 mm
MATERIAŁY: - płyta CD - krążek drewniany śr. 25 mm - drut stalowy śr. 1.8 mm - drut miedziany śr. 0.2 mm - folia aluminiowa, ark. 30 x 40 mm, 80 x 80 mm - rurka do napojów śr. 5mm - pineska - karton ~ 200g
MONTAŻ: - w krążku drewnianym (śr. 25 mm) wykonać koncentryczny otwór wiertłem o śr. ~ 1.7 mm (wspornik z drutu śr. 1.8 mm powinien dać się wcisnąć pasownie w wykonany otwór). - krążek nakleić klejem na gorąco w środku płyty CD. Dla koncentrycznego umieszczenia krążka, wcześniej można wytrasować na płycie okrąg ustalający położenie krążka. - z drutu stalowego wygiąć wspornik elektroskopu. Sposób wykonania oraz szacunkowe wymiary poszczególnych segmentów pokazuje fotografia. Zacząć należy od odmierzenia ~130 mm (w praktyce jest to połowa odcinka drutu). Jeśli zachodzi taka potrzeba, przed rozpoczęciem gięcia drut wyprostować. - z drutu miedzianego o śr. 0.2 mm przygotować uszko listka elektroskopu. W praktyce wykonuje się to zaginając odcinek drutu w połowie, oplatając go na drucie albo pręcie o śr. około 2 mm i skręcając pozostałą część w „warkoczyk”. - tak przygotowane uszko wkleić w listek elektroskopu: arkusik folii aluminiowej o wymiarach 30 x 40 mm zagiąć wzdłuż osi symetrii, prostopadłej do krótszej krawędzi. Po obu stronach zagięcia powinny powstać dwa prostokąty o wymiarach 15 x 40 mm. Na jednym z nich, od strony „wewnętrznej” przykleić kawałeczek dwustronnej taśmy klejącej. W osi symetrii (zagięcia) umieścić uszko z drutu w taki sposób, aby nad krawędzią wystawała tylko zasadnicza jego część. Zagiąć do końca arkusik wzdłuż osi symetrii z wmontowanym wewnątrz uszkiem i sprasować delikatnie. Powinien powstać element o wymiarach 15 x 40 mm. Dociąć tak sklejony listek, wzdłuż linii równoległej do dłuższego boku do szerokości ok. 6 – 8 mm. - zamocować w podstawie (krążek drewniany na płycie CD) wspornik wygięty z drutu. - na wsporniku zawiesić listek elektroskopu. Powinien od pozostawać w pozycji pionowej, równolegle do wspornika w odległości nie większej niż 10 mm. - odcinek rurki do napojów (długość około 35 mm dobrać doświadczalnie do ramienia wspornika) nasunąć ciasno na ramię wspornika. - po włożeniu pineski do rurki, ale tak żeby była w kontakcie z drutem – elektroskop jest gotowy do pracy. Pineska pełni w tej konstrukcji rolę konduktora. - dodatkowo wykonujemy tarczę elektroskopu. W tym celu z kartonu wycinamy kółko o średnicy 50 mm. W centrum wykonujemy otwór, w który wciskamy pineskę. - tarczę mocujemy na ramieniu elektroskopu alternatywnie zamiast pojedynczej pineski konduktora elektroskopu).
Doświadczenia z elektroskopem: ładowanie za pomocą plastikowej rurki, długopisu lub innego przedmiotu gromadzącego ładunki. Elektryzowanie przez dotyk. Rozładowywanie przez uziemianie (np. dotknięcie palcem). Zbliżanie naelektryzowanego przedmiotu - elektryzowanie przez indukcję. Naładowane przedmioty przysuwamy do tarczy albo konduktora elektroskopu. Zbliżanie naładowanych przedmiotów do listka (od przeciwnej strony) daje możliwości przeprowadzania eksperymentów z tzw. wahadełkiem elektrostatycznym. Do eksperymentowania z elektroskopem i wahadełkiem nadają się wszelkie przedmioty wykonane z tworzyw sztucznych czyli dielektryków. Na nich pod wpływem elektryzowania zbierają się ładunki. Gdy naelektryzowany kubeczek z PCV (można eksperymentować z rozmaitymi materiałami) zbliżymy do wahadełka elektrostatycznego, listek zostanie przyciągnięty (można ustawić kubeczek w takiej odległości, aby listek nie dotykał go a tylko pozostawał pod wpływem pola elektrostatycznego). Teraz można spróbować dotknąć dynamicznie listka od góry i zaobserwować ciekawe zjawisko: listek będzie unikał palca, zupełnie jakby był chroniony przez niewidzialną siłę. Można spróbować użyć innych przedmiotów zamiast palca i zaobserwować zachowanie wahadełka…
W wielu prostych doświadczeniach z elektrostatyki wytwarzamy ładunki elektryczne poprzez pocieranie materiału. Każdego dnia "produkujemy" takie ładunki często nie zdając sobie z tego sprawy (np. kiedy szczotkujemy włosy, wciągamy lub zdejmujemy sweter, itp. ) W laboratorium najlepszym sposobem na otrzymywanie ładunków o różnych znakach - jest pocieranie pałeczek ze szkła lub bakelitu wełną albo jedwabiem. Pałeczka szklana potarta wełną ma zawsze ładunek dodatni, bakelitowa - ujemny... Bardziej zaawansowanym sposobem produkowania ładunków jest Maszyna Elektrostatyczna oraz generatory Van de Graaffa, które wytwarzają efektowne iskry i wyładowania.
