Naelektrisavanje tijela i elektroskop
- Razlikovati naelektrisavanje trenjem, dodirom i influencijom.
- Objasniti zašto se pri trenju naelektrišu oba tijela, suprotno.
- Razlikovati provodnike od izolatora i objasniti ulogu uzemljenja.
- Pročitati ponašanje elektroskopa i primijeniti zakon održanja naboja.
1. Kako tijelo postaje naelektrisano
U prethodnoj lekciji vidio si da naboj tijela zavisi od toga ima li elektrona više ili manje. Postavlja se praktično pitanje: kako tijelu prenijeti ili oduzeti elektrone? U školi i u prirodi postoje tri načina: trenje, dodir i influencija.
Pri trenju i dodiru elektroni mogu preći s jednog tijela na drugo. Pri influenciji bez uzemljenja elektroni se samo preraspodijele unutar tijela. U tim procesima protoni ostaju vezani u jezgru. Zato pri naelektrisavanju ne nastaje novi naboj. Ukupan naboj svih tijela u sistemu ostaje isti — to je zakon održanja naboja.
2. Naelektrisavanje trenjem
Protrijaj stakleni štap o svilu. Štap i svila postaju naelektrisani suprotno: štap pozitivno, svila negativno. Objašnjenje je jednostavno: trenje omogući da nekoliko elektrona pređe sa stakla na svilu. Staklo ostane s manjkom elektrona, svila s viškom.
- Staklo protrljano o svilu: staklo gubi elektrone i postaje pozitivno, svila ih prima i postaje negativna.
- Plastična olovka protrljana o kosu: plastika prima elektrone i postaje negativna, kosa ostaje s manjkom i postaje pozitivna.
- Vuna i ebonit: ebonit prima elektrone i naelektriše se negativno.
Važno je da su tijela od različitih materijala. Dva ista materijala teže razmjenjuju elektrone, pa je i naelektrisanje slabije. Količina prenesenog naboja zavisi od materijala i od toga koliko dugo i koliko jako trljaš.
3. Naelektrisavanje dodirom i influencijom
Dodir znači da naelektrisano tijelo dotakne drugo tijelo. Elektroni tada prelaze dok se naboj ne razdijeli. Ako negativno naelektrisan štap dotakne neutralnu metalnu kuglicu, kuglica prima elektrone i postaje negativna. Kada štap odmakneš, kuglica zadržava naboj.
Influencija (uticaj na daljinu) ne uključuje dodir. Naelektrisan štap samo približiš tijelu. U metalu se slobodni elektroni pomjere: ako je štap pozitivan, elektroni se privuku prema bližoj strani tijela, a na daljoj strani ostane manjak elektrona. Tijelo je i dalje ukupno neutralno, ali je naboj razdvojen. Kada štap odmakneš, elektroni se vrate i razdvajanje nestaje.
| Način | Dodir? | Šta ostaje nakon uklanjanja štapa |
|---|---|---|
| trenje | da, trljanje | oba tijela ostaju naelektrisana, suprotno |
| dodir | da | tijelo ostaje naelektrisano istim znakom kao štap |
| influencija | ne | tijelo se vraća u neutralno stanje |
4. Provodnici i izolatori
Prelazak elektrona zavisi od materijala. U provodnicima (metali, grafit, rastvori soli) ima slobodnih nosilaca naboja, pa se naboj brzo razdijeli po površini tijela. U izolatorima (staklo, plastika, suho drvo, vazduh) elektroni su vezani uz atome, pa naboj ostaje na mjestu gdje je nastao.
Zato se metalna kuglica na stalku drži na izolatoru: da naboj ne pobjegne kroz stalak u Zemlju. Spajanje tijela sa Zemljom zovemo uzemljenje. Uzemljenje omogućava elektronima da odlaze u Zemlju ili dolaze iz nje. Bez bliskog naelektrisanog tijela izolovani elektroskop se tako može neutralisati; uz blizak štap konačni naboj zavisi od redoslijeda uklanjanja uzemljenja i štapa.
Elektroskop
Elektroskop je uređaj koji pokazuje da li je tijelo naelektrisano. Sastoji se od metalne kuglice, metalnog štapa i dva tanka metalna listića u staklenoj posudi. Kada naboj dođe do listića, oba listića imaju isti znak, pa se odbijaju i razilaze. Što je naboj veći, listići se više razilaze.
Elektroskop ne pokazuje predznak naboja sam po sebi. Predznak utvrdiš poređenjem: štap poznatog naboja približiš kuglici i posmatraš da li se listići dodatno razilaze ili se približavaju.
5. Isprobaj: dodir ili influencija
Izaberi način naelektrisavanja i predznak štapa, pa pritisni dugme za približavanje. Posmatraj listiće: kod dodira ostaju razilazeći i nakon uklanjanja štapa, a kod influencije se vraćaju.
Štap je daleko, listići miruju. Elektroskop je neutralan.
Primjena: šiljci, gromobran i pročišćivač zraka
Naboj na provodniku se raspoređuje po njegovoj površini, a najviše ga ima tamo gdje je površina najuža i najviše zakrivljena, tj. na šiljcima. Zato je jačina električnog polja uz šiljak mnogo veća nego uz glatku površinu. Kada je polje dovoljno jako, ono otkida elektrone iz molekula zraka, pa zrak postaje provodan (zrak se jonizuje).
Gromobran koristi upravo to. Na krovu se postavi metalni šiljak koji je provodnim kablom spojen s uzemljenjem. Ispod oblaka se na zemlji i na šiljku indukuje suprotan naboj, pa se pražnjenje češće usmjeri na šiljak, a naboj se odvede u zemlju, a ne kroz zgradu.
Pročišćivač zraka (elektrostatički filtar) radi na sličnom principu: čestice prašine se u jakom polju uz šiljke naelektrišu, pa ih metalne ploče suprotnog naboja privuku i zadrže. Prašina se skuplja na pločama koje treba redovno čistiti. Ovaj postupak sam po sebi ne uklanja sve gasove iz zraka.
Napuni elektroskop bez dodira štapa
Ovdje je štap uvijek negativno naelektrisan i nikad ne dodiruje kuglicu. Prije svakog poteza predvidi ukupan naboj i listiće, zatim izvrši potez. Uporedi dva redoslijeda: prvo ukloni uzemljenje pa štap; zatim ponovi ogled i zamijeni ta dva poteza.
Samo približavanje izolovanom elektroskopu razdvaja naboj, ali ne mijenja ukupan naboj.
Dnevnik poteza
Sačuvana poređenja
Crveno + predstavlja pozitivan naboj vezan za materijal provodnika; plavo − modelne elektrone. Pozitivne oznake ne putuju od kuglice do listića. Jedna oznaka predstavlja modelnu porciju naboja, ne pojedinačan atom. Uzemljenje uz negativan štap omogućava odlazak elektrona u Zemlju. Uzemljen elektroskop uz štap može imati pozitivan ukupan naboj i sklopljene listiće. Otklon zavisi od raspodjele, a ne samo ukupnog naboja.
6. Korak po korak: šta se dešava pri influenciji
Zadatak: „Negativno naelektrisan štap približi se metalnoj kuglici elektroskopa, ali je ne dotakne. Objasni šta se dešava s listićima i zašto se vraćaju kada štap odmaknemo.“
Korak po korak: zašto je šiljak bolji od glatke kugle
Zadatak: „Dvije metalne kugle imaju isti naboj Q = 1·10⁻⁹ C. Poluprečnik prve je 10 cm, a druge 1 cm. Odredi jačinu električnog polja na površini svake kugle.“ Kugla je model: šiljak je još manjeg poluprečnika zakrivljenosti, pa je polje na njemu još jače.
7. Riješeni primjeri
Dva tipa zadatka: prepoznavanje načina naelektrisavanja i proračun naboja poslije dodira. U svakom tipu su tri primjera, od lakšeg ka težem.
Tip 1: prepoznaj način naelektrisavanja
Primjer 1: staklo i svila
Stakleni štap protrljan o svilu privlači papiriće. Kako je naelektrisan štap, a kako svila?
Primjer 2: dvije kuglice se odbijaju
Dvije male kuglice vise na koncu. Kada ih približiš, one se odbijaju. Šta znaš o njihovim nabojima?
Primjer 3: kuglica, štap i uzemljenje
Metalna kuglica na izolovanom stalku uzemljena je dok je blizu pozitivno naelektrisan štap. Zatim se uzemljenje ukloni, a štap odmakne. Kakav naboj ima kuglica?
Tip 2: proračun naboja poslije dodira
Primjer 1: elektroni na elektroskopu
Dodirom s naelektrisanim štapom elektroskop primi 2·10¹⁰ elektrona. Koliki je njegov naboj?
Primjer 2: dvije jednake kuglice
Dvije identične metalne kuglice imaju naboje +4 µC i −10 µC. Kuglice se dodirnu i razdvoje. Odredi naboj svake.
Primjer 3: tri kuglice u nizu
Tri identične kuglice imaju naboje +6 µC, −2 µC i 0 C. Prva dodirne drugu, razdvoje se, zatim druga dodirne treću. Odredi konačne naboje.
- „Pri trenju oba tijela dobiju isti naboj.“ Predznaci su uvijek suprotni, jer elektroni prelaze s jednog tijela na drugo.
- „Influencijom se tijelo trajno naelektriše.“ Bez uzemljenja i bez dodira naboj se samo razdvoji i vraća se nakon uklanjanja štapa.
- „Elektroskop pokazuje predznak naboja.“ On pokazuje samo da ima naboja. Predznak se utvrđuje poređenjem s poznatim nabojem.
- Miješanje provodnika i izolatora. Metalni štap elektroskopa mora biti provodnik, a stalak izolator, inače naboj pobjegne u Zemlju.
✅ Kviz — provjeri sebe (4 pitanja)
1. Šta se dešava pri naelektrisavanju trenjem?
2. Štap približiš kuglici elektroskopa bez dodira. Listići se razilaze, a nakon uklanjanja štapa sklope se. O čemu je riječ?
3. Dvije identične neutralne kuglice dodirnu se. Kakav je njihov ukupan naboj poslije dodira?
4. Zašto se metalna kuglica na stalku elektroskopa drži na izolatoru?
8. Primijeni i objasni
Provjeri rješenje i obrazloženje
Negativan štap odbija elektrone u metalnom dijelu elektroskopa. Elektroni se potiskuju prema listićima, pa listići dobiju višak elektrona i postaju negativni. Oba listića imaju isti predznak, zato se odbijaju i razilaze. Na kuglici, bližoj štapu, ostaje manjak elektrona, pa je ona lokalno pozitivna, ali je cijeli elektroskop i dalje neutralan. Kada štap odmakneš, elektroni se ravnomjerno razdijele i listići se sklope. Ako štap dotakne kuglicu, dio elektrona prelazi na elektroskop. Naboj tada ostaje na elektroskopu i nakon uklanjanja štapa, pa listići ostaju razilazeći — to je naelektrisavanje dodirom.
Pokušaj najprije samostalno. Ako zapneš, u simulaciji prebaci način s „dodir“ na „influencija“ i uporedi položaj listića nakon uklanjanja štapa.
Provjeri rješenje i obrazloženje
(a) E₁ = k·Q / r₁² = 9·10⁹ · 2·10⁻⁹ / (0,05)² = 18 / 0,0025 = 7200 N/C. E₂ = 18 / (0,005)² = 18 / 0,000025 = 720 000 N/C.
(b) E₂ / E₁ = 720 000 / 7200 = 100. Provjera preko poluprečnika: (r₁ / r₂)² = (5 / 0,5)² = 100.
(c) Na šiljku je poluprečnik zakrivljenosti najmanji, pa je polje najjače. Jako polje jonizuje zrak i omogućava da se munja usmjeri na šiljak, a naboj se odvede u zemlju kroz provodnik.
Ključni sadržaji koje ovdje učiš: naelektrisavanje trenjem, dodirom i influencijom, provodnici i izolatori, elektroskop i zakon održanja naboja.
9. razred, oblast D (Elektricitet i magnetizam) — elektrostatika. Predmetni kurikulum KS, Fizika, 9. razred — oblast D, štampana stranica 23 (u PDF-u stranica 24). Objašnjenja, primjeri i aktivnosti su autorski.