Electrificarea corpurilor, interacțiunea sarcinilor

În acest articol, vom încerca să prezentăm o idee destul de generalizată a ceea ce este electrificarea corpurilor și vom atinge, de asemenea, legea conservării sarcinii electrice.

Indiferent dacă aceasta sau acea sursă de energie electrică funcționează pentru principiu, fiecare dintre ele are loc electrificarea corpurilor fizice, adică separarea sarcinilor electrice prezente în sursa de energie electrică și concentrarea lor în anumite locuri, de exemplu, pe electrozii sau bornele sursei. Ca urmare a acestui proces, se obține un exces de sarcini negative (electroni) la un terminal al sursei de energie electrică (catod) și o lipsă de electroni la celălalt terminal (anod), adică. primul dintre ele este încărcat cu electricitate negativă, iar al doilea cu electricitate pozitivă.

După descoperirea electronului, particula elementară cu sarcină minimă, după ce structura atomului a fost în sfârșit explicată, au devenit explicabile și majoritatea fenomenelor fizice legate de electricitate.

Materia materială care alcătuiește corpurile este în general neutră din punct de vedere electric, deoarece moleculele și atomii care alcătuiesc corpul sunt neutre în condiții normale și, în consecință, corpurile nu au nicio sarcină. Dar dacă un astfel de corp neutru se freacă de un alt corp, atunci unii dintre electroni își vor părăsi atomii și vor trece de la un corp la altul. Lungimea căilor parcurse de acești electroni în timpul unei astfel de mișcări nu este mai mare decât distanța dintre atomii vecini.

Totuși, dacă după frecare corpurile se separă, se depărtează, atunci ambele corpuri vor fi încărcate. Corpul la care au trecut electronii va deveni încărcat negativ, iar cel care a donat acești electroni va dobândi o sarcină pozitivă, va deveni încărcat pozitiv. Aceasta este electrificarea.

Să presupunem că într-un corp fizic, de exemplu în sticlă, a fost posibil să se elimine o parte din electronii lor dintr-un număr semnificativ de atomi. Aceasta înseamnă că sticla, care și-a pierdut o parte din electroni, va fi încărcată cu electricitate pozitivă, deoarece în ea sarcinile pozitive au câștigat un avantaj față de cele negative.

Electronii scoși din sticlă nu pot dispărea și trebuie puși undeva. Să presupunem că, după ce electronii sunt îndepărtați din sticlă, aceștia sunt așezați pe o bilă de metal. Atunci este evident că bila de metal care primește electroni suplimentari este încărcată cu electricitate negativă, deoarece în ea sarcinile negative au prioritate față de cele pozitive.

Electrificarea corpului fizic - înseamnă a crea în el un exces sau o lipsă de electroni, de exemplu. perturbă echilibrul a două opuse din el, și anume sarcini pozitive și negative.

A electriza două corpuri fizice simultan și împreună cu sarcini electrice diferite - înseamnă a retrage electroni dintr-un corp și a-i transfera într-un alt corp.

Dacă o sarcină electrică pozitivă s-a format undeva în natură, atunci o sarcină negativă de aceeași valoare absolută trebuie să apară în mod inevitabil simultan cu aceasta, deoarece orice exces de electroni în orice corp fizic apare din cauza lipsei acestora în alt corp fizic.

Diferitele sarcini electrice apar în fenomenele electrice ca însoțitoare invariabil de contrarii, a căror unitate și interacțiune constituie conținutul intern al fenomenelor electrice în substanțe.

Corpurile neutre devin electrificate atunci când dau sau primesc electroni, în ambele cazuri dobândesc o sarcină electrică și încetează să mai fie neutre. Aici sarcinile electrice nu apar de nicăieri, sarcinile sunt doar separate, deoarece electronii se aflau deja în corpuri și pur și simplu și-au schimbat locația, electronii se deplasează de la un corp electrificat la altul.

Semnul sarcinii electrice care rezultă din frecarea corpurilor depinde de natura acestor corpuri, de starea suprafețelor lor și de o serie de alte motive. Prin urmare, nu este exclusă posibilitatea ca același corp fizic într-un caz să fie încărcat cu electricitate pozitivă și în altul cu electricitate negativă, de exemplu, metalele când sunt frecate de sticlă și lână devin electrificate negativ și când sunt frecate de cauciuc — pozitiv.

O întrebare potrivită ar fi: de ce sarcina electrică nu curge prin dielectrici, ci prin metale? Ideea este că în dielectrici toți electronii sunt legați de nucleele atomilor lor, pur și simplu nu au capacitatea de a se mișca liber în tot corpul.

Dar la metale situația este diferită. Legăturile de electroni în atomii metalici sunt mult mai slabe decât în ​​dielectrici, iar unii electroni își părăsesc cu ușurință atomii și se mișcă liber în tot corpul, aceștia sunt așa-numiții electroni liberi care asigură transferul de sarcină în fire.

Separarea sarcinilor are loc atât în ​​timpul frecării corpurilor metalice, cât și în timpul frecării dielectricilor. Dar în demonstrații se folosesc dielectrici: ebonită, chihlimbar, sticlă. Se recurge la aceasta din simplul motiv că, deoarece sarcinile nu se deplasează prin volum în dielectrice, ele rămân în aceleași locuri pe suprafețele corpurilor din care au apărut.

Și dacă prin frecare, să zicem, pentru blană, o bucată de metal se electrifică, atunci sarcina, care are timp doar să se deplaseze la suprafața sa, se va scurge instantaneu pe corpul experimentatorului și o demonstrație, de exemplu, cu dielectrice, nu va funcționa. Dar dacă o bucată de metal este izolată de mâinile experimentatorului, aceasta va rămâne pe metal.

Dacă sarcina corpurilor este eliberată doar în procesul de electrificare, atunci cum se comportă încărcătura lor totală? Experimentele simple oferă un răspuns la această întrebare. Luând un electrometru cu un disc metalic atașat de tijă, puneți peste disc o bucată de pânză de lână, de dimensiunea discului respectiv. Deasupra discului de țesut este plasat un alt disc conductiv, la fel ca pe tija electrometrului, dar echipat cu un mâner dielectric.

Ținând mânerul, experimentatorul mișcă discul superior de mai multe ori, îl freacă de discul de țesut menționat pe discul tijei electrometrului, apoi îl îndepărtează de electrometru. Acul electrometrului se deviază atunci când discul este scos și rămâne în acea poziție. Aceasta indică faptul că s-a dezvoltat o sarcină electrică pe țesătura de lână și pe discul atașat la tija electrometrului.

Discul cu mâner este apoi adus în contact cu cel de-al doilea electrometru, dar fără discul atașat de acesta, iar acul său este deviat aproape cu același unghi ca acul primului electrometru.

Experimentul arată că ambele discuri în timpul electrificării au primit încărcături ale aceluiași modul. Dar care sunt semnele acestor acuzații? Pentru a răspunde la această întrebare, electrometrele sunt conectate printr-un fir. Acele electrometrului vor reveni imediat la poziția zero fiecare în care se aflau înainte de începerea experimentului. Sarcina a fost neutralizată, ceea ce înseamnă că încărcăturile de pe discuri au fost egale ca mărime, dar cu semn opus și, în general, au dat zero, ca înainte de începerea experimentului.

Experimente similare arată că în timpul electrizării, sarcina totală a corpurilor este conservată, adică dacă suma totală era zero înainte de electrificare, atunci suma totală va fi zero după electrificare... Dar de ce se întâmplă acest lucru? Dacă freci un bețișor de abanos pe o cârpă, acesta va deveni încărcat negativ și cârpa se va încărca pozitiv, iar acesta este un fapt binecunoscut. Pe ebonită se formează un exces de electroni atunci când este frecat pe lână și un deficit corespunzător pe pânză.

Sarcinile vor fi egale ca modul, deoarece câți electroni au trecut din pânză în ebonită, ebonita a primit o astfel de sarcină negativă și aceeași cantitate de sarcină pozitivă s-a format pe pânză, deoarece electronii care au părăsit pânză sunt sarcina pozitivă pe pânză. Și excesul de electroni de pe ebonită este exact egal cu lipsa de electroni de pe pânză. Sarcinile sunt opuse ca semn, dar egale ca magnitudine. Evident, încărcarea completă se păstrează în timpul electrificării; este egal cu zero în total.

Mai mult decât atât, chiar dacă taxele de pe ambele corpuri erau diferite de zero înainte de electrificare, taxa totală este în continuare aceeași ca înainte de electrificare. După ce am notat sarcinile corpurilor înainte de interacțiunea lor ca q1 și q2, iar sarcinile de după interacțiune ca q1' și q2', atunci următoarea egalitate va fi adevărată:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

Aceasta implică faptul că, pentru orice interacțiune a corpurilor, sarcina totală este întotdeauna conservată. Aceasta este una dintre legile fundamentale ale naturii, legea conservării sarcinii electrice. Benjamin Franklin a descoperit-o în 1750 și a introdus conceptele de „sarcină pozitivă” și „sarcină negativă”. Franklin și a propus să indice încărcăturile opuse cu semnele «-» și «+».

În electronică regulile lui Kirchhoff deoarece curenții decurg direct din legea conservării sarcinii electrice. Combinația de fire și componente electronice este reprezentată ca un sistem deschis. Intrarea totală de taxe într-un sistem dat este egal cu fluxul total de taxe din acel sistem. Regulile lui Kirchhoff presupun că un sistem electronic nu poate schimba semnificativ încărcătura totală.

Pentru dreptate, observăm că cel mai bun test experimental al legii conservării sarcinii electrice este căutarea unor astfel de dezintegrari ale particulelor elementare care ar fi permise în cazul conservării nestricte a sarcinii. Astfel de degradari nu au fost niciodată observate în practică.

Alte moduri de a electriza corpurile fizice:

1. Dacă placa de zinc este scufundată într-o soluție de acid sulfuric H2SO4, atunci se va dizolva parțial în ea. Unii dintre atomii de pe placa de zinc, lăsând doi electroni pe placa de zinc, vor intra în soluție cu o serie de acizi sub formă de ioni de zinc pozitivi dublu încărcați. Ca urmare, placa de zinc va fi încărcată cu electricitate negativă (exces de electroni), iar soluția de acid sulfuric va fi încărcată cu energie pozitivă (exces de ioni de zinc pozitivi). Această proprietate este utilizată pentru a electrifica zincul în soluție de acid sulfuric într-o celulă galvanică ca principal proces al apariţiei energiei electrice.

2. Dacă razele de lumină cad pe suprafața metalelor precum zincul, cesiul și altele, atunci electronii liberi sunt eliberați de pe aceste suprafețe în mediu. Ca rezultat, metalul este încărcat cu electricitate pozitivă, iar spațiul din jurul lui este încărcat cu electricitate negativă. Emisia de electroni de pe suprafețele iluminate ale anumitor metale se numește efect fotoelectric, care și-a găsit aplicație în celulele fotovoltaice.

3. Dacă corpul metalic este încălzit până la o stare de căldură albă, atunci electronii liberi vor zbura de la suprafața sa în spațiul înconjurător.Ca rezultat, metalul care a pierdut electroni va fi încărcat cu electricitate pozitivă, iar împrejurimile cu electricitate negativă.

4. Dacă lipiți capetele a două fire diferite, de exemplu, bismut și cupru, și încălziți joncțiunea lor, atunci electronii liberi vor trece parțial de la firul de cupru la bismut. Ca urmare, firul de cupru va fi încărcat cu electricitate pozitivă, în timp ce firul de bismut va fi încărcat cu electricitate negativă. Fenomenul de electrificare a două corpuri fizice atunci când acestea absorb energie termică folosit la termocupluri.

Fenomenele asociate cu interacțiunea corpurilor electrificate se numesc fenomene electrice.

Interacțiunea dintre corpurile electrificate este determinată de așa-numitele Forțe electrice care diferă de forțele de altă natură prin aceea că fac corpurile încărcate să se respingă și să se atragă unele pe altele, indiferent de viteza de mișcare a acestora.

În acest fel, interacțiunea dintre corpurile încărcate diferă, de exemplu, de cea gravitațională, care se caracterizează doar prin atracția corpurilor, sau de forțele de origine magnetică, care depind de viteza relativă de mișcare a sarcinilor, determinând fenomene.

Ingineria electrică studiază în principal legile manifestării externe a proprietăților corpurilor electrificate - legile câmpurilor electromagnetice.

Sperăm că acest scurt articol v-a oferit o idee generală despre ce este electrificarea corpurilor, iar acum știți cum să verificați experimental legea conservării sarcinii electrice folosind un experiment simplu.