Univerzitet u Banjoj Luci
Elektrotehniˇcki fakultet
Katedra za opˇstu elektrotehniku
Laboratorijske vjeˇzbe iz predmeta: Osnovi elektrotehnike 1
Prva vjeˇ
zba
Indukcija naelektrisanja
Student:
Broj indeksa:
Indukcija naelektrisanja
Definicija naelektrisanog tijela
Pojava sile izmedu naelektrisanih tijela je uoˇcena znatno prije nego ˇsto se ona mogla
strogo matematiˇcki formulisati. Iako je bilo poznato da naelektrisanje tijela dolazi od
viˇska ili manjka nosilaca naelektrisanja u tom tijelu, tek se sa razumjevanjem strukture
atoma mogla shvatiti priroda naelektrisanja. Poznato je da se u atomu nalaze ˇcestice
ˇcija su naelektrisanja razliˇcite prirode, koja nazivamo pozitivnim (protoni, pozitroni) i
negativnim (elektroni) naelektrisanjima, ali ne postoji suˇstinski razlog zaˇsto bismo nekim
ˇcesticama pripisali odredeni predznak ve´c je to stvar konvencije. Medutim, pripisivanje
razliˇcitih predznaka razliˇcitim vrstama naelektrisanjima olakˇsava matematiˇcku analizu
fiziˇckih pojava koja ´cemo razmatrati.
Neko tijelo smatramo naelektrisanim ukoliko sadrˇzi viˇsak ili manjak odredenih nosilaca
naelektrisanja. Za razumjevanje naelektrisanja potrebno je poznavati strukturu atoma, bez
detaljne analize sila koje djeluju unutar atoma. Atom se sastoji od jezgra, koje ˇcine pozitivno naelektrisani protoni i elektriˇcno neutralni neutroni, te omotaˇca koji ˇcine elektroni
ˇ se elektron nalazi u viˇsoj energetskoj
rasporedeni u odredenim energentskim ljuskama. Sto
ljusci, potrebno mu je manje energije da je napusti. U zavisnosti od karakteristika materijala i naˇcina povezivanja atoma u molekule moˇzemo da uoˇcimo materijale koji imaju veliki
broj slobodnih elektrona, koje nazivamo provodnicima, i materijale kod kojih je veoma
teˇsko osloboditi elektrone, koje nazivamo izolatorima. U praksi za neko tijelo kaˇzemo da
je negativno naelektrisano ukoliko sadrˇzi viˇsak nosilaca negativnih naelektrisanja, tj. ako
sadrˇzi viˇsak elektrona. Prema konvenciji tijelo je pozitivno naelektrisano ukoliko sadrˇzi
viˇsak nosilaca pozitivnih naelektrisanja, ˇsto je praktiˇcno ekvivalentno manjku elektrona.
Jedinica za koliˇcinu naelektrisanja se naziva kulon1 , oznaˇcava se velikim slovom C i
prema SI sistemu se definiˇse kao proizvod jaˇcine struje i vremena2 . Koliˇcina naelektrisanja
jednog elektrona iznosi:
e = −1.6021 · 10−19 C
(1)
Usljed raznovrsnosti karakteristika materijala, dva tijela je ponekad mogu´ce naelektrisati dodirom ili trljanjem jednog o drugo. Npr. naelektrisanje se moˇze posti´ci trljanjem
staklene ˇsipke vunenom tkaninom, ili stiropora i vunene tkanine. Naelektrisanje se ˇcesto
moˇze posti´ci i dodirom, ali u znatno manjim koliˇcinama koje je teˇsko detektovati instrumentima. Drugi naˇcin za naelektrisanje jeste indukcija, gdje nema neposrednog dodira
izmedu tijela. Pretpostavimo da posmatramo jedno nenaelektrisano tijelo takvog materijala kod kojeg je mogu´ce posti´ci kretanje slobodnih nosilaca naelektrisanja. Kada to
tijelo unesemo u strano elektriˇcno polje, ˇcije nam porijeklo nije bitno, dolazi do preraspodjele naelektrisanja u tijelu i pojave razlike potencijala medu krajevima tog tijela. Naime,
1
ˇ
Jedinica kulon se koristi u ˇcast francuskog fiziˇcara Carlsa-Augustina
de Kulona (Charles-Augustin de
Coulomb) (1736 - 1806). Kulon je krajem XVIII vijeka objavio nekoliko radova u kojima je formulisao silu
privlaˇcenja i odbijanja medu naelektrisanim tijelima i magnetskim polovima. Takode, dao je doprinos u
izuˇcavanju trenja.
2
1C=1A·1s
usljed uticaja stranog polja, na jedan kraj tijela se privlaˇce elektroni, dok je manjak elektrona na drugom kraju tijela ekvivalentan viˇsku pozitivnog naelektrisanja. Izvor stranog
elektriˇcnog polja moˇze biti neko drugo naelektrisano tijelo.
Cilj vjeˇ
zbe
Potrebno je demonstrirati razliku izmedu indukovanog naelektrisanja i naelektrisanja
koje se dobija dodirom dva tijela. Takode, tokom vjeˇzbe je potrebno pokazati princip
odrˇzanja koliˇcine naelektrisanja.
Potrebna laboratorijska oprema
• Elektrometar,
• Faradejev kavez,
• sonde sa naelektrisanjem,
• kablovi za povezivanje.
2
Rad u laboratoriji
Naelektrisanje indukcijom i dodirom:
1. Prikljuˇciti elektrometar na uzemljenje na radnom stolu preko odgovaraju´ceg kabla.
Na taj naˇcin se obezbjeduje praˇznjenje viˇska naelektrisanja ukoliko je to neophodno.
Potrebno je spojiti elektrometar sa Faradejevim kavezom, tako da se crveni prikljuˇcak
poveˇze sa samim kavezom, a crni sa zaˇstitnim kavezom. Nakon toga je zaˇstitni kavez
mogu´ce koristiti za razelektrisanje Faradejevog kaveza, sondi itd.
2. Elektrometar je za poˇcetak potrebno podesiti na opseg od 100 V, da bi se izbjeglo eventualno oˇste´cenje instrumenta. Po potrebi, moˇze se smanjiti opseg tako da
pokazivanje bude u zadnjoj tre´cini skale.
3. Potrebno je iskoristiti sonde da bi se indukovala odredena koliˇcina naelektrisanja u
Faradejevom kavezu:
• Prije svega, potrebno je osigurati da nema zaostalog statiˇckog naelektrisanja
na sondama, ˇsto se obezbjeduje dodirivanjem svih dijelova sondi i zaˇstitnog
kaveza, koji je uzemljen preko elektrometra. Za to vrijeme, preporuˇcljivo je
dodirivanje rukom zaˇstitnog kaveza da bi se uklonilo zaostalo naelektrisanje sa
uˇcesnika u eksperimentu.
• Trljanjem bijele i plave povrˇsi sondi obezbjeduje se razdvajanje naelektrisanja
na njima.
• Sondu koja se ne´ce koristiti dalje u eksperimentu treba odloˇziti ˇsto dalje od
ostalih instrumenata.
• Tokom provodenja eksperimenta poˇzeljno je jednom rukom dodirivati zaˇstitni
kavez.
4. Paˇzljivo staviti jednu sondu unutar Faradejevog kaveza, ali tako da sonda ne dodiruje sam kavez. Oˇcitati pokazivanje elektrometra. Zatim izvaditi sondu i oˇcitati
pokazivanje elektrometra. Zaˇsto postoji razlika potencijala izmedu kaveza i ˇstita
samo dok se sonda nalazi unutar kaveza?
5. Pritisnuti dugme ZERO na elektrometru da bi se ispraznilo eventualno zaostalo
statiˇcko naelektrisanje u samom instrumentu.
6. Ponovo ubaciti naelektrisanu sondu u Faradejev kavez, ali ovaj put dodirnuti kavez
sondom. Izvaditi sondu i oˇcitati pokazivanje elektrometra. Zbog ˇcega postoji stalna
razlika potencijala izmedu kaveza i ˇstita u ovom sluˇcaju?
7. Razelektrisati obje sonde preko zaˇstitnog kaveza i pritisnuti ZERO na elektrometru
da bi se odstranilo eventualno zaostalo nelektrisanje u instrumentu.
8. Ponoviti postupak naelektrisanja sondi i iskoristiti Faradejev kavez da se odredi predznak i magnituda naelektrisanja obje sonde. Prvo oˇcitati pokazivanje elektrometra
kada se u kavezu nalazi plava sonda, bez dodirivanja kaveza, pa zatim kada se u
kavezu nalazi bijela sonda. Kakav je odnos potencijala oˇcitanih elektrometrom u ova
3
dva sluˇcaja? Da li se na osnovu predznaka moˇze zakljuˇciti na kojoj sondi se nalazi
pozitivno, a na kojoj negativno naelektrisanje?
9. Kakvo ´ce biti pokazivanje elektrometra ukoliko se istovremeno u kavez unesu obje
naelektrisane sonde?
Rezultati mjerenja i zakljuˇ
cak
4
Download

Univerzitet u Banjoj Luci Elektrotehnicki fakultet