Что такое мера электризации
Процесс электризации при взаимодействии зарядов тел
Порой наблюдение за обыденными природными явлениями приводит к появлению целых разделов в физике. Так и исследование взаимодействия веществ при их натирании привело к созданию науки — электростатики. Занимается она изучением возможности разделения зарядов в физических телах — электризацией. А также важным последствием этого действия — наэлектризованностью. Как оказалось, статическое электричество не всегда полезно, поэтому с ним приходится бороться.
Общие сведения
Случается так, что при стирке приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные высушенные вещи, или приводить в порядок встающие дыбом волосы во время расчёсывания. Пожалуй, многие в детстве подвешивали воздушный шар к потолку, после его трения о голову. Рассмотренные явления притяжения и отталкивания как раз и объясняются проявлением статического электричества. Действия вызывающее же его называют электризацией. Гладя кошку или снимая свитер человек сам поневоле становится генератором явления.
Процессы, которые происходят с телами при трении впервые заметил около 2500 лет тому назад древнегреческий философ Фалес Милетский. Он обнаружил, что если янтарь натереть шёлком, то он обретает способность к притягиванию различных лёгких предметов. Явление, которое он открыл, получило название янтарность. Сегодня его называют электризацией. Это название происходит от слова «электрон» — созвучно слову «янтарь» на греческом.
Изучая природное явление, учёные пришли к выводу, что на телах при трении появляется что-то новое позволяющее взаимодействовать веществам между собой. Это свойство было названо электрическим зарядом. Оказалось, что при электризации тело способно взаимодействовать с другими веществами с силой, которая больше гравитационной. Кроме этого, было обнаружено, что наэлектризованные предметы могут как притягиваться друг к другу, так и наоборот — отталкиваться.
Было установлено, что существует два вида зарядов. Исторически они были названы стеклянными и эбонитовыми из-за предметов, с помощью которых проводились опыты. Но в физике для них принято использовать другие названия:
Как оказалось, в процессе трения (электризации) заряды появлялись на обоих предметах. Причём они были различного типа. Например, если потереть полиэтилен о стеклянную палочку, а потом поднести поочерёдно оба предмета к другому стеклу, то можно обнаружить, что палочка будет отталкиваться, а полиэтилен, наоборот — пристанет к поверхности.
Таким образом, было открыто, что в спокойном состоянии общий заряд тел равен нулю. Но если выполняется электризация, то происходит его разделение, а не появление, как предполагалось ранее. Учёные по аналогии с математикой договорились считать, что притягивание связано с одинаковым знаком заряда (сумма), а отталкивание — различным (вычитание).
Проводники и диэлектрики
Любое физическое тело состоит из атомов и молекул. Они, в свою очередь, образуются из элементарных частиц — нейтронов и протонов, формирующих ядро. Вокруг него по орбиталям, расположенным на разном расстоянии, вращаются электроны. Это частица, которую назвали электроном и приняли, что она обладает отрицательным зарядом. Другими словами, способна участвовать в его переносе.
В любом теле одновременно присутствуют два вида заряда противоположных знаков, кроме отрицательного ещё и, положительный, носителем которого являются протоны. Если вещество не наэлектризовано, то количество противоположных по знаку частиц будет одинаковым. Поэтому суммарный заряд тела равняется нулю.
Кратко процесс электризации можно описать следующим образом. При взаимодействии веществ электроны с одного тела могут перейти на другое. В одном из них возникнет их избыток, и оно условно зарядится отрицательно, а во втором недостаток — вещество станет положительным. Может сложиться впечатление, что для появления эффекта обязательно нужно трение, но на самом деле это не так. С его помощью просто увеличивается число точек соприкосновения тел.
Исследование веществ позволило разделить их на два класса:
Отличие этих тел состоит в том, что в первых невозможно возникновение направленного перемещения зарядов. Например, яркими представителями проводников являются: металлы, кислоты, растворы щелочей. Из диэлектриков же можно отметить: пластмассы, стекло, газы, парафин, янтарь.
Электролизация в проводниках невозможна. Причина связана с тем, что отделить тела один от другого сразу по всей поверхности нельзя. Вследствие их шероховатости при отрыве всегда остаются точки соприкосновения. Так как электроны свободно перемещаются по проводнику, то через эти «мостики» в последний момент все избыточные частицы вернутся, а тела окажутся незаряженными.
Законы электризации
Изучение влияния заряженных тел привело к необходимости определения не только условий взаимодействия, но и проведения количественно анализа этого явления. Вычислением этой силы и занялся в своё время учёный Шарль Огюстен де Кулон. Он изучал процессы, происходящие между телами, размеры которых намного меньше расстояния возникновения их взаимодействия. Эти вещества получили название точечные заряды, то есть тела размерами которых можно пренебречь.
Рассуждение учёного заключалось в следующем. Пусть существуют положительные заряды (q1) обладающие силой F 2 и отрицательные (q2) с F1. Из соображений симметрии можно заключить, что их взаимодействие происходит по прямой. При этом F1 = F2 = F. В соответствии с экспериментом величина влияния зависит от расстояния между зарядами r.
Определение закона, который связывает три величины между собой F, q, r был сформулирован Кулоном в 1785 году. Исследуя деформацию кручения, он научился измерять малые величины и создал устройство, названное крутильными весами. С их помощью он установил следующее:
Таким образом, учёный получил формулу: F = k * (| q1| * | q2| / r 2 ), где k — коэффициент пропорциональности. То есть два точечных неподвижных заряда взаимодействуют с силами, лежащими на прямой проходящей через них, пропорциональными произведению их модулей и обратно пропорциональными квадрату расстояния между ними. В СИ коэффициент пропорциональности равняется: K = 9 * 10 9 [Н * м 2 / Кл].
Эмпирическим путём было установлено, что алгебраическая сумма электрических зарядов, существующая в теле, равняется нулю. При этом после электризации это значение не изменится. Но для выполнения этого условия нужно, чтобы область взаимодействия была изолированной. Это утверждение справедливо как для макро, так и микромиров. Закон получил название — сохранение электрического заряда. Записывается он так: q1 + q2 = 0.
Выходит, что электрический заряд в изолированной системе имеет строгую величину. При взаимодействии его значение не изменяется, а происходит только перераспределение. Узнать же значение силы можно с помощью закона Кулона.
Применение явления
Можно сказать, что человечество буквально купается в электростатическом поле. Оно существует вокруг Земли. Возникает поле из-за существования ионосферы — верхнего слоя атмосферы. Проводящий слой образовался под действием космического излучения. Большую роль в этом сыграло Солнце. Ионосфера обладает собственным зарядом.
Существование статического электричества приводит к такому явлению, как молния. В первом приближении механизм образования грозового облака сходен с электризацией расчёски. Льдинки, образуясь из мелких капелек воды, сталкиваются между собой. При этом более крупные заряжаются отрицательно, а меньшие — положительно.
Последние собираются в верхней части облака, а первые в нижней. В результате оно индуцирует на поверхности Земли положительный заряд. По мере увеличения количества зарядов растёт напряжённость в облаке. Как только превысится определённый её порог, происходит пробой — возникновение молнии, притягивающейся к Земле. Понимая принцип явления известный учёный Бенджамин Франклин, придумал применять металлические проводники, располагающиеся над поверхностью высоких зданий. Они притягивают молнии, тем самым защищая сооружения от пожаров.
Статическое электричество является врагом радиоинженеров. При ремонте электронных плат с помощью накопленных на поверхности зарядов можно вывести из строя рабочие радиоэлементы. Для борьбы с ним применяются антистатические браслеты.
Электронизация производства направлена на создание энергоэффективных модулей, которые бывают настолько чувствительные к любому всплеску энергии, что сразу же выходят из строя. Поэтому для их бесперебойной работы нужно использовать заземление.
С другой стороны, явление нашло широкое применение в быту. Это автоматический поджиг плиты, например, при нагреве чайника с водой. Копчение с использованием явления ускоряет процесс по сравнению с традиционным методом. Сегодня трудно назвать устройство очистки воздуха, какое бы ни использовало электростатические фильтры. При покраске проводниковых материалов применяется метод, который называется электростатической окраской. Электризацию используют и в медицинских целях — статический душ.
Что такое электризация тел и как она возникает?
Явления, связанные с электричеством, довольно распространены в природе. Одним из самых наблюдаемых явлений является электризация тел. Так или иначе с электризацией приходилось сталкиваться каждому человеку. Иногда мы не замечаем статического электричества вокруг нас, а иногда его проявление ярко выражено и довольно ощутимо.
Например, владельцы автотранспорта, при определённых стечениях обстоятельств, замечали, как их машина вдруг начинала «бить током». Обычно это происходит при выходе из салона автомобиля. Ночью даже можно заметить искрение между кузовом и рукой, прикасающейся к нему. Объясняется это электризацией, о которой поговорим в данной статье.
Определение
В физике электризацией называют процесс, при котором происходит перераспределения зарядов, на поверхностях разнородных тел. При этом на телах скапливаются заряженные частицы противоположных знаков. Наэлектризованные тела могут передавать часть накопленных заряженных частиц другим предметам или окружающей среде, контактирующей с ними.
Заряженное тело передаёт заряды при непосредственном контакте с ним нейтральных или противоположно заряженных предметов, либо через проводник. По мере перераспределения взаимодействие электрических зарядов уравновешивается, и процесс перетекания прекращается.
Важно помнить, что при электризации тел новые электрические частицы не возникают, а лишь перераспределяются уже существующие. При электризации действует закон сохранения заряда, согласно которому алгебраическая сумма отрицательных и положительных зарядов всегда равна нулю. Другими словами – количество отрицательных зарядов переданных другому телу при электризации равняется количеству оставшихся заряженных протонов противоположного знака.
Известно, что носителем элементарного отрицательного заряда является электрон. Протоны же обладают положительными знаками, но эти частицы прочно связаны ядерными силами и не могут свободно перемещаться при электризации (за исключением кратковременного высвобождения протонов в процессе разрушения атомных ядер, например, в различных ускорителях). В целом атом, обычно, электрически нейтрален. Его нейтральность может нарушить электризация.
Однако, отдельные электроны из облака, окружающего многопротонные ядра, могут покидать свои отдалённые орбиты и свободно перемещаться между атомов. В таких случаях образуются ионы (иногда называемые дырками), имеющие положительные заряды. См. схему на рис. 1.
В твёрдых телах ионы связаны атомными силами и, в отличие от электронов, не могут изменить своё расположение. Поэтому только электроны являются переносчиками заряда в твёрдых телах. Для наглядности мы будем считать ионы просто заряженными частицами (абстрактными точечными зарядами), которые ведут себя так же, как и частицы с противоположным знаком – электроны.
Рис. 2. Модель атома
Физические тела в естественных условиях электрически нейтральные. Это значит, что их взаимодействия уравновешены, то есть, количество ионов заряженных положительно равно количеству отрицательно заряженных частиц. Однако, электризация тела нарушает это равновесие. В таких случаях электризация является причиной изменения баланса кулоновских сил.
Условия возникновения электризации тел
Прежде чем перейти к определению условий электризации тел, заострим ваше внимание на взаимодействии точечных зарядов. На рисунке 3 изображена схема такого взаимодействия.
Рис. 3. Взаимодействие заряженных частиц
На рисунке видно, что одноимённые точечные заряды отталкиваются, тогда как разноимённые – притягиваются. В 1785 г. силы этих взаимодействий исследовал французский физик О. Кулон. Знаменитый закон Кулона гласит: два неподвижных точечных заряда q1 и q2, расстояние между которыми равно r, действуют друг на друга с силой:
Коэффициент k зависит от выбора системы измерений и свойств среды.
Исходя из того, что на точечные заряды действуют кулоновские силы, имеющие обратно пропорциональную зависимость от квадрата расстояния между ними, проявление этих сил может наблюдаться только на очень небольших расстояниях. Практически, эти взаимодействия проявляются на уровне атомных измерений.
Таким образом, для того чтобы электризация тела произошла, необходимо максимально приблизить его к другому заряженному телу, то есть, прикоснуться к нему. Тогда под действием кулоновских сил часть заряженных частиц переместится на поверхность заряжаемого предмета.
Строго говоря, при электризации перемещаются только электроны, которые распределяются по поверхности заряжаемого тела. Избыток электронов образует определённый отрицательный заряд. Создание положительного заряда на поверхности реципиента, электроны с которого перетекли на заряжаемый объект, возложено на ионы. При этом модули величин зарядов на каждой из поверхностей равны, но знаки их противоположны.
Электризация нейтральных тел из разнородных веществ возможна только в том случае, если у одного из них электронные связи с ядром очень слабые, а у другого, наоборот – очень сильные. На практике это означает, что в веществах, у которых электроны вращаются на удалённых орбитах, часть электронов теряют свои связи с ядрами и слабо взаимодействуют с атомами. Поэтому, при электризации (тесном контакте с веществами), у которых проявляются более сильные электронные связи с ядрами, происходит перетекание свободных электронов. Таким образом, наличие слабых и сильных электронных связей является главным условием электризации тел.
Поскольку в кислотных и щелочных электролитах могут перемещаться и ионы, то электризация жидкости возможна путём перераспределения собственных ионов, как это имеет место при электролизе.
Способы электризации тел
Существует несколько способов электризации, которые условно можно разделить на две группы:
Наиболее распространённым способом электризации тел в природе является трение. Чаще всего происходит трение воздуха при контакте его с твёрдыми или жидкими веществами. В частности, в результате такой электризации происходят грозовые разряды.
Электризация трением нам известна ещё со школьной скамьи. Мы могли наблюдать наэлектризованные трением небольшие эбонитовые палочки. Отрицательный заряд потёртых об шерсть палочек определяется избытком электронов. Шерстяная ткань при этом заряжается положительным электричеством.
Подобный опыт можно провести со стеклянными палочками, но натирать их необходимо шёлком или синтетическими тканями. При этом, в результате трения стеклянные наэлектризованные палочки заряжаются положительно, а ткань – отрицательно. В остальном между стеклянным электричеством и зарядом эбонита различий нет.
Чтобы наэлектризовать проводник (например, металлический стержень), необходимо:
При этом заряд на стержне равномерно распределится по его поверхности. Если металлический предмет неправильной формы, заряды распределятся неравномерно – концентрация электронов будет больше на выпуклостях и меньше на впадинах. При разделении тел происходит перераспределение заряженных частиц.
Свойства наэлектризованных тел
Применение на практике
Вредное воздействие:
Способы борьбы: заземление ёмкостей с горючим, работа в антистатической одежде, заземление инструментов и т.п.
Электризация тел. Электрический заряд
Понятие электризации тел. Виды электризации
В глубокой древности дочь древнегреческого философа Фалеса Милетского обратила внимание отца. Что к ее янтарному украшению притягиваются легкие пушинки, ворсинки меха. Философ заинтересовался этим явлением. И после проведения различных наблюдений, установил. Что этим свойством обладают и другие вещества. Стеклянная палочка потертая о шелк, эбонитовая палочка, потёртая о сукно или мех. В семнадцатом веке такие явления были названы электрическими (от греческого слова электрон — янтарь). Если потереть о сухое сукно эбонитовую палочку, то не только палочка, но и сукно, начинает притягивать кусочки бумаги. Значит при трении электризуются оба тела.
Наэлектризовать тело это значит сообщить телу электрический заряд.
Существует несколько способов электризации тел:
1) Трение (Эбонитовая палочка потертая о мех).
2) Прикосновение (к металлической гильзе коснуться наэлектризованной стеклянной палочкой).
3) Влияние (поднести заряженную палочку к струйке воды).
Существуют два вида электрического заряда
1. Положительный заряд, который можно получить при трении стеклянной палочки о бумагу.
2. Отрицательный заряд, который можно получить при трении эбонитовой палочки о мех.
Между заряженными телами существуют различные виды взаимодействия. Если взять два тела с отрицательными зарядами, то они друг от друга отталкиваются. А если взять одно тело положительное, а другое отрицательное, то эти тела притягиваются.
Объяснение электризации тел. Проводники и их свойства.
Чтобы объяснить, как происходит процесс электризации тел, рассмотрим строение проводников.
Проводниками называют вещества, которые проводят электрический заряд.
К проводникам относятся: металлы, растворы солей и кислот, тело животного и человека, Земля. В проводниках атомы устроены так, что электроны, которые расположены на последней орбите, слабо удерживаются ядром и покидают атом и становятся свободными. Существование свободных электронов в проводниках и помогает объяснить явление электризации тел. Электроны имеют отрицательный заряд. Рассмотрим опыт: возьмём металлическую гильзу и подвесим её на нити. Поднесем к ней наэлектризованную стеклянную палочку с положительным зарядом. Так как гильза это проводник и у нее много свободных электронов они сместятся в сторону стеклянной палочки. В результате гильза и палочка начнут притягиваться друг к другу.
Прибор, определяющий величину заряда. Его устройство и действие.
Немецкий физик Рихман создает прибор, при помощи которого можно определить величину электрического заряда. Этот прибор был назван электроскопом, в настоящее время прибор усовершенствован и называется электрометром.
1. Из двух стеклянных дисков.
2. Металлический обод.
3. Металлический стержень.
5. Полый металлический шар.
6. Шкала с делением.
Поднесем отрицательно заряженное тело к электрометру. Так как стержень и стрелка проводники. И в них много свободных электронов. Они начинают смещаться вниз (они отталкиваются от отрицательно заряженного тела). Внизу образуется избыток электронов. На стрелке и на стержне образуются одинаковые заряды, которые друг от друга отталкиваются. Поэтому стрелка отклоняется на некоторый угол от стержня. По углу отклонения стрелки можно судить о величине электрического заряда.