Opdracht 2: Experimenten

Werkblad 1 - Thema 18
Statistische elektriciteit
(niveau NG)
Inleiding
Jullie gaan als inleidende opdracht van dit thema een aantal experimenten uitvoeren.
Opdracht 1: De mindmap
Lees de tekst die onderaan dit document staat over statische elektriciteit en maak over die tekst een
mindmap. Op de mindmap geef je aan hoe de verschillende begrippen uit de tekst samenhangen.
Van elke van de begrippen geef je een korte uitleg. Gebruik ook tekeningen. De mindmap moet op
papier gemaakt worden als poster en worden ingeleverd in week 3 van dit thema. Je krijgt hierover
een beoordeling.
Opdracht 2: Experimenten
Jullie krijgen als benodigdheden:
2 staafjes van glas, 2 staafjes perspex, 2 staafjes pvc en een paar doekjes.
2 elektroscopen.
1. Opdracht met de opgehangen staafjes
A.
Hang één van de staafje op en wrijf vervolgens het andere staafjes op.
Gebruik de ……. doek voor ………………
Gebruik de ……. doek voor……………….
Wrijf vervolgens het staafje op dat je ophangt en houdt beide staafjes bij elkaar, kijk wat er
gebeurd.
Waarnemingen:
Tabel 2: Staafje in de hand en hangend staafje opgewreven.
Staafje in de hand
Glas Perspex PVC Glas
Glas Perspex
Staafje opgehangen
Glas Perspex PVC Perspex PVC PVC
Waarneming:
Bewegen naar elkaar toe
Bewegen van elkaar af
Geen beweging
Verklaringen:
2. Opdracht met het water
B.
Wrijf een perspex staafje op en houdt bij zacht stromend water, noteer welk staafje je hebt
opgewreven met welke doek en wat je waarneemt.
Waarnemingen:
Verklaringen:
3. Opdracht met elektroscoop
C.
D.
E.
Wrijf één van staafjes op en houdt dit in de buurt van de elektroscoop. Noteer welk staafje je
gebruikt hebt en wat je waarneemt.
Wrijf vervolgens een staafje op dat bij proefje A van het staafje af bewoog en houdt dit in de
buurt van de elektroscoop. Noteer welk staafje je gebruikt hebt en wat je waarneemt.
Wrijf één van de staafjes op en houdt deze kort tegen de bovenkant van de elektroscoop.
Noteer wat je waarneemt.
Waarnemingen:
Verklaringen:
Opdracht 4: De vragen
1.
Het meisje heeft haar handen op een bol die negatief geladen is. Haar haren zijn daardoor recht
overeind gaan staan. Leg uit hoe dit komt?
2.
Je hebt 5 staven, A, B, C, D en E elk door wrijving elektrisch geladen. Je leg A in een beugel die
aan een draad hangt, waarna je A nadert met B. Je ziet dan dat A door B wordt afgestoten.
a.
Leg uit welke conclusie je op grond van dit proefje kunt doen.
Uit verder onderzoek blijkt dat: A trekt D aan; D stoot C af en C trekt E aan.
b. Beredeneer of B door E wordt aangetrokken of afgestoten.
3.
Ellen houdt een negatief geladen staaf vlak bij de knop van een ongeladen
elektroscoop. Tot haar verrassing vertoont de elektroscoop een uitslag. Ook
merkt zij, dat bij het weghalen van de staaf de uitslag verdwijnt.
a. Leg uit zo precies mogelijk uit wat we bedoelen met een ongeladen
voorwerp.
b. Verklaar het resultaat van deze verschijnselen.
4.
De knop van een neutrale elektroscoop wordt met een positief geladen
staaf aangeraakt. De blaadjes van de elektroscoop slaan daardoor uit.
Leg uit hoe de blaadjes hun lading hebben gekregen.
5.
Je houdt een geladen staaf vlak bij de knop van een negatief geladen elektroscoop. De
elektroscoop blijkt daardoor een kleinere uitslag te krijgen. Wat voor soort lading heeft de staaf:
een positieve, of een negatieve? Licht je antwoord toe.
6.
Opnieuw houdt Ellen (uit vraag 3) de staaf vlak bij de knop van de elektroscoop. Bovendien raakt
ze daarvoor even met haar andere hand de stang en de blaadjes aan. De uitslag verdwijnt dan.
Haalt ze daarna de staaf weg dan slaan de blaadjes opnieuw uit. Geef een verklaring voor deze
verschijnselen.
Bijlage: Theorie Statische elektriciteit
Hoe weten we dat er lading is?
Zo'n 2600 jaar geleden werd door de Griekse filosoof Thales van Milete beweerd dat alle stof
'bezield is'; Hij beriep zich daarbij op magnetische steen en op barnsteen. Magnetische steen kan 'uit
zichzelf' ijzeren voorwerpjes aantrekken. Barnsteen kan, nadat het met wol is gewreven, heel kleine
voorwerpen zoals stofdeeltjes, kurkvijlsel en papiersnippers aantrekken (zie figuur). Het Griekse
woord voor barnsteen is elektron.
Door een brokje barnsteen te wrijven, komt het in een toestand waarin het in staat is krachten uit te
oefenen (bijvoorbeeld op papiersnippers). We zeggen dan dat het brokje barnsteen elektrisch
geladen is. Door het te wrijven, heeft het een elektrische lading gekregen.
Ook voorwerpen van ander materiaal dan barnsteen kunnen door wrijving elektrisch geladen
worden:
- een plastic balpen kan papiersnippers aantrekken nadat je hem stevig over de mouw van je trui
hebt gewreven;
- een ebonieten staaf kan een waterstraal aantrekken, nadat je hem met een bontvelletje hebt
gewreven;
Door de volgende proef uit te voeren, kun je al iets meer over elektrische lading te weten komen.
Je hebt twee glazen staven en twee ebonieten staven nodig. De glazen staven wrijf je stevig met een
zijden lap, de ebonieten staven met een bontvelletje. Een van de glazen staven leg je in een beugel
die aan een draad is opgehangen (zie figuur).
Deze staaf nader je eerst met de andere glazen staaf, daarna met een van de ebonieten staven.
Vervolgens vervang je de glazen staaf in de beugel door een ebonieten staaf waarna je de proef
herhaalt. Je zult dan het volgende te zien krijgen:
- de twee glazen staven stoten elkaar af, evenals de twee ebonieten staven;
- een glazen staaf en een ebonieten staaf trekken elkaar aan.
Deze proef kun je uitbreiden door ook nog staven van ander materiaal dan glas of eboniet een
elektrische lading te geven. Dan blijkt het volgende: trekt zo'n staaf een glazen staaf aan, dan stoot
hij een ebonieten staaf af, óf andersom.
Uit deze proef volgt dat er twee soorten elektrische lading moeten bestaan. Deze heeft men
positieve en negatieve lading genoemd. (Daarbij is de afspraak gemaakt de lading van een gewreven
glazen staaf positief te noemen, zodat die van een gewreven ebonieten staaf negatief is.)
Samenvatting:
1. Het 'elektrisch geladen zijn' van voorwerpen kun je “zien” doordat deze voorwerpen elkaar dan
gaan aantrekken of afstoten.
2. Er bestaan twee soorten elektrische lading: positieve en negatieve lading.
3. Dezelfde soort ladingen stoten elkaar af, verschillende soorten lading trekken elkaar aan.
Verklaring van experimenten, soorten deeltjes
Het atoom
De experimenten kunnen verklaard worden door te kijken naar de deeltjes waaruit een stof is
opgebouwd. Je hebt als het goed is al geleerd dat het basisdeeltje waaruit alle stoffen zijn
opgebouwd het atoom is. Hieronder is een plaatje te zien van het atoom.
In de kern van het atoom zitten de protonen, deze zijn positief geladen en rondom de kern bewegen
zich de elektronen, deze zijn negatief geladen. (In de kern zitten ook de neutronen, maar omdat deze
neutraal zijn, spelen ze geen rol in het verhaal over ladingen).
Voor het atoom geldt dat het aantal elektronen en het aantal protonen gelijk zijn. Het deeltje is als
geheel neutraal.
Dat de elektronen bij de kern blijven komt dus omdat deze negatieve deeltjes worden aangetrokken
door de positieve kern.
Verklaring experimenten.
Op het moment dat je met een doek over een stof wrijft breng je de atomen van de doek heel dicht
bij de atomen van de stof. De heftige beweging die je maakt bij het wrijven heeft als gevolg dat doek
en stof op elkaar zullen gaan reageren. Er kunnen daarbij 2 dingen gebeuren. Er springen elektronen
van de doek naar de stof, of er springen elektronen van de stof naar het
In het ene geval zal de doek positief geladen worden en de stof negatief. In het tweede geval is dat
net andersom. Als de glazen staaf positief is nadat hij opgewreven is (zie boven), dan zijn er blijkbaar
elektronen overgesprongen van de staaf, naar de doek. Bij de ebonieten staaf gebeurd het
omgekeerde. Houdt je nu de glazen staaf bij de ebonieten staaf dan zal het positieve voorwerp het
negatieve voorwerp gaan aantrekken. Houdt je 2 gelijke voorwerpen bij elkaar dan zal de regel
gelden dat de 2 positieve, of 2 negatieve voorwerpen elkaar zullen afstoten.
Het ion
Op het moment dat er lading overspringt van stof naar doek, zullen er deeltjes zijn in de stof die niet
langer neutraal zijn. Om het verschil aan te geven tussen deeltjes die neutraal zijn in lading en tussen
deeltjes die dat niet zijn, krijgen deze niet neutrale deeltjes een aparte naam, ze worden ionen
genoemd.
Een ion is een deeltje waarbij het aantal protonen en het aantal elektronen niet aan elkaar gelijk is.
In de tekening hierboven staat aan de linker kant een atoom getekend met 12 protonen en 12
elektronen. Omdat er 12 protonen zijn noemen we dit deeltje het magnesiumatoom.
Aan de linkerkant zijn er 2 elektronen van het atoom weggegaan, er is daardoor een ion ontstaan.
We noemen dit deeltje het magnesium-ion.
Metalen
In principe zijn al die proeven te verklaren door uit te gaan door gebruik te maken van
het gegeven dat een atoom elektronen kan afstaan in bepaalde omstandigheden.
Door de staaf stevig te wrijven, worden elektronen 'losgerukt' uit atomen die zich aan
het oppervlak van de staaf bevinden. Dit oppervlak krijgt dan een tekort aan
elektronen en wordt daardoor positief geladen.
De losgerukte elektronen worden opgenomen door atomen aan het oppervlak van de
doek. Dit oppervlak krijgt dan een overschot aan elektronen en wordt dus negatief
geladen.
Dit geldt echter niet voor alle stoffen. Op het moment dat over een metaal met de
doek over wreef gebeurde er helemaal niets. Hoe komt dat dan?
Nu de verklaring is dat bij verschillende atomen, de mate waarin de buitenste
elektronen gebonden zijn aan het deeltje verschillend is. Er zijn deeltjes waarbij de binding zo sterk is
dat wrijven er niet voor zorgt dat er elektronen gaan overspringen. Er zijn echter ook deeltjes waarbij
de elektronen zo zwak gebonden zijn in het atoom dat ze door het minste of geringste losraken van
het atoom. Omdat deze eigenschap er toe leidt dat deze stoffen een aantal afwijkende
stofeigenschappen hebben, heeft deze groep van stoffen een aparte naam gekregen, deze stoffen
noemen we de metalen. Nu moet er hierbij wel een kanttekening gemaakt worden. Het zijn niet alle
elektronen die makkelijk weg kunnen van het atoom, het zijn alleen de buitenste elektronen. Deze
elektronen noemen we vrije elektronen
Stoffen waar de elektronen die aan de buitenkant van het atoom zitten gemakkelijk van het atoom af
kunnen, noemen we metalen. De elektronen die los raken noemen we vrije elektronen.
In de praktijk is de aanwezigheid van een ander metaalatoom al genoeg “verstoring” om de
elektronen in de buitenste schil vrij te maken. In het plaatje hiernaast is te zien dat een buitenste
elektron overstapt van het ene atoom naar het andere, dit zal dan weer tot gevolg hebben dan een
ander elektron dat eerst “gebonden” zat aan dat atoom vervolgens los zal raken. In de regel zeggen
we dat de elektronen vrij kunnen bewegen. Dit stellen we ons voor zoals hieronder is weergegeven.
De getekende baan is daarbij willekeurig.
Met deze theorie kunnen we verklaren waarom het wrijven van een metalen staaf er niet toe zal
leiden dat deze staaf geladen wordt. Stel dat op het moment van de eerste wrijvingsbeweging er
elektronen overspringen van doek naar staaf. Dan zal op het moment van 2de contact deze
elektronen direct weer terug gaan, ze kunnen immers overal op de staaf opgenomen worden omdat
ze daar direct weer vrij kunnen bewegen.
De werking van de elektroscoop.
Jullie hebben ook het proefje gedaan met de elektroscoop.
Ook deze resultaten kunnen we verklaren met behulp van de
eigenschap van metalen dat er vrije elektronen aanwezig zijn.
Een elektroscoop is een apparaat waar een metalen buisje
verbonden is met een metalen staafje waarbij het metalen
staafje kan bewegen rondom een as, zie ook de onderstaande
figuur.
Stel dat je nu een positief geladen voorwerp bij de bovenkant van het buisje houdt, dan zullen de
elektronen van het buisje door dit positief geladen voorwerp worden aangetrokken. Hierdoor gaan
er veel vrije elektronen op de bovenkant van het buisje zitten. Dit heeft tot gevolg dat de onderkant
van het buisje en het staafje negatief geladen wordt. Hierdoor zal het staafje en het buisje elkaar
gaan afstoten. Omdat het staafje kan bewegen zal het weg bewegen van het buisje. We zeggen dan
dat de elektroscoop een uitslag geeft.
Met behulp van een elektroscoop kun je dus vaststellen of een voorwerp wel of niet elektrisch
geladen is.