Elektrifikácia telies, interakcia nábojov

V tomto článku sa pokúsime predstaviť pomerne zovšeobecnenú predstavu o tom, čo je elektrifikácia telies, a dotkneme sa aj zákona o zachovaní elektrického náboja.

Bez ohľadu na to, či ten či onen zdroj elektrickej energie funguje na princípe, pri každom z nich dochádza k elektrizácii fyzických telies, teda k oddeľovaniu elektrických nábojov prítomných v zdroji elektrickej energie a ich koncentrácii na určitých miestach, napr. na elektródach alebo svorkách zdroja. Výsledkom tohto procesu je prebytok záporných nábojov (elektrónov) na jednej svorke zdroja elektrickej energie (katóda) a nedostatok elektrónov na druhej svorke (anóda), t.j. prvý z nich je nabitý zápornou elektrinou a druhý kladnou elektrinou.

Po objavení elektrónu, elementárnej častice s minimálnym nábojom, po konečnom vysvetlení štruktúry atómu sa stala vysvetliteľnou aj väčšina fyzikálnych javov súvisiacich s elektrinou.

Hmotná hmota, ktorá tvorí telá, sa vo všeobecnosti považuje za elektricky neutrálnu, pretože molekuly a atómy, ktoré tvoria telo, sú za normálnych podmienok neutrálne, a preto telá nemajú žiadny náboj. Ale ak sa takéto neutrálne telo otrie o iné telo, potom časť elektrónov opustí svoje atómy a prejde z jedného tela do druhého. Dĺžka dráh, ktorými tieto elektróny prejdú počas takéhoto pohybu, nie je väčšia ako vzdialenosť medzi susednými atómami.

Ak sa však po trení telesá oddelia, vzdialia, potom sa obe telesá nabijú. Telo, do ktorého prešli elektróny, sa nabije záporne a telo, ktoré tieto elektróny darovalo, získa kladný náboj, nabije sa kladne. Toto je elektrifikácia.

Predpokladajme, že v nejakom fyzickom tele, napríklad v skle, bolo možné odstrániť časť ich elektrónov z významného počtu atómov. To znamená, že sklo, ktoré stratilo časť svojich elektrónov, bude nabité kladnou elektrinou, pretože v nej získali kladné náboje výhodu nad negatívnymi.

Elektróny odstránené zo skla nemôžu zmiznúť a musia byť niekde umiestnené. Predpokladajme, že po odstránení elektrónov zo skla sa umiestnia na kovovú guľu. Potom je zrejmé, že kovová guľa, ktorá prijíma ďalšie elektróny, je nabitá zápornou elektrinou, pretože v nej majú záporné náboje prednosť pred kladnými.

Elektrifikovať fyzické telo — znamená vytvoriť v ňom prebytok alebo nedostatok elektrónov, t.j. narušiť v ňom rovnováhu dvoch protikladov, a to kladného a záporného náboja.

Elektrifikovať dve fyzické telá súčasne a spolu s rôznymi elektrickými nábojmi - znamená stiahnuť elektróny z jedného tela a preniesť ich do iného tela.

Ak sa niekde v prírode vytvoril kladný elektrický náboj, potom musí nevyhnutne súčasne s ním vzniknúť aj záporný náboj rovnakej absolútnej hodnoty, pretože akýkoľvek nadbytok elektrónov v akomkoľvek fyzickom tele vzniká ich nedostatkom v inom fyzickom tele.

Rôzne elektrické náboje vystupujú v elektrických javoch ako vždy sprievodné protiklady, ktorých jednota a interakcia tvoria vnútorný obsah elektrických javov v látkach.

Neutrálne telá sa elektrizujú, keď dávajú alebo prijímajú elektróny, v oboch prípadoch získavajú elektrický náboj a prestávajú byť neutrálne. Tu elektrické náboje nevznikajú odnikiaľ, náboje sú len oddelené, pretože elektróny už v telesách boli a jednoducho zmenili svoje umiestnenie, elektróny sa presúvajú z jedného zelektrizovaného telesa do druhého zelektrizovaného telesa.

Znak elektrického náboja, ktorý je výsledkom trenia telies, závisí od povahy týchto telies, od stavu ich povrchu a od mnohých ďalších dôvodov. Preto nie je vylúčená možnosť, že to isté fyzické telo je v jednom prípade nabité kladnou a inokedy zápornou elektrinou, napríklad kovy pri trení o sklo a vlnu negatívne elektrizujú a pri trení o guma — pozitívne.

Vhodná otázka by bola: prečo elektrický náboj nepreteká cez dielektrikum, ale cez kovy? Ide o to, že v dielektrikách sú všetky elektróny viazané na jadrá ich atómov, len nemajú schopnosť voľne sa pohybovať po tele.

Ale v kovoch je situácia iná. Elektrónové väzby v atómoch kovov sú oveľa slabšie ako v dielektrikách a niektoré elektróny ľahko opúšťajú svoje atómy a voľne sa pohybujú po tele, sú to takzvané voľné elektróny, ktoré zabezpečujú prenos náboja v drôtoch.

K oddeľovaniu nábojov dochádza tak pri trení kovových telies, ako aj pri trení dielektrík. Ale pri demonštráciách sa používajú dielektrika: ebonit, jantár, sklo. K tomu sa pristupuje z jednoduchého dôvodu, že keďže sa náboje nepohybujú objemom v dielektrikách, zostávajú na tých istých miestach na povrchoch telies, z ktorých vzišli.

A ak trením, povedzme, o srsť, zelektrizuje kus kovu, tak náboj, ktorý sa má len čas presunúť na svoj povrch, okamžite stečie na telo experimentátora a ukážka napr. dielektrika, nebude fungovať. Ale ak je kus kovu izolovaný z rúk experimentátora, zostane na kove.

Ak sa náboj telies uvoľní až v procese elektrifikácie, ako sa potom správa ich celkový náboj? Jednoduché experimenty poskytujú odpoveď na túto otázku. Vezmeme elektrometer s kovovým diskom pripevneným k jeho tyči a položíme na disk kus vlnenej látky veľkosti tohto disku. Na vrch tkaniva disku je umiestnený ďalší vodivý disk, rovnaký ako na tyči elektromera, ale vybavený dielektrickou rukoväťou.

Držiac rukoväť, experimentátor niekoľkokrát pohne horným kotúčom, otrie ho o uvedený tkanivový kotúč ležiaci na kotúči tyče elektromera a potom ho odsunie od elektromera. Ihla elektromera sa pri vybratí disku vychýli a zostane v tejto polohe. To naznačuje, že na vlnenej tkanine a na disku pripevnenom k ​​tyči elektromera sa vytvoril elektrický náboj.

Kotúč s rukoväťou sa potom uvedie do kontaktu s druhým elektromerom, ale bez kotúča k nemu pripojeného, ​​a pozoruje sa, že jeho ihla je vychýlená takmer o rovnaký uhol ako ihla prvého elektromera.

Experiment ukazuje, že oba disky počas elektrifikácie dostali náboje rovnakého modulu. Aké sú však znaky týchto obvinení? Na zodpovedanie tejto otázky sú elektromery spojené drôtom. Ihly elektromera sa okamžite vrátia do nulovej polohy, v ktorej boli pred začatím experimentu. Náboj bol neutralizovaný, čo znamená, že náboje na diskoch boli rovnakej veľkosti, ale opačného znamienka a celkovo dávali nulu, ako pred začiatkom experimentu.

Podobné experimenty ukazujú, že pri elektrifikácii sa zachováva celkový náboj telies, to znamená, že ak pred elektrifikáciou bolo celkové množstvo nula, tak po elektrifikácii bude celkové množstvo nulové... Prečo sa to však deje? Ak potriete ebenovou tyčinkou o handričku, nabije sa záporne a látka kladne, a to je dobre známy fakt. Na ebonite pri trení o vlnu vzniká prebytok elektrónov a na tkanine zodpovedajúci deficit.

Náboje budú rovnaké v module, pretože koľko elektrónov prešlo z látky na ebonit, ebonit dostal taký negatívny náboj a rovnaké množstvo kladného náboja sa vytvorilo na plátne, pretože elektróny, ktoré opustili tkanina sú kladné náboje na tkanine. A prebytok elektrónov na ebonite sa presne rovná nedostatku elektrónov na látke. Náboje majú opačné znamienko, ale rovnakú veľkosť. Pri elektrifikácii sa samozrejme zachováva plné nabitie; celkovo sa rovná nule.

Navyše, aj keby boli pred elektrifikáciou náboje na oboch telesách nenulové, celkový náboj je stále rovnaký ako pred elektrifikáciou. Keď označíme náboje telies pred ich interakciou ako q1 a q2 a náboje po interakcii ako q1' a q2', bude platiť nasledujúca rovnosť:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

To znamená, že pre akúkoľvek interakciu telies je celkový náboj vždy zachovaný. Toto je jeden zo základných prírodných zákonov, zákon zachovania elektrického náboja. Benjamin Franklin ho objavil v roku 1750 a zaviedol pojmy „pozitívny náboj“ a „negatívny náboj“. Franklin a navrhol označiť opačné náboje znakmi «-» a «+».

V elektronike Kirchhoffove pravidlá pretože prúdy vyplývajú priamo zo zákona zachovania elektrického náboja. Kombinácia vodičov a elektronických komponentov je reprezentovaná ako otvorený systém. Celkový prítok poplatkov do daného systému sa rovná celkovému odtoku poplatkov z daného systému. Kirchhoffove pravidlá predpokladajú, že elektronický systém nemôže výrazne zmeniť svoj celkový náboj.

Pre spravodlivosť uvádzame, že najlepším experimentálnym testom zákona zachovania elektrického náboja je hľadanie takých rozpadov elementárnych častíc, ktoré by boli povolené v prípade neprísneho zachovania náboja. Takéto rozpady neboli v praxi nikdy pozorované.

Iné spôsoby, ako elektrizovať fyzické telá:

1. Ak je zinkový plech ponorený do roztoku kyseliny sírovej H2SO4, potom sa v ňom čiastočne rozpustí. Niektoré z atómov na zinkovej platni, ponechajúc dva zo svojich elektrónov na zinkovej platni, prejdú do roztoku s radom kyselín vo forme dvojito nabitých kladných iónov zinku. Výsledkom je, že zinková platňa bude nabitá zápornou elektrinou (nadbytok elektrónov) a roztok kyseliny sírovej bude nabitý kladnou (prebytok kladných iónov zinku). Táto vlastnosť sa využíva na elektrifikáciu zinku v roztoku kyseliny sírovej v galvanickom článku ako hlavný proces vzniku elektrickej energie.

2. Ak svetelné lúče dopadajú na povrch kovov ako zinok, cézium a niektoré ďalšie, tak sa z týchto povrchov uvoľňujú voľné elektróny do okolia. Výsledkom je, že kov je nabitý kladnou elektrinou a priestor okolo neho zápornou elektrinou. Emisia elektrónov z osvetlených povrchov určitých kovov sa nazýva fotoelektrický efekt, ktorý našiel uplatnenie vo fotovoltaických článkoch.

3. Ak sa kovové teleso zahreje do stavu bieleho tepla, tak voľné elektróny budú lietať z jeho povrchu do okolitého priestoru.Výsledkom je, že kov, ktorý stratil elektróny, bude nabitý kladnou elektrinou a okolie zápornou elektrinou.

4. Ak spájkujete konce dvoch rôznych drôtov, napríklad bizmutu a medi, a zahrejete ich spojenie, voľné elektróny čiastočne prejdú z medeného drôtu do bizmutu. Výsledkom je, že medený drôt bude nabitý kladnou elektrinou, zatiaľ čo bizmutový drôt bude nabitý zápornou elektrinou. Fenomén elektrifikácie dvoch fyzických telies, keď absorbujú tepelnú energiu používané v termočlánkoch.

Javy spojené s interakciou elektrifikovaných telies sa nazývajú elektrické javy.

Interakciu medzi elektrifikovanými telesami určuje tzv Elektrické sily, ktoré sa líšia od síl inej povahy tým, že spôsobujú, že sa nabité telesá navzájom odpudzujú a priťahujú, bez ohľadu na rýchlosť ich pohybu.

Týmto spôsobom sa interakcia medzi nabitými telesami líši napríklad od gravitačnej, ktorá sa vyznačuje iba priťahovaním telies, alebo od síl magnetického pôvodu, ktoré závisia od relatívnej rýchlosti pohybu nábojov, spôsobujúcich magnetické javov.

Elektrotechnika študuje najmä zákonitosti vonkajšieho prejavu vlastností elektrifikovaných telies — zákony elektromagnetických polí.

Dúfame, že tento krátky článok vám dal všeobecnú predstavu o tom, čo je elektrifikácia telies, a teraz viete, ako experimentálne overiť zákon zachovania elektrického náboja pomocou jednoduchého experimentu.