Sprawdzian Z Fizyki 'elektrycznosci Statycznej

Elektryczność statyczna to zjawisko związane z nierównowagą ładunków elektrycznych na powierzchni materiału. Inaczej mówiąc, kiedy coś się naelektryzuje, zyskuje lub traci elektrony. To powoduje powstawanie ładunku dodatniego (gdy traci elektrony) lub ładunku ujemnego (gdy zyskuje elektrony).

Zastosowania elektryczności statycznej:

• Kserokopiarki i drukarki laserowe: Wykorzystują elektrostatykę do przenoszenia tonera na papier.
• Malowanie proszkowe: Naelektryzowane cząstki farby przyciągają się do uziemionego przedmiotu, zapewniając równomierne pokrycie.
• Filtry elektrostatyczne: Oczyszczają powietrze z pyłów i zanieczyszczeń poprzez przyciąganie naelektryzowanych cząstek do elektrod.
• Generatory Van de Graaffa: Służą do wytwarzania wysokich napięć.

Czas na konkrety! Jak radzić sobie z zadaniami dotyczącymi elektryczności statycznej? Poniżej znajduje się przewodnik krok po kroku z przykładami:

Krok 1: Rozumienie ładunku elektrycznego

Podstawowe pojęcia:

• Ładunek elementarny (e): Najmniejsza jednostka ładunku, odpowiadająca ładunkowi protonu (+e) lub elektronu (-e). e ≈ 1.602 x 10^-19 Coulomba (C).
• Prawo Coulomba: Opisuje siłę elektrostatyczną między dwoma ładunkami: F = k * |q1 * q2| / r², gdzie:
  • F - siła elektrostatyczna,
  • k - stała elektrostatyczna (k ≈ 8.9875 x 10⁹ Nm²/C²),
  • q1, q2 - wartości ładunków,
  • r - odległość między ładunkami.
• Zasada zachowania ładunku: Całkowity ładunek w układzie izolowanym pozostaje stały. Ładunek nie powstaje ani nie ginie, tylko przemieszcza się.

Przykład: Dwa ładunki q1 = +2e i q2 = -3e znajdują się w odległości 1 cm od siebie. Oblicz siłę elektrostatyczną między nimi.

Rozwiązanie:

1. Zamieniamy jednostki: r = 1 cm = 0.01 m.
2. Obliczamy wartość ładunków w Coulombach: q1 = 2 * 1.602 x 10^-19 C, q2 = -3 * 1.602 x 10^-19 C.
3. Wstawiamy wartości do prawa Coulomba: F = (8.9875 x 10⁹ Nm²/C²) * |(2 * 1.602 x 10^-19 C) * (-3 * 1.602 x 10^-19 C)| / (0.01 m)².
4. Obliczamy F. Wynik będzie wartością siły, a znak (ujemny) wskazuje na siłę przyciągania.

Krok 2: Elektryzowanie ciał

Metody elektryzowania:

• Tarcie: Przenoszenie elektronów między dwoma materiałami podczas pocierania (np. ebonit pocierany suknem). Jeden materiał oddaje elektrony (staje się naładowany dodatnio), a drugi je przyjmuje (staje się naładowany ujemnie).
• Dotyk: Kontakt naładowanego ciała z ciałem obojętnym powoduje przepływ ładunków aż do wyrównania potencjałów.
• Indukcja: Zbliżenie naładowanego ciała do ciała obojętnego powoduje przemieszczenie ładunków w tym drugim ciele, bez bezpośredniego kontaktu. Jedna strona ciała obojętnego staje się naładowana przeciwnym znakiem niż ciało ładujące, a druga strona tym samym znakiem. Jeśli następnie ciało obojętne zostanie uziemione (np. dotknięte palcem), ładunki o tym samym znaku odpłyną do ziemi. Po odłączeniu uziemienia i oddaleniu ciała ładującego, ciało obojętne pozostanie naładowane przeciwnym znakiem.

Przykład: Szklana pałeczka pocierana jedwabiem. Co się dzieje z ładunkami i dlaczego?

Wyjaśnienie: Podczas pocierania, elektrony przechodzą ze szkła na jedwab. Szkło traci elektrony i staje się naładowane dodatnio, a jedwab zyskuje elektrony i staje się naładowany ujemnie.

Krok 3: Pole elektryczne

Definicja: Pole elektryczne to obszar wokół ładunku elektrycznego, w którym na inny ładunek umieszczony w tym obszarze działa siła elektrostatyczna.

Linie pola elektrycznego: Umowne linie, które pokazują kierunek i siłę pola elektrycznego. Linie wychodzą od ładunków dodatnich i wchodzą do ładunków ujemnych. Gęstość linii pola jest proporcjonalna do natężenia pola.

Natężenie pola elektrycznego (E): Siła elektrostatyczna działająca na jednostkowy ładunek próbny umieszczony w danym punkcie pola: E = F / q, gdzie:

• E - natężenie pola elektrycznego (N/C),
• F - siła elektrostatyczna (N),
• q - ładunek próbny (C).

Przykład: Na ładunek próbny q = 2 x 10^-6 C działa w polu elektrycznym siła F = 4 x 10^-3 N. Oblicz natężenie pola elektrycznego.

Rozwiązanie:

1. Używamy wzoru: E = F / q.
2. Podstawiamy wartości: E = (4 x 10^-3 N) / (2 x 10^-6 C).
3. Obliczamy: E = 2000 N/C.

Krok 4: Potencjał elektryczny

Definicja: Potencjał elektryczny w danym punkcie to praca, jaką trzeba wykonać, aby przenieść jednostkowy ładunek dodatni z nieskończoności do tego punktu.

Różnica potencjałów (napięcie): Praca potrzebna do przeniesienia jednostkowego ładunku między dwoma punktami w polu elektrycznym. Mierzy się ją w woltach (V).

Związek między napięciem (U), pracą (W) i ładunkiem (q): U = W / q.

Przykład: Podczas przenoszenia ładunku q = 5 C między dwoma punktami w polu elektrycznym wykonano pracę W = 10 J. Oblicz napięcie między tymi punktami.

Rozwiązanie:

1. Używamy wzoru: U = W / q.
2. Podstawiamy wartości: U = (10 J) / (5 C).
3. Obliczamy: U = 2 V.

Pamiętaj, że kluczem do sukcesu jest zrozumienie podstawowych definicji i wzorów oraz umiejętność ich zastosowania w praktyce. Ćwicz rozwiązywanie zadań, a z pewnością opanujesz zagadnienia związane z elektrycznością statyczną!