Elektryfikacja ciał, oddziaływanie ładunków

W tym artykule postaramy się przedstawić dość ogólne pojęcie o tym, czym jest elektryfikacja ciał, a także poruszymy prawo zachowania ładunku elektrycznego.

Niezależnie od tego, czy to czy inne źródło energii elektrycznej działa na zasadzie, w każdym z nich następuje elektryfikacja ciał fizycznych, czyli oddzielenie ładunków elektrycznych obecnych w źródle energii elektrycznej i ich skupienie w określonych miejscach, np. na elektrodach lub zaciskach źródła. W wyniku tego procesu na jednym zacisku źródła energii elektrycznej (katodzie) uzyskuje się nadmiar ładunków ujemnych (elektronów), a na drugim (anodzie) brak elektronów, tj. pierwszy z nich jest naładowany ujemną elektrycznością, a drugi dodatnią elektrycznością.

Po odkryciu elektronu, cząstki elementarnej o minimalnym ładunku, po ostatecznym wyjaśnieniu budowy atomu, większość zjawisk fizycznych związanych z elektrycznością również stała się wytłumaczalna.

Ogólnie stwierdza się, że materia, z której składają się ciała, jest elektrycznie obojętna, ponieważ cząsteczki i atomy, z których składa się ciało, są w normalnych warunkach obojętne, w związku z czym ciała nie mają ładunku. Ale jeśli takie obojętne ciało ociera się o inne ciało, to część elektronów opuści swoje atomy i przejdzie z jednego ciała do drugiego. Długość dróg przebytych przez te elektrony podczas takiego ruchu jest nie większa niż odległość między sąsiednimi atomami.

Jeśli jednak po tarciu ciała rozejdą się, rozsuną, to oba ciała zostaną naładowane. Ciało, do którego przeszły elektrony, zostanie naładowane ujemnie, a to, które przekazało te elektrony, uzyska ładunek dodatni, zostanie naładowane dodatnio. To jest elektryfikacja.

Załóżmy, że w jakimś ciele fizycznym, na przykład w szkle, udało się usunąć część ich elektronów ze znacznej liczby atomów. Oznacza to, że szkło, które utraciło część swoich elektronów, zostanie naładowane elektrycznością dodatnią, ponieważ w nim ładunki dodatnie zyskały przewagę nad ujemnymi.

Elektrony usunięte ze szkła nie mogą zniknąć i muszą być gdzieś umieszczone. Załóżmy, że po usunięciu elektronów ze szkła umieszcza się je na metalowej kuli. Jest więc oczywiste, że metalowa kula, która otrzymuje dodatkowe elektrony, jest naładowana elektrycznością ujemną, ponieważ w niej ładunki ujemne mają pierwszeństwo przed dodatnimi.

Naelektryzować ciało fizyczne — to znaczy stworzyć w nim nadmiar lub brak elektronów, tj. zakłócić w nim równowagę dwóch przeciwieństw, a mianowicie ładunków dodatnich i ujemnych.

Naelektryzowanie dwóch ciał fizycznych jednocześnie i razem z różnymi ładunkami elektrycznymi — oznacza wycofanie elektronów z jednego ciała i przeniesienie ich do innego ciała.

Jeśli gdzieś w przyrodzie powstał dodatni ładunek elektryczny, to nieuchronnie równocześnie z nim musi powstać ładunek ujemny o tej samej wartości bezwzględnej, ponieważ wszelki nadmiar elektronów w jakimkolwiek ciele fizycznym powstaje z powodu ich braku w innym ciele fizycznym.

Różne ładunki elektryczne pojawiają się w zjawiskach elektrycznych jako niezmiennie towarzyszące przeciwieństwa, których jedność i oddziaływanie stanowią wewnętrzną treść zjawisk elektrycznych w substancjach.

Ciała obojętne ulegają naelektryzowaniu, gdy dają lub odbierają elektrony, w obu przypadkach uzyskują ładunek elektryczny i przestają być obojętne. Tutaj ładunki elektryczne nie powstają znikąd, ładunki są tylko rozdzielane, ponieważ elektrony były już w ciałach i po prostu zmieniły swoje położenie, elektrony przemieszczają się z jednego naelektryzowanego ciała do drugiego naelektryzowanego ciała.

Znak ładunku elektrycznego powstałego w wyniku tarcia ciał zależy od natury tych ciał, stanu ich powierzchni i wielu innych przyczyn. Dlatego nie jest wykluczona możliwość, że to samo ciało fizyczne w jednym przypadku zostanie naładowane elektrycznością dodatnią, aw innym ujemną, na przykład metale pocierane o szkło i wełnę naelektryzują się ujemnie, a pocierane o guma — pozytywnie.

Właściwym pytaniem byłoby: dlaczego ładunek elektryczny nie przepływa przez dielektryki, ale przez metale? Chodzi o to, że w dielektrykach wszystkie elektrony są związane z jądrami swoich atomów, po prostu nie mają możliwości swobodnego poruszania się po ciele.

Ale w przypadku metali sytuacja jest inna. Wiązania elektronowe w atomach metali są znacznie słabsze niż w dielektrykach, a niektóre elektrony łatwo opuszczają swoje atomy i poruszają się swobodnie po całym ciele, są to tak zwane elektrony swobodne, które zapewniają przenoszenie ładunku w przewodach.

Rozdzielanie ładunków zachodzi zarówno podczas tarcia ciał metalowych, jak i podczas tarcia dielektryków. Ale w demonstracjach stosuje się dielektryki: ebonit, bursztyn, szkło. Ucieka się do tego z prostego powodu, że ponieważ ładunki nie przemieszczają się w objętości dielektryków, pozostają w tych samych miejscach na powierzchniach ciał, z których powstały.

A jeśli przez tarcie, powiedzmy, w przypadku futra, kawałek metalu zostanie naelektryzowany, to ładunek, który ma tylko czas, aby przemieścić się na jego powierzchnię, natychmiast spłynie na ciało eksperymentatora, a demonstracja, na przykład z dielektryki nie będą działać. Ale jeśli kawałek metalu zostanie odizolowany od rąk eksperymentatora, pozostanie na metalu.

Jeśli ładunek ciał jest uwalniany dopiero w procesie elektryfikacji, to jak zachowuje się ich całkowity ładunek? Proste eksperymenty dają odpowiedź na to pytanie. Weź elektrometr z metalowym krążkiem przymocowanym do pręta i umieść na nim kawałek wełnianej tkaniny o wielkości tego krążka. Na wierzchu krążka tkankowego umieszczony jest drugi krążek przewodzący, taki sam jak na pręcie elektrometru, ale wyposażony w dielektryczny uchwyt.

Eksperymentator trzymając za uchwyt porusza kilkakrotnie górną tarczą, ociera nią o wspomnianą tarczę tkanki leżącą na tarczy pręta elektrometru, a następnie odsuwa ją od elektrometru. Igła elektrometru odchyla się po wyjęciu dysku i pozostaje w tej pozycji. Oznacza to, że na wełnianej tkaninie i na dysku przymocowanym do pręta elektrometru rozwinął się ładunek elektryczny.

Dysk z uchwytem jest następnie stykany z drugim elektrometrem, ale bez przymocowanej do niego tarczy, i obserwuje się, że jego igła jest odchylona o prawie ten sam kąt, co igła pierwszego elektrometru.

Eksperyment pokazuje, że oba dyski podczas elektryfikacji otrzymywały ładunki tego samego modułu. Ale jakie są oznaki tych oskarżeń? Aby odpowiedzieć na to pytanie, elektrometry są połączone przewodem. Igły elektrometru natychmiast powrócą do pozycji zerowej, w której znajdowały się przed rozpoczęciem eksperymentu. Ładunek został zneutralizowany, co oznacza, że ​​ładunki na dyskach były równe co do wielkości, ale przeciwne co do znaku, i ogólnie dały zero, tak jak przed rozpoczęciem eksperymentu.

Podobne eksperymenty pokazują, że podczas elektryfikacji całkowity ładunek ciał jest zachowany, to znaczy, jeśli sumaryczny ładunek wynosił zero przed elektryfikacją, to sumaryczny ładunek będzie równy zero po elektryfikacji... Ale dlaczego tak się dzieje? Jeśli pocierasz hebanowy patyk o szmatkę, stanie się ona naładowana ujemnie, a tkanina naładuje się dodatnio, i jest to dobrze znany fakt. Nadmiar elektronów tworzy się na ebonicie po potarciu na wełnie, a odpowiedni niedobór na tkaninie.

Ładunki będą równe w module, ponieważ ile elektronów przeszło z tkaniny do ebonitu, ebonit otrzymał taki ładunek ujemny, a na płótnie utworzyła się taka sama ilość ładunku dodatniego, ponieważ elektrony, które opuściły szmatka to ładunek dodatni na tkaninie. A nadmiar elektronów na ebonicie jest dokładnie równy brakowi elektronów na tkaninie. Ładunki są przeciwne co do znaku, ale równe co do wielkości. Oczywiście podczas elektryfikacji zachowany jest pełny ładunek; w sumie jest równy zeru.

Co więcej, nawet jeśli ładunki na obu ciałach były niezerowe przed elektryfikacją, całkowity ładunek jest nadal taki sam jak przed elektryfikacją. Oznaczywszy ładunki ciał przed ich oddziaływaniem jako q1 i q2, a ładunki po oddziaływaniu jako q1' i q2', to prawdziwa będzie następująca równość:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

Oznacza to, że dla dowolnego oddziaływania ciał całkowity ładunek jest zawsze zachowany. Jest to jedno z podstawowych praw natury, prawo zachowania ładunku elektrycznego. Benjamin Franklin odkrył go w 1750 roku i wprowadził pojęcia „ładunku dodatniego” i „ładunku ujemnego”. Franklin i zaproponował oznaczenie przeciwnych ładunków znakami „-” i „+”.

W elektronice Reguły Kirchhoffa ponieważ prądy wynikają bezpośrednio z prawa zachowania ładunku elektrycznego. Połączenie przewodów i elementów elektronicznych jest reprezentowane jako system otwarty. Całkowity dopływ ładunków do danego układu jest równy całkowitemu odpływowi ładunków z tego układu. Reguły Kirchhoffa zakładają, że system elektroniczny nie może znacząco zmienić swojego całkowitego ładunku.

Należy uczciwie zauważyć, że najlepszym eksperymentalnym testem prawa zachowania ładunku elektrycznego jest poszukiwanie takich rozpadów cząstek elementarnych, które byłyby dozwolone w przypadku nieścisłego zachowania ładunku. Takich rozpadów nigdy nie zaobserwowano w praktyce.

Inne sposoby elektryzowania ciał fizycznych:

1. Jeśli płytka cynkowa zostanie zanurzona w roztworze kwasu siarkowego H2SO4, częściowo się w nim rozpuści. Niektóre atomy na płytce cynkowej, pozostawiając dwa swoje elektrony na płytce cynkowej, przejdą do roztworu z szeregiem kwasów w postaci podwójnie naładowanych dodatnich jonów cynku. W rezultacie płytka cynkowa zostanie naładowana elektrycznością ujemną (nadmiar elektronów), a roztwór kwasu siarkowego dodatnim (nadmiar dodatnich jonów cynku). Ta właściwość jest wykorzystywana do elektryzowania cynku w roztworze kwasu siarkowego w ogniwie galwanicznym jako główny proces powstawania energii elektrycznej.

2. Jeśli promienie świetlne padają na powierzchnię metali, takich jak cynk, cez i niektóre inne, wówczas wolne elektrony są uwalniane z tych powierzchni do środowiska. W rezultacie metal zostaje naładowany elektrycznością dodatnią, a przestrzeń wokół niego naładowana elektrycznością ujemną. Emisja elektronów z oświetlonych powierzchni niektórych metali nazywana jest efektem fotoelektrycznym, który znalazł zastosowanie w ogniwach fotowoltaicznych.

3. Jeśli metalowe ciało zostanie podgrzane do stanu białego ciepła, wówczas swobodne elektrony przelecą z jego powierzchni do otaczającej przestrzeni.W rezultacie metal, który utracił elektrony, zostanie naładowany elektrycznością dodatnią, a otoczenie elektrycznością ujemną.

4. Jeśli przylutujesz końce dwóch różnych drutów, na przykład bizmutu i miedzi, i podgrzejesz ich złącze, wówczas wolne elektrony częściowo przejdą z drutu miedzianego do bizmutu. W rezultacie drut miedziany zostanie naładowany elektrycznością dodatnią, podczas gdy drut bizmutowy zostanie naładowany elektrycznością ujemną. Zjawisko elektryzowania się dwóch ciał fizycznych podczas pochłaniania energii cieplnej stosowane w termoparach.

Zjawiska związane z oddziaływaniem ciał naelektryzowanych nazywane są zjawiskami elektrycznymi.

O oddziaływaniu między naelektryzowanymi ciałami decyduje tzw Siły elektryczne, które różnią się od sił innego rodzaju tym, że powodują, że naładowane ciała odpychają się i przyciągają, niezależnie od prędkości ich ruchu.

W ten sposób oddziaływanie między naładowanymi ciałami różni się np. od oddziaływania grawitacyjnego, które charakteryzuje się jedynie przyciąganiem ciał, czy też od sił pochodzenia magnetycznego, które zależą od względnej prędkości ruchu ładunków, powodując magnetyczne zjawiska.

Elektrotechnika bada głównie prawa zewnętrznej manifestacji właściwości ciał naelektryzowanych — prawa pól elektromagnetycznych.

Mamy nadzieję, że ten krótki artykuł dał ci ogólne pojęcie o tym, czym jest elektryfikacja ciał, i teraz wiesz, jak eksperymentalnie zweryfikować prawo zachowania ładunku elektrycznego za pomocą prostego doświadczenia.