Cel dydaktyczny
- co to jest przewodnik elektryczny;
- co to jest izolator elektryczny;
- jakie są podobieństwa i różnice między przewodnikami i izolatorami elektrycznymi;
- opisywać zjawisko elektryzowania przez indukcję.
W poprzedniej części stwierdziliśmy, że naukowcom udało się wytworzyć nadmiarowe ładunki elektryczne na niemetalicznych materiałach, natomiast nie udało się na metalach. Żeby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, trzeba lepiej poznać strukturę atomu. W tym podrozdziale omawiamy, jak i dlaczego ładunki elektryczne przemieszczają się lub nie w materiałach (Ilustracja 5.9). Pełny opis znajdziemy w kolejnym rozdziale.
Przewodniki i izolatory
Jak już to omawialiśmy, elektrony otaczają bardzo małe jądro rozległą chmurą ładunku ujemnego. Ta chmura ma w dodatku określoną strukturę. Przyjrzyjmy się teraz atomowi miedzi, najbardziej powszechnemu przewodnikowi.
Z powodów, które poznamy w rozdziale Struktura atomowa, najbardziej zewnętrzny elektron jest luźno związany z jądrem atomowym. Może być on łatwo oderwany, może się przemieścić na sąsiedni atom. W dużym skupisku atomów miedzi (takim jak miedziany drut czy miedziana płyta) te olbrzymie ilości zewnętrznych elektronów (jeden na atom) wędrują od atomu do atomu i są tymi elektronami, które się przemieszczają, gdy mamy do czynienia z przepływem prądu elektrycznego. Te wędrowne, swobodne elektrony nazywamy elektronami przewodnictwa (ang. conduction electrons) i dlatego miedź jest doskonałym przewodnikiem (ang. conductor) ładunków elektrycznych. Wszystkie pierwiastki przewodzące mają podobny układ elektronów z jednym lub dwoma elektronami przewodnictwa. Dotyczy to większości metali.
Przeciwnie izolatory (ang. insulator) – to materiały, w których brak elektronów przewodnictwa; ładunek przepływa przez nie z bardzo dużą trudnością, o ile w ogóle. Nawet gdy wprowadzimy do izolatora dodatkowy ładunek, to nie przemieszcza się on, pozostając w danym miejscu na stałe. To dlatego izolatory doświadczają przyciągania i odpychania elektrostatycznego, opisanego wcześniej, podczas gdy metale nie. Każdy dodatkowy ładunek umieszczony na przewodniku odpłynie (wskutek odpychania się ze znajdującymi się tam ładunkami), nie pozostawiając żadnego nadmiarowego ładunku, który mógłby być źródłem siły elektrostatycznej. Ładunek nie może przepływać przez izolator, zatem siły elektrostatyczne pochodzące od tego zlokalizowanego ładunku mogą działać przez długi czas. (Po dostatecznie długim czasie ten ładunek zniknie z izolatora). Bursztyn, futra i większość kamieni półszlachetnych są izolatorami, podobnie jest z drewnem, szkłem i plastikiem.
Elektryzowanie przez indukcję
Przyjrzyjmy się bliżej temu, co się stanie z przewodnikiem, gdy zbliżymy do niego naładowane ciało. Jak wspominaliśmy, elektrony przewodnictwa mogą się prawie swobodnie przemieszczać w przewodniku. Dlatego gdy naładowany izolator (taki jak dodatnio naładowana pałeczka szklana) zbliżymy do przewodnika, to zgromadzony na nim ładunek działa siłą elektrostatyczną na elektrony przewodnictwa. Ponieważ pałeczka ma ładunek dodatni, to elektrony przewodnictwa (obdarzone ładunkiem ujemnym) są przyciągane, przepływając w stronę izolatora, aż na skraj przewodnika (Ilustracja 5.10).
Przewodnik jako całość nadal pozostaje obojętny elektrycznie; elektrony przewodnictwa zmieniły swoje położenie, ale nadal pozostają w przewodniku. Jednak teraz w przewodniku mamy do czynienia z rozkładem ładunku; bliższy koniec (część przewodnika najbliższa izolatora) ma więcej ładunków ujemnych niż dodatnich, odwrotnie niż jego koniec najbardziej odległy od izolatora. Przemieszczenie się ładunków ujemnych do bliższego końca przewodnika spowodowało, że część przewodnika najbardziej oddalona od izolatora ma wypadkowy ładunek dodatni. Uzyskaliśmy rozkład ładunków, jakiego nie było uprzednio. O tym procesie mówimy jako o indukowanej polaryzacji, w tym przypadku polaryzacji przewodnika. Wynikające z tego rozdzielenie ładunków dodatnich i ujemnych nazywamy polaryzacją (ang. polarization), a o materiale, a nawet cząsteczce, która doznała polaryzacji, mówimy, że jest spolaryzowana. W przypadku ujemnie naładowanego izolatora mamy do czynienia z analogiczną sytuacją, jednak wywołana polaryzacja ma znak przeciwny.
W wyniku tego powstaje układ nazywany dipolem (ang. dipole), z greki oznacza to „dwa bieguny”. Ładunki elektryczne na izolatorze i siła, z jaką działają one na elektrony przewodnictwa, prowadzą do powstania (lub inaczej mówiąc „wyindukowania”) dipola w przewodniku.
Obojętne ciała mogą być przyciągane do dowolnego naładowanego ciała. Na przykład kawałki słomki przyciągane do wypolerowanego bursztynu są obojętne elektrycznie. Jeżeli przesuniemy grzebieniem przez włosy, to naładowany grzebień może chwytać kawałki papieru. Na Ilustracji 5.11 pokazane jest, jak polaryzacja atomów i cząsteczek w obojętnych elektrycznie ciałach prowadzi do przyciągania ich do naładowanych ciał.
Gdy do obojętnej elektrycznie substancji, w tym przypadku izolatora, zbliżymy naładowaną pałeczkę, to rozkład ładunku w atomach i cząsteczkach zostanie nieznacznie zmieniony. Ładunki przeciwnego znaku są przyciągane w stronę naładowanej pałeczki, a tego samego znaku są odpychane. Ponieważ siły elektrostatyczne maleją wraz z odległością, to odpychanie ładunków o takim samym znaku jest słabsze niż przyciąganie ładunków o przeciwnym znaku. W rezultacie obserwujemy jedynie przyciąganie. Zatem dodatnio naładowana szklana pałeczka przyciąga obojętne elektrycznie kawałeczki papieru. Podobny efekt zaobserwujemy dla ujemnie naładowanej gumowej pałeczki. Niektóre cząsteczki, takie jak woda, są cząsteczkami polarnymi. W cząstkach polarnych występuje samoistne, stałe rozsunięcie ładunków, mimo że cząstki są jako całość obojętne elektrycznie. Cząstki polarne są szczególnie podatne na działanie innych naładowanych ciał i są silniej polaryzowalne niż cząsteczki z jednorodnym rozkładem ładunków.
Gdy możemy rozdzielić ładunki, tworząc dipol, to ten sposób elektryzowania, znany jako elektryzowanie przez indukcję (ang. charging by induction), można wykorzystać do wytworzenia naładowanych ciał bez przenoszenia ładunków. Na Ilustracji 5.12 widzimy dwie obojętne elektrycznie, metalowe kule, które się stykają, ale są odizolowane od otoczenia. Dodatnio naładowana pałeczka została przysunięta do jednej z nich, przyciągając ujemne ładunki na swoją stronę i pozostawiając drugą kulę naładowaną dodatnio.
Inny sposób elektryzowania przez indukcję jest pokazany na Ilustracji 5.13. Obojętna elektrycznie metalowa kula zostaje spolaryzowana przez umieszczenie w jej pobliżu naładowanej pałeczki. Następnie kula zostaje uziemiona, to znaczy połączona z ziemią za pomocą drutu z przewodnika. Ponieważ Ziemia jest ogromna i w większości grunt jest przewodzący, to może łatwo dostarczyć lub odebrać nadmiarowy ładunek. W tym przypadku elektrony są przyciągane do kuli przez drut, nazywany uziemieniem, bo tworzy on przewodzące połączenie z ziemią. Uziemienie zostaje odłączone, zanim pałeczka zostaje usunięta, i na kuli pozostaje dodatkowy ładunek o znaku przeciwnym do ładunku pałeczki. I znowu, gdy elektryzujemy ciało przez indukcję, to generujemy ładunek o znaku przeciwnym, a pałeczka nie traci swojego dodatkowego ładunku.