Jak działa ładowanie elektrostatyczne przez kontakt?

Ładowanie w fizyce oznacza zdobycie lub utratę elektronu przez jakieś ciało. Następować może to na kilka sposobów - poprzez kontakt oraz poprzez indukcję.

Ładowanie poprzez kontakt

Ładowanie przez przewodzenie wymaga kontaktu naładowanego obiektu z neutralnym elektrycznie przedmiotem. Jeśli dodatnio naładowana aluminiowa płyta zostanie dotknięta neutralną metalową kulą, to kula ta zostanie naładowana w wyniku kontaktu z płytą. Następnie, neutralny elektroskop (urządzenie do pomiaru ładunku elektrostatycznego) może zostać naładowany w wyniku kontaktu z metalową kulą, co pozwoli na pokazanie, że istotnie ładunek przepłynął przez metalowe elementy.

Ponieważ ładowanie poprzez przewodzenie wiąże się z kontaktem, często nazywane jest ładowaniem kontaktowym.

Gdy naładowany obiekt styka się z obiektem neutralnym, obydwa przyjmują ten sam ładunek. Kiedy dwa naładowane materiały są w styku ze sobą, całkowity ładunek systemu zostaje zachowany - oba ciała rozdzielają go pomiędzy sobą po równo.

Jeśli stykającymi się przedmiotami są kule, to posiadają one całkowity ładunek proporcjonalny do ich promieni, ponieważ ich pojemności są wprost proporcjonalne do ich promienia. Jeśli kule są takie same, to dzielą się ładunkiem dokładnie po połowie. Poniższe równanie można zastosować do wyznaczenia ładunku na sferach o promieniach r1 oraz r2.

$$q_1 = (\frac {q_1 + q_2} {r_1 + r_2}) r_1$$
$$q_2 = (\frac {q_1 + q_2} {r_1 + r_2}) r_2 $$

Ładowanie indukcyjne

Ładowanie indukcyjne z kolei to sposób na ładowanie obiektu bez dotykania go żadnym innym naładowanym przedmiotem. Ładowanie systemu dwóch sfer za pomocą ujemnie naładowanego obiektu pokazano na obrazku po prawej stronie u góry, a za pomocą dodatnio naładowanego na dole.

Na początku przewodniki A i B są neutralne. Kiedy umieścimy w pobliżu nich dodatnio naładowaną płytę, przyciąga ona elektrony w przewodnikach. Elektrony przemieszczają się do lewej części pozostawiając po sobie "dziury" - quasicząstki używane do opisu ładunku dodatniego. Teraz, gdy rozdzielimy płytki A i B, są one naładowane indukcyjnie, A jest naładowane ujemnie, a B jest naładowane dodatnio. Nie ma w tym zjawisku żadnego kontaktu, elementy są ładowane tylko przez indukcyjne przemieszczenie ładunków.

Prawo zachowania ładunku

Prawo zachowania ładunku musi być przestrzegane w procesie ładowania indukcyjnego. Przed rozpoczęciem ładowania całkowity ładunek systemu wynosił zero. W obu sferach znajdowała się taka sama liczba protonów i elektronów. Elektrony zostały pobudzone do przejścia z kuli A do kuli B, co spowodowało, że kule zostały naładowane. Ilość ładunku dodatniego na kuli A jest równa ilości ładunku ujemnego na kuli B. Jeśli kula A ma 1000 jednostek ładunku dodatniego, wówczas kula B ma 1000 jednostek ładunku ujemnego. Określenie całkowitego ładunku systemu jest po prostu sumą ładunków na poszczególnych sferach. Całkowity ładunek dwóch sfer nadal równy będzie zero. Dlatego możemy powiedzieć, że ładunek nie jest ani tworzony, ani niszczony podczas procesu ładowania; jest on po prostu transportowany z jednego obiektu do drugiego w postaci elektronów.

Źródło: https://www.eeweb.com/profile/andrew-carter/articles/charging-by-contact-and-induction

Czy można za pomocą maszyny elektrostatycznej naładować ujemnie poprzez przewód elektryczny płytkę cynkową oświetloną lampą kwarcową (UV)?

Prawie genialne. Oprócz jednego szczegółu - jaką pracę mechaniczną trzeba włożyć, żeby oddzielić zbliżoną płytkę od naładowanej kulki? Ta praca będzie oczywiście równa zgromadzonej energii w układzie kulek (zasada zachowania energii). Praktycznego zastosowania nie widzę, gdyż trudno byłoby w ten sposób przekazać jakąś praktycznie wykorzystywalną ilość energii.