Ķermeņu elektrifikācija, lādiņu mijiedarbība

Šajā rakstā mēs centīsimies sniegt diezgan vispārinātu priekšstatu par to, kas ir ķermeņu elektrifikācija, kā arī pieskarsimies elektriskā lādiņa nezūdamības likumam.

Neatkarīgi no tā, vai tas vai cits elektriskās enerģijas avots darbojas pēc principa, katrā no tiem notiek fizisko ķermeņu elektrifikācija, tas ir, elektriskās enerģijas avotā esošo elektrisko lādiņu atdalīšana un to koncentrācija noteiktās vietās, piemēram, uz avota elektrodiem vai spailēm. Šī procesa rezultātā vienā elektriskās enerģijas avota terminālī (katodā) tiek iegūts negatīvo lādiņu (elektronu) pārpalikums, bet otrā terminālī (anoda) - elektronu trūkums, t.i. pirmais no tiem ir uzlādēts ar negatīvu elektrību, bet otrais ar pozitīvu elektrību.

Pēc elektrona, elementārdaļiņas ar minimālu lādiņu atklāšanas, pēc atoma uzbūves beidzot izskaidrojamas kļuva arī lielākā daļa ar elektrību saistīto fizikālo parādību.

Materiālā viela, kas veido ķermeņus, parasti tiek uzskatīta par elektriski neitrālu, jo molekulas un atomi, kas veido ķermeni, normālos apstākļos ir neitrālas, un līdz ar to ķermeņiem nav lādiņa. Bet, ja šāds neitrāls ķermenis berzēs pret citu ķermeni, tad daži elektroni atstās savus atomus un pāries no viena ķermeņa uz otru. Šo elektronu ceļu garums šādas kustības laikā nav lielāks par attālumu starp blakus esošajiem atomiem.

Taču, ja pēc berzes ķermeņi atdalās, attālinās, tad abi ķermeņi tiks uzlādēti. Ķermenis, kuram elektroni ir nonākuši, kļūs negatīvi uzlādēts, un tas, kurš šos elektronus nodeva, iegūs pozitīvu lādiņu, kļūs pozitīvi uzlādēts. Tā ir elektrifikācija.

Pieņemsim, ka kādā fiziskā ķermenī, piemēram, stiklā, bija iespējams noņemt dažus to elektronus no ievērojama skaita atomu. Tas nozīmē, ka stikls, kurš ir zaudējis daļu elektronu, tiks uzlādēts ar pozitīvo elektrību, jo tajā pozitīvie lādiņi ir ieguvuši priekšrocības pār negatīvajiem.

No stikla izņemtie elektroni nevar pazust, un tie ir kaut kur jāliek. Pieņemsim, ka pēc tam, kad elektroni ir izņemti no stikla, tie tiek novietoti uz metāla lodītes. Tad ir acīmredzams, ka metāla lodīte, kas saņem papildu elektronus, ir uzlādēta ar negatīvu elektrību, jo tajā negatīvajiem lādiņiem ir dota prioritāte pār pozitīvajiem.

Elektrificēt fizisko ķermeni — nozīmē radīt tajā elektronu pārpalikumu vai trūkumu, t.i. traucē divu pretstatu līdzsvaru tajā, proti, pozitīvo un negatīvo lādiņu.

Elektrificēt divus fiziskus ķermeņus vienlaicīgi un kopā ar dažādiem elektriskajiem lādiņiem — nozīmē izņemt elektronus no viena ķermeņa un pārnest tos uz citu ķermeni.

Ja kaut kur dabā ir izveidojies pozitīvs elektriskais lādiņš, tad vienlaikus ar to neizbēgami jārodas tādas pašas absolūtās vērtības negatīvam lādiņam, jo ​​jebkurš elektronu pārpalikums jebkurā fiziskajā ķermenī rodas tāpēc, ka to trūkst kādā citā fiziskajā ķermenī.

Dažādi elektriskie lādiņi elektriskajās parādībās parādās kā nemainīgi pavadoši pretstati, kuru vienotība un mijiedarbība veido vielu elektrisko parādību iekšējo saturu.

Neitrālie ķermeņi elektrizējas, kad tie dod vai saņem elektronus, jebkurā gadījumā tie iegūst elektrisko lādiņu un pārstāj būt neitrāli. Šeit elektriskie lādiņi nerodas no nekurienes, lādiņi tikai atdalās, jo elektroni jau atradās ķermeņos un vienkārši mainīja savu atrašanās vietu, elektroni pārvietojas no viena elektrificēta ķermeņa uz otru elektrificētu ķermeni.

Ķermeņu berzes rezultātā radušās elektriskā lādiņa zīme ir atkarīga no šo ķermeņu rakstura, no to virsmu stāvokļa un no vairākiem citiem iemesliem. Līdz ar to nav izslēgta iespēja, ka viens un tas pats fiziskais ķermenis vienā gadījumā tiek uzlādēts ar pozitīvo, citā ar negatīvo elektrību, piemēram, metāli, berzējot pret stiklu un vilnu, negatīvi elektrizējas, bet berzējot pret. gumijas - pozitīvi.

Piemērots jautājums būtu: kāpēc elektriskais lādiņš neplūst caur dielektriķiem, bet caur metāliem? Lieta ir tāda, ka dielektriķos visi elektroni ir saistīti ar savu atomu kodoliem, tiem vienkārši nav iespēju brīvi pārvietoties pa visu ķermeni.

Bet metālos situācija ir atšķirīga. Elektronu saites metāla atomos ir daudz vājākas nekā dielektriķos, un daži elektroni viegli atstāj savus atomus un brīvi pārvietojas pa ķermeni, tie ir tā sauktie brīvie elektroni, kas nodrošina lādiņa pārnesi vados.

Lādiņu atdalīšanās notiek gan metālisku ķermeņu berzes laikā, gan dielektriķu berzes laikā. Bet demonstrācijās tiek izmantoti dielektriķi: ebonīts, dzintars, stikls. Tas tiek izmantots tā vienkāršā iemesla dēļ, ka, tā kā lādiņi nepārvietojas pa tilpumu dielektriķos, tie paliek tajās pašās vietās uz ķermeņu virsmām, no kurām tie radušies.

Un, ja berzes rezultātā, teiksim, kažokādai, metāla gabals elektrizējas, tad lādiņš, kuram ir tikai laiks pārvietoties uz savu virsmu, acumirklī iztecēs uz eksperimentētāja ķermeņa, un demonstrējums, piemēram, ar dielektriķi, nedarbosies. Bet, ja metāla gabals ir izolēts no eksperimentētāja rokām, tas paliks uz metāla.

Ja ķermeņu lādiņš izdalās tikai elektrifikācijas procesā, tad kā uzvedas to kopējais lādiņš? Vienkārši eksperimenti sniedz atbildi uz šo jautājumu. Paņemot elektrometru ar metāla disku, kas piestiprināts pie tā stieņa, novietojiet virs diska vilnas auduma gabalu šī diska izmērā. Uz audu diska uzliek vēl vienu vadošu disku, tādu pašu kā uz elektrometra stieņa, bet aprīkots ar dielektrisku rokturi.

Turot rokturi, eksperimentētājs vairākas reizes pārvieto augšējo disku, berzē to pret minēto audu disku, kas atrodas uz elektrometra stieņa diska, un pēc tam pārvieto to prom no elektrometra. Noņemot disku, elektrometra adata novirzās un paliek šajā pozīcijā. Tas norāda, ka uz vilnas auduma un uz elektrometra stieņa piestiprinātā diska ir izveidojies elektriskais lādiņš.

Pēc tam disks ar rokturi nonāk saskarē ar otro elektrometru, bet bez tam piestiprinātā diska, un tiek novērots, ka tā adata tiek novirzīta gandrīz tādā pašā leņķī kā pirmā elektrometra adata.

Eksperiments parāda, ka abi diski elektrifikācijas laikā saņēma viena un tā paša moduļa lādiņu. Bet kādas ir šo apsūdzību pazīmes? Lai atbildētu uz šo jautājumu, elektrometri ir savienoti ar vadu. Elektrometra adatas nekavējoties atgriezīsies nulles pozīcijā, kurā tās atradās pirms eksperimenta sākuma. Lādiņa tika neitralizēta, kas nozīmē, ka lādiņi uz diskiem bija vienādi pēc lieluma, bet pretēji pēc zīmes, un kopumā deva nulli, kā pirms eksperimenta sākuma.

Līdzīgi eksperimenti liecina, ka elektrifikācijas laikā tiek saglabāts kopējais ķermeņu lādiņš, tas ir, ja kopējais daudzums pirms elektrifikācijas bija nulle, tad pēc elektrifikācijas kopējais daudzums būs nulle... Bet kāpēc tas notiek? Ja berzēsiet melnkoka nūju uz auduma, tas kļūs negatīvi uzlādēts, bet audums - pozitīvi, un tas ir labi zināms fakts. Elektronu pārpalikums veidojas uz ebonīta, kad to berzē uz vilnas, un atbilstošs deficīts uz auduma.

Lādiņi būs vienādi pēc moduļa, jo cik elektronu ir pārgājuši no auduma uz ebonītu, ebonīts ir saņēmis tādu negatīvu lādiņu, un tikpat daudz pozitīvā lādiņa ir izveidojies uz audekla, jo elektroni, kas atstājuši ebonītu. audums ir auduma pozitīvais lādiņš. Un elektronu pārpalikums uz ebonīta ir tieši vienāds ar elektronu trūkumu uz auduma. Lādiņi ir pretēji pēc zīmes, bet vienādi pēc lieluma. Acīmredzot elektrifikācijas laikā tiek saglabāta pilna uzlāde; tas kopā ir vienāds ar nulli.

Turklāt, pat ja abu korpusu lādiņi pirms elektrifikācijas nebija nulle, kopējais lādiņš joprojām ir tāds pats kā pirms elektrifikācijas. Apzīmējot ķermeņu lādiņus pirms to mijiedarbības kā q1 un q2 un lādiņus pēc mijiedarbības kā q1' un q2', tad būs patiesa šāda vienādība:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

Tas nozīmē, ka jebkurai ķermeņu mijiedarbībai kopējais lādiņš vienmēr tiek saglabāts. Šis ir viens no dabas pamatlikumiem, elektriskā lādiņa nezūdamības likums. Bendžamins Franklins to atklāja 1750. gadā un ieviesa jēdzienus "pozitīvs lādiņš" un "negatīvs lādiņš". Franklins un ierosināja pretējus lādiņus norādīt ar «-» un «+» zīmēm.

Elektronikā Kirhhofa noteikumi jo strāvas tieši izriet no elektriskā lādiņa nezūdamības likuma. Vadu un elektronisko komponentu kombinācija tiek attēlota kā atvērta sistēma. Kopējais maksu pieplūdums noteiktā sistēmā ir vienāds ar kopējo maksu aizplūšanu no šīs sistēmas. Kirchhoff noteikumi paredz, ka elektroniskā sistēma nevar būtiski mainīt savu kopējo maksu.

Taisnības labad jāatzīmē, ka vislabākais elektriskā lādiņa nezūdamības likuma eksperimentālais tests ir tādu elementārdaļiņu sabrukšanas procesu meklēšana, kas būtu pieļaujami nestingras lādiņa saglabāšanas gadījumā. Šādas sabrukšanas praksē nekad nav novērotas.

Citi fizisko ķermeņu elektrifikācijas veidi:

1. Ja cinka plāksne ir iegremdēta sērskābes H2SO4 šķīdumā, tad tā tajā daļēji izšķīst. Daži no cinka plāksnes atomiem, atstājot divus elektronus uz cinka plāksnes, nonāks šķīdumā ar vairākām skābēm divkārši lādētu pozitīvo cinka jonu veidā. Rezultātā cinka plāksne tiks uzlādēta ar negatīvu elektrību (elektronu pārpalikums), bet sērskābes šķīdums tiks uzlādēts ar pozitīvo (pozitīvo cinka jonu pārpalikums). Šo īpašību izmanto, lai elektrificētu cinku sērskābes šķīdumā galvaniskajā šūnā kā galvenais elektriskās enerģijas parādīšanās process.

2. Ja gaismas stari nokrīt uz tādu metālu kā cinka, cēzija un dažu citu virsmu, tad no šīm virsmām vidē izdalās brīvie elektroni. Rezultātā metāls tiek uzlādēts ar pozitīvu elektrību, un telpa ap to tiek uzlādēta ar negatīvu elektrību. Elektronu emisiju no noteiktu metālu apgaismotām virsmām sauc par fotoelektrisko efektu, kas ir atradis pielietojumu fotoelementu šūnās.

3. Ja metāla korpuss tiek uzkarsēts līdz baltā siltuma stāvoklim, tad brīvie elektroni no tā virsmas lidos apkārtējā telpā.Rezultātā metāls, kas zaudējis elektronus, tiks uzlādēts ar pozitīvu elektrību, bet apkārtne ar negatīvu elektrību.

4. Ja pielodēsiet divu dažādu vadu galus, piemēram, bismuta un vara, un uzsildīsiet to savienojumu, tad brīvie elektroni daļēji pāries no vara stieples uz bismutu. Rezultātā vara stieple tiks uzlādēta ar pozitīvo elektrību, savukārt bismuta vads tiks uzlādēts ar negatīvu elektrību. Divu fizisko ķermeņu elektrifikācijas parādība, kad tie absorbē siltumenerģiju izmanto termopāros.

Parādības, kas saistītas ar elektrificētu ķermeņu mijiedarbību, sauc par elektriskām parādībām.

Elektrificēto ķermeņu mijiedarbību nosaka t.s Elektriskie spēki, kas atšķiras no cita rakstura spēkiem ar to, ka tie izraisa uzlādētu ķermeņu atgrūšanu un piesaisti viens otru neatkarīgi no to kustības ātruma.

Tādā veidā lādētu ķermeņu mijiedarbība atšķiras, piemēram, no gravitācijas, ko raksturo tikai ķermeņu pievilkšanās, vai no magnētiskās izcelsmes spēkiem, kas ir atkarīgi no lādiņu relatīvā kustības ātruma, izraisot magnētisko. parādības.

Elektrotehnika galvenokārt pēta elektrificēto ķermeņu īpašību ārējās izpausmes likumus — elektromagnētisko lauku likumus.

Mēs ceram, ka šis īsais raksts ir devis jums vispārēju priekšstatu par to, kas ir ķermeņu elektrifikācija, un tagad jūs zināt, kā eksperimentāli pārbaudīt elektriskā lādiņa saglabāšanas likumu, izmantojot vienkāršu eksperimentu.