09.02.2022

Что такое электризация тел и как она происходит

Билет №15. Электризация тел. Два вида электрических зарядов. Взаимодействие зарядов. Закон сохранения электрического заряда

Электризацией называется процесс разделения электрических зарядов и накопление их в определенных местах предметов и тел. Явление происходит в результате трения, соприкосновения тел или в результате электростатической индукции. Простыми словами, когда рядом расположен какой-то предмет, обладающий электрическим полем.

: в физике выделяют два рода зарядов – положительные и отрицательные, или протоны и электроны. Между ними возникает электрическое поле. Одноименные заряды притягиваются, а разноименные отталкиваются.

Явление наблюдается на источниках питания и не только. На диэлектриках накапливаются заряды, все видели это в опытах, иллюстрирующих явление с эбонитовыми и стеклянными палочками, которые демонстрировали на уроках физики в школе.

Изначально все атомы, из них состоит всё что нас окружает, электрически нейтральны. В результате явления электризации на поверхности предметов появляются положительные или отрицательные заряды. Напомним школьный опыт: если потереть эбонитовую палочку шерстяной тканью, после прекращения трения палочка останется заряженной. Тогда говорят, что тело электризовано.

Таким образом, во время трения электроны переходили с одного предмета на другой. В результате, после прекращения трения избыточные электроны остались «не на своих» телах и получился избыточный заряд, и оно перестало быть нейтральным. В результате трения палочки о шерсть или мех на её поверхности образовался отрицательный заряд.

Статическое электричество в быту

Пенопластовые шарики прилипли к кошачьей шерсти из-за статического электричества
Статическое электричество широко распространено в обыденной жизни. Если, например, на полу лежит ковер из шерсти, то при трении об него человеческое тело может получить отрицательный электрический заряд, в то время как ковёр получит положительный. Другим примером может служить электризация пластиковой расчески, которая после причёсывания получает минус-заряд, а волосы получают плюс-заряд. Накопителем минус-заряда нередко являются полиэтиленовые пакеты, полистироловый пенопласт. Накопителем плюс-заряда может являться сухая полиуретановая монтажная пена, если её сжать рукой.

Когда человек, тело которого наэлектризовано, дотрагивается до металлического предмета, например, трубы отопления или холодильника, накопленный заряд моментально разрядится, а человек почувствует лёгкий удар током.

Электростатический разряд происходит при очень высоком напряжении и чрезвычайно низких токах. Даже простое расчёсывание волос в сухой день может привести к накоплению статического заряда с напряжением в десятки тысяч вольт, однако ток его освобождения будет настолько мал, что его зачастую невозможно будет даже почувствовать. Именно низкие значения тока не дают статическому заряду нанести человеку вред, когда происходит мгновенный разряд.[2]

С другой стороны, такие напряжения могут быть опасны для элементов различных электронных приборов — микропроцессоров, транзисторов и т. п. Поэтому при работе с радиоэлектронными компонентами рекомендуется принимать меры по предотвращению накопления статического заряда.

Условия возникновения явления и способы передачи зарядов

Мы рассказали, как объясняется это явление в природе, а теперь давайте рассмотрим, как можно наэлектризовать тела. Сразу отметим, что выполнение всех условий необязательно – электризация может происходить по тем или иным причинам, разделим их на две основных группы:

Первая — это механическое взаимодействие. При трении расстояние между предметами сопоставимо расстоянию между молекулами в нём. Так как электроны в одном из тел слабее связаны с ядром – они переходят «вырываются» на другое тело. Другими способами электризации являются удар и соприкосновение.

Вторая группа — электризация влиянием, то есть явление наблюдается при воздействии на тело внешних сил, среди которых:

Электрическое поле. В результате воздействия поля на проводник на его поверхности появляются заряды, причем чем меньше радиус изгиба поверхности – тем больше зарядов здесь скопится. Так на острие будет больше всего зарядов, подробнее этот вопрос мы рассматривали в статье https://samelectrik.ru/kak-raspredelyayutsya-zaryady-v-provodnike-pri-protekanii-toka.html и здесь https://samelectrik.ru/chto-takoe-provodniki-poluprovodniki-i-dielektriki.html

Воздействие светом. Открыто профессором А.Г. Столетовым в 1888 году, заключается в том, что при воздействии светом на цинк, алюминий, цезий, натрий, свинец, калий и другие металлы они теряют электроны и становятся заряженными положительно.
Теплом. При нагревании металла электронам сообщается энергия достаточная для того чтобы покинуть пределы металла, в результате он приобретает положительный заряд.
Химическая реакция. При наличии двух электродов из разных металлов происходят окислительно-восстановительные реакции, в результате один из них становится заряженным положительно, а второй – отрицательно. Подробнее мы это рассматривали в статье про анод и катод.
Под давлением. В пьезоэлектриках (кварц, сегнетовая соль, фосфат аммония), при механическом воздействии (сжатии или растяжении), на гранях образуются положительные и отрицательные заряды.

Это и есть основные виды электризации.

Три способа электризации тел

Электрически нейтральное тело можно наэлектризовать разными способами:

трением;
прикосновением;
наведением (электростатической индукцией).

Электризация трением

Электризация трением происходит, когда вы трёте один предмет о другой.

Проведите эксперимент. Возьмите небольшой лист бумаги и пластмассовую ручку. Потрите ручку о волосы, а потом прикоснитесь к бумаге. Вы наэлектризовали ручку трением о волосы.

Электризация прикосновением

При взаимодействии двух тел, одно из которых наэлектризовано, незаряженное тело получает электрический заряд, если к нему прикоснуться заряженным. Если поднести пластмассовую ручку, обладающую положительным зарядом, к нейтральному стержню электроскопа, то произойдёт перераспределение заряда. Электроны стержня будут притягиваться положительным зарядом ручки (перетекать на ручку). Соответственно, на стержне образуется недостаток электронов, то есть положительный заряд. Причём равный по величине заряду ручки.

Электризация наведением (электростатическая индукция)

Этот способ электризации означает, что вы подносите заряженный предмет к изолированному проводнику, но не прикасаетесь к нему. Тогда на проводнике появляются заряды, притом на той его части, которая ближе к предмету, эти заряды противоположного знака. А на дальнем конце образуется заряд того же знака, что и на заряженном предмете.

При удалении заряженного предмета заряды на проводнике пропадают. Но если до удаления предмета разделить проводник на две части, то заряды на них сохранятся.

Какие законы физики связаны с электризацией

Явление электризации связано с такими физическими законами как:

Закон Кулона. Описывает силу, с которой взаимодействуют заряды. Таким образом можно определить, как сильно наэлектризованные тела притягиваются друг к другу.
Закон сохранения заряда. В нём сказано, что алгебраическая сумма зарядов в замкнутой системе неизменна. Это говорит о том, что избыточные заряды на электризованных предметах не появляются из ниоткуда, а переходят с тела на тело.

Мы уже рассматривали эти законы, вы можете ознакомиться подробнее в соответствующих статьях, на которые мы сослались.

Молнии

Основная статья: Молния

В результате движения воздушных потоков, насыщенных водяными парами, образуются грозовые облака, являющиеся носителями статического электричества. Электрические разряды образуются между разноименными заряженными облаками или, чаще, между заряженным облаком и озоновым слоем земли, с последующим разрядом на землю. При достижении критической разности потенциалов происходит разряд молнии между облаками, на земле или в околокосмическом слое планеты. Для защиты от молний устанавливаются молниеотводы, проводящие разряд напрямую в землю.

Помимо молний, грозовые облака могут вызывать на изолированных металлических предметах опасные электрические потенциалы из-за электростатической индукции.

В 1872 году экспедицией под руководством географа Генри Ганнетта[en] была покорена 13-я по высоте гора штата Монтана (США)[en]. Ей дали название Электрический пик

, так как у первопроходцев-покорителей, находящихся на вершине, после грозы начали сыпаться искры из пальцев рук и волос на голове[3][4][5].

Делимость электрического заряда. Электрон

В эксперименте с электрометрами металлическим стержнем часть заряда переносится от одного электрометра на другой. Из опыта видно, что заряд делится. Если коснуться стержня второго электрометра рукой, то заряд с него снимется, и распределится по всему телу (человеческое тело является хорошим проводником электричества). Если снова соединить приборы стержнем из металла, оставшийся заряд опять разделится. При повторении тех же шагов заряд каждый раз будет делиться. Кажется, что этот процесс будет происходить до бесконечности.

Заряды постепенно настолько уменьшаются, что электрометр уже не в состоянии их измерить. Уже очень точные опыты показали, что делить заряд до бесконечности нельзя, существует наименьший электрический заряд, который поделить уже нельзя. Называют его элементарным зарядом с абсолютной величиной e. Заряды измеряют в кулонах (Кл) в честь Шарля Кулона, французского физика.

Элементарным электрическим зарядом с отрицательным знаком обладает частица электрон (греч. «еlectron» – «янтарь»).

Передача (проведение) электричества

Все ли вещества могут одинаково передавать электрический заряд? Ответ можно получить с помощью двух электрометров, металлического стержня и эбонитовой палочки. Стержень и палочка крепятся к пластмассовой ручке.

а – сообщить первому электрометру заряд, коснувшись шарика каким-либо заряженным телом;
б – стержнем из металла соединить оба электрометра. Половина заряда с первого электрометра перейдет на второй;
в – соединить электрометры эбонитовой палочкой. Перехода заряда не наблюдается.

Вещества, способные проводить электрические заряды, как в случае под буквой б, называются проводниками (металлы, кислотные, щелочные и солевые растворы). Вещества, с помощью которых нельзя передать заряды, называются диэлектриками (изоляторами). Хорошие диэлектрики – это резина, стекло, эбонит, фарфор, пластмассы, воздух и др.

В повседневной жизни

Вокруг нас постоянно происходит электризация тел. При трении некоторых предметов она становится настолько высокой, что к ним притягиваются даже габаритные тяжелые детали. В домашних условиях наблюдать процесс электризации можно следующим образом:

Одеваем домашние тапочки матерчатые, только не с резиновой подошвой. Натираем длительно ногами по ковру или деревянному полу. И если коснуться кончиком пальцев с напарником, то получите разряд. В темноте будет видно как он сверкает.
Часто незаземленные холодильники и стиральные машины тоже бились статическим электричеством. Это происходило по причине трения вращающихся частей.
Электризуются ладони после трения их о ту же шерсть или шелк. Одежда на человеке притягивает разного рода пушинки, ворсинки по причине электризации. Девочки убирают её спреями-антистатиками, чтобы юбка не липла к ногам во время ходьбы.

Телевизоры по этой же причине притягивают пыль к экранам и корпусу. А воздушный шарик, натертый о волосы головы, можно надолго подвесить к потолку. Происходит притяжение заряженной поверхности к обоям или другому покрытию.

Что такое электризация тел и как она происходит

Вы замечали, что когда снимаете свитер или футболку летят искры и слышны потрескивания? А когда вы выходите из машины и вас бьёт током? Это статическое электричество или электризация тел. Она возникает в результате накопления электрических зарядов разных знаков на объектах с последующей их компенсацией. В этой статье мы кратко рассмотрим данное явление, причины его возникновения, а также способы применения как в быту, так и в промышленности.

Определение

Напомним: в физике выделяют два рода зарядов – положительные и отрицательные, или протоны и электроны. Между ними возникает электрическое поле. Одноименные заряды притягиваются, а разноименные отталкиваются.

Условия возникновения явления и способы передачи зарядов

Электрическое поле. В результате воздействия поля на проводник на его поверхности появляются заряды, причем чем меньше радиус изгиба поверхности – тем больше зарядов здесь скопится. Так на острие будет больше всего зарядов, подробнее этот вопрос мы рассматривали в статье https://samelectrik.ru/kak-raspredelyayutsya-zaryady-v-provodnike-pri-protekanii-toka.html и здесь https://samelectrik.ru/chto-takoe-provodniki-poluprovodniki-i-dielektriki.html

Воздействие светом. Открыто профессором А.Г. Столетовым в 1888 году, заключается в том, что при воздействии светом на цинк, алюминий, цезий, натрий, свинец, калий и другие металлы они теряют электроны и становятся заряженными положительно.
Теплом. При нагревании металла электронам сообщается энергия достаточная для того чтобы покинуть пределы металла, в результате он приобретает положительный заряд.
Химическая реакция. При наличии двух электродов из разных металлов происходят окислительно-восстановительные реакции, в результате один из них становится заряженным положительно, а второй – отрицательно. Подробнее мы это рассматривали в статье про анод и катод.
Под давлением. В пьезоэлектриках (кварц, сегнетовая соль, фосфат аммония), при механическом воздействии (сжатии или растяжении), на гранях образуются положительные и отрицательные заряды.

Это и есть основные виды электризации.

Какие законы физики связаны с электризацией

Явление электризации связано с такими физическими законами как:

. Описывает силу, с которой взаимодействуют заряды. Таким образом можно определить, как сильно наэлектризованные тела притягиваются друг к другу. . В нём сказано, что алгебраическая сумма зарядов в замкнутой системе неизменна. Это говорит о том, что избыточные заряды на электризованных предметах не появляются из ниоткуда, а переходят с тела на тело.

Применение на практике

Явление электризации имеет как положительные и отрицательные проявления. Примеры положительного применения:

Использование электростатических фильтров пыли для очистки воздуха в системах вентиляции на производстве и в быту. Особенно актуально, если в процессе производства возникает много пыли.
Окраска автомобилей и других металлических изделий. С помощью электростатических распылителей удаётся зарядить краску отрицательно, кузов автомобиля заземляется. В результате частицы краски притягиваются к кузовным деталям авто. Качество покраски улучшается, а расход краски уменьшается.
Электростатическое копчение мяса и рыбы, позволяет значительно ускорить процесс копчения.
Создание искусственного меха или декоративных ворсистых покрытий. Мелкий ворс пропускают через сетку, из-за взаимодействия с электрическим полем ворс падает ровным слоем перпендикулярно покрываемой поверхности, предварительно обработанной клеевым составом.

Также есть ряд применений для очистки, сортировки, фильтрации, а также в медицине для ускорения лечения.

Отрицательное влияние электризации может привести к фатальным последствиям:

Возникновение искр при соприкосновении заряженных предметов. К таким случаям можно отнести искры в быту, которые проскакивают, когда вы снимаете свитер, когда вас бьёт током при выходе из машины. Например, самолёт в полёте электризуется и при подведении к нему трапа могут проскочить искры, а из-за этого возможно воспламенение, поэтому сначала снимают заряд с самолёта. Также известны случаи воспламенения нефтяных танкеров из-за электризации.
Явление приводит к появлению больших электрических зарядов, они могут привести к выходу из строя электронных компонентов в технике, как при производстве техники, так и в процессе эксплуатации или ремонта. Это происходит в результате разрядки инструмента на печатную плату. Поэтому мастера по ремонту электроники должны работать в заземленных электрических браслетах и заземленными паяльниками и прочим. В современной элементной базе есть ряд технических решений по минимизации влияния электризации на их работу. Например, установка диодов Зенера параллельно цепи ЗАТВОР-ИСТОК полевых транзисторов.

Интересно! Известен случай, когда при покрытии лаком печатных плат после монтажа электронных компонентов, наблюдалась большая отбраковка, при том, что все изделия проходили проверку до покрытия лаком. Возник вопрос: как избавиться от проблемы электризации? Проблема решилась заземлением краскопульта.

Для закрепления материала рекомендуем также просмотреть полезные видео по теме:

Мы кратко объяснили явление электризации тел и рассказали, при каких условиях происходят процессы появления зарядов на предметах. Электризация важна в производстве и она нашла массу полезных применений. К сожалению, если не предусмотреть способы решения отрицательных проявлений, предотвратить ненужные искры в местах с вероятностью взрывов – оно приведет к серьезным проблемам.

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:

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.
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:

Закон, справедливый для описания силы взаимодействия зарядов, то есть Закон Кулона. Этот закон позволяет определить силу притяжения между телами.
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.

Электризация тел

т. е. возникновение в них электрического состояния происходит при чрезвычайно разнообразных процессах, совершаемых с этими телами. Почти всякое механическое действие, производимое с твердым телом, как, напр., трение об это тело или надавливание на него другого тела, скобление, раскалывание, сопровождается развитием электричества. Так же точно электризуются тела при многих химических действиях; некоторые вещества электризуются при отвердевании; некоторые соли весьма сильно электризуются при своем выкристаллизовании из растворов. Является электричество и в жидкостях при трении этих жидкостей о твердые тела и даже при трении их о некоторые другие жидкости. Наконец, даже простое соприкосновение двух каких-либо разнородных тел, все равно, будут ли эти тела твердые или жидкие, вызывает в обоих этих телах электрическое состояние. Во всех приведенных случаях причиной Э. тел является одно и то же, а именно прикосновение, контакт разнородных тел. Первый Александр Вольта своими опытами, произведенными в самые последние годы XVIII в., доказал, что при прикосновении друг с другом двух каких-либо проводящих электричество тел, но непременно отличающихся одно от другого по химическому составу, происходит Э. обоих этих тел, причем одно из них заряжается положительным электричеством, другое — отрицательным. Количества двух этих противоположных электричеств, являющихся на соприкасающихся телах, равны между собой. Вольта нашел, что металлы и другие твердые проводники, не подвергающиеся, как скажем теперь, электролизу, т. е. не разлагающиеся на химически составные части при прохождении через них электрического тока (проводники первого класса), по своей способности электризоваться при контакте могут быть расположены в известной последовательности (ряд Вольты) — так, что всякое тело при прикосновении с любым из тел, стоящих в этом ряду дальше, электризуется положительно и при прикосновении с любым из тел, ему предшествующих, электризуется отрицательно. Вольта дал следующий ряд тел:

Впоследствии, при исследовании более чистых химически металлов, их расположение оказалось несколько иным, и в настоящее время мы можем расположить металлы в такой ряд:

+ алюминий, цинк, олово, кадмий, свинец, сурьма, висмут, нейзильбер, латунь, ртуть, железо, сталь, медь, серебро, золото, угли, уран, теллур, платина, палладий.

Химически сложные жидкости и вообще проводники, разлагающиеся от действия тока (проводники второго рода), не могут быть помещены в ряд Вольты вместе с проводниками первого класса; они и отдельно от последних не составляют подобного ряда.

Если заменить выражение электрическое напряжение, употребленное Вольтой для характеристики электрического состояния, являющегося в теле, выражением потенциал, то можно следующим образом формулировать количественный закон, который был найден Вольтой и затем подтвержден многочисленными исследованиями последующих ученых. При соприкосновении двух разнородных проводящих тел на них являются различные потенциалы, неодинаковые при различных условиях, но тем не менее такие, что разность между этими потенциалами получается всегда одна и та же, если только вещества и температура двух испытуемых тел остаются без изменения. Эта разность потенциалов не зависит от формы и размеров тел, а от величины поверхности соприкосновения и от электрического состояния, в котором находятся тела. Она определяется лишь природой тел и, как было найдено позже, температурой их. Разность потенциалов, являющихся на двух каких-либо соприкасающихся друг с другом проводниках первого класса, равна сумме разностей потенциалов, возникающих при соприкосновении попарно (при той же температуре и при той же окружающей их газовой среде) всех проводников, стоящих в ряду Вольты между двумя взятыми. Из этого следует, что в цепи, составленной из произвольного числа различных металлов, имеющей повсюду одну и ту же температуру и оба конечных звена из одного и того же вещества, разность потенциалов на концах равна нулю, или, что то же, в замкнутой цепи, образованной из какого угодно числа разнородных проводников первого класса, если только все части цепи имеют одну и ту же температуру, не может существовать ток без какой-либо внешней причины (индукции). Проводники второго класса, вообще не имеющие места в ряду Вольты, не обладают и этой количественной зависимостью между разностями потенциалов при прикосновении друг с другом. Вследствие этого в цепи, состоящей из проводников первого класса и хотя бы одного проводника второго класса, на конечных звеньях, приготовленных из одного и того же вещества, получается разность потенциалов, равная сумме разностей потенциалов, соответствующих всем парам соприкасающихся разнородных частей цепи. Такую цепь и представляют собой так наз. гальванические элементы. Благодаря существованию разности потенциалов на конечных звеньях подобных цепей на полюсах элементов или полюсах батареи, составленной из последних, и возникает электрический ток, когда эти полюсы соединяются друг с другом каким-либо проводником (когда замыкается цепь). Разность потенциалов, являющаяся на полюсах элемента или батареи, когда эти полюсы не соединены друг с другом проводником, т. е. когда элемент или батарея не замкнуты, и представляет собой то, что носит название электродвижущей силы этого элемента или этой батареи. Дальнейшие исследования обнаружили, что Э. при контакте, т. е. так называемое явление Вольты, получается не только тогда, когда приводятся в прикосновение друг с другом два тела, отличающиеся одно от другого химически, но и тогда, когда эти тела только физически неоднородны. Достаточно различия в плотностях или в температурах, чтобы при соприкосновении тел получилось явление Вольты. Явление Вольты получается и при контакте разнородных непроводников, равным образом и при контакте проводника и непроводника, а также и при контакте металлов с газами. Впрочем, до сих пор существует иное воззрение на причину Э. По мнению некоторых, Э. при соприкосновении двух разнородных тел получается только тогда, когда между соприкасающимися веществами происходит химическое соединение или существует в них стремление к такому химическому действию. Если два тела не могут образовать химического соединения и тем не менее электризуются при соприкосновении, то явление это объясняют влиянием окружающей среды, влиянием кислорода воздуха, когда опыт, как это обыкновенно бывает, производится в воздухе. Говорят, что в этом случае неодинаковое химическое действие окружающей среды на то и другое из соприкасающихся тел обусловливает возникновение разности потенциалов на этих телах. По этой теории теплота, развивающаяся при химическом соединении эквивалентов двух тел, и определяет величину разности потенциалов, возникающую при соприкосновении этих тел. Хотя до настоящего времени мы не имеем ни одного вполне строгого опытного доказательства правильности идеи Вольты, что одно соприкосновение двух разнородных тел является причиной Э. этих тел, но, с другой стороны, мы не имеем также и ни одного вполне безупречного доказательства неверности этой идеи. Приводимые против мнения Вольты факты могут быть истолкованы в пользу последнего. Наконец, имеются и некоторые косвенные указания справедливости объяснения Вольты. Развивающаяся в настоящее время электронная теория (см.) в вопросе об Э. при контакте стоит на стороне учения Вольты. Было упомянуто, что наблюдается Э. и при контакте двух разнородных изоляторов. Весьма интересные опыты Хоорвега показали, что изоляторы не подчиняются ряду Вольты. Такой результат находится в соответствии с другими свойствами изоляторов. Ни один из изоляторов не представляет собой абсолютного непроводника электричества. Все изоляторы хотя слабо, но все-таки проводят ток и в этом отношении уподобляются проводникам второго класса, а следовательно, и не могут поместиться в ряду Вольты.

Возникновение Э. при трении двух разнородных тел, причем и в этом случае разнородность может быть не по существу, не химическая, а лишь физическая, обязано контакту этих тел. При трении происходит лишь непрерывное изменение места прикосновения, вследствие чего и развивается большое количество электричества. Исследуя Э., получающуюся в различных металлах при трении их о смесь серы и гуттаперчи, Гоген нашел возможным расположить металлы в ряд, причем ряд этот получился схожим с рядом Вольты. По мнению проф. П. А. Гезехуса (“Журн. Русск. физ.-хим. общ.”, 1901, т. XXXIII, стр. 89), “некоторые несовпадения и несоответствия в рядах соприкосновения (ряд Вольты) и трения (ряд Гогена) несущественны; они обусловливаются, главным образом, изменениями температуры при трении”. Заметим, что гладкое стекло при трении о кожу, покрытую амальгамой (амальгама Киенмайера представляет собой сплав ртути, цинка и олова), электризуется всегда положительно; смола, а также роговой каучук при трении о мех или шерсть электризуются отрицательно. В следующем перечне тела распределены в таком порядке, что на каждом развивается электричество положительное при натирании его одним из последующих тел и отрицательное — при трении одним из предшествующих: мех, полированное стекло, шерстяные ткани, перья, дерево, бумага, шелк, шеллак, смола, матовое стекло.

Очевидно, что при надавливании одного тела на другое, отличное от первого, при скоблении, раскалывании, при химических реакциях, при кристаллизации, при отвердевании, наконец, при быстром обращении жидкости в пар, когда образующиеся пары, увлекающие с собой капельки жидкости, а также и твердые частички, находящиеся в жидкости, прикасаются к стенкам сосуда, в котором находится жидкость, во всех этих случаях мы имеем контакт разнородных веществ, а следовательно, имеем причину возбуждения электрического состояния в этих телах. Весьма тщательно произведенные опыты показали, что само по себе испарение или даже кипение какой-либо жидкости, если только в последнем случае удалена возможность трения увлекаемых парами капелек жидкости о твердые предметы, не сопровождается Э.

Интересные явления Э. наблюдаются в телах кристаллических. Еще в начале XVIII стол. было известно, что кристалл турмалина при нагревании или охлаждении является наэлектризованным на поверхности, причем на двух его концах наблюдается разноименное электричество. На том и другом конце турмалина знак электричества меняется в противоположный, как только вместо нагревания начинается охлаждение кристалла. В настоящее время мы знаем, что подобная Э. при изменении температуры кристалла наблюдается во всяком кристалле, имеющем оси, не тождественные одна другой, причем при повышении температуры получается Э., противоположная той, какая возникает при понижении температуры. В кристаллах, в которых обнаруживается гемиморфизм, являются при изменении температуры на обоих концах гемиморфной оси взаимно противоположные электричества. В кристаллах с одинаковым развитием обоих концов каждой оси, т. е. не показывающих гемиморфизма, наблюдается одинаковая полярность на обоих концах одной оси, места же с различными по знаку электричествами соответствуют в этих кристаллах концам различных осей. Возбуждение электричества прекращается, как только кристалл всею своею массой принимает одну и ту же температуру. Электричество, явившееся на поверхности кристалла при изменении его температуры, может вследствие дурной проводимости кристалла сохраняться на нем продолжительное время. Улучшение проводимости кристалла с увеличением температуры его дает возможность получить при нагревании этого кристалла электрический ток в проводнике, соединяющем две части поверхности кристалла. Все подобные явления носят название явлений пироэлектричества. Термин “пироэлектричество” был введен в науку Брюстером (см. Пьезо- и Пироэлектричество). Замечено, что в некоторых кристаллах наблюдается развитие электричества не только при непосредственном нагревании или охлаждении их, но и при простом освещении лучами света, в особенности лучами большой преломляемости (цветные плавиковые шпаты). Это явление было исследовано Ганкелем и им было названо явлением фотоэлектричества. К этой же области явлений относят обыкновенно возникновение разности потенциалов на двух чистых металлических пластинках или же на пластинках, покрытых хлористыми или йодистыми соединениями их металлов, находящихся в воде или в каком-либо растворе кислоты или соли, когда одна из этих пластинок подвергается освещению лучами большой преломляемости.

В довольно близкой связи с явлениями пироэлектричества находится другая категория явлений в кристаллах, а именно явления пьезоэлектричества, т. е. возбуждение в кристаллах электричества сжатием. И в пьезоэлектрических явлениях на распределение электричества по поверхности кристалла оказывает главное влияние строение кристалла (см. Пьезо- и пироэлектричество). По всей вероятности, как пьезоэлектрические, так и пироэлектрические явления происходят от одной и той же причины. Как при сдавливании кристаллов являются натяжение и внутреннее давление в слоях их, так подобное же натяжение и давление вызываются и изменением температуры кристаллов. Вследствие возникновения упругих натяжений и к тому же неодинаковых по разным направлениям, так как кристаллы суть тела анизотропные, получается разнородность в отдельных прилегающих друг к другу слоях кристаллов, что и является причиной возбуждения электрического состояния. Иная, по-видимому, причина Э. встречается в явлениях термоэлектричества, открытых в 1822 г. Зеебеком. Зеебек нашел, что если к двум концам какого-либо металлического стержня, проволоки или полоски припаять по проволоке какого-нибудь другого металла, то при нагревании одного из спаев или охлаждении другого, одним словом, при сообщении разности температур этим спаям обе конечные проволоки, а также и другие соединенные с ними тела являются противоположно наэлектризованными. При изменении нагреваемого спая меняется и знак Э. на той и другой проволоке. На самом деле причина термоэлектричества заключается опять-таки в возникновении явления Вольты. Но в этом случае явление Вольты получается не только в самом месте соприкосновения двух разнородных металлов, но и в слоях обоих металлов на некотором расстоянии от нагреваемого или охлаждаемого места соприкосновения их. В самом деле от места соприкосновения двух металлов, нагреваемого или охлаждаемого, температура распределяется в обоих телах или убывая в обе стороны, или возрастая в обе стороны. Таким образом, следующие друг за другом слои одного и того же металла получаются отличающимися один от другого по температуре, т. е. являются неоднородными, а следовательно, в месте соприкосновения этих слоев должно возбудиться явление Вольты. Итак, Э. концов цепи, составленной из разнородных тел, при существовании различия в температурах в местах соприкосновения этих тел, т. е. Э. вследствие явления термоэлектричества, представляет собой результат возникновения явления Вольты как в местах соприкосновения различных частей этой цепи, так и в самих этих частях. Явления термоэлектричества относятся, таким образом, к той же группе явлений, к которой принадлежат явления Э. при соприкосновении, трении, химическом действии и т. д.

Вполне отличными от всех приведенных случаев Э. представляются: 1) явления возбуждения электрического состояния в проводящих телах действием индукции в электрическом и магнитных полях и 2) явление возбуждения электрического состояния проводящего тела, металла, при освещении этого тела лучами большой преломляемости, точнее — лучами ультрафиолетовыми. Опыты показывают, что в любом проводящем теле, когда оно изолировано, являются одновременно два электричества, и положительное, и отрицательное, как только это тело вносится в электрическое поле, т. е. помещается в некотором расстоянии от другого наэлектризованного тела и отделяется от последнего непроводящей средой. Это явление Э. носит название электростатической индукции. Если данное проводящее тело не изолировано, на нем вследствие индукции получается всегда электричество, противоположное по знаку тому электричеству, которое находится на другом наэлектризованном, индуктирующем теле. Фарадей нашел, что подобное же возбуждение двух противоположных электричеств в проводящем теле получается и тогда, когда это тело находится в магнитном поле, причем напряжение этого поля в точках пространства, занимаемого телом, подвергается непрерывному изменению или само тело находится в определенном движении в этом поле. Существенная разница между этими двумя случаями индукции заключается именно в том, что в электрическом поле при полном постоянстве его напряжения и неизменности положения проводящего тела возникает и поддерживается постоянным электрическое состояние этого тела; напротив, в поле магнитном возбуждается Э. только или при изменении напряжения поля в месте, занимаемом телом, или при движении тела, соединенном с перерезыванием им магнитных силовых линий. Согласно опытам Фарадея, вполне подтвердившимся исследованиями последующих экспериментаторов, являющаяся вследствие индукции магнитного поля разность потенциалов e на концах какого-нибудь проводника, выражается числом магнитных силовых линий, перерезываемых этим проводником в единицу времени, т. е. e выражается формулой e = dn/dt. Эта разность потенциалов, или, как она называется обыкновенно, электродвижущая сила индукции, не зависит от вещества проводника. Возбуждение электрического состояния в металле, а именно появление на нем положительного электричества, когда этот металл подвергается освещению ультрафиолетовыми лучами, наблюдается лучше всего при чрезвычайно сильном разрежении газа, в котором находится металл. Причина этому — возникновение на поверхности металла при действии на него ультрафиолетовых лучей катодных лучей, т. е. выбрасывание при этих условиях поверхностью металла отрицательных электронов. Вообще, как впервые показал это на опыте Гальвакс, ультрафиолетовые лучи, падая на отрицательно наэлектризованный металл, вызывают исчезновение с этого металла электричества, т. е. возбуждают рассеяние отрицательного электричества в воздухе. На заряд положительный ультрафиолетовые лучи не влияют. Это явление, названное актиноэлектрическим, послужило предметом исследований А. Г. Столетова, Риги, Эльстера, Гейтеля, Томсона и др. Из опытов, произведенных в последние годы, главным образом при участии лорда Кельвина (В. Томсона), оказалось, что на двух разнородных металлах, отделенных друг от друга воздухом, возникает разность потенциалов, когда сквозь этот воздух проходят лучи Рентгена. Эта разность потенциалов одинакова с той, какая получается на этих металлах при непосредственном прикосновении их друг к другу.

Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон . 1890—1907 .

Электризация тел, взаимодействие зарядов

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.

Закон сохранения электрического заряда

Электричество — везде, и не только в розетках. Оно встречается, когда мы гладим собаку, отклеиваем пищевую пленку или приклеиваем скотч.

О чем эта статья:

8 класс, 10 класс

Электрический заряд

Электрический заряд — это физическая величина, которая определяет способность тел создавать электромагнитное поле и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.

Мы состоим из клеток, клетки состоят из молекул, молекулы в свою очередь состоят из атомов, а атомы — из ядра и электронов. Ядро состоит из протонов и нейтронов.

Протон — это частица, которая заряжена положительно, нейтрон — нейтрально, а электрон — отрицательно. Электроны вращаются по орбитам, которые во много раз больше, чем размер электрона.

Размер электрона с размером орбиты можно сравнить так: представьте футбольный мяч и футбольное поле. Во сколько раз поле больше мяча, во столько же раз орбита больше, чем электрон.

Как мы уже выяснили, электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются:

А вот измерять Электрический заряд мы будем в Кулонах [Кл]. Нет, не тех, что болтаются на цепочке. Шарль Кулон — это физик, который изучал электромагнитные явления.

Электризация

Чтобы разобраться с тем, как тело приобретает электрический заряд и сохраняет его, нам для начала нужно поближе познакомиться с протоном и электроном. Протон — ленивый и неповоротливый — он точно не будет никуда перемещаться, если мы не переместим атом целиком.

А вот электрон — парень подвижный, и ему перебежать с одного атома на другой — ничего не стоит.

Мы поговорим о двух типах электризации: электризация соприкосновением и электризация трением.

Электризация соприкосновением — это процесс, при котором мы берем два проводящих тела: отрицательно заряженное и нейтральное.

Свободные электроны переходят с незаряженного тела на нейтральное. А если мы возьмем положительно заряженное тело вместо отрицательного, то свободные электроны перейдут с нейтрального тела, чтобы уравновесить заряды.

Электризации трением — это когда мы берем два незаряженных тела и трем их друг о друга.

Электроны переходят от одного тела к другому и в отличии от электризации соприкосновением заряжаются противоположными по знаку и равными по модулю зарядами.

То есть при соприкосновении заряд раздают одного знака и поровну. Как если бы ты поделился с другом конфетами, которых у тебя с избытком.

При трении наоборот — заряды у тел будут разных знаков, но также в одинаковом количестве. Например, у вас есть равное количество денег в рублях и долларах, и у меня аналогичная ситуация с той же суммой. Вы решили лететь в США, а мне как раз доллары не нужны. Чтобы не ходить в банк, мы можем просто поменяться. Тогда у вас будут только доллары, а у меня — только рубли. Главное, договориться про курс 🙂

Давайте решим пару задач по этой теме.

Задачка один

Из какого материала может быть сделан стержень, соединяющий электрометры, изображённые на рисунке?

Решение:

Он может быть сделан либо из проводника, либо из диэлектрика. Проводник пропускает через себя заряды, а диэлектрик — нет. Если мы посмотрим на показания электрометров, то увидим, что они отличаются.

Как мы помним, при соприкосновении заряды уравниваются по величине (один электрометр делится конфетами с другим). В данном случае никто ни с кем не делился, это значит, что стержень не пропускает — он диэлектрик. И стекло, и эбонит являются диэлектриками. Значит подходят оба варианта!

Ответ: стержень может быть сделан как из стекла, так и из эбонита.

Задачка два

В процессе трения о шёлк стеклянная линейка приобрела положительный заряд. Как при этом изменилось количество заряженных частиц на линейке и шёлке при условии, что обмен при трении не происходил?

А) количество протонов на стеклянной линейке

Б) количество электронов на шёлке

Решение:

Вспомните, как мы охарактеризовали протон: он ленивый и неподвижный! Значит количество протонов ни на стеклянной линейке, ни на шелке измениться просто не может. Мы же не отламываем кусок линейки вместе с атомами, из которых она состоит. А вот электроны охотно перемещаются. Нам известно, что линейка приобрела положительный заряд. Получается, электроны сбежали от нее к шелку. Следовательно, количество электронов на шелке увеличилось.

Ответ: количество протонов на стеклянной линейке не изменилось, а количество электронов на шелке увеличилось.

Классический курс физики для 10 класса поможет разобраться в законе сохранения заряда и других непростых темах.

Электростатическая индукция

Кажется, с электризацией разобрались. Теперь разберемся, что произойдет, если мы поднесем одно тело к другому, но не вплотную. Произойдет такое явление, как электростатическая индукция — явление перераспределения зарядов в нейтрально заряженных телах.

Давай разбираться на примере задачи:

На нити подвешен незаряженный металлический шарик. К нему снизу поднесли положительно заряженную палочку. Как изменится при этом сила натяжения нити?

Решение:

Здесь важно подчеркнуть, что незаряженный — значит заряжен нейтрально. То есть в теле равное количество положительных и отрицательных зарядов.

Электроны металлического шарика будут перемещаться вниз и притягиваться к поднесенной положительной палочке. В результате шарик притягивается к палочке, следовательно, сила натяжения нити увеличивается.

Ответ: сила натяжения нити увеличивается

Поляризация диэлектрика

Давайте возьмем два, на первый взгляд, одинаковых задания из ЕГЭ.

Задание 1

Если к незаряженному металлическому шару поднести, не касаясь, точечный положительный заряд, то на стороне шара, ближайшей к заряду, появится отрицательный заряд. Как называется это явление?

Мы только что это разобрали: это электростатическая индукция.

Задание 2

Если к незаряженному диэлектрическому шару поднести, не касаясь, точечный положительный заряд, то на стороне шара, ближайшей к заряду, появится отрицательный заряд. Как называется это явление?

Кажется, что очень похоже на электростатическую индукцию, но это явление будет называться поляризация. В чем разница:

В первом случае — это проводник, а во втором — диэлектрик. Если не вдаваться в подробности, то поляризация диэлектрика — процесс, очень похожий по природе своей на электростатическую индукцию, только происходит в непроводящих материалах.

Закон сохранения электрического заряда

И последнее, о чем мы сегодня поговорим — этот закон сохранения заряда

Алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

Закон сохранения заряда

q₁, q₂, q₃, …, q_n — заряды электрически замкнутой системы [Кл]

Задачка раз

У нас есть два металлических шарика. Один имеет положительный заряд 2q, а другой — отрицательный −3q. Шарики соприкасаются, после чего их разъединяют. Каков конечный заряд каждого шарика?

Решение:

Для решения этой задачи нам нужно найти алгебраическую сумму зарядов.

Это суммарный заряд шариков и до, и после и во время взаимодействия.

Так как суммарный заряд сохраняется, но шарики соприкоснулись, суммарный заряд разделится между всеми шариками поровну. То есть нам нужно суммарный заряд просто поделить на количество шариков — на 2.

И это ответ к нашей задаче.

Ответ: конечный заряд каждого шарика будет равен −0,5 Кл.

Задачка два

Металлическая пластина, имевшая положительный заряд, по модулю равный 10е, при освещении потеряла шесть электронов. Каким стал заряд пластины?

Решение:

У положительно заряженной пластины 10e забрали 6 электронов. Заряд одного электрона равен −е. Спасемся математикой и посчитаем:

q = q₀ − 6(−e) = 10e + 6e = 16e

Красный знак «минус» образуется из-за того, что мы «отнимаем» электроны, а зеленый — из-за того, что электрон отрицательный. «Минус на минус» дает плюс, поэтому мы получаем 10e + 6e = 16е.

Ответ: 16е

Задачка три

Имеются два одинаковых проводящих шарика. Одному из них сообщили электрический заряд +8q, другому −4q. Затем шарики привели в соприкосновение и развели на прежнее расстояние. Какими стали заряды у шариков после соприкосновения?

Решение:

По закону сохранения заряда сумма зарядов в замкнутой системе остается постоянной.

Два шарика привели в соприкосновение и развели, значит их суммарный заряд разделится между шариками поровну.

Ответ: заряд каждого шарика равен 2q.

Закон Кулона и связь с гравитацией

Мы уже упоминали Шарля Кулона. В честь него названа единица измерения заряда — Кулон. Он придумал закон о взаимодействии зарядов.

Закон Кулона

k — коэффициент пропорциональности

(Н · м 2 )/Кл 2 — электрическая постоянная

— диэлектрическая проницаемость среды — показывает во сколько раз сила электростатического взаимодействия в вакууме больше силы в среде (в вакууме равна 1)

q₁ — заряд первого тела [Кл]

q₂ — заряд второго тела [Кл]

r — расстояние между телами [м]

F — сила электростатического взаимодействия (кулоновская) [Н]

Мы уже знаем, что заряды бывают положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Это значит, что сила направлена туда же, куда заряд будет стремиться двигаться.

Например, у положительного заряда сила будет направлена в сторону отрицательного, если он есть где-то поблизости, и от положительного, так как одноименные заряды отталкиваются.

Согласно третьему закону Ньютона, силы одной природы возникают попарно, равны по величине, противоположны по направлению. Если взаимодействуют два неодинаковых заряда, сила, с которой больший заряд действует на меньший (В на А) равна силе, с которой меньший действует на больший (А на В).

Интересно, что у различных законов физики есть некоторые общие черты. Вспомним закон тяготения. Сила гравитации также обратно пропорциональны квадрату расстояния, но уже между массами. И невольно возникает мысль, что в этой закономерности таится глубокий смысл. До сих пор никому не удалось представить тяготение и электричество, как два разных проявления одной и той же сущности.

Сила и тут изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, но разница в величине электрических сил и сил тяготения поразительна. Пытаясь установить общую природу тяготения и электричества, мы обнаруживаем такое превосходство электрических сил над силами тяготения, что трудно поверить, будто у тех и у других один и тот же источник. Нельзя говорить, что одно действует сильнее другого, ведь все зависит от того, какова масса и каков заряд.

Рассуждая о том, насколько сильно действует тяготение, мы не вправе говорить: «Возьмем массу такой-то величины», потому что мы выбираем ее сами. Но если мы возьмем то, что предлагает нам сама Природа: ее собственные числа и меры, которые не имеют ничего общего с нашими дюймами, годами — с любыми нашими мерами, вот тогда мы можем сравнивать.

Мы возьмем элементарную заряженную частицу, например, электрон. Две элементарные частицы, два электрона, за счет электрического заряда отталкивают друг друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, а за счет гравитации притягиваются друг к другу опять-таки с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния.

Закон всемирного тяготения

F — сила тяготения [Н]

M — масса первого тела (часто планеты) [кг]

m — масса второго тела [кг]

R — расстояние между телами [м]

G — гравитационная постоянная

G = 6,67 · 10 −11 м 3 · кг −1 · с −2

Тяготение относится к электрическому отталкиванию, как единица к числу с 42 нулями. Да, это огромное число! Исследователи перебирали все большие числа, чтобы понять — откуда это взялось. Одно из таких больших чисел — это отношение диаметра Вселенной к диаметру протона — как ни удивительно, это тоже число с 42 нулями. Нормально так перебрали.

Если вы смотрели Рика и Морти, то знаете о теории параллельных вселенных и о том, что эти вселенные расширяются. Из-за расширения вселенной постоянная сила тяготения меняется. Хотя эта гипотеза еще не опровергнута, у нас нет никаких свидетельств в ее пользу. Наоборот, некоторые данные говорят о том, что постоянная сила тяготения не менялась таким образом. Это громадное число по сей день остается загадкой.

От расширяющихся вселенных и мультиков перейдем к чему-то более приземленному — к задачам.

Задачка раз

Расстояние между двумя точечными электрическими зарядами уменьшили в 3 раза, каждый из зарядов увеличили в 3 раза. Во сколько раз увеличился модуль сил электростатического взаимодействия между ними?

Решение:

Возьмем закон Кулона.

Если расстояние уменьшилось в 3 раза, то знаменатель уменьшился в 9 раз. Каждый из зарядов увеличился в три раза, значит числитель увеличился в 9 раз. Уменьшаем знаменатель в 9 раз, тем самым увеличивая всю дробь в 9 раз, увеличиваем числитель в 9 раз, получаем, что вся дробь увеличилась в 81 раз. И это ответ.

Ответ: модуль сил электростатического взаимодействия увеличится в 81 раз.

Задачка два (последняя!)

Два одинаковых маленьких отрицательно заряженных металлических шарика находятся в вакууме на достаточно большом расстоянии друг от друга. Модуль силы их кулоновского взаимодействия равен F₁. Модули зарядов шариков отличаются в 5 раз.

Если эти шарики привести в соприкосновение, а затем расположить на прежнем расстоянии друг от друга, то модуль силы их кулоновского взаимодействия станет равным F₂. Определите отношение F₂ к F₁.