Obrada tematske jedinice:
Osobine električnog polja
- diplomski rad -
Mentor:
Kandidat:
dr Dušanka Obadović, red. prof.
Dejana Vujadinović
Novi Sad, 2008.
UNIVERZITET U NOVOM SADU
PRIRODNO-MATEMATIČKI
FAKULTET
DEPARTMAN ZA FIZIKU
Obrada tematske jedinice: Osobine električnog polja
2
"Iz dana u dan sam se pitao šta je to elektricitet,
ali nisam nalazio odgovor... i još uvek sebi
postavljam to isto pitanje. Elektricitet je za mene
sve... Dan kada tačno saznamo šta je elektricitet
biće najznačajniji datum u istoriji čovečanstva".
Nikola Tesla
Obrada tematske jedinice: Osobine električnog polja
4
1. UVOD
Ovaj diplomski rad posvećen je jednom od mogućih načina obrade tematske jedinice o
električnom polju. Cilj rada je celovito objašnjenje pojave elekriciteta, povezivanje teorije i
prakse i formiranje naučnog pogleda na svet koji nas okružuje.
Pored objašnjenja pojave električnog polja, posebna pažnja u radu posvećena je metodama
koje se koriste u nastavi fizike.
Posle uvodnog dela, prikazana je opšta teorija o električnom polju, kao i funkcionalne
zavisnosti izmeñu fizičkih veličina koje opisuju elektrostatičke pojave.
Tematska jedinica «Električno polje» obrañuje se u osmom razredu osnovne škole kroz
nastavne jedinice koje obuhvataju naelektrisanje tela, uzajamno dejstvo naelektrisanih tela,
električno polje, Kulonov zakon, elektrostatičku indukciju, električni potencijal, električni
napon i u dodatnoj nastavi električni kapacitet.
U šestom poglavlju, date su opšte metodičke napomene vezane za obradu tematske jedinice o
električnom polju za uzrast VIII razreda osnovne škole: nastavne metode i sredstva, struktura
i tok časa.
Zatim su podrobnije opisani jednostavni eksperimenti pomoću kojih se mogu demonstrirati
pojave vezane za električno polje. Eksperimenti su odabrani tako da svaki reprezentuje neku
osobinu elektrostatičkog polja, a zatim su te osobine pregledno predstavljene, kao i svi
novousvojeni pojmovi vezani za ovu oblast.
Umesto klasičnih predavanja i učenja napamet, ovim demonstracionim ogledima se
omogućuje učenicima da sami uñu u svet nauke, da logički razmišljaju, da postavljaju
hipoteze, da ih provere i da doñu do rešenja, ali na nivou koji bi mogli razumeti učenici VIII
razreda osnovne škole. Prednost jednostavnih ogleda je što su lako izvodljivi, zanimljivi i
konstruišu se od materijala koji se mogu veoma lako naći. Njihovo pravljenje i izvoñenje
doprinosi produbljivanju teorijskog znanja, povećanju stepena aktivnosti učenika i njihovoj
samostalnosti u radu, sposobnosti planiranja, kao i sticanju tehničke kulture što je u
današnjem životnom okruženju veoma važno.
Kroz ovaj pristup nauci kroz eksperimente učenici uče kako da formulišu hipoteze i donesu
zaključke. Kao rezultat učenici razvijaju osećaj za timski rad, grupne diskusjie i dijalog koji
se bazira na argumentima i činjenicama.
U zaključku su date opšte napomene i zapažanja vezana za metodički pristup obradi teme.
Obrada tematske jedinice: Osobine električnog polja
5
2. NAELEKTRISANJE
Naelektrisanje je svostvo elementarnih čestica. Naelektrisanja se mogu spoznati preko
njihovih spoljnih manifestacija, a to su električne i magnetne sile. Za celovitu spoznaju
prisutnosti delovanja naelektrisanja pored položaja u strukturi materije potrebno je poznavati i
osobenost prostora oko njih, prostora u kome se izražavaju njihove manifestacije.
Naelektrisanja mogu u prostoru mirovati ili biti u pokretu. Naelektrisanje u mirovanju naziva
se statičko naelektrisanje. U prostoru oko statičkih naelektrisanja zbivaju se električne pojave,
pa se to stanje prostora naziva električnim poljem. Delovanje naelektrisanja u prostoru tumači
se električnim poljem, koje svako naelektrisanje stvara u svojoj okolini. Naelektrisanja u
kretanju mogu imati različite smerove, a ona u usmerenom kretanju nazivaju se električnom
strujom. U prostoru oko naelektrisanja u kretanju pored električnog javlja se i magnetno
polje, a zajednički se naziva elektromagnetno polje.
2.1. Istorijat naelektrisanja
Pojavu neobičnog stanja, kao posledicu trljanja ćilibara, danas poznatog kao električno stanje,
zapazio je Tales iz Mileta (oko 625-548. pne.
)
600 godina pre nove ere. On je tvrdio da mora
postojati jedan opšti princip, koji povezuje sve pojave i koji može da ih racionalno objasni.
Iza svih prividnih raznovrsnosti i promena stvari, postoji prvobitni elemenat iz koga su sve
stvari nastale i čije istraživanje mora biti krajnji cilj prirodnih nauka. Tales je pravilno
zamislio i izrazio ideju, koja je stvarno rukovodila razvojem fizike kroz vekove.
Magnetne pojave prvi je, po predanju, zapazio pastir sa ostrva Krit. Tales iz Mileta je pokušao
da svojstva magnetne rude (magnetit) rastumači delovanjem mističnih sila. Zrno istine našao
je Demokrit (∆ηµόκριτος, oko 470-oko 360. pne.). On je mislio da su atomi magnetne rude
istovetni sa atomima gvožña, pa ih zato privlače. Nizaće se mnogi vekovi dok se ne približe
stavovi o pojavama elektriciteta i magnetizma.
Grci su nam zaveštali atomski svet. Svet starih Grka sastojao se od beskrajno mnogo
raznovrsnih atoma. Ta slika sveta je bila složenija nego što je stvarno potrebno za
razumevanje Prirode. Uvoñenjem pojma o molekulima, izgrañenim od različitih kombinacija i
grupisanja atoma, broj potrebnih elemenata mogao se svesti na svega, u to doba, nekih
sedamdesetak. Iz ovoga je za kratko vreme nastala moderna hemija.
Prva polovina XIX veka obeležena je izvanrednom plodnošću i otkrivanju prirode i razvoju
fizike. Dvadeseti vek je pokušao da učini još veći i značajniji korak, stavljajući povrh
molekularnog i atomskog sveta devetnaestog veka treći, elektronski svet. Tokom celog tog,
poslednjeg veka težilo se svoñenju osnovnih, elementarnih čestica na razuman broj. Odnosno,
težilo se saznanju o konačnoj strukturi materije.
Posmatrajući razvoj nauke o elektricitetu, potvrñuje se teza da se nauka, slično kao i biljka,
razvija uglavnom putem procesa beskrajno malih priraštaja. Svako istraživanje po pravilu je u
značajnijoj meri samo modifikacija prethodnog, svaka nova teorija izgrañena je kao i neka
velika grañevina, dodavanjem mnogih različitih elemenata od strane značajnog broja
graditelja.
Zanimljiv je paralelizam izmeñu istorije atomske koncepcije materije i atomske teorije
elektriciteta. U oba slučaja ideje o tome vode svoje poreklo od samog početka. One su ostale
neplodne u nizu vekova, odnosno sve dok ih razvitak tačnih kvantitativnih merenja nije
oplodio. Trebalo je da proñe dvadeset vekova pa da se ovo dogodi u pogledu teorije o
Obrada tematske jedinice: Osobine električnog polja
7
jednaka količina pozitivnog i negativnog elektriciteta. Meñutim, Frenklin je smatrao da u
stvari postoji samo jedan elektricitet. Ako ga ima više u nekom telu ono je električki
pozitivno, a ako ga ima manje, ono je negativno. Bilo je i drugih mišljenja, kao na primer da
postoje dva fluida koji predstavljaju dve vrste elektriciteta. Frenklinove ideje su preovladale
možda i zbog njegovog velikog autoriteta, jer je on bio najslavniji istraživač pojave
elektriciteta u XVIII veku. Najpoznatija su njegova ispitivanja atmosferskog elektriciteta i u
okviru toga dokaz o električnoj prirodi munje (1750).
Krajem XVIII veka stupa na naučnu scenu Kulon
(
Charles Augustin de Coulomb, 1736–
1806) sa svojim zakonima o privlačenju električnih i magnetnih veličina. Te sile su slične
gravitacionim i obrnuto proporcionalne kvadratu rastojanja. Kulonov zakon je omogućio da se
električne i magnetne pojave strogo matematički tretiraju, kao i pojave u nebeskoj mehanici.
Činjenica je da proučavanje električnih i magnetnih pojava predstavlja mnogo složeniji proces
od daleko jednostavnijih mehaničkih problema i procesa. Time se može objasniti sporiji
razvoj znanja iz elektriciteta i magnetizma. Poslednjih decenija XVIII veka počinju
izučavanja kvantitativne prirode - merenjem veličine magnetnih polova i količine
naelektrisanja. Treba pomenuti nosioce tih aktivnosti, pre svih Kulona i Kevendiša
(Henry
Cavendish, 1731-1810).
Meñutim, ceo razmatrani period, bezmalo dva veka, karakteriše se elektrostatičkim pojavama,
znači nema trajnih izvora elektriciteta.
Nagli napredak nauke o elektricitetu otpočeo je kada je profesor anatomije Galvani (Luigi
Galvani, 1737-1789) otkrio nove izvore elektriciteta. Izučavajući fiziologiju žabljih bataka,
otkrio je, po njegovom mišljenju, životinjski elektricitet. Do tada je trenje bilo jedini i slabo
izdašni način proizvodnje elektriciteta. Nakon saznanja za Galvanijeva otkrića, Volta
(Alessandro Volta, 1745-1827) ih je otpočeo sistematski izučavati. Poznat je njegov
eksperiment sa zaronjenim cinkovim i bakarnim pločama u rastvor sumporne kiseline.
Spajanjem krajeva ploča provodnikom, u njemu je potekla struja. Tako je na nov način,
trajnim izvorom struje, omogućeno kvalitetno novo izučavanje elektriciteta. Na krajevima
ploča postoji električni napon koji "tera" struju. Taj napon se povećava kada se spoje nekoliko
ćelija na rad i tako nastaje "baterija". To otkriće pada u sam kraj XVIII veka, odnosno u 1799.
godinu.
Most izmeñu magnetizma i elektriciteta 1819. godine uspostavlja Ersted (Hans Christian
Oersted, 1777-1851),
utvrñujući da električna struja vrši odreñena dejstva na magnet. Pri
mirovanju naelektrisanja opažaju se samo električne sile. Kada se elektricitet kreće, pojavljuju
se iste sile kao i kod magneta. Amper (Andre-Marie Ampere, 1775-1836) zaključuje da ne
postoji magnetna supstanca, već da magnetne slike izlaze iz električnih struja koje kruže u
molekulima (elementarni magneti). Time je, svakako, Amper prethodio modernoj atomskoj
teoriji. Slede Amperov zakon o magnetnom polju električne struje (1820), otkriće zakona o
otporu protoku električne struje, i Omov (Georg Simon Ohm, 1787-1854) zakon (1827).
Svakako najznačajnije eksperimentalno otkriće je Faradejev zakon o elektromagnetnoj
indukciji (1831.) koji je uobličio u elektromagnetnu teoriju Džems Klark Maksvel (1865). U
razdoblju od Faradejevih eksperimenata i Maksvelove teorije ostvareno je više značajnih
otkrića na polju nauke o elektricitetu i magnetizmu. Ulazi se u period veoma preciznih
merenja osnovnih električnih veličina, kao i odreñivanje odnosa izmeñu elektromagnetnih i
elektrostatičkih pojava.
Dalji razvoj nauke o elektricitetu može se uslovno podeliti u dve oblasti. Jedna počinje
matematičkim uopštavanjem Maksvelove elektromagnetne teorije, uopštavanjem zakona o
održanju mase i energije, zakonima termodinamike, Maksvelove elektrodinamike, dokazima
