Przesuwasz potartą linijkę nad pustą aluminiową puszką, a puszka zaczyna się toczyć, choć linijka jej nie dotyka. Elektryzowanie przez indukcję polega na przesunięciu lub uporządkowaniu ładunków pod wpływem pobliskiego naładowanego ciała, ale samo zbliżenie nie zawsze pozostawia trwały ładunek.
O wyniku decyduje to, czy ładunki mogą odpłynąć
- Bez dotyku pole naładowanego ciała przestawia ładunki w pobliżu.
- Przewodnik może zachować ładunek po uziemieniu i odłączeniu uziemienia we właściwej kolejności.
- Izolator polaryzuje się: jego ładunki nie przemieszczają się swobodnie przez całe ciało.
- Znak ładunku po indukcji jest przeciwny do znaku ciała, które wywołało indukcję, jeśli zastosowano uziemienie.
W przewodniku elektrony przesuwają się, choć ciało pozostaje neutralne
Wyobraź sobie metalową puszkę, do której zbliżasz pałeczkę naładowaną ujemnie. Jej elektrony odpychają elektrony w puszce, więc te przemieszczają się na dalszą stronę. Przy pałeczce zostaje nadmiar ładunku dodatniego, a po przeciwnej stronie nadmiar ujemnego.
Cała puszka nadal ma ładunek równy zeru, bo żadne elektrony nie opuściły jej ani do niej nie napłynęły. Zmienił się tylko ich rozkład. Kiedy odsuniesz pałeczkę, elektrony wrócą do równomiernego rozmieszczenia i efekt zniknie. Tę chwilową zmianę rozkładu ładunków nazywamy indukcją elektrostatyczną.
Inaczej zachowa się puszka postawiona na izolującej powierzchni, jeśli podczas zbliżania pałeczki połączysz ją z ziemią. Elektrony mogą wtedy odpłynąć do podłoża; gdy najpierw odłączysz uziemienie, a dopiero potem oddalisz pałeczkę, puszka pozostanie naładowana. W szkolnym materiale Zintegrowanej Platformy Edukacyjnej opisano osobno przemieszczenie elektronów w przewodniku i polaryzację w izolatorze, bo to dwa różne mechanizmy.
Bez uziemienia ładunek tylko się rozdziela
Tu często rodzi się pomyłka: wychylona wskazówka elektroskopu może wyglądać jak dowód, że przyrząd został trwale naładowany. Samo zbliżenie pałeczki nie zmienia całkowitego ładunku elektroskopu; wskazówka wychyla się, bo ładunki przesunęły się wewnątrz metalowych części.
Jeśli po odsunięciu pałeczki wskazówka wraca, elektroskop był tylko chwilowo spolaryzowany. Aby naładować go przez indukcję, zbliż naładowane ciało, uziem elektroskop, odłącz uziemienie, a na końcu odsuń ciało. Kolejność dwóch ostatnich czynności jest decydująca: gdy najpierw oddalisz pałeczkę, ładunki wyrównają się przez uziemienie.
Przy dodatnio naładowanej pałeczce elektrony napływają z ziemi do elektroskopu, więc po odłączeniu uziemienia i odsunięciu pałeczki elektroskop ma nadmiar elektronów. Przy pałeczce ujemnej elektrony odpływają do ziemi, a elektroskop zostaje naładowany dodatnio. Ładunek końcowy ma znak przeciwny do pałeczki.
Rozdzielany przewodnik pokazuje, skąd biorą się dwa ładunki
Dobrym przykładem jest doświadczenie z katalogu demonstracji fizycznych Akademii Górniczo-Hutniczej: dwa elektroskopy łączy się przewodnikiem, który można rozdzielić. Gdy zbliżysz naładowaną pałkę do jednego końca, elektrony przesuną się w przewodniku, a oba elektroskopy zareagują.
Trzymając pałkę nieruchomo, rozłącz przewodnik i dopiero wtedy ją odsuń. Po rozdzieleniu na jednym elektroskopie pozostaje ładunek ujemny, a na drugim dodatni; po ponownym połączeniu wskazówki opadają. Łączny ładunek układu się nie zmienił, tylko rozdzielił się między jego części.
W tym doświadczeniu rozdzielenie przewodnika zastępuje uziemienie jako sposób oddzielenia obszarów z nadmiarem i niedoborem elektronów. Jeśli pałeczka pozostaje blisko aż do chwili rozdzielenia, efekt utrzyma się po jej odsunięciu. Gdy rozłączysz układ dopiero po zabraniu pałeczki, nie uzyskasz takiego rozdziału.
Papier przyciąga linijkę, choć sam nie zyskuje ładunku netto
Metal przewodzi elektrony przez całe ciało, natomiast w papierze czy plastiku ładunki nie przemieszczają się swobodnie. Pole naładowanej linijki lekko przesuwa elektrony w atomach izolatora albo obraca jego cząsteczki będące dipolami. Powstaje polaryzacja, czyli niewielkie rozdzielenie ładunków w obrębie materiału.
Dlatego potarta linijka przyciąga skrawki papieru, choć papier jako całość pozostaje elektrycznie obojętny. Strona skrawka bliższa linijce uzyskuje ładunek przeciwny, a dalsza taki sam jak linijka; bliższa część jest silniej przyciągana. Po odsunięciu linijki polaryzacja zanika.
| Sytuacja | Co się dzieje | Co sprawdzić |
|---|---|---|
| Metalowa puszka przesuwa się za naładowaną pałeczką | Ładunki w puszce rozdzieliły się, a bliższa strona jest przyciągana. | Jeśli po odsunięciu pałeczki efekt znika, puszka nie zachowała ładunku netto. |
| Elektroskop wychyla się tylko przy pałeczce | Ładunki przemieszczają się w jego wnętrzu, lecz całość pozostaje neutralna. | Odsuń pałeczkę. Powrót wskazówki oznacza chwilową indukcję. |
| Papier przyciąga się do potartej linijki | W papierze powstały dipole lub przesunęły się ładunki w atomach. | Po oddaleniu linijki papier nie powinien zachować trwałego ładunku. |
| Elektroskop ma pozostać naładowany po odsunięciu pałeczki | Bez drogi odpływu lub dopływu elektronów nie powstanie trwały ładunek netto. | Uziem elektroskop przy zbliżonej pałeczce, odłącz uziemienie, a potem odsuń pałeczkę. |
Uważam, że najłatwiej zapamiętać indukcję przez pytanie: czy elektrony tylko zmieniły miejsce, czy mogły opuścić ciało albo do niego napłynąć? Pierwszy przypadek daje chwilowe rozdzielenie ładunków, drugi może zostawić przewodnik trwale naładowany.
Po odsunięciu pałeczki sprawdź, co zostało
Gdy pałeczka znika, wynik doświadczenia od razu porządkuje pojęcia. Jeśli efekt znika, ładunki jedynie się rozsunęły lub uporządkowały; jeśli pozostał, w trakcie doświadczenia elektrony musiały odpłynąć albo napłynąć, a ciało zostało odizolowane od tej drogi.
Ta prosta kontrola pomaga też odróżnić indukcję od elektryzowania przez dotyk: przy dotyku ładunek przechodzi bezpośrednio między ciałami, a przy indukcji zmianę wywołuje pole elektryczne. Właśnie dlatego ta sama pałeczka może poruszyć puszkę bez kontaktu, ale do trwałego naładowania puszki potrzebny jest jeszcze właściwy układ połączeń.
