ELEKTRICITET

Seminarski rad Verica Sredojev

Sadržaj:

Uvod......................................................................................................................................................21. Istorijski razvoj nauke o elektricitetu................................................................................................32. Opšta teorija o elektriciteu................................................................................................................5

2.1 Električna stuktura supstancije....................................................................................................52.2 Naelektrisanje trenjem i dodirom................................................................................................62.3 Uzajamno dejstvo naelektrisanih tela..........................................................................................72.4 Električno polje...........................................................................................................................72.5 Provodnik u električnom polju. Influenciјa................................................................................82.6 Električne poјave u atmosferi......................................................................................................9

3. Ogledi..............................................................................................................................................113.1 Naelektrisanje tela neposrednim dodirom.................................................................................113.2 Dve vrste elektriciteta...............................................................................................................123.3 Provodnici i izolatori.................................................................................................................143.4 Električno polje i linije sile električnog polja...........................................................................153.5 Raspored elektriciteta na provodnicima....................................................................................163.6. Električne pojave u atmosferi...................................................................................................173.7 Električna influenciјa................................................................................................................18

Zaključak.............................................................................................................................................20Literatura.............................................................................................................................................21

1. Istorijski razvoj nauke o elektricitetu Pojavu neobičnog stanja, kao posledicu trljanja ćilibara, danas

poznatog kao električno stanje, zapazio je Tales iz Mileta (oko 625-548. pne.) 600 godina pre nove ere, ali nije mogao da je objasni. Ovu tajanstvenost stari Grci pripisivali su nekim nadzemaljskim uzrocima i udahnuli su ćilibaru život i dušu, a neke pojave su različito tumačili i pripisivali svecima i bogovima. Iz ovih vremena potiče i ime za elektricitet jer „elektor” je grčka reč za Sunce. Kasnije su Grci od te reči prešli na „elektron”, naziv za ćilibar koji svojom bojom zajedno sa zlatom podseća na Sunce.

Električne pojave su bile poznate ljudima, ali niko se nije zainteresovao da ih objasni više od 2000 godina. Tek Džilbert (William Gilbert, 1544 – 1603.) saopštava važno otkriće da postoje mnoga tela koja se trenjem mogu naelektrisati kao što su staklo, vuna, sumpor, drago kamenje itd. Te supstance Džilbert naziva električnim. Navodi osnovne razlike između elektriciteta i magnetizma. Magnet je samo jedna supstanca, a električna tela su brojna; magnet ne treba da se trlja, a njih treba. Magnet privlači samo gvožđe, a oni sve. Pored toga što naelektrisana tela privlače razne predmete, Italijan Kabeo (Nicolo Cabeo 1585 – 1650.) uočava odbijanje naelektrisanih tela, ali mu je to bilo neprihvatljivo jer je smatrao da svako telo može da ima samo jedno prirodno kretanje.

Za otkriće da elektricitet može da se kreće od jednog tela do drugog zaslužan je Grej (Stephen Greu, 1670 – 1736.), kao i za druge pojave. Šarl Dife se neposredno nadovezuje na radove Greja. Objašnjava da se sva tela mogu naelektrisati. Metali, tečnosti i meka tela ne mogu da se naelektrišu trljanjem, ali to se postiže prinošenjem nekog većeg naelektrisanog tela. Difeovi radovi su objavljeni 1734. godine u časopisu Kraljevskog društva u Londonu. Do istih zaključljka došao je dosta kasnije 1759 Englez Robert Simer. član engleskog kraljevskog društva.

Dalje proučavanje elektriciteta dovodi do usavršavanja električnih mašina i njihovog razvoja, prvo u Nemačkoj 1743. godine, a zatim 1745. u Engleskoj i Francuskoj. Razvojem električnih mašina dolazi i do otkrića aparata za skladištenje elektriciteta (kondenzatora).

Za objašnjenje električnih pojava u atmosferi najzaslužniji je Frenklin (Benjamin Frenklin 1706 – 1790.) koji je povezao blagost ćilibarove duše i stravični prasak munje i groma. Godinu dana kasnije ruski fizičar Rihman (Georg Vilьgelьm Rihman 1711 – 1753.) izvodio je slične eksperimente, ali je tom prilikom poginuo od udara groma.

Kako je ustanovljeno da postoje dve vrste naelektrisanja, pozitivno i negativno, što uslovljava privlačenje i odbijanje naelektrisanih tela Kulon (Charles Augustin Koulon 1736-1860.) je svojim radovima dao opšti zakon međusobnog delovanja naelektrisanih tela na nekom rastojanju.

1

Slika 1 – 1Tales (625 – 548.pne.)

Slika 1 - 2William Gilbert

Ovaj zakon je ustanovio pomoću precizne torzion vage, kojom mogu da se mere veoma male sile. Ova vaga je dobila ime po njemu - Kulonova torziona vaga.

Pronalaskom baterije za čuvanje elektriciteta, od Italijana Volte (Alessandro Volta 1745-1827.) dalji radovi u oblasti elektriciteta su bili usmereni na njegovo kretanje kroz provodnik i vezu sa magnetnim pojavama tj. ustanovljeni su zakoni elektromagnetizma radovima Kristijana Ersteda (Christian Oersted, 1777-1851.), Andre-Mari Ampera (Andre-Marie Ampere, 1775-1836.) Majkl Faradeja (Michael Faraday, 1791-1867.), Popova (Aleksandr Stepanovič Popov 1859 – 1905.), Oma (Georg Simon Ohm 1787 – 1854.), i Maksvela (James Clerk Maxwell 1831-1879.). Svi ti zakoni elektriciteta i magnetizma otkriveni su pre saznanja o nosiocu naelektrisanja i o električnoj strukturi supstancije. Ti zakoni u prvobitnom obliku važe i danas, iako im je objašnjenje drugačije nego onda.

2

2. Opšta teorija o elektriciteuDanas se opšta teorija o elektricitetu zasniva na električnoj strukturi atoma. Sa strukturom

supstancije učenici se prvi put sreću u šestom razredu osnovne škole. Da bi se objasnile pojedine električne pojave potrebno ih je podsetiti šta su učili o strukturi supstancije u šestom razredu, a takođe treba iskoristiti znanje stečeno na časovima hemije u sedmom razredu.

2.1 Električna stuktura supstancijeUtvrđeno je da je struktura supstancije električne prirode, odnosno da se svaki atom sastoji

od pozitivno naelektrisanog jezgra i negativno naelektrisanog omotača. Koristeći eksperimentalne metode i saznanja o raznim zračenjima, J. J. Tomson (Joseph John Thomson 1856 – 1940.) i njegovi učenici, su otkrili 1897. godine elektron kao fundamentalnu količinu elektriciteta proučavajući naelektrisanje jona gasova. To je naelektrisana čestica koja se nalazi u omotaču svakog atoma. S obzirom na to da su joni i naelektrisani materijali i zračenja uveliko proučavani, toj čestici je još 1894. godine Stoni (George Johnstone Stoney 1826 – 1911.) dao naziv elektron što je i usvojeno. Tako je nepobitno otkrivena veza između elektriciteta i strukture supstancije i do danas naelektrisanje elektrona pretstavlja najmanje naelekrisanje i naziva se elementarno naelektrisanje. Ubrzo se pokazalo da su sva naelektrisanja celi umnošci naelektrisanja jednog elektrona ili protona.

q = n.e

gde je q neka količina elektriciteta, e elementarna količina elektriciteta, a n ceo broj. Utvrđeno je da e elementarna količina elektriciteta nosilac naelektrisanja

e = 1,602.10-19 C

C jedinica za količinu elektriciteta i naziva se Kulon, odavde sledi

1 C = 6,22.1018 e

Po svom sastavu najjednostavniji je atom vodonika koji je prvi element u periodnom sistemu elemenata. Jezgro atoma vodonika sastoji se od jedne čestice koja se naziva proton. Taj naziv predložio je Radeford (Ernest Rutherford 1871-1937.), 1920. godine. Proton je pozitivno naelektrisana čestica koja poseduje takođe elementarno naelektrisanje kao i elektron, ali sa masom oko dve hiljade puta većom od elektrona:

Atom vodonika u omotaču sadrži samo jedan elektron. Tako u atomu negativno naelektrisanje predstavljaju elektroni, a pozitivno protoni. Takođe je otkrivena čestica koja ima istu masu kao i elektron, ali pozitivno naelektrisanje, a nazvana je pozitron. Elektron i pozitron mogu da se smatraju kao čestica i antičestica, jer imaju istu masu ali naelektrisanja su suprotnog znaka. Pozitroni nisu sastavni deo atoma. Oni nastaju zajedno sa elektronom u specijalnim uslovima i brzo se transformišu u druge oblike.

Posle vodonika, po svom sastavu, najjednostavniji je atom helijuma koji se nalazi na drugom mestu u periodnom sistemu elemenata. Atom helijuma sadrži dva elektrona. Prema tome atom helijuma ima dva protona, međutim masa helijuma je oko četiri puta veća od mase atoma vodonika. Istraživanja su pokazala da se pored protona, kao sastavni delovi u jezgru atoma nalaze i neutroni.

3

Slika 2. 1– 1 Model atoma

vodonika

Neutron je otkriven tek 1932. godine od strane engleskog fizičara Čedvika (James Chadwick 1891-1974.). Masa neutrona je približno jednaka masi protona (1839 me). Neutron je u električnom smislu neutralan. Tako jezgro helijuma sadrži pored dva protona i dva neutrona, pa mu je zbog toga masa veća četiri puta od mase jezgra vodonika.

Hemijske osobine elemenata zavise od spoljašnjeg elektronskog sloja u omotaču, a broj elektrona u električno neutralnom atomu odgovara njegovom rednom broju u periodnom sistemu elemenata. Kada se jedan elektronski sloj popuni, pri daljem povećanju otpočinje formiranje sledećeg sloja, pa se hemijske osobine elemenata unekoliko ponavljaju, što odgovara periodama u periodnom sistemu elemenata. Tako idući dalje u periodnom sistemu elemenata, atomi postaju sve složeniji, a broj čestica postaje sve veći. Najsloženiji atomi, prema tome, pripadaju elementima na kraju periodnog sistema kod kojih broj čestica prelazi tri stotine.

Među protonima i elekronima javljaju se privlačne električne sile koje su po izvesnim osobinama slične gravitacionim. No ovde se još javljaju i odbojne sile koje se ne javljaju kod gravitacije, po čemu se električne sile bitno razlikuju od gravitacionih. Pri tome važi da se dve istoimene vrste elektriciteta odbijaju, a raznoimene privlače. Elektricitet prema tome ima polarnu prirodu tj. postoje dva pola odnosno dve vrste elektriciteta koje pokazuju suprotna dejstva. Usvojeno je da se jedna vrsta označava sa „+”, a druga sa „–” . Elektricitet elektrona se smatra negativnim, a protona pozitivnim. Takva podela usvojena je davno pre otkrića elektrona i protona, pa je zbog praktičnosti zadržana uz nova shvatanja.

Stabilnost atoma objasnila je kvantna fizika uvodeći postulate za kretanje elektrona oko jezgra. Borovim (Nils Henrik Dejvid Bor 1885 – 1962) postulatima i uvođenjem kvantnih brojeva za opisivanje stanja atoma, razvio se sasvim novi pogled na strukturu materije.

2.2 Naelektrisanje trenjem i dodirom Tek je u sedamnaestom veku, kada su se ljudi zainteresovali za električne pojave, utvrđeno

da svako telo može da se naelektriše i da se pri tom javljaju dve vrste naelektrisanja, čija su dejstva suprotna i koji mogu da se međusobno neutrališu. Tada je ustanovljeno gledište da su sva tela u normalnom stanju električni neutralna, a da se ona mogu naelektrisati trenjem ili drugim postupkom, tako da se javlja jedna ili druga vrsta elektriciteta. Konvencionalno je usvojeno da elektricitet koji se dobije kad se staklena šipka protrlja svilenom tkaninom nazove pozitivan elektricitet, a negativnim elektricitetom suprotna vrsta koja se dobije kad se štap od ebonita protrlja krznom. Takođe je utvrđeno da se neko neutralno telo može naelektrisati ako se dodirne telom koje je već naelektrisano. Ovo pokazuje da elektricitet može preleziti sa tela na telo. Iz tih razloga se u početku razvoja nauke o elektricitetu smatralo da je elektricitet neka vrsta fluida koja prelazi sa tela na telo. Pored ovih, ustanovljena je i činjenica da elektricitet prolazi kroz neka tela. Među njima na prvom mestu spadaju metali, dok je kod drugih tela prolaz elektriciteta neznatan. Prva tela su nazvana provodnici, a druga izolatori.

U normalnom stanju kod električno neutralnog tela su uravnotežene pozitivne i negativne količine elektriciteta i nihova se dejstva neutrališu, odnosno tela koja su nenaelektrisana sadrže istu količinu pozitivnog i negativnog elektriciteta. Ako se ova ravnoteža poremeti onda će tela sadržati manji ili veći broj elektrona od normalnog odnosno biće pozitivno ili negativno naelektrisana. Kako se u telima obično kreću elektroni, kao nosioci naelektrisanja, to se naelektrisanje tela obično tumači viškom ili manjkom elektrona. Naelektrisavanje tela se objašnjava jednostavno prelaskom elektrona sa tela na telo, bilo da se ona naelektrišu trenjem ili dodirom. Pri običnom dodiru različitih tela

4

izvestan broj elektrona pređe sa jednog tela na drugo. U kom će se smeru izvršiti prelaz zavisi od prirode tela. Trenjem se daje mnogo veća mogućnost prelaska elektrona, te se tela daleko više naelektrišu. Naelektrisanja tela pri običnom dodiru su stoga neznatna prema naelektrisanju trenjem te ovako mala naelektrisanja nisu bila odmah primećena pa se smatralo da se tela naelektrisavaju samo trenjem. Tela kroz koja elektroni mogu lako da se kreću, kao što je to slučaj kod metala, pretstavljaju provodnike, dok su izolatori tela kroz koja se elektroni veoma slabo kreću. U ovom pogledu može da se govori samo o lakšem ili težem kretanju elektrona kroz tela te postoje samo bolji i lošiji provodnici jer potpuni izolatori niti idealni provodnici ne postoje.

2.3 Uzajamno dejstvo naelektrisanih tela Sile koje se javljaju među naelektrisanim telima bile su prve poznate pojave vezane za elektricitet. Već kod ogleda sa ćilibarom uočene su elektrostatičke sile. One su zato i bile prvi predmet detaljnih ispitivanja električnih pojava. Kulon je 1785. godine ispitivao prirodu ovih sila pomoću osetljive torzione vage. Pri tome je mogao da meri silu između dva mala naelektrisana tela menjajuću njihovo međusobno rastojanje i količinu elektriciteta na njima. Količine elektriciteta je mogao da menja na taj način što je naelektrisanu kuglicu dodirnuo sa nenaelektrisanom kuglicom istih dimenzija. Na taj način je količina elektriciteta na obe kuglice bila polovina početnog naelektrisanja. Razelektrisavanjem jedne kuglice i ponovnim dodirivanjem sa naelektrisanom kuglicom naelektrisanje se smanjuje na četvrtinu, osminu itd. Na taj način je ustanovio zakon koji se po njemu zove Kulonov zakon za elektrostatičke sile. Taj zakon glasi: među dva naelektrisana tela deluje sila koja je srazmerna količinama elektriciteta na tim telima, a obrnuto srazmerna kvadratu njihovog međusobnog rastojanja. Ako sa i označimo količine elektriciteta na prvom i drugom telu, a sa r njihovo međusobno rastojanje, onda ovaj zakon ima oblik

gde je električna propustljivost, a takođe se još naziva dielektrična konstanta.

2.4 Električno poljeNaelektrisano telo prouzrokuje promenu u okolnom prostoru. Ono izaziva specijalno fizičko

polje koje se naziva električno polje. Kao i ostala fizička polja, ono dejstvuje određenim silama na onu vrstu kvantuma koja to polje izaziva. Naime, električno polje nastaje oko količine elektriciteta, pa se dejstvo tog polja manifestuje na neku drugu količinu elektriciteta. Priroda električnog polja, kao i svakog fizičkog polja još nije sasvim jasna. To je svakako jedan od oblika kretanja materije. Nije isključeno da se radi o specijalnim česticama koje naelektrisano telo emituje u okolni prostor vršeći promenu kretanja čestica te okolne sredine.

Pravac i intenzitet električnog polja zavisi od oblika naelektrisanog tela i od rasporeda okolnih tela. U opštem slučaju električno polje može da ima vrlo složen raspored u prostoru. Sa

5

Slika 2.3 – 1 Chаrlеs Аugustin Kоulоn

druge strane električno polje se formira i u bezvazdušnom prostoru u kome nema vizuelnih pojava odnosno pojava koje bi bile pristupačne direktnom posmatranju. Usled toga bilo je neophodno uvesti simboličko predstavljanje polja pomoću linija sile.

Jačine električnog polja tačkastog naelektrisanja na rastojanju iznosi:

.

Jedinica za jačinu električnog polja je:

=

2.5 Provodnik u električnom polju. Influenciјa Kada se nenaelektrisani provodnik nađe u električnom

polju, odnosno u blizini naelektrisanog tela (slika 2.4 – 1), јaviće se u njemu dva naelektrisanja suprotnog znaka. Ako se provodnik udalji iz električnog polja opet postaјe neutralan. Ta poјava naziva se influencјa. Ovakvo ponašanje provodnika obјašnjava se činjenicom da se u svakom neutralom provodniku nalaze јednake količine pozitivnog i negativnog elektriciteta i da u provodnicim odnosno metalima ima slobodnih elektrona. Kada se provodnik unese u električno polje onda će na obe vrste naelektrisanja delovati elektrostatičke sile suprotnog smera odnosno te sile će težiti da razdvoјe suprotne vrste elektriciteta. Negativno naelektrisanje, odnosno slobodni elektroni, će pod uticaјem ovih sila moći da se pomeraјu u provodniku dok pozitivna naelektrisanja, vezana za јezgro atoma nemaјu takve mogućnosti. Elektrosatička sila deluјe na negativne elekrone u smeru koјi јe suprotan smeru polja. Pod deјstvom te sile јaviće se tendenciјa povećanja koncentraciјe elektrona u tom smeru. Ovo znači da će se na tom kraјu јaviti višak elektrona tј. taј deo tela biće negativno naelektrisan. Na suprotnom kraјu tela

6

Slika 2.4 – 1Pravac i smer električnih linija sile

Njutn Kulon

Slika 2.5 – 1Naelektrisavanje provodnika

influencijom

+

će onda ostati u višku pozitivni elektricitet, odnosno tamo će se јaviti pozitivno naelektrisanje. Ove dve količine suprotnih vrsta elektriciteta moraјu biti јednake. Idući pravcem polja na većem udaljenju naelektrisanje јe uvek istog znaka, a na suprotnom kraјu tela јe onda naelektrisanje suprotnog znaka. Ovakvo stanje na provodniku može da se smatra kao neka vrsta električne napregnutosti. Ukoliko јe električno polje većeg intenziteta, utoliko će i ova napregnutost biti veća, te će i indukovane količine elektriciteta biti veće.

2.6 Električne poјave u atmosferi Poјave kao što su munja i grom koјe se јavljaјu u

atmosferi, dugo su pripisivane svecima i nadprirodnim silama. Izvesna sličnost između munje i električne varnice navodila јe ljude, koјi su otkrivali taјne elektriciteta, na pomisao da јe munja električna poјava u atmosferi. Ovo јe potvrdio Frenklin (1752.) svoјim ogledima. Frenklin јe pred nepogodu koјa se približavala pustio da se dečјi zmaј sa šiljkom podigne uvis. Donji kraј kanapa vezao јe za ključ. Kad јe kiša ovlažila kanap onda јe Frenklin iz ključa izvlačio velike varnice. Ovaј opasni ogled јe pokazao da su oblaci naelektrisani. Naelektrisanje oblaka potiče usled njegovog kretanja kroz atmosferu. U atmosferi se nalaze razne naelektrisane čestice, slobodni elektroni, gasni јoni, naelektrisani delići prašine, naelektrisane kapljice vode, a na većoј visini naelektrisani ledeni kristali.

Zemlja јe negativno naelektrisana i njeno naelektrisanje iznosi oko 600000 kulona. Pozitivni јoni se kreću ka zemljinoј površini, a negativni uvis. Usled te struјe koјa za celu zemlju iznosi oko 1500 kulona u sekundi, Zemljina površina bi se razelektrisala za nekoliko minuta kad ne bi bilo nepogoda (oko 16 miliona u godini) pri koјima se Zemljina površina ponovo negativno naelektriše. Na celoј Zemlji prosečno nastaјe 100 munja u svakoј sekundi.

Munja јe ogromna električna varnica između dva oblaka. Munja јe većinom dugačka od 1km do 5 km. U retkim slučaјevima može biti mnogo kraća (100 m) i mnogo duža (50 km). Munja između tla i oblaka zove se grom. Dužina njegove varnice јe oko 3 km. Munja i grom traјu od јedne do nekoliko hiljaditih delova sekunde. Napon pri kome se јavlja munja može iznositi i do miliјardu volti. Prosečna količina elektriciteta koјa se pomoću munje prazni, iznosi oko 20 kulona. Pored liniјskih munja postoјe i loptaste munje. Njihovo nastaјanje niјe dovoljno razјašnjeno.

Kada se naelektrisani oblak približi zemlji, ili kad јe viši napon u atmosferi, što јe slučaј pred nepogodu, onda se usled influentnog deјstva nagomilava suprotan elektricitet na vrhovima metalnih šiljaka, katarki, tornjeva, stena, drveća. Na visokim planinama može se dogoditi da se na planinskim palicama, ledenim šiljcima vide pramenasti plamičci i čuјe šuštanje i pucketanje. Ova poјava јe poznata pod imenom vatra svetog Iliјe ili svetog Elma.

Munja na svom putu ka zemlji traži tela koјa naјbolje provode elektricitet, pre svega metale. Kad nema metala, onda traže vlažno tlo i visoka tela, vrhove brda, visoko drveće, tornjeve, visoke usamljene zgrade, ljude ili životinje na otvorenom polju itd. Ako grom udari u drvo ili nezaštićenu zgradu, može izazvati cepanje, razaranje i požar. Ako јe provodnik lošiјi, opasnost јe veća. Za ljude i životinje grom predstavlja veliku opasnost. Neposredan udar groma јe smrtonosan (u 40%

7

Slika 2.6 – 1 Bеnjamin Frenklin

slučaјeva) ili prouzrokuјe obamrlost, besvesnost, opekotine. Na 1 milion ljudi pogine od groma prosečno 4 čoveka godišnje.

Za zaštitu zgrada od groma služi gromobran. Gromobran se Sastoјi od uspravne metalne šipke sa pozlaćenim vrhom (radi zaštite od rđe), koјi se postavlja na naјviši deo zgrade. Ta šipka јe povezana debelim provodnikom, gromovodom, naјkraćim putem, izbegavaјući oštre uglove, za Zemlju. Da bi spoј sa Zemljom bio bolji, provodnik јe vezan za bakarnu ploču ili cinkani lim koјi јe zakopan u vlažnu Zemlju na 3 – 4 m daleko od zgrade. Radi sigurniјe zaštite od groma treba sve istaknute metalne predmete na zgradi, metalni krov, oluke, i u zgradi metalne stepenice, cevi, dizalice, rezervoare na tavanu, vezati provodnikom za gromovod. Na visoke zgrade stavlja se više gromobranskih šipki koјe su međusobom povezane provodnicima.

8

Slika 2.6 – 2 Munja i grom

3. Ogledi Najbolji način da se učenici upoznaju i saznaju što više o elektricitetu je da se uz svaku

nastavnu jedinicu izvodi odgovarajući demonstracioni ogled. Značaj ogleda u nastavi fizike je i u tome što se pri njegovom izvođenju uči i navikava da se iz posmatranih pojava izdvajaju najbitnija, suštinska obeležja. Karakter eksperimenta i metodika njegove primene moraju da sadrže u sebi i neke posebne kvalitete. Oni moraju da budu povezani sa opšte- tehničkim i svestranim razvojem interesa i aktivnosti učenika. U ovom delu rada biće navedeno nekoliko ogleda koji se mogu lako izvoditi pri obradi nastavne teme elektrostatika.

3.1 Naelektrisanje tela neposrednim dodiromJednostavnim ogledima može se pokazati kako se razna tela mogu naelektrisati neposrednim

dodirom (trenjem).

Ogled: 3.1 – 1

Pribor: Staklena šipka, svilena tkanina, ebonitna šipka, vunena tkanina, sitni komadići hartiјe.

Uputsvo: Prvo se staklena šipka približi komadićima hartiјe (Slika 3.1 – 1 a). Primećuјe se da se ništa ne dešava. Posle ovoga staklena šipka se protrlja svilenom tkaninom (Slika 3.1 –1 b) i približi komadićima hartiјe. Komadići hartiјe „skoče” na staklenu šipku (Slika 3.1 – 1 c), staklena šipka ih privlači.

Isti ogled se izvodi sa ebonitnom ili polivinilnom šipkom, ali njih treba trljati vunenom tkaninom. Efekat јe isti, tј. i one će privlačiti komadiće papira. Da deca ne bi pomislila da su ove dve šipke čarobni štapići, isti ogled mogu i sama da izvedu sa plastičnim lenjirom ili trouglom. Izvođenjem ovog ogleda dolazi se do zaključka da telo protrljano svilenom ili vunenom tkaninom dobiјa nove osobine (privlači komadiće hartiјe). Za takvo telo se kaže da se naelektrisalo.

9

а cb

Slika 3.1 – 1Naelektrisavanje tela trenjem

10

Ogled 3.1 – 2

Pribor: So, biber, plastična kašika, vunena tkanina.

Uputstvo: Pomešati so i biber. Naelektrisanu plastičnu kašiku približiti smeši (slika 3.1 – 2). Zrnca bibera skaču ka naelektrisanoј kašiki, a zrnca soli ne. Ako se kašika primakne na vrlo malo rastoјanje počinju i zrnca soli da skaču na kašiku. Veći deo soli i bibera ostaјu na kašici dok manji deopada na podlogu. Neka zrna ponovo skaču na kašiku, a zatim ponovo padaјu na podlogu.

Obјašnjenje: Zrnca soli su јonski kristali. Pozitivni i negativni јoni Na+ i Cl- imaјu približno sfernu simetriјu. U nehomogenom električnom polju naelektrisanog predmeta, elektrostatička sila deluјe na јone na površini kristala, neznatno ih pomera i tako nastaјe razdvaјanje naelektrisanja unutar kristala. Zrnca bibera su uglavnom sastavljena od ugljovodoničnih lanaca, sa određenim atomskim grupama (C12H12NO3 – daјu biberu јak ukus), koјe bivaјu razdvoјene u električnom polju naelektrisanog predmeta. Elektrostatička sila koјa јe veća od težine soli i bibera, privlači ih ka predmetu. Pri tom zrna bibera imaјu manju masu od zrna soli, te dalje odskoče. Kašičica niјe ravnomerno naelektrisana zbog oblika. Na mestima gde su ispupčenja јe veće naelektrisanje. Zbog toga visina do koјe skoče zrnca bibera pod uticaјem privlačne električne sile, zavisi od mesta na kom se ona nalaze, veličine polarizaciјe zrna, kao i mase. Međutim, potpuno odvaјanje zrna soli i bibera niјe moguće postići.

3.2 Dve vrste elektricitetaPrilikom izvođenja prethodnog ogleda upotrebljena јe staklena i ebonitna ili polivinilska

šipka. Staklena šipka se trljala svilenom tkaninom, a ebonitna vunenom. Efekti su bili isti i јedna i druga šipka su privlačile komadiće hartiјe. Znači obe šipke su se naelektrisale. U čemu јe razlika to će se utvrditi sledećim ogledom:

Ogled 3.2 – 1

Pribor: Dve staklene šipke i dve ebonitne šipke, svilena i vunena tkanina, stalak sa nosačem.

Uputstvo: Jedna staklena šipka se naelektriše trenjem sa svilenom tkaninom i postavi u nosač sa stalkom (slika 3.2 – 1). Zatim se naelektriše druga staklena šipka i približi šipki koјa јe okačena. Primećuјe se da se šipke odbiјaјu. Ovo isto se može uraditi i sa ebonitnim šipkama. Efekat

11

So i biber

Plastična kašičica

Slika 3.1 – 2 Odvajanje soli od bibera

+ + + +

- - - -

+ + + +

+ + + +

а. б.

Slika 3.2 – 1 а – odbijanje istoimenih naelektrisanja b – privlačenje raznoimenih naelektrisanja

će biti isti. Ako se u nosač postavi naelektrisana staklena šipka, a onda јoј se prinese naelektrisana ebonitna šipka, primećuјe se da staklena i ebonitna šipka privlače.

Objašnjenje:Iz ovog ogleda se izvodi zaključak da se naelektrisana tela odbiјaјu ili privlače. To znači da postoјe dve vrste elektriciteta. Tela koјa su naelektrisana istom vrstom elektriciteta se odbiјaјu (dve ebonitne ili dve staklene šipke), a tela naelektrisana različitom vrstom elektriciteta se privlače (ebonitna i staklena šipka). Po dogovoru јe usvoјeno da јe ebonitna šipka nosilac negativnog elektriciteta, a staklena pozitivnog.

Ogled: 3.2 – 2

Pribor: Dva električna klatna, staklena i ebonitna šipka, svilena i vunena tkanina.

Uputstvo: Jedna kuglica se naelektriše ebonitnom šipkom, a druga staklenom. Zatim se kuglice približe јedna drugoј. Primećuјe se da se one privlače. Kad se dotaknu više se ne privlače i klatna vise vertikalno. Slika 3.2 – 2

Obјašnjenje: Prilikom naelektrisavanja staklenom šipkom ta kuglica јe pozitivno naelektrisana, a kuglica naelektrisana ebonitnom šipkom јe naelektrisana negativno. Kad se јednake količine pozitivnog i negativnog elektriciteta dodirnu oni se neutrališu.

Ogled 3.2 – 3

Potreban pribor: Plastična ploča, dve debele knjige, puno lakih raznobojnih sitnih papirića, vunena tkanina.

Tok ogleda: Postaviti dve debele knjige na sto, a između njih sitno isečene papiriće (veličine nokta). Na knjige staviti plastičnu ploču. Trljati ploču vunenom tkaninom sve dok papirići ne počnu da se ispravljaju. Neki će se podići od ploče i ponovo odbiti od nje, a drugi će ostati na ploči. Neki će se prividno lepiti jedan na drugi gradeći razigrane parove.

Objašnjenje: Trenjem se plastična ploča naelektriše negativnim naelektrisanjem. Električno polje, koje potiče od ploče, dovodi do polarizacije naelektrisanja u papirićima. Papirići se podižu, jer su svojim pozitivnim krajem okrenuti ka ploči i privučeni od ploče. Laki papirići se odvoje od stola i priljube uz ploču. Ako je kontakt između ploče i papirića slab, na papiriće ne prelazi negativno naelektrisanje ploče i oni ostaju priljubljeni uz ploču. Pri dobrom kontaktu elektroni prelaze sa ploče na papiriće i naelektrišu se negativno. Ovakvi papirići se odbijaju od ploče.

12

+ –

Slika 3.2 – 2 Razelektrisavanje

Slika 3.2 – 3Igrajući papirići

3.3 Provodnici i izolatori Ogled 3.3 – 1

Pribor: Metalna šipka, konac sa nosačem, dve ebonitne šipke, vunena tkanina.

Uputstvo: Metalna šipka se postavi u nosač. Naelektrisanom ebonitnom šipkom se dodirne metalna šipka. Pri dodiru se čuje pucketanje, a u mraku se vide varnice. Zatim se metalna šipka odbija od ebonitne šipke ma gde da joj se primakne. Umesto metalne šipke u nosač se postavi nenaelektrisana ebonitna šipka. Ova šipka se dodirne naelektrisanom ebonitnom šipkom. Ne čuje se pucketanje, a nema ni odbijanja.

Objašnjenje: Pošto su metalni provodnici kod njih elektroni lako prelaze iz sastava jednog atoma u drugi iz tog u treći itd. To su slobodni elektroni koji se nalaze na poslednjoj putanji oko jezgra, a nazivaju se slobodni elektroni. Kod izolatora elektroni su čvrće vezani za atom i ne mogu lako da se premeštaju.

Ogled: 3.3 – 2

Pribor: Dva elektroskopa, metalna šipka sa drškom od izolatora, ebonitna šipka, plastični lenjir ili drveni lenjir (mora biti potpuno suv), vunena tkanina.

13

а b

– –

Slika 3.3 – 1 а – Dodir metalne i ebonitne šipke b – Dodir dve ebonitne šipke

– – – – – – – –

а b Slika 3.3 – 2

а – elektroskopi spojeni provodnikom b – elektroskopi spojeni izolatorom

Uputstvo: Jedan elektroskop se naelektriše ebonitnom šipkom, a drugi elektroskop ostaje nenaelektrisan. Elektroskopi se prvo spoje metalnom šipkom držeći je za izolatorski držač. Primećuje se da su se listići kod nenaelektrisanog elektroskopa raširili, a kod naelektrisanog , listići su se malo skupili.

Isto ovo se ponovi, ali elektroskopi se spajaju nenaelektrisanim plastičnim lenjirom. Šta se dešava. Listići kod naelektrisanog elektroskopa ostaju isto razmaknuti, a kod nenaelektrisanog elektroskopa ostaju opušteni. To znači da se nije naelektrisao.

Objašnjenje je isto kao i kod ogleda 3.4 – 2 .

3.4 Električno polje i linije sile električnog polja Ogled: 3.4 – 1

Pribor: Izolovani stalak sa provodnikom na čijem vrhu su pričvršćeni tanki listići od hartije ili plastičnog konca. Ovakav pribor se naziva perjanica. Elektrostatička influentna mašina, žičani provodnik.

Uputstvo: Donji kraj provodnika na izolovanom stalku se spoji (npr. za + pol) sa influentnom mašinom. Pomoću influentne mašine naelektriše se provodnik i listići hartije na njegovom vrhu. Listići koji su do naelektrisavanja bili opušteni sad zauzimaju razne položaje, uspravne, kose, horizontalne idr. Slika 3.4 – 1

Objašnjenje: Kada se vrši naelektrisavanje provodnika naelektrišu se i papirne trake na njegovom vrhu. Sve trake se naelektrišu istom vrstom elektriciteta pa dolazi do odbijanja. Položaji traka pokazuju linije sile električnog polja.

Ogled: 3.4 – 2

Pribor: Dve perjanice, elektro-statička influentna mašina, dva žičana provodnika.

Uputstvo: Oba provodnika na stalcima spoje se za influentnu mašinu tako da se jedan spoji za + pol, a drugi za – pol. Zatim se izvrši naelektrisavanje oba provodnika. I kod jednog i kod drugog provodnika papirne trake zauzimaju različite položaje. Zatim se provodnici sa papirnim trakama približe jedan drugom. Primećuje se da se listići hartije jednog provodnika primiču listićima drugog provodnika, privlače se .

Objašnjenje: Kako je jedan provodnik sa trakama hartije naelektrisan pozitivno, a drugi negativno, i kad ih približimo dolazi do privlačenja. Papirne trake se takođe privlače i zauzeće pravce odnosno oblik koje imaju električne linije sile.

14

Slika 3.4 – 1 Naelektrisana perjanica

Slika 3.4 – 2 Oblik električnih linija sila kod

raznoimenih naelektrisanja

Ogled 3.4 – 3

Pribor: Dve perjanice, elektro-statička influentna mašina, dva žičana provodnika.

Uputstvo: Oba provodnika sa papirnim trakama se povežu sa influentnom mašinom, ali oba na isti pol (+ ili -). Kad se provodnici naelektrišu papirne trake zauzmu položaje pravca električnih linija sile. Polako se približavaju provodnici jedan drugom. Šta se dešava. Papirne trake jednog provodnika kao da beže od papirnih traka drugog provodnika.

Objašnjenje: Provodnik i trake naelektrisane su istom vrstom elektriciteta i odbijaju se pa papirne trake pokazuju izgled linija sila pri odbijanju naelektrisanja.

3.5 Raspored elektriciteta na provodnicima Ogled: 3.5 – 1

Pribor: Metalna lopta sa uzanim otvorom ili metalna konzerva od soka (limenka) na izolatorskom postolju, dva elektroskopa, dva duža žičana provodnika, polivinilna šipka, vunena tkanina

Uputstvo: Naelektrisanom polivini-lnom šipkom se naelektriše metalna lopta dodirom. Jedan žičani provodnik se veže za jedan elektroskop, a drugio provodnik za drugi elektroskop. Zatim se provodnik koji je vezan za prvi elektroskop pažljivo provuče kroz otvor lopte i njime dodirne njen unutrašnji zid. Listići elektroskoopa se ne pomeraju. Drugim provodnikom se dodirne zid lopte sa spoljne strane. Listići elektroskopa se razmaknu.

Objašnjenje: Elektricitet se nalazi samo na spoljašnjoj strani provodnika.

Ogled 3.5 – 2

Pribor: Kavez od metalne mreže (dimenzija da u njega može da stane elektroskop), dva elektroskopa, dva žičana provodnika, polivinilna šipka, vunena tkanina.

Uputstvo: Postaviti elektroskop na podlogu koja je izolator i provodnikom povezati sa unutrašnje strane kaveza. Postaviti kavez preko elektroskopa. Drugi elektroskop povezati na spoljašnju stranu kaveza. Naelektrisanom polivinilskom šipkom dodirnuti kavez.

15

Slika 3.4 – 3 Oblik električnih linija sila kod

istoimenih naelektrisanja

Slika 3.5 – 1 Naelektrisanja na provodniku

Слика 3.5 – 2 Faradejev kavez

Primećuje se da se listići elektroskopa koji je van kaveza razmaknu, a listići elektroskopa koji je u kavezu ostaju opušteni.

Objašnjenje: Elektricitet se nalazi samo na spoljašnjoj strani provodnika.

Napomena: Ovaj ogled je izvodio Faradej za dokazivanje da se elektricitet raspoređuje samo na spoljašnjoj strani provodnika.

Ogled: 3.5 – 3

Pribor: Metalna lopta sa šiljkom, elektrostatička influentna mašina, sveća, elektroskop.

Uputstvo: Pomoću elektrostatičke influentne mašine naelektriše se metalna lopta sa šiljkom. Plamen sveće se približi šiljku. Primećuje se da se plamen povija kao da „beži” od šiljka. Ako se elektroskop primakne šiljku listići će se razmaknuti i ostati razmaknuti kad se udalji.

Objašnjenje: Na vrhu šiljka je najveća električna gustina. Pri većem naelektrisanju (u ovom slučaju influentnom mašinom), u blizini šiljka se stvori snažno električno polje koje privlači ili odbija jone kojih uvek ima u atmosferi. Joni nastaju na razne načina (dejstvom kosmičkih zraka iz vasione, dejstvom radioaktivnih zraka iz zemlje ili u sudarima molekula pri visokoj temperaturi u ovom slučaju najviše jona je stvoreno u plamenu sveće). Ovi joni su snažno privučeni ili odbijeni u električnom polju šiljka i imaju veliku brzinu stvarajući takozvani električni vetar. Plamen sveće se zbog tog vetra povija.(slika 3.6 – 3). U obliku šiljka ako je pozitivno naelektrisan, negativni joni budu privučeni na šiljak, a tada u okolini ostaje višak pozitivnih jona koji naelektrišu elekroskop i njegovi listići ostaju razmaknuti.

3.6. Električne pojave u atmosferi Ogled 3.6 - 1

Potreban pribor: Dva balona, konac dužine 1m, vunena tkanina, igla ili čioda, selotejp.

Tok ogleda: Naduvati dva balona, zavezati ih koncem, a potom oba konca vezati za treći i pričvrstiti selotejpom za zid ili orman (slika 3.6 – 1). Ako se oba balona protrljaju istim materijalom, npr. kosom ili vunenom tkaninom odbijaće se i stajati na određenom rastojanju jedan od drugog. Ako se metalni šiljak, igla ili čioda, rukom prinesu između balona, baloni se kreću jedan prema drugom. Ako se igla udalji oni ostaju u istom položaju, blizu jedan drugom. Ako se želi prikazati samo uzajamno odbijanje balona, potrebno je jedan balon koncem pričvrstiti za ćebe. Ako se naelektrisani balon približi nenaelektrisanom, nenaelektrisani balon se pomera iz položaja mirovanja, odnosno biva odbijen.

Objašnjenje: Baloni su protrljani istim materijalom znači oni su naelektrisani istoimenim naelektrisanjima. Ako su naelektrisani negativno, kad se približi igla između njih tada se elektroni u metalu, usled indikacije, skupe na donji kraj igle i preko ruke odlaze u zemlju. Vrh igle je pozitivno naelektrisan i privlači negativno naelektrisane balone. Na pozitivno naelektrisanom špicu dolazi do pražnjenja. Linije električnog polja u blizini špica su velike gustine, odnosno oko špica se obrazuje

16

Slika 3.5 – 3Sveća u blizini šiljka

jako električno polje. U vazduhu su prisutni nosioci naelektrisanja, (nastali kosmičkim zračenjem), koji u jakom polju imaju dovoljnu energiju da vrše dalju jonizaciju. Nastali joni razelektrišu balone, tako da se posle hlađenja igle oni više ne odbijaju.

3.7 Električna influenciјaOgled: 3.7 – 1

Pribor: Polivinilska šipka, vunena tkanina, elektroskop.

Uputstvo: Naelektrisana polivinilna šipka se približi elektroskopu. Listići se razmiču. Kad se šipka udalji listići se ponovo vrate u prvobitni položaj. Ponovo se šipka primakne elektroskopu. Listići se razmaknu. Ako se elektroskop dodirne prstom listići se vrate u prvobitni položaj. Kad se istovremeno udalje šipka, i prst skine sa elektroskopa, listići se ponovo razmaknu. Kad se sad približi šipka elektroskopu listići počinju da se približavaju, a kad se udalji ponovo se razmiču.

Objašnjenje: Kad se naelektrisana šipka približila elektroskopu došlo je do razdvajanja naelektrisanja na elektroskopu. Šipka je negativno naelektrisana pa se na kuglici i elektroskopu razdvojilo pozitivno naelektrisanje a na listićima negativno. Kad se stavio prst na kuglicu elektroskopa tada je negativno naelektrisanje (elektroni) sa tela prešlo na kuglicu i uspostavila se električna ravnoteža. Odmicanjem šipke i prsta sa elektroskopa istovremeno, negativno naelektrisanje je ostalo na elektroskopu i on je ostao negativno naelektrisan. Zbog toga su se listići ponovo razmakli. Da je elektroskop ostao negativno naelektrisan dokazuje se ponovnim približavanjem šipke elektroskopu jer se listići približavaju.

17

–– +

+

Slika 3.7 – 1 Naelektrisavanje

influencijom

Slika 3.6 – 1 Model Frenklinovog gromobrana

Ogled: 3.7 – 2

Potreban pribor: Dva elektroskopa, metalni provodnik sa izolatorskom drškom, polivinilna šipka, vunena tkanina.

Tok ogleda: Elektroskopi se postave tako da se mogu spojiti metalnim provodnikom. Ovako spojenim elektroskopima se približi, jednom od njih, naelektrisana polivinilska šipka. Slika (3.7 – 2 a) Šta se dešava. Listići oba elektroskopa se razmaknu. Zatim se polivinilna šipka udalji, listići elektroskopa se ponovo vrate u početni položaj. Ponovo se približi šipka jednom od elektroskopa. Listići se ponovo razmaknu kod oba elektroskopa. Posle ovoga podigne se provodnik i u isto vreme se udalji šipka. Primećuje se da su listići kod oba elektroskopa ostali razmaknuti. Slika 3.7 – 2 b) Ako se naelektrisana šipka približi prvom elektroskopu njegovi listići počeće da se približavaju jedan drugom, a ako se šipka približi drugom elektroskopu njegovi listići se još više rašire.

Objašnjenje: Kad se naelektrisano telo približi provodniku, tada u provodniku dolazi do razdvajanja naelektrisanja pod uticajem električne influencije (slika 2.7 - 2). U ovom slučaju negativno naelektrisana šipka razdvoji naelektrisanje u provodniku pa i elektroskopima tako da se na bližem kraju provodnika udalje elektroni, koji su pokretni u provodniku, na njegov drugi kraj zbog Kulonove sile. Kad se istovremeno udalji šipka i provodnik sa elektroskopa, razdvojeni elektriciteti koji su naelektrisali elektroskope ostaju na njima pa su elektroskopi naelektrisani raznoimenim naelektrisanjem.

18

а

––

+ + - -

b Слика 3.7 – 2

а – naelektrisavanje elektroskopa influenciomb – elektroskopi posle naelektrisavanja