Электризация тел, взаимодействие зарядов

В этой статье попробуем изложить довольно обобщенное представление о том, что же такое электризация тел, а также коснемся закона сохранения электрического заряда.

Независимо от того, принципу работает тот или иной источник электрической энергии, в каждом из них происходит процесс электризации физических тел , т. е. разделение электрических зарядов, имеющихся в источнике электрической энергии, и сосредоточение их на определенных местах, например на электродах или зажимах источника. В результате этого процесса на одном на зажимов источника электрической энергии (катоде) получается избыток отрицательных зарядов (электронов), а на другом зажиме (аноде) — недостаток электронов, т. е. первый из них заряжается отрицательным, а второй — положительным электричеством.

После открытия электрона, элементарной частицы, обладающей минимальным зарядом, после того, как было наконец объяснено строение атома, большинство физических явлений, связанных с электричеством, также стали объяснимы.

Вещественная материя, образующая тела, в целом оказывалась электрически нейтральной, ибо составляющие тела молекулы и атомы нейтральны в обычных условиях, и тела в итоге зарядом не обладают. Но если такое нейтральное тело потереть о другое тело, то часть электронов покинет свои атомы, и перейдет с одного тела на другое. Длина путей, пройденных этими электронами при таком перемещении, не более расстояния между соседними атомами.

Однако если после трения тела разъединить, раздвинуть, то оба тела окажутся заряженными. Тело, на которое перешли электроны, станет отрицательно заряженным, а то, которое эти электроны отдало — приобретет положительный заряд, станет положительно заряженным. Это и есть электризация.

Допустим что в каком-нибудь физическом теле, например в стекле, удалось изъять из значительного числа атомов часть их электронов. Это значит, что стекло, потеряв часть своих электронов, окажется заряженным положительным электричеством, так как в нем положительные заряды получили перевес над отрицательными.

Изъятые из стекла электроны исчезнуть не могут и должны быть где-то размешены. Допустим, что после того как электроны били изъяты из стекла, они оказались размещенными на металлическом шарике. Тогда очевидно, что металлический шарик, получивший лишние электроны, зарядился отрицательным электричеством, так как в нем отрицательные заряды получили перевес над положительными.

Наэлектризовать физическое тело — значит создать в нем избыток или недостаток электронов, т.е. нарушить в нем равновесие двух противоположностей, а именно положительных и отрицательных зарядов.

Наэликтризовать два физических тела одновременно и совместно разноменными электрическими зарядами — значит изьять из одного тела электроны и передать их другому телу.

Если где-либо в природе образовался положительный электрический заряд, то оновременно с ним неизбежно должен возникнуть такой же по абсолютной величине отрицательный заряд, так как всякий избыток электронов в любом физическом теле возникает за счет недостатка их в каком-нибудь другом физическом теле.

Разноименные электрические заряды выступают в электрических явлениях как неизменно сопутствующие друг другу противоположности, единство и взаимодействие которых сотавляет внутреннее содержание электрических явлений в веществах.

Нейтральные тела электризуются тогда, когда они отдают или принимают электроны, в любом случае они приобретают электрический заряд, и перестают быть нейтральными. Здесь не возникают ниоткуда электрические заряды, заряды только разделяются, поскольку электроны уже были в телах, и просто поменяли свое местоположение, электроны переместились с одного электризуемого тела на другое электризуемое тело.

Знак электрического заряда, получающегося при трении тел зависит от природы этих тел, от состояния их поверхностей и от ряда других причин. Поэтому не исключена возможность, что одно и то же физическое тело может в одном случае зарядиться положительным, a в другом — отрицательным электричеством, например, металлы при трении их о стекло и шерсть электризуются отрицательно, а при трении о каучук — положительно.

Уместным будет вопрос: почему через диэлектрики электрический заряд не проходит, а через металлы проходит? Все дело в том, что в диэлектриках все электроны связаны с ядрами своих атомов, они просто не имеют возможности к свободному перемещению по объему всего тела.

А вот в металлах ситуация иная. Связи электронов в атомах металлов гораздо слабее, чем в диэлектриках, и некоторые электроны легко покидают свои атомы, и свободно перемещаются по объему всего тела, это так называемые свободные электроны, которые и обеспечивают перенос заряда в проводниках.

Разделение зарядов происходит, тем не менее, и при трении металлических тел, и при трении диэлектриков. Но в демонстрациях используют именно диэлектрики: эбонит, янтарь, стекло. К этому прибегают по той простой причине, что поскольку в диэлектриках заряды по объему не перемещаются, то они и остаются на тех же местах на поверхностях тел, где и возникли.

А если трением, скажем, о мех, наэлектризовать кусок металла, то заряд лишь успев переместиться к его поверхности, мгновенно стечет на тело экспериментатора, и демонстрации, такой как с диэлектриками, не получится. Но если кусок металла будет иметь изоляцию от рук экспериментатора, то он на металле останется.

Если заряд тел в процессе электризации лишь разделяется, то как ведет себя общий их заряд? Несложные эксперименты дают ответ на этот вопрос. Взяв электрометр с укрепленным на его стержне металлическим диском, кладут на диск кусок шерстяной ткани, размером с этот диск. Сверху на диск из ткани кладут еще один такой же проводящий диск, как на стержне электрометра, но оснащенный диэлектрической рукояткой.

Держась за рукоятку, экспериментатор несколько раз двигает верхний диск, трет его об упомянутый тканевый диск, лежащий на диске стержня электрометра, затем убирает его в сторону от электрометра. Стрелка электрометра отклоняется в момент, когда диск убирают, и остается в таком положении. Это свидетельствует о том, что на шерстяной ткани и на диске, закрепленном на стержне электрометра, появился электрический заряд.

После этого диск с рукояткой приводят в соприкосновение со вторым электрометром, но без закрепленного на нем диска, и наблюдают, что его стрелка отклоняется почти на такой же угол, что и стрелка первого электрометра.

Эксперимент показывает, что оба диска при электризации получили равные по модулю заряды. Но каковы знаки этих зарядов? Чтобы ответить на данный вопрос, электрометры соединяют проводником. Стрелки электрометров тут же вернутся к нулевому положению каждая, в котором и были до начала эксперимента. Заряд нейтрализовался, а значит заряды дисков были равны по модулю, но противоположны по знаку, и в сумме дали ноль, как до начала эксперимента.

Подобные эксперименты указывают на то, что при электризации сохраняется суммарный заряд тел, то есть если в сумме был ноль до электризации, то в сумме будет ноль и после электризации . Но почему так получается? Если натереть о сукно эбонитовую палку, она зарядится отрицательно, а сукно положительно, и это известный факт. На эбоните, при трении о шерсть образуется избыток электронов, а на сукне, соответственно, недостаток.

Заряды будут равны по модулю, ведь сколько электронов перешло с сукна на эбонит, столько отрицательного заряда получил эбонит, и столько же положительного заряда образовалось на сукне, так как ушедшие с сукна электроны — это положительный заряд сукна. И избыток электронов на эбоните в точности равен недостатку электронов на сукне. Заряды противоположны по знаку, но равны по модулю. Очевидно, полный заряд при электризации сохраняется, он в сумме равен нулю.

Мало того, даже если до электризации заряды обоих тел отличались от нуля, то в сумме полный заряд все равно сохраняется тем же, что и был до электризации. Обозначив заряды тел до их взаимодействия как q1 и q2, а заряды после взаимодействия как q1′ и q2′, то справедливым будет следующее равенство:

Это говорит о том, что при любых взаимодействиях тел полный заряд неизменно сохраняется. Это один из фундаментальных законов природы, закон сохранения электрического заряда. Бенджамин Франклин открыл его в 1750 году, и ввел понятия «положительный заряд» и «отрицательный заряд». Франклин и предложил обозначать разноименные заряды знаками «-» и «+».

В электронике правила Кирхгофа для токов прямо следуют из закона сохранения электрического заряда. Объединение проводников и радиоэлектронных компонентов представляется в виде незамкнутой системы. Суммарный приток зарядов в данную систему равен суммарному выходу зарядов из этой системы. В правилах Кирхгофа предполагается, что электронная система не может значительно изменять свой суммарный заряд.

Справедливости ради отметим, что наилучшей экспериментальной проверкой закона сохранения электрического заряда является поиск таких распадов элементарных частиц, которые были бы разрешены в случае нестрогого сохранения заряда. Такие распады никогда на практике не наблюдались.

Другие способы электризации физических тел:

1. Если цинковую пластину погрузить в раствор серной кислоты H₂SO₄, то она частично в нем растворится. Часть атомов цинковой пластины, оставив по два своих электрона на цинковой пластине перейдет в раствор серией кислоты в виде двухзарядных положительных ионов цинка. В результате цинковая пластина зарядится отрицательным электричеством (избыток электронов), а раствор серной кислоты — положительным (избыток положительных ионов цинка). Это имение электризации цинка в растворе серной кислоты использовано в гальваническом элементе как основной процесс возникновении электрической энергии.

2. Если на поверхности таких металлов, как цинк, цезий и некоторые другие, падают лучи света, то с этих поверхностей выделяются свободные электроны в окружающую среду. В результате металл заряжается положительным электричеством, а окружающее его пространство — отрицательным. Испускание электронов освещенными поверхностями некоторых металлов называется фотоэффектом, нашедшим себе применение в фотоэлементах.

3. Если металлическое тело нагреть до состояния белого каления, то с его поверхности будут вылетать свободные электроны в окружающее пространство. В результате этого металл, потерявший электроны зарядится положительным электричеством, а окружающая среда — отрицательным.

4. Если спаять концы двух разнородных проволок, например висмутовой и медной, и место их спая нагреть, то свободные электроны частично перейдут из медной проволоки на висмутовую. В результате медная проволока зарядится положительным электричеством, а висмутовая — отрицательным. Явление электризации двух физических тел при поглощении ими тепловой энергии используется в термоэлементах.

Явления, связанные с взаимодействием наэлектризованных тел, называются электрическими явлениями.

Взаимодействие, между наэлектризованными телами определяется так называемыми электрическими силами, которые отличаются от сил другой природы тем, что они обусловливают взаимное отталкивание и притяжение заряженных тел независимо от скорости их движения.

Этим взаимодействие между заряженными телами отличается, например, от гравитационного, которое характеризуется только притяжением тел, или от сил магнитного происхождения, зависящих от относительной скорости движения зарядов, обусловливающих магнитные явления.

Электротехника в основном изучает законы внешнего проявления свойств наэлектризованных тел — законы электромагнитных полей.

Надеемся, что эта краткая статья дала вам общее представление о том, что такое электризация тел, и теперь вы знаете, как экспериментально проверить закон сохранения электрического заряда при помощи простого эксперимента.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

Что такое электризация тел и статическое электричество простыми словами: объяснение законов физики

Иногда, гладя кошку, Вы можете увидеть, как высекаете искорки из кошачьей шерсти. Или почувствовать щелчок, если берёте в руки вязаную вещь. Такие моменты случаются из-за статического электричества.

Это же явление научным термином называется электризацией тел. Электричество появляется из-за скопившихся зарядов на различных предметах.

Сегодня подробно расскажем про электризацию, как оно появляется, и где его применяют.

Что такое электризация тел

Можно сказать, что электризация тел — это разделение какого-то количества электрических зарядов, которые впоследствии накаливаются в каких-либо точках или телах.

Скопление и компенсацию их реализуют трением, в результате которого тела соприкасаются между собой и образуют электростатическую индукцию. Индукция может возникать и путём расположения с одним предметом другого, у которого есть электрическое поле.

Обращаем ваше внимание на то, что выделяют положительные и отрицательные разряды. В физике положительные и отрицательные заряды так же называют протонами и электронами.

Электрическое поле образуется между этими зарядами. При этом заряды одного типа притягиваются друг к другу, а заряды разных типов отталкиваются друг от друга.

Взаимодействие встречается у источников энергии, но и не только у них.

Диэлектрические материалы тоже могут накапливать заряд: подтверждение этому часто можно увидеть на уроках физики, когда учителя демонстрируют опыты с эбонитовой и стеклянной палочкой.

Из атомов состоит всё, что есть вокруг нас, при этом с точки зрения электричества они не обладают положительным или отрицательным зарядом. В процессе электризации они получают разряд.

Вернёмся к школьным экспериментам: если палочки из эбонита потереть шерстью, палочка станет заряженной, то есть наэлектризуется.

В процессе трения электроны передаются от шерстяной ткани к палочке. Так, избыточные электроны перешли к палочке, получив свой избыточный заряд. После трения образуется отрицательный заряд.

Как происходит электризация тел

После объяснения о том, что представляет собой явление электризации и статического электричества, расскажем о том, как можно подвергнуть вещь электризации.

В целом, не всегда нужно выполнять все условия, поскольку электризация может происходить и сама собой.

Можно разделить несколько групп появления статического электричества:

1. В результате механических воздействий, то есть от трения. Если между предметами, то есть между молекулами, расстояние сокращается, заряды могут переходить к другому объекту. Поскольку ядра электронов более слабые, чем у другого предмета, они переходят ко второму. Способы прикосновения, такие как удар, тоже могут стать причиной механического воздействия, рождающего статическое электричество.
2. Из-за воздействия различных внешних факторов.

Можно рассмотреть вторую группу подробнее. Среди факторов выделяют следующие:

• Например, электрические поля. Поле воздействует на проводники, после чего разряды появляются на их поверхностях. Количество зарядов зависит от радиусов изгибов проводника.
• Свет относится к явлениям внешнего воздействия. Этот фактор в конце девятнадцатого века открыл учёный А.Г. Столетов. Если свет будет воздействовать на определённые металлы, например на свинец или цинк, они потеряют электроны, получив положительный заряд.
• Тепло. Если металл нагреть, электроны получат энергию, которая даст им возможность покинуть металл. Металл станет заряжен положительно.

• Химические реакции, где если два электрода и разные металлы, начнётся реакция. Один из металлов получит положительный заряд, в то время как другой будет отрицательно заряжен.
• Давление. Здесь уместно упомянуть пьезоэлектрики. Это диэлектрические вещества, которые могут индуцировать электрические заряды, если на них оказывать давление, то есть сжимать или растягивать. К таким веществам относится, например, кварц.

Говоря о видах электризации, именно эти являются основными.

Научные взаимодействия тел

Существуют законы физики, которые тесно связаны с явлением. Среди законов можно выделить следующие:

1. Закон, справедливый для описания силы взаимодействия зарядов, то есть Закон Кулона. Этот закон позволяет определить силу притяжения между телами.
2. Закон, справедливый для совокупности зарядов, то есть Закон сохранения заряда. Данный закон объясняет, что избыточный заряд перемещается с одного объекта к другому, а не возникает из пространства.

Вы можете отдельно прочесть обо всех этих законов, если Вас интересуют более подробные объяснения в физике.

Где применяют

Электризация обладает своими плюсами и минусами, что свойственно всем явлениям. Среди положительных моментов можно выделить следующие:

• Благодаря этому явлению были созданы фильтры, которые очищают воздух в разных условиях с помощью статического электричества. Это особенно помогает на производствах, где всегда скапливается большее количество пыли.
• Описанный процесс используется для окраски машин и других устройств с металлической поверхностью. Для этого существуют электростатические распылители, которые отрицательно заряжают краситель, в то время как металлическая поверхность заземлена. Краска притягивается к металлу. В этом случае можно потратить меньше краски, при этом само окрашивание будет хорошего качества.

• Благодаря статике можно коптить продукты, при этом копчение происходит довольно быстро.
• Можно создавать искусственные ворсистые материалы. Ворс проходит сквозь сетку, взаимодействуя с электрическим полем, после чего ровно покрывает обработанную клеем поверхность.

Это не единственные моменты, где применяется явление электризации. Статическое электричество используется для очищения, сортировок, других фильтров. Сегодня это явление применяют даже для ускорения процессов лечения в медицине.

Как мы уже упоминали, есть и свои минусы. Среди отрицательных моментов:

• Если заряженные тела касаются друг друга, появляются искры. Это встречается среди бытовых ударов тока, например от машин, или от одежды. От этого особенно страдают самолёты, поскольку в полёте они электризуются. Впоследствии, если не снять заряд с поверхности самолёта, трап может загореться.

• Электризация становится причиной электрических зарядов тел, которые могут подвергать поломке некоторые элементы в устройствах. Это случается как на этапе производства, так и при использовании устройств или при их обслуживании. По этой причине специалисты работают с заземляющим оборудованием или с элементами, обладающими заземлением. Сегодня придуманы самые разные приспособления, которые снижали бы статическое электричество в процессе ремонта и работы с устройствами. К таким способам относится применение полевых транзисторов, снижающих влияние электризации.

Расскажем о случае, когда печатные платы до покрытия были рабочими, а после покрытия лаком становились бракованными элементами. Здесь тоже видно отрицательное влияние электризации. Чтобы решить проблему в данном случае, нужно заземлить красящий пульт.

Это объяснения явления электризации тел простыми словами. Как видите, сегодня статическое явление неизменный спутник людей в быту и технологических процессах.

Хотя электризация тел обладает своими негативными моментами, она всё же является помощником во многих сторонах жизни и является неотъемлемой её частью.

Источник