Elektryzowanie bursztynu

Pytanie

Pyta Angelika

w jaki sposób można naelektryzować bursztyn?

Pyta: Przemek

Pytanie: W podręczniku i na lekcji fizyki opisuje się elektryzowanie bursztynu i szklanej pałeczki poprzez pocieranie. Wspomina się o Grekach (że już oni to zaobserwowali), mówi, że są ładunki ujemne, dodatnie, że mogą przepłynąć i naelektryzować inne ciało, gdy się z nim zetknie bursztyn lub pałeczkę. Wszyscy wymagają od nas znajomości tych faktów, ale nikt nie wyjaśnia, ani nie potrafi wyjaśnić później jaki jest mechanizm mikroskopowy tego zjawiska? Jak to jest? Samo ciepło przecież nie wystarcza do naelektryzowania (szyby elektryzowałyby się w upalny dzień). Co daje tarcie? Jak są wyrywane elektrony z cząsteczek bursztynu lub szkła? To muszą być ruchy wzdłuż powierzchni, czy można by próbować poprzez szybkie, regularne ściskanie (człowiek jest za słaby by przeprowadzić taki eksperyment gołymi rękoma)? Dlaczego elektrony po wykonaniu ruchów "elektryzujących" nie wskakują na swoje poprzednie miejsca?

Odpowiedź

Odpowiada Jan Gaj

Aby naelektryzować kawałek bursztynu, należy go potrzeć tkaniną wełnianą lub futrem. Całkowicie się zgadzam, że w wielu podręcznikach proces ten jest traktowany bardzo powierzchownie. A oto, jak go sobie wyobrażam.

Elektryzowanie przez kontakt dwóch dielektryków zachodzi dzięki temu, że elektrony w jednym z nich mają nieco inną energię niż w drugim. Z tego powodu przy zetknięciu część elektronów przechodzi do materiału, w którym ich energia była niższa. Odbywa się to lokalnie – jedynie w miejscu zetknięcia, bo materiały są nieprzewodzące. Żeby to sobie wyobrazić warto zauważyć, że w skali atomowej każda ze stykających się powierzchni przypomina górzysty krajobraz. Pocieranie powiększa liczbę miejsc, które się zetknęły, a więc zwiększa przepływ ładunku. Elektrony nie wracają przy zetknięciu na swoje poprzednie miejsca, bo ich energia musiałaby się przy tym zwiększyć.

W kontekście procesu elektryzowania nasuwa się pytanie, z jakiego rzędu napięciami możemy mieć do czynienia. Energie elektronów zewnętrznych powłok (a więc tych, które najłatwiej mogą się przemieścić) są rzędu elektronowolta, a więc moglibyśmy spodziewać się różnic potencjału co najwyżej rzędu wolta. Tymczasem w doświadczeniach elektrostatycznych mamy z reguły do czynienia z napięciami wielu tysięcy woltów. Wzrost napięcia następuje w momencie oddalania się naładowanych powierzchni od siebie. Maleje wtedy pojemność kondensatora utworzonego przez przeciwnie naładowane warstwy, co przy niezmienionym ładunku daje wzrost napięcia tyle razy, ile razy zmniejszy się pojemność. Powstałe tak wysokie napięcia objawiają się wyładowaniami, które możemy usłyszeć w postaci trzasków, a w ciemności zobaczyć w postaci iskierek. W trakcie tych wyładowań część elektronów wraca do materiału, z którego wyszła.