Dwie Jednakowe Przewodzące Kulki Są Naelektryzowane ładunkami

Dobra, spróbujmy odpowiedzieć na pytanie o dwóch identycznych przewodzących kulkach naelektryzowanych różnymi ładunkami. Wyobraź sobie, że masz dwie takie same kule. Są przewodzące, czyli elektrony mogą się po nich swobodnie przemieszczać. I każda z nich ma na sobie inny ładunek elektryczny. Co się stanie, gdy te kule zetkniemy ze sobą?

Zacznijmy od podstaw. Ładunek elektryczny może być dodatni albo ujemny. Mówimy, że obiekty o przeciwnych ładunkach się przyciągają, a obiekty o takich samych ładunkach się odpychają. To tak jak magnesy – bieguny przeciwne się przyciągają, a bieguny takie same – odpychają.

Jeśli jedna kulka ma dużo elektronów (czyli ładunek ujemny), a druga ma ich mało (czyli ma niedobór elektronów, a więc ładunek dodatni), to po zetknięciu elektrony zaczną przemieszczać się z kulki, która ma ich więcej, do kulki, która ma ich mniej. Dzieje się to dlatego, że elektrony chcą się rozłożyć równomiernie. Wyobraź sobie, że masz dwa naczynia połączone rurką. W jednym jest dużo wody, a w drugim mało. Woda przepłynie z naczynia pełniejszego do pustszego, aż poziom wody w obu naczyniach się wyrówna. Podobnie jest z elektronami – dążą do wyrównania.

Kiedy zetkniemy dwie naelektryzowane kulki, elektrony będą przepływać z kulki o większym potencjale elektrycznym do kulki o mniejszym potencjale, aż do momentu, gdy potencjały się wyrównają. Ponieważ kulki są identyczne, to po rozłączeniu każda z nich będzie miała taki sam ładunek.

Jak obliczyć ładunek po zetknięciu?

Żeby obliczyć, jaki ładunek będzie miała każda kulka po rozłączeniu, musimy dodać ładunki początkowe obu kulek i podzielić wynik na dwa.

Czyli, jeśli pierwsza kulka miała ładunek Q1, a druga kulka miała ładunek Q2, to po zetknięciu i rozłączeniu każda z nich będzie miała ładunek Q, który obliczamy w następujący sposób:

Q = (Q1 + Q2) / 2

To bardzo proste! Zobaczmy na przykładach.

• Przykład 1:

  • Kulka A ma ładunek +4 kulombów (C).
  • Kulka B ma ładunek -2 kulomby (C).

  Po zetknięciu i rozłączeniu każda kulka będzie miała ładunek:

  Q = (+4 C + (-2 C)) / 2 = (+2 C) / 2 = +1 C

  Czyli, każda kulka będzie miała ładunek +1 kulomba.

• Przykład 2:

  • Kulka X ma ładunek +10 kulombów (C).
  • Kulka Y ma ładunek 0 kulombów (C) (czyli jest obojętna elektrycznie).

  Po zetknięciu i rozłączeniu każda kulka będzie miała ładunek:

  Q = (+10 C + 0 C) / 2 = (+10 C) / 2 = +5 C

  Czyli, każda kulka będzie miała ładunek +5 kulombów.

• Przykład 3:

  • Kulka P ma ładunek -5 kulombów (C).
  • Kulka R ma ładunek -3 kulomby (C).

  Po zetknięciu i rozłączeniu każda kulka będzie miała ładunek:

  Q = (-5 C + (-3 C)) / 2 = (-8 C) / 2 = -4 C

  Czyli, każda kulka będzie miała ładunek -4 kulomby.

W każdym przypadku po zetknięciu i rozłączeniu ładunki się "uśredniają". Ładunek całkowity układu (czyli suma ładunków obu kulek) pozostaje taki sam. To zasada zachowania ładunku. Ładunek elektryczny nie ginie, tylko się przemieszcza i rozkłada.

Co jeśli kulki nie są identyczne?

Jeśli kulki nie są identyczne (np. mają różne rozmiary), to sytuacja jest bardziej skomplikowana. Wtedy ładunek rozkłada się proporcjonalnie do pojemności elektrycznej każdej kulki. Pojemność elektryczna zależy od wielkości i kształtu obiektu. Im większy obiekt, tym większą ma pojemność elektryczną i tym więcej ładunku może pomieścić przy danym potencjale.

Żeby obliczyć ładunki po zetknięciu dla nieidentycznych kulek, potrzebujemy znać ich pojemności elektryczne. Obliczenia są bardziej złożone i wykraczają poza prosty wzór na średnią arytmetyczną ładunków. Potrzebne są dodatkowe informacje i bardziej zaawansowana fizyka.

Wracając do identycznych kulek, pamiętaj, że kluczowe jest słowo "przewodzące". Jeśli kulki byłyby izolatorami, to elektrony nie mogłyby się swobodnie przemieszczać i zetknięcie nie doprowadziłoby do wyrównania ładunków. Na izolatorach ładunek zostaje w miejscu, w którym został nałożony.

Podsumowując: zetknięcie dwóch identycznych przewodzących kulek naelektryzowanych różnymi ładunkami prowadzi do przepływu elektronów między nimi, aż do wyrównania potencjałów. Po rozłączeniu każda kulka ma taki sam ładunek, który jest średnią arytmetyczną ładunków początkowych. I to wszystko! Mam nadzieję, że to wyjaśnienie było pomocne. Jeśli masz jeszcze jakieś pytania, śmiało pytaj!