III. Oddziaływania i pola fizyczne

Transkrypt

1 III. Oddziaływania i pola fizyczne W rozdziale tym omawiamy jedno z najbardziej fundamentalnych poj fizyki oddziaływanie. Interesujce jest, e wywodzi si ono z takich codziennych i zdawałoby si oczywistych zjawisk (procesów czy działa) jak: cignicie, przyciganie, odpychanie, a take zgniatanie, zginanie i in. C zy nie one to włanie wyznac zaj tak dominujco aktywno ruchow dziecka? A zwykłe spadanie przedmiotu opuszczonego na Ziemi pozornie bez adnego zwizku ze zjawiskami wymienionym powyej? Bd zie wymaga troch czasu i stara (moe dopiero w klasie VI) wyja- nienie dziecku, e u podstaw zjawiska spadania szklanki wypuszczonej z rki ley o d d zi a ł y w a n i e midzy szklank i Ziemi, wyraajce si przyciganiem szklanki przez Ziemi (a naprawd take i Ziemi przez szklank - patrz rozdz. IV.2). Jest to oddziaływanie grawitacyjne jedno z tzw. oddzi aływa fundamentalnych. A teraz wemy dla porównania oddzi aływania obecne w zabawie z przeciganiem liny. Główna trudno uogólnienia obu tych dowiadcze w jednym obrazie fizycznym polega na tym, e w zabawie z przeciganiem liny mamy do czynienia z materialnym, dobrze wid zialnym i odc zuwalnym porednikiem w postaci liny, a porednika takiego nie wida w zjawisku spadania s zklanki. Jeli by jednak popatrze na t lin przez jaki supermikroskop, to jest urzdzenie zdolne do rozróniania pojedynczych atomów i jder atomowych, to okae si, e lina składa si głównie z dziur pomidzy jdrami atomowymi ssiednich atomów (por. rozdz. II). Zauwaamy teraz pewne podobiestwo do układu szklanka Ziemia: tu te mamy do czynienia z tak dziur! W obu przypadkach, w wymienionych dziurach istnieje p o l e f i z y c z n e (por. rozdz. III.3), poredniczce w przekazywaniu oddziaływania: w przypadku liny elektromagnetycznego, w przypadku szklanki/ziemi grawitacyjnego. Warto, naszym zdaniem, moliwie wczenie podejmowa próby kształcenia zdolnoci tworzenia uogólnie z wykorzystaniem wczeniej nauczanych treci fi zycznych, a ws zystko to wychodzc z prostych zjawisk odpychania i przycigania. (pj)

2 III.1. Oddziaływanie Oddziaływaniem fizycznym nazywamy dowolny proces fizyczny pomidzy dwoma lub wiksz liczb ciał fizycznych, w którym zachodzi przekaz lub wymiana energii i innych wielkoci fizycznych. Oddziaływanie jest okrelane poprzez swoje skutki ( jest tym, co powoduje ). Czsto s to skutki mechaniczne, jak np. poruszanie si ciał wskutek odpychania czy przycigania. Czasem s to skutki niemechaniczne, np. powstawanie nowych czsteczek chemicznych czy czstek elementarnych. Przykłady (oddziaływania - obserwacje): spadanie swobodnie puszczonej piłki przyspieszanie wózka pod wpływem popychajcej go siły rozciganie spryny zgniatanie plasteliny przyleganie kropli wody do szyby przyciganie opiłków elaza do magnesu utrzymywanie si Ksiyca na orbicie wokół Ziemi Wszystkie oddziaływania, w tak róny sposób manifestujce swoj obecno w przyrodzie, sprowadzaj si pod wzgldem swej natury fizycznej, do czterech/ trzech (patrz przypis nr 1) rodzajów tzw. oddziaływa fundamentalnych. 2

3 III.2. Oddziaływania fundamentalne Grawitacyjne Zachodz midzy wszystkimi obiektami fizycznymi posiadajcymi mas. Działaj zarówno na bardzo małych jak i na bardzo duych odległociach. Mówimy, e maj nieskoczony zasig. Istotne znaczenie maj jedynie dla bardzo duych mas obiektów s odpowiedzialne za struktur Wszechwiata. Rys Oddziaływanie grawitacyjne Ziemi i skoczka, [12]. Elektromagnetyczne Wystpuj pomidzy wszystkimi ciałami obdarzonymi ładunkiem elektrycznym. Maj nieskoczony zasig (podobnie do oddziaływa grawitacyjnych). S odpowiedzialne za struktur atomów i czsteczek chemicznych 3

4 Oddziaływania elektromagnetyczne midzy atomami decyduj Silne o makroskopowych procesach tarcia, nacisku, naprenia, lepkoci i in. Wystpuj np. pomidzy protonami i neutronami w jdrze atomowym. Maj bardzo mały zasig ( m). Zapewniaj trwało jdra atomowego (mimo dodatnich Słabe ładunków protonów); decyduj o jego strukturze. Wystpuj pomidzy niektórymi czstkami elementarnymi. Maj bardzo mały zasig ( zasigu oddziaływa silnych m), mniejszy nawet od S odpowiedzialne m.in. za procesy powstawania niektórych rodzajów promieniowania jdrowego (np. promieniowania β w przemianie promieniotwórczej) 1. Przykłady skutków mechanicznych niektórych oddziaływa fundamentalnych: 1 Oddziaływania elektromagnetyczne i słabe maj wspóln natur fizyczn. W tzw. kwantowej teorii pola, okrela si je łcznie mianem o d d zi a ł y w a e l e k t r o s ł a b y c h. 4

5 utrzymywanie si Ksiyca na orbicie wokół Ziemi oddziaływanie grawitacyjne Ziemi i Ksiyca spadanie swobodnie puszczonej piłki oddziaływanie grawitacyjne Ziemi i piłki przyspieszanie wózka pod wpływem popychajcej go siły rki oddziaływanie elektromagnetyczne atomów i czsteczek składajcych si na nasz rk i wózek. Podobnie rozciganie spryny oddziaływanie elektromagnetyczne zgniatanie plasteliny oddziaływanie elektromagnetyczne przyleganie kropli wody do szyby, własnoci klejce pewnych substancji oddziaływanie elektromagnetyczne przyciganie opiłków elaza do magnesu oddziaływanie elektromagnetyczne (tu: magnetyzm, patrz dalej). III.3. Pola fizyczne Pole fizyczne jest to obszar wokół ciała fizycznego, w którym zachodzi oddziaływanie tego ciała z innym ciałem. Pole nie jest słown konstrukcj jest pewn realnoci fizyczn; przejawem obecnoci pola jest obecno sił ( pole sił ). Co poredniczy w przekazywaniu oddziaływania na odległo (np. przycigania si dwóch ładunków elektrycznych)? W kwantowej teorii pola wykazuje si istnienie noników pola. W ramach tej teorii nie ma tzw. oddziaływania na odległo. 5

6 Wystpuje wzajemna wymiana noników pola midzy ródłami pola, której efektem jest np. przyciganie/odpychanie tych ródeł (ciał materialnych lub ładunków elektrycznych). W przypadku oddziaływania dwóch ładunków elektrycznych nonikami oddziaływania s fotony. III.3.1. Elektrostatyka Ładunek elektryczny Ładunkiem elektrycznym nazywamy własno obiektu fizycznego, której skutkiem jest istnienie pola elektrostatycznego (patrz dalej). Ładunek elektryczny jest ródłem pola elektrostatycznego. W przyrodzie wystpuj dwa rodzaje ładunków, którym przypisuje si znaki + i 2. Ładunek elektryczny jest pochodn wielkoci fizyczn (por. rozdz. I.2). Jego wielko mierzymy w jednostkach zwanych kulombami (1 C ). Inn jednostk ładunku elektrycznego, charakterystyczn dla obiektów mikrowiata (typow dla czstek elementarnych), jest tzw. ładunek elementarny (1e). Jest to wielko ładunku elektrycznego jaki ma czstka elementarna elektron: e = 1, C. 2 U m o w n i e za dodatni przyjmuje si ładunek zgromadzony na pałeczce szklanej, a za ujemny ładunek na pałeczce z bursztynu, potartych suknem (patrz dalej elektryzowanie ciał). 6

7 cile mówic elektron ma ładunek równy 1e, gdy ładunek elektronu jest ujemny. Inna czstka elementarna proton posiada taki sam, co do wartoci, ładunek jak elektron, lecz jest on dodatni (+1e). Trzecia z wymienionych w tym wykładzie czstek elementarnych neutron jest obojtna elektrycznie tzn. nie posiada adnego ładunku elektrycznego. Ładunki rónoimienne przycigaj si (+) ( ) Ładunki jednoimienne odpychaj si (+) (+) ( ) ( ) Rys Oddziaływanie ładunków elektrycznych. Materia w normalnym stanie jest elektrycznie obojtna zawiera dokładnie tyle samo ładunków ujemnych (elektronów) co dodatnich (protonów). Std te, na co dzie nie obserwujemy oddziaływa elektrostatycznych. Mona je jednak zaobserwowa jako nastpstwo naelektryzowania ciał. 7

8 Elektryzowanie ciał uzyskiwanie przez ciało ładunku elektrycznego np. na skutek pocierania (tarcia). Było znane, w niektórych swych skutkach, ju w staroytnoci 3. Dzisiaj wiemy, e polega ono na przenoszeniu elektronów z jednego ciała (np. z sukna) do drugiego (np. na bursztyn) przez dostarczanie elektronom energii niezbdnej dla opuszczenia ciała. Ciało uzyskujce w ten sposób elektrony staje si naładowane ujemnie ( ), a tracce je dodatnio (+). Przykład: Elektryzowanie ciał przez pocieranie (w nawiasach znak ładunku elektrycznego uzyskiwanego przez dane ciało, strzałka oznacza kierunek przepływu elektronów): grzebie (+) włosy ( ) szkło (+) skórka, sukno ( ) plastik ( ) plusz (+). Pole elektrostatyczne Pole elektrostatyczne obszar, w którym zachodzi działanie sił na ładunki elektryczne. 3 Ok. 600 r. p.n.e. Grecy odkryli zjawisko przycigania drobnych okruchów (włosów, lici) przez bursztyn (grec. electron) potarty sierci lub futrem. 8

9 Linie (sił) pola elektrostatycznego s to linie, po których porusza si ładunek elektryczny umieszczony w polu elektrostatycznym. Rys Linie sił pole elektrostatycznego pochodzce od: a) dodatniego ładunku punktowego, b) dwóch ładunków rónoimiennych, c) dwóch naładowanych rónoimiennie płytek metalowych, [13]. Strzałki wskazuj kierunek działania siły na dodatni ładunek umieszczony w polu. III.3.2. Magnetyzm (magnetostatyka) Zjawisko magnetyzmu, podobnie jak wspomniane uprzednio skutki elektryzowania si ciał, było znane ju w staroytnoci. Obserwowano fakt, e dwie bryłki magnetytu przycigaj si lub odpychaj, w zalenoci od ich ustawienia wzgldem siebie. Były to pierwsze znane magnesy wytwarzajce pole magnetyczne. 9

10 Wiedziano te, e niektóre rudy magnetytowe wykazuj naturalne własnoci przycigania elaza, kobaltu, niklu 4. Magnetyt minerał, najlepsza ruda elaza, odmiana tlenku elaza Fe 3O4 ; znany Grekom, znajdowany w prowincji Magnesja (Azja Mniejsza). Magnesy Magnes ciało, bdce ródłem pola magnetycznego. Obiekt bdcy magnesem ma wyrónione dwa obszary tzw. bieguny magnetyczne, oznaczane umownie: N biegun północny i S biegun południowy. 5 Bieguny N i S rónych magnesów przycigaj si, S N S N Bieguny jednoimienne magnesów odpychaj si. S N N S 4 Wiedział o tym ju Tales z Miletu (VII/VI w. p.n.e.). Jest take wzmianka u Platona, ok. 400 r. p.n.e. 5 Magnes, a take jego zachowanie si w polu magnetycznym Ziemi (kompas) odkryli Chiczycy (ok r. n.e.). W nazwach biegunów ( północny i południowy ) zachował si lad po tym, tak wczesnym zastosowaniu magnesu jako kompasu. 10

11 N S S N Pole magnetyczne Jest to obszar wokół magnesu, w którym inny magnes, tzw. magnes próbny podlega działaniu sił (por. definicj pola ). Rys Pole magnetyczne magnesu sztabkowego; kierunek linii pola jest wyznaczony, zgodnie z umow, przez sił działajc na biegun N magnesu próbnego, [10]. 11

12 Jak wyglda oddziaływanie biegunów rónych magnesów w obrazie ich wspólnego pola magnetycznego? Rys. 5 przedstawia charakterystyczne układy linii sił pola magnetycznego dla przypadków: odpychania (N N i S S) oraz przycigania si biegunów (N S) dwóch magnesów. Rys Pole magnetyczne wokół biegunów dwóch magnesów, [10]. 12

13 Dowiadczenie: Na szybk szklan umieszczon nad magnesem sztabkowym sypiemy drobne opiłki elaza, trcajc lekko szybk, dla umoliwienia przemieszczania si drobin. Obserwujemy wyrane regularnoci w rozmieszczeniu opiłków. Tworzy si obraz linii sił pola magnetycznego. To uporzdkowanie opiłków wywołane jest wczeniejszym magnesowaniem drobin elaza. Rys Porzdkowanie opiłków elaza przez pole magnetyczne, [13]. 13

14 III.3.3. ródła zjawisk magnetycznych Magnesowanie Sztabki magnetytu Fe 3 O 4 wytworzonego chemicznie, podobnie jak sztabki z czystego elaza, nie maj własnoci magnetycznych. Dopiero umieszczone w zewntrznym polu magnetycznym staj si magnesami. Jest to zjawisko magnesowania. 6 Magnesowanie polega na porzdkowaniu w polu magnetycznym tzw. struktury domenowej istniejcej w pewnych materiałach (patrz dalej). Domeny magnetyczne s to niewielkie ( µm) obszary w materiałach magnetycznych (np. typu elaza i jego zwizków), bdce swego rodzaju mikromagnesami rozmieszczonymi w sposób przypadkowy: 6 Rol zewntrznego pola magnetycznego dla niektórych złó magnetytów 14 pełniło w momencie ich formowania si ziemskie pole magnetyczne.

15 Rys Domeny magnetyczne, [13] Rys Porzdkowanie domen magnetycznych w elazie w obecnoci zewntrznego pola magnetycznego, [13]. 15

16 ródła zjawisk magnetycznych Przyczyn zjawisk magnetycznych jest ruch (przepływ) ładunków elektrycznych (patrz Elektromagnetyzm ). Ruch ładunków elektrycznych w przewodnikach (prd elektryczny). Na tej zasadzie działa np. elektromagnes wytwarzajcy pole magnetyczne, gdy płynie przez niego prd Ruch okrny elektronów na powłokach w atomie (to te jest prd elektryczny I tyle, e w skali mikro) powodujcy, e atom staje si malekim magnesem tzw. magnes elementarny. Rys Magnes elementarny powstaje na skutek ruchu ładunku elektrycznego elektronu w atomie Miliardy uporzdkowanych atomów magnesów w pewnej przestrzeni tworz domen magnetyczn. 16

17 III.3.4. Elektromagnetyzm Zjawiska elektryczne i magnetyczne s w fizyce traktowane jako róne przejawy jednego typu oddziaływania oddziaływania elektromagnetycznego. Wida to w zjawiskach, w których bior udział zmienne pola elektryczne i magnetyczne. W elektrostatyce i magnetostatyce (gdy pola magnetyczne i elektryczne nie zmieniaj si z upływem czasu) wskaza mona na podobiestwa, ale i istotne rónice midzy tym dwoma obszarami zjawisk: Analogie i rónice Elekrostatyka ładunki dwóch znaków (+, ) + i przycigaj si + i + oraz i odpychaj si Magnetyzm bieguny N i S N i S przycigaj si N i N oraz S i S odpychaj si ale... ładunki + i mog istnie samodzielnie bieguny N i S mog istnie tylko razem ładunki elektryczne nie istniej ładunki mog przepływa magnetyczne. pomidzy ciałami 17

18 III.4. Pytania i problemy 1. Wyjanij sens zdania: oddziaływania grawitacyjne s uniwersalne. Podaj przykłady oddziaływania grawitacyjnego. 2. Jakie oddziaływanie fundamentalne ma swój udział w znanej zabawie przecigania liny? Wyjanij dlaczego. 3. Jak sdzisz, jakie oddziaływanie fundamentalne jest przyczyn dobrze znanej z ycia codziennego siły tarcia? 4. Wyjanij, na czym polega elektryzowanie ciał przez pocieranie. Jakie czstki bior w nim udział, skd si one bior i co si z nimi dzieje? 5. Co oznacza w fizyce pojcie pola fizycznego? Podaj wyjanienie na przykładzie pola elektrostatycznego. 6. Wyjanij sens zdania: bieguny N i S magnesu mog istnie tylko razem. 7. Wyjanij zjawisko naturalnego namagnesowania rud magnetytu. 8. Wymie analogie i rónice midzy zjawiskami elektrostatyki i magnetyzmu. Przyroda Fizyka 2007 rozdz.3.pdf 18