Elektromos alapjelenségek
1. Dörzsöljünk meg műanyag csövet, majd közelítsünk vele papírszeletkékhez!
Műanyag irattartóból húzzunk ki egy papírlapot, majd közelítsük újra a műanyag tasakhoz!
Két üvegrúd közül az egyiket fügesszétek fel kötélre, dörzsöljétek meg mindkettőt bőrrel, majd közelítsetek a másikkal a felfüggesztett felé!
Az első kísérletben láthattuk, hogy dörzsöléssel a műanyag rúd olyan állapotba - elektromos állapotba - került, hogy a papírszeletkéket vonzotta. Az elektromos állapotot, röviden elektromosságot töltéseknek tulajdonítjuk. Kétféle töltés létezik, pozitív és negatív. A két üvegrúd azért taszította egymást, mert töltésük azonos, megállapodás szerint a bőrrel dörzsölt üvegrúd töltése pozitívnak tekintendő.
Ha a vizsgálandó anyag vonzó, vagy taszító erővel hat egy másik testre azt mondjuk, hogy elektromos állapotban van, ha vonzást, vagy taszítást nem gyakorol akkor semleges. A testek elektromos állapotát okozó anyag az elektromos töltés. Az egynemű töltések között taszító-, a különneműek között vonzóerők hatnak. A semleges test mindkét töltést egyenlő mértékben tartalmazza. A testek elektromos állapota úgy jön létre, hogy az egyik fajta töltésből többlet keletkezik. Ez értelemszerűen csak úgy jöhet létre, ha egy másik testtől töltést vont el, ekkor a másik testen töltés hiány alakul ki. A testek közötti töltés átadás állandóan lejátszódó jelenség. Ha a töltés átadások zárt rendszerben (környezetétől elszigetelt) mennek végbe a rendszerben lévő töltések száma ugyanakkora marad. Ez a töltésmegmaradás törvénye.
Mit tapasztaltok?
Az alábbi mondat kiegészítésével magyarázzátok a jelenséget!Ha a ...................................... elektroszkóp tányérjához megdörzsölt ................... ...........................
érintünk, a rúdról az .............................. vándorolnak át az elektroszkópra. Ilyenkor a fémtartó és a mutató is ............................. elektromos állapotú lesz. A közöttük fellépő ........................... hatás miatt a mutató ....................... .3. Mit tapasztaltatok, ha a műanyag rudat eltávolítjuk az elektroszkóptól? Mi a jelenség magyarázata?
A fenti kísérletben a műanyag rúd negatív elektromos állapotú volt, így az elektroszkóp negatív elektromos állapotba került. A kísérlet pozitív elektromos állapotú testtel is elvégezhető.
4. Helyezzetek egymás mellé két semleges elektroszkópot. Egyiket töltsétek fel negatív, a másikat pozitív töltéssel. Helyezzetek a két elektroszkópra jól vezető fémszálat! Mit tapasztaltok?
A semleges elektroszkóp mutatója akkor is kitér, ha a műanyag rúddal csak közelítünk, mivel a rúd elektromos mezője hatást fejt ki az elektroszkóp szabad elektronjaira. A tányér pozitív, a fémtartó és a mutató negatív elektromos állapotú lesz. Az elektromos mező megszünteti az eredetileg semleges fémtestben az elektronok egyenletes eloszlását. Ezt a jelenséget elektromos megosztásnak nevezzük.
A testek elektromos állapotának jellemzésére bevezetett fizikai mennyiség az elektromos töltés. Az atomot felépítő elemi részecskék közül az elektron töltése 1,6x10 -19 coulomb, ez a természetben előforduló legkisebb töltés, bármely töltés ennek egész számú többszöröse. Ma már az is bizonyított, hogy az elektromos jelenségekért az elektronok felelősek. Dörzsöléskor az egyik testről a másikra vándorolnak át az elektronok. Amelyik testre vándorolnak az negatív, amelyről vándorolnak az pozitív töltésű lesz. 1 coulomb negatív töltés 6,2x10 18 darab elektron többletet jelent. A proton töltése az elektronéval azonos, csupán ellentétes előjelü. Az elektron elektromos töltését elektromos tulajdonságának megfelelően negatívnak, a protonét pozitívnak nevezték el.
A töltés jele: Q, mértékegysége: coulomb (C).
Azokat az anyagokat, amelyekben a töltésthordozó elektronok könnyen elmozdulnak vezetőknek nevezzük. Ilyen anyagok a fémek és az elektrolitoldatok. Az olyan szilárd testek, amelyekben nincsenek elmozduló elektronok szigetelőknek tekintendők. Szigetelő a levegő, az üveg, a porcelán, a műanyagok. Léteznek félvezetők is, ezekben vannak elmozduló elektronok, de számuk alulmúlja a vezetőkben lévő elektronok számát.
5. Húzd alá az alábbi anyagok közül a vezetőket!
sárgaréz, acél, pamut, tölgyfa, parafa, alumínium, porcelán, konyhasó-oldat
Coulomb törvénye
A legegyszerűbb elektrosztatikai összefüggés megállapításához a következőből induljunk ki: az elektromosan töltött testeket (továbbiakaban egyszerűen töltéseket) pontszerűnek veszük, azaz térfogatukat elhanyagolhatónak tekintjük. Vegyünk két ugyanolyan előjelű töltést. Ha a köztük lévő távolságot megfelezzük azt kapjuk, hogy egymásra gyakorolt erőhatásuk a négyzetére emelkedik.
Két töltés közötti erő fordítottan arányos a távolságuk négyzetével,
Amennyiben az egyik töltésre kétszer annyi elektront viszünk, az erő megkétszereződik.
és egyenesen arányos a töltések nagyságával.
F=erő; r=távolság; k=arányossági tényező 9x10 9 Nxm2/C2
6. Tálkába töltsünk 1-2 mm vastagon étolajat, majd egyenletesen szórjunk bele búzadarát. Helyezzünk a tálkába fémelektródát, először pozitív, majd negatív töltéssel. Rajzoljuk le a kialakult képet!
A kísérlettel bizonyítottuk, hogy az elektromos állapotban lévő test maga körül ún. elektromos mezőt alakít ki, vagy más szóval erőteret kelt. Az elektromos mező erőt fejt ki a benne lévő töltésre, ezért elmozdulása munkavégzéssel jár. Az elektromos mező munkája (W AB) a mező bármely mozgatott pontpárja (A és B) között csak a mozgatott töltéstől (Q) függ, és azzal egyenesen arányos.
Az U AB arányossági tényező neve elektromos feszültség. A feszültség megmutatja, hogy mekkora munkát végez az elektromos mező, miközben 1C töltést a mező egyik pontjából a másikba áramoltat.
A feszültség jele: U, mértékegysége: volt (V)
Akkor 1V a feszültség az elektromos mező két pontja között, ha 1C töltés átáramoltatásakor a mező 1J munkát végez.
ceruzaelem zsebtelep autóakkumulátor elektromos hálózat távvezeték villám 8. Old meg az alábbi számítási feladatokat!
a.) Mennyi munkát végez az elektromos mező, miközben 5 C töltést áramoltat át 10 V feszültségű pontjai között?
b.) Mennyi munkát végez az elektromos mező, miközben 15 C töltést áramoltat át 20 V feszültségű pontjai között?
d.) Mekkora a feszültség a mező két pontja között, ha 5 C töltés átszállításakor a végzett munka 400 J?
e.) Mekkora a feszültség a mező két pontja között, ha 25 C töltés átszállításakor a végzett munka 200 J?
f.) Egy áramforrás 5 J munkát végez, miközben 2 C töltést áramoltat át egy fogyasztón. Mekkora az áramforrás feszültsége?
g.) Mennyi az átáramlott töltés, ha a mező két pontja között 220 V a feszültség és a végzett munka 4000 J?
h.) Mennyi az átáramoltatott töltés, ha a mező két pontja között 1,5 V a feszültség és a végzett munka 30 J?
i.) Az elektromos mező két pontja közt mért feszültség 110 V. Mekkora töltés áramlott át, ha a végzett munka 500 J?FOGALMAK: elektromos állapot, elektromos töltés, töltésmegmaradás törvénye, elektromos megosztás, Coulomb-törvény, elektromos mező, elektromos erőtér, vezető, elektrolitoldat, szigetelő, félvezető, feszültség
