Zákon zachování elektrických nábojů. Zákon zachování náboje Jaké částice se účastní elektrifikace
Témata kodifikátoru jednotné státní zkoušky: elektrifikace těles, interakce nábojů, dva druhy náboje, zákon zachování elektrického náboje.
Elektromagnetické interakce patří mezi nejzákladnější interakce v přírodě. Síly pružnosti a tření, tlak plynu a mnohé další lze redukovat na elektromagnetické síly mezi částicemi hmoty. Samotné elektromagnetické interakce již nejsou redukovány na jiné, hlubší typy interakcí.
Neméně zásadním typem interakce je gravitace – gravitační přitažlivost libovolných dvou těles. Mezi elektromagnetickými a gravitačními interakcemi však existuje několik důležitých rozdílů.
1. Ne každý se může účastnit elektromagnetických interakcí, ale pouze zpoplatněno těla (mající elektrický náboj).
2. Gravitační interakce je vždy přitažlivost jednoho těla k druhému. Elektromagnetické interakce mohou být atraktivní nebo odpudivé.
3. Elektromagnetická interakce je mnohem intenzivnější než gravitační interakce. Například síla elektrického odpuzování mezi dvěma elektrony je několikrát větší než síla jejich vzájemné gravitace.
Každé nabité těleso má určité množství elektrického náboje. Elektrický náboj je fyzikální veličina, která určuje sílu elektromagnetické interakce mezi přírodními objekty. Jednotkou poplatku je přívěšek(Cl).
Dva druhy nabíjení
Protože gravitační interakce je vždy přitažlivá, jsou hmotnosti všech těles nezáporné. To ale neplatí pro poplatky. Je vhodné popsat dva typy elektromagnetické interakce – přitažlivost a odpuzování – zavedením dvou typů elektrických nábojů: pozitivní A negativní.
Náboje různých znamení se přitahují a náboje různých znamení se odpuzují. To je znázorněno na Obr. 1; Kuličky zavěšené na nitích dostávají náboje jednoho nebo druhého znamení.
Rýže. 1. Interakce dvou typů nábojů
Rozšířený projev elektromagnetických sil se vysvětluje skutečností, že atomy jakékoli látky obsahují nabité částice: jádro atomu obsahuje kladně nabité protony a záporně nabité elektrony se pohybují po drahách kolem jádra.
Náboje protonu a elektronu jsou stejné velikosti a počet protonů v jádře se rovná počtu elektronů na oběžné dráze, a proto se ukazuje, že atom jako celek je elektricky neutrální. To je důvod, proč za normálních podmínek nezaznamenáme elektromagnetický vliv okolních těles: celkový náboj každého z nich je nulový a nabité částice jsou rovnoměrně rozmístěny po celém objemu tělesa. Pokud je však porušena elektrická neutralita (např elektrizace) těleso okamžitě začne působit na okolní nabité částice.
Proč existují právě dva typy elektrických nábojů a ne nějaké jiné číslo, není v současné době známo. Můžeme pouze tvrdit, že přijetí této skutečnosti jako primární poskytuje adekvátní popis elektromagnetických interakcí.
Náboj protonu je Cl. Náboj elektronu je ve znaménku opačný a rovná se Cl. Velikost
volal elementární náboj. To je minimální možný náboj: volné částice s menším nábojem nebyly v experimentech detekovány. Fyzika zatím nedokáže vysvětlit, proč má příroda nejmenší náboj a proč je její velikost právě taková.
Náboj každého tělesa se vždy skládá z celý počet základních nábojů:
Jestliže , pak má těleso nadbytek elektronů (ve srovnání s počtem protonů). Pokud naopak tělu chybí elektrony: protonů je více.
Elektrifikace těles
Aby makroskopické těleso mělo elektrický vliv na jiná tělesa, musí být elektrizováno. Elektrizace je porušením elektrické neutrality těla nebo jeho částí. V důsledku elektrifikace se tělo stává schopno elektromagnetických interakcí.
Jedním ze způsobů, jak těleso elektrifikovat, je předat mu elektrický náboj, tedy dosáhnout přebytku nábojů stejného znaménka v daném tělese. To lze snadno provést pomocí tření.
Takže když se skleněná tyčinka potře hedvábím, část jejích záporných nábojů jde do hedvábí. V důsledku toho se tyčinka nabije kladně a hedvábí záporně. Ale při tření ebonitové tyčinky vlnou se některé záporné náboje přenesou z vlny na tyčinku: tyčinka se nabije záporně a vlna se nabije kladně.
Tento způsob elektrifikace těles se nazývá elektrifikace třením. S elektrifikovaným třením se setkáváte pokaždé, když si sundáte svetr přes hlavu ;-)
Dalším typem elektrifikace je tzv elektrostatická indukce nebo elektrifikace prostřednictvím vlivu. V tomto případě zůstává celkový náboj těla roven nule, ale je přerozdělen tak, že v některých částech těla se hromadí kladné náboje a v jiných záporné náboje.
Rýže. 2. Elektrostatická indukce
Podívejme se na obr. 2. V určité vzdálenosti od kovového těla je kladný náboj. Přitahuje negativní kovové náboje (volné elektrony), které se hromadí na oblastech povrchu těla nejblíže náboji. Nekompenzované kladné náboje zůstávají ve vzdálených oblastech.
Navzdory skutečnosti, že celkový náboj kovového těla zůstal rovný nule, došlo v těle k prostorovému oddělení nábojů. Pokud nyní rozdělíme těleso podél tečkované čáry, pak bude pravá polovina nabitá záporně a levá bude kladně nabitá.
Elektrifikaci těla můžete pozorovat pomocí elektroskopu. Jednoduchý elektroskop je na obr. 3 (obrázek z en.wikipedia.org).
Rýže. 3. Elektroskop
Co se stane v tomto případě? Kladně nabitá tyčinka (například předtím třená) je přivedena na disk elektroskopu a shromažďuje na ní záporný náboj. Dole na pohyblivých listech elektroskopu zůstávají nekompenzované kladné náboje; Odtlačováním od sebe se listy pohybují různými směry. Pokud hůl odstraníte, náboje se vrátí na své místo a listy spadnou zpět.
Jev elektrostatické indukce ve velkém měřítku je pozorován během bouřky. Na Obr. 4 vidíme bouřkový mrak přecházet nad zemí.
Rýže. 4. Elektrifikace země bouřkovým mrakem
Uvnitř mraku jsou kusy ledu různých velikostí, které se mísí stoupajícími proudy vzduchu, narážejí do sebe a elektrizují. Ukazuje se, že ve spodní části oblaku se hromadí záporný náboj a v horní části kladný náboj.
Záporně nabitá spodní část oblaku indukuje pod sebou na povrchu Země kladné náboje. Objeví se obří kondenzátor s kolosálním napětím mezi mrakem a zemí. Pokud je toto napětí dostatečné k proražení vzduchové mezery, dojde k výboji – známému blesku.
Zákon zachování náboje
Vraťme se k příkladu elektrifikace třením – tření klacíku hadříkem. V tomto případě hůl a kus látky získají náboje stejné velikosti a opačného znaménka. Jejich celkový náboj byl před interakcí roven nule a po interakci zůstává roven nule.
Vidíme zde zákon zachování náboje, který zní: v uzavřené soustavě těles zůstává algebraický součet nábojů nezměněn během jakýchkoli procesů probíhajících s těmito tělesy:
Uzavřenost systému těles znamená, že tato tělesa si mohou vyměňovat náboje pouze mezi sebou, ale ne s jinými objekty mimo tento systém.
Při elektrifikaci tyče není nic překvapivého na zachování náboje: kolik nabitých částic tyč opustilo, stejné množství přišlo na kus látky (nebo naopak). Překvapivé je, že ve složitějších procesech doprovázených vzájemné proměny elementární částice a změna čísla nabité částice v systému, celkový náboj je stále zachován!
Například na Obr. Obrázek 5 ukazuje proces, při kterém část elektromagnetického záření (tzv foton) se mění na dvě nabité částice - elektron a pozitron. Takový proces se za určitých podmínek ukazuje jako možný – například v elektrickém poli atomového jádra.
Rýže. 5. Vznik páru elektron–pozitron
Náboj pozitronu je co do velikosti stejný jako náboj elektronu a má opačné znaménko. Zákon zachování náboje je splněn! Na začátku procesu jsme měli foton, jehož náboj byl nula, a na konci jsme dostali dvě částice s celkovým nábojem nula.
Zákon zachování náboje (spolu s existencí nejmenšího elementárního náboje) je dnes primárním vědeckým faktem. Fyzikům se zatím nepodařilo vysvětlit, proč se příroda chová tak a ne jinak. Nezbývá než konstatovat, že tato fakta jsou potvrzena četnými fyzikálními experimenty.
Mnoho fyzikálních jevů pozorovaných v přírodě a životě kolem nás nelze vysvětlit pouze na základě zákonů mechaniky, molekulární kinetické teorie a termodynamiky. Tyto jevy projevují síly působící mezi tělesy na dálku a tyto síly nezávisí na hmotnostech interagujících těles, a proto nejsou gravitační. Tyto síly se nazývají elektromagnetické síly.
Zákon zachování elektrického náboje
Za normálních podmínek jsou mikroskopická tělesa elektricky neutrální, protože kladně a záporně nabité částice, které tvoří atomy, jsou spolu vázány elektrickými silami a tvoří neutrální systémy. Pokud dojde k porušení elektrické neutrality tělesa, pak se takové těleso nazývá elektrizované tělo. K elektrifikaci tělesa je nutné, aby na něm vznikl nadbytek nebo nedostatek elektronů nebo iontů stejného znaménka.
Způsoby elektrifikace těles, které představují interakci nabitých těles, mohou být následující:
- Elektrizace těl při kontaktu . V tomto případě při těsném kontaktu přechází malá část elektronů z jedné látky, ve které je spojení s elektronem poměrně slabé, na jinou látku.
- Elektrizace těles při tření . Současně se zvětšuje oblast kontaktu mezi tělesy, což vede ke zvýšené elektrifikaci.
- Vliv. Základem vlivu je jev elektrostatické indukce, tedy indukce elektrického náboje v látce umístěné v konstantním elektrickém poli.
- Elektrifikace těles pod vlivem světla . Základem toho je fotoelektrický efekt nebo fotoefekt kdy vlivem světla mohou elektrony vylétnout z vodiče do okolního prostoru, v důsledku čehož se vodič nabíjí.
Četné experimenty ukazují, že když existuje elektrifikace těla, pak se na tělesech objeví elektrické náboje stejné velikosti a opačného znaménka.
Záporný náboj tělo je způsobeno přebytkem elektronů na těle ve srovnání s protony, a kladný náboj způsobené nedostatkem elektronů.
Když je těleso zelektrizováno, to znamená, když je záporný náboj částečně oddělen od kladného náboje s ním spojeného, zákon zachování elektrického náboje. Zákon zachování náboje platí pro uzavřený systém, do kterého nabité částice nevstupují zvenčí a z něhož nevycházejí.
Zákon zachování elektrického náboje je formulován následovně:
V uzavřeném systému zůstává algebraický součet nábojů všech částic nezměněn:
q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = konst
Kde
q 1, q 2 atd. - náboje částic.
Definice
Elementární částice může mít email náboj, pak se nazývají nabitý;
Elementární částice na sebe vzájemně působí silami, které závisí na vzdálenosti mezi částicemi, ale mnohonásobně převyšují síly vzájemné gravitace (tato interakce se nazývá elektromagnetická).
Elektrický náboj- fyzikální veličina, která určuje intenzitu elektromagnetických interakcí.
Existují 2 známky elektrického náboje:
- pozitivní
- negativní
Částice s podobnými náboji odrazit s různými jmény - jsou přitahováni. Proton má pozitivní náboj, elektron - negativní, neutron - elektricky neutrální.
Základní poplatek- minimální poplatek, který nelze rozdělit.
Jak můžeme vysvětlit přítomnost elektromagnetických sil v přírodě? - Všechna tělesa obsahují nabité částice.
V normálním stavu jsou tělesa elektricky neutrální (protože atom je neutrální) a elektromagnetické síly se neprojevují.
Tělo je nabité, pokud má přebytek poplatků jakéhokoli znamení:
- záporně nabitý - pokud je přebytek elektronů;
- kladně nabitý – pokud je nedostatek elektronů.
Elektrifikace těles- to je jeden ze způsobů, jak získat nabitá tělesa např. kontaktem).
V tomto případě jsou obě tělesa nabitá a náboje jsou opačného znaménka, ale stejné velikosti.
Interakce těles, mající náboje stejných nebo různých znamének, lze demonstrovat v následujících experimentech. Ebonitovou hůl zelektrizujeme třením o srst a dotkneme se kovového pouzdra zavěšeného na hedvábné niti.
Náboje stejného znaménka (záporné náboje) jsou rozmístěny na objímce a ebonitové tyči. Přiblížením záporně nabité ebonitové tyčinky k nabité objímce můžete vidět, že se objímka od tyče odpuzuje (obr. 1.1).
Pokud nyní k nabité objímce přivedete skleněnou tyčinku natřenou na hedvábí (kladně nabitou), objímka se k ní přitáhne (obr. 1.2).
Vezmeme dva stejné elektroměry a jeden z nich nabijeme (obr. 2.1). Jeho náboj odpovídá 6 dílkům stupnice.
Pokud tyto elektroměry propojíte skleněnou tyčí, nedojde k žádným změnám. To potvrzuje fakt, že sklo je dielektrikum. Pokud pro připojení elektroměrů použijete kovovou tyč A (obr. 2.2), držíte ji za nevodivou rukojeť B, všimnete si, že počáteční náboj bude rozdělen na dvě stejné části: polovina náboje se přenese z první míč na druhý. Nyní náboj každého elektroměru odpovídá 3 dílkům stupnice. Původní náboj se tedy nezměnil, pouze se rozdělil na dvě části.
Pokud se náboj přenese z nabitého tělesa na nenabité těleso stejné velikosti, pak se náboj rozdělí na polovinu mezi tato dvě tělesa. Ale pokud je druhé nenabité tělo větší než první, pak se více než polovina náboje přenese na druhé. Čím větší je těleso, na které se náboj přenese, tím větší část náboje se do něj přenese.
Celková výše poplatku se ale nezmění. Lze tedy tvrdit, že náboj je zachován. Tito. je splněn zákon zachování elektrického náboje.
Elektrické náboje neexistují samy o sobě, ale jsou vnitřními vlastnostmi elementárních částic - elektronů, protonů atd.
Experimentálně v roce 1914 ukázal americký fyzik R. Millikan že elektrický náboj je diskrétní . Náboj libovolného tělesa je celočíselný násobek elementární elektrický náboj e = 1,6 x 10-19 °C.
Při reakci tvorby elektron-pozitronového páru působí: zákon zachování náboje.
q elektron +pozitron q = 0.
Pozitron- elementární částice o hmotnosti přibližně rovné hmotnosti elektronu; Náboj pozitronu je kladný a rovný náboji elektronu.
Na základě zákon zachování elektrického náboje vysvětluje elektrifikaci makroskopických těles.
Jak víte, všechna těla se skládají z atomů, které zahrnují elektrony A protony. Počet elektronů a protonů v nenabitém těle je stejný. Proto takové těleso nevykazuje elektrický účinek na jiná tělesa. Pokud jsou dvě tělesa v těsném kontaktu (během tření, stlačování, nárazu atd.), pak jsou elektrony spojené s atomy mnohem slabší než protony a pohybují se z jednoho tělesa do druhého.
Těleso, do kterého se elektrony přenesly, jich bude mít nadbytek. Podle zákona zachování bude elektrický náboj tohoto tělesa roven algebraickému součtu kladných nábojů všech protonů a nábojů všech elektronů. Tento náboj bude záporný a bude se rovnat součtu nábojů přebytečných elektronů.
Těleso s přebytkem elektronů má záporný náboj.
Těleso, které ztratilo elektrony, bude mít kladný náboj, jehož modul se bude rovnat součtu nábojů elektronů ztracených tělesem.
Těleso, které má kladný náboj, má méně elektronů než protonů.
Elektrický náboj se nemění, když se těleso přesune do jiné vztažné soustavy.
Javascript je ve vašem prohlížeči zakázán.Chcete-li provádět výpočty, musíte povolit ovládací prvky ActiveX!
Elektrifikace těles
Pokud makroskopické těleso obsahuje nadbytek elementárních částic s jedním znaménkem, je elektricky nabité. Záporný náboj je tedy způsoben nadbytečným počtem elektronů ve srovnání s počtem protonů a kladný náboj je způsoben nedostatkem elektronů. K získání elektricky nabitého makroskopického tělesa, tedy k jeho elektrifikaci, je nutné oddělit část záporného náboje od kladného náboje s ním spojeného. To lze provést například pomocí tření. Řekněme, že když projedete hřebenem suché vlasy, pak se malá část nejpohyblivějších nabitých částic – elektronů – přesune z vlasů do hřebene a nabije je záporně a vlasy se nabijí kladně.
Elektrizace – je proces získávání elektricky nabitých makroskopických těles z elektricky neutrálních .
Stupeň elektrifikace těles v důsledku vzájemného tření je charakterizován hodnotou a znaménkem elektrického náboje přijatého tělesem. Guma natřená na kožešině se nabije záporně, zatímco sklo natřené na hedvábí se nabije kladně. V tomto případě srst dostává kladný náboj a hedvábí záporný. Znak náboje těles v důsledku elektrifikace je dán tím, že některé látky elektrony při tření vzdávají, jiné je přidávají. Důvodem tohoto jevu je rozdíl ve vazebné energii elektronu s atomem v těchto látkách. Ukazuje se, že v závislosti na vazebné energii může stejná látka při tření s různými látkami získat náboj jiného znaménka.
Tření je jen jedním z mnoha způsobů, jak elektrifikovat hmotu. Těleso se může nabíjet díky kontaktu s nabitým tělesem, následkem zahřátí, ozářením světlem apod. Elektrifikace ozařováním se používá např. v kopírce a laserové tiskárně.
2. Zákon zachování náboje .
Víme, že hmotnost těles je zachována. Elektrický náboj je také zachován. Je to náboj, ne počet nabitých částic. Při elektrifikaci třením dochází k redistribuci existujících nábojů mezi tělesy, které jsou v první chvíli neutrální. Malá část elektronů se pohybuje z jednoho tělesa do druhého. V tomto případě se nové částice neobjeví a již existující nezmizí.
Při elektrifikaci těles je splněn zákon zachování elektrického náboje. Tento zákon platí pro systém, do kterého nabité částice nevstupují zvenčí a z něhož nabité částice nevycházejí, tj. uzavřený systém který se nazývá elektricky izolovaný .
Elektricky izolovaná soustava těles –soustava těles, přes jejíž hranici náboje nepronikají.
Zákon zachování náboje je formulován následovně:
Algebraický součet nábojů elektricky izolované soustavy je konstantní, tzn :
Q 1 + Q 2 + … + Q n = konst
Zákon zachování náboje má hluboký význam. Pokud se počet nabitých elementárních částic nemění, pak je splnění zákona zachování náboje zřejmé. Ale elementární částice se mohou přeměňovat jedna v druhou, rodit se a mizet a dávají život novým částicím. Ve všech případech se však nabité částice rodí pouze v párech s náboji stejné velikosti a opačného znaménka; Částice také mizí pouze ve dvojicích a mění se v neutrální. A ve všech případech zůstává součet poplatků stejný. Platnost zákona zachování náboje potvrzují pozorování obrovského množství přeměn elementárních částic. Tento zákon vyjadřuje jednu z nejzákladnějších vlastností elektrického náboje. Důvod, proč je obvinění zadržen, je stále neznámý.
Zákon zachování náboje platí v jakékoli inerciální vztažné soustavě (IFR). To znamená, že pozorovatelé měřící náboj v různých ISO obdrží stejnou hodnotu.
Elektrický náboj se ve vesmíru zachovává. Celkový elektrický náboj vesmíru je s největší pravděpodobností nulový, to znamená, že počet kladně nabitých elementárních částic se rovná počtu záporně nabitých elementárních částic.
Coulombův zákon.
Studujeme elektrostatiku a základní zákon elektrostatiky – zákon interakce dvou stacionárních bodově nabitých těles .
Základní zákon elektrostatiky experimentálně stanovil francouzský vědec Charles Coulomb v roce 1785 a nese jeho jméno. Coulombův zákon je stejně jako zákon univerzální gravitace formulován i pro bodová tělesa.
Bodová tělesa v přírodě neexistují, ale pokud je vzdálenost mezi tělesy mnohonásobně větší než jejich velikost, pak ani tvar, ani velikost nabitých těles výrazně neovlivňuje interakce mezi nimi. V tomto případě lze tělesa považovat za bodová tělesa, tedy za body.
Síla interakce mezi nabitými tělesy závisí na vlastnostech prostředí mezi nabitými tělesy. Prozatím budeme předpokládat, že k interakci dochází ve vakuu. Zkušenosti však ukazují, že vzduch má velmi malý vliv na sílu interakce mezi nabitými tělesy, ta se ukazuje být téměř stejná jako ve vakuu.
Objev zákona o interakci elektrických nábojů byl usnadněn skutečností, že tyto síly se ukázaly být velké. Zde nebylo potřeba používat zvlášť citlivé zařízení, jako při testování zákona univerzální gravitace v pozemských podmínkách. Jak se stacionární nabitá tělesa vzájemně ovlivňují, bylo stanoveno pomocí torzní váhy .
Torzní váhy sestávají ze skleněné tyče zavěšené na tenkém elastickém drátu. Na jeden konec hole je připevněna malá kovová kulička a na druhém protizávaží. Další kovová koule je pevně upevněna na tyči, která je zase namontována na víku váhy.
Když koule dostanou stejnojmenné náboje, začnou se navzájem odpuzovat. Aby se udržely v pevné vzdálenosti, musí být pružný drát zkroucený pod určitým úhlem. Síla interakce mezi kuličkami je určena úhlem zkroucení drátu. Torzní váhy umožnily studovat závislost interakční síly nabitých kuliček na velikosti nábojů a na vzdálenosti mezi nimi. V té době věděli, jak měřit sílu a vzdálenost. Jediná potíž byla s nábojem, pro který nebyly ani jednotky k měření. Přívěsek našel jednoduchý způsob, jak změnit náboj kuliček 2, 4 nebo vícekrát tím, že jej spojíte se stejnou nenabitou koulí. V tomto případě byl náboj rovnoměrně rozdělen mezi kuličky, což v určitém poměru snížilo zkoumaný náboj. Experimentálně byla stanovena nová hodnota interakční síly s novým nábojem. Coulombovy experimenty vedly k vytvoření zákona nápadně připomínajícího zákon univerzální gravitace.
Síla interakce mezi dvěma stacionárními bodovými náboji umístěnými ve vakuu je přímo úměrná součinu modulů těchto nábojů, nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi a směřuje podél přímky spojující tyto náboje.
Elektrostatika studuje vlastnosti a interakce nábojů, které jsou stacionární v referenčním rámci, ve kterém jsou uvažovány.
V přírodě existují pouze dva typy elektrických nábojů - negativní a pozitivní. Kladný náboj se může objevit na skleněné tyči třené kůží a záporný náboj se může objevit na jantaru třeném vlnou.
Je známo, že všechna těla se skládají z atomů. Atom se zase skládá z kladně nabitého jádra a elektronů, které kolem něj obíhají. Protože elektrony mají záporný náboj a jádro kladný náboj, je atom jako celek elektricky neutrální. Při vystavení zvenčí může ztratit jeden nebo více elektronů a změnit se na kladně nabitý iont. Pokud k sobě atom (nebo molekula) připojí další elektron, změní se na záporný iont.
Elektrický náboj tedy může existovat ve formě záporných nebo kladných iontů a elektronů. Existuje jeden druh „volné elektřiny“ – záporné elektrony. Pokud má tedy těleso kladný náboj, nemá dostatek elektronů, a je-li záporný, má přebytek.
Elektrické vlastnosti jakékoli látky jsou určeny její atomovou strukturou. Atomy mohou dokonce ztratit několik elektronů, v takovém případě se nazývají vícenásobně ionizované. Jádro atomu se skládá z protonů a neutronů. Každý proton nese náboj, který se rovná náboji elektronu, ale má opačné znaménko. Neutrony jsou elektricky neutrální částice (nemají elektrický náboj).
Kromě protonů a elektronů mají elektrický náboj i další elementární částice. Elektrický náboj je nedílnou součástí elementárních částic.
Za nejmenší náboj se považuje náboj rovný náboji elektronu. Říká se mu také elementární náboj, který se rovná 1,6·10-19C. Jakýkoli náboj je násobkem celého počtu elektronových nábojů. K elektrifikaci tělesa tedy nemůže docházet nepřetržitě, ale pouze v krocích (diskrétně), podle velikosti náboje elektronu.
Pokud se kladně nabité tělo začne dobíjet (nabíjet zápornou elektřinou), jeho náboj se nezmění okamžitě, ale nejprve klesne na nulu a teprve poté získá záporný potenciál. Z toho můžeme usoudit, že se vzájemně kompenzují. Tato skutečnost vedla vědce k závěru, že „nenabitá“ tělesa vždy obsahují náboje kladných a záporných znamének, které jsou obsaženy v takovém množství, že se jejich působení navzájem zcela kompenzuje.
Během elektrifikace odděluje tření záporné a kladné „prvky“ obsažené v „nenabitém těle“. V důsledku pohybu negativních prvků tělesa (elektronů) jsou obě tělesa elektrifikována, jedno z nich je záporné a druhé kladné. Množství nábojů „protékajících“ z jednoho prvku do druhého zůstává během celého procesu konstantní.
Z toho můžeme usoudit, že poplatky nejsou jsou vytvářeny a nemizí, ale jednoduše „tečou“ z jednoho těla do druhého nebo se v něm pohybují. To je podstata zákona zachování elektrických nábojů. Při tření podléhá mnoho materiálů elektrifikaci – ebonit, sklo a mnoho dalších. V mnoha průmyslových odvětvích (textilní, papírenský a další) představuje přítomnost statické elektřiny vážný technický problém, protože elektrifikace prvků způsobená třením papíru, tkaniny nebo jiných průmyslových produktů o části strojů může způsobit požáry a výbuchy.
Jak makroskopická tělesa získávají elektrický náboj? O tom bude nyní řeč.
Náboj makroskopického tělesa
V elektrodynamice vytvořené Maxwellem nejsou elektromagnetické interakce uvažovány jednotlivých nabitých elementárních částic, ale makroskopických těles.
Makroskopická tělesa jsou zpravidla elektricky neutrální. Atom jakékoli látky je neutrální, protože počet elektronů v něm je roven počtu protonů v jádře. Kladně a záporně nabité částice jsou navzájem spojeny elektrickými silami a tvoří neutrální systémy.
Velké těleso je nabité, když obsahuje nadbytek elementárních částic se stejným znaménkem náboje. Záporný náboj tělesa je způsoben nadbytkem elektronů ve srovnání s protony a kladný náboj je způsoben jejich nedostatkem.
Elektrifikace těles
Abyste získali elektricky nabité makroskopické těleso nebo, jak se říká, zelektrizovali jej, musíte oddělit část záporného náboje od toho, který je s ním spojený.
pozitivní 1.
Nejjednodušší způsob, jak to udělat, je pomocí tření. Pokud si hřebenem projedete vlasy, malá část nejpohyblivějších nabitých částic – elektronů – se přesune z vlasů do hřebene a nabije je negativně a vlasy se nabijí kladně.
Pomocí jednoduchého pokusu lze dokázat, že při elektrifikaci třením nabývají obě tělesa náboje opačného znaménka, ale stejné velikosti.
1 Zde a dále budeme pro stručnost často hovořit o nábojích, pohybu nábojů atd. Ve skutečnosti máme na mysli nabitá tělesa (nebo částice), pohyb nabitých částic atd., protože náboj bez a částice neexistuje.
Rýže. 1.2
Rýže. 1.1
Vezměme si elektroměr (elektroskop v kovovém pouzdře) s kovovou koulí s otvorem připevněným k jeho tyči a dvěma destičkami na dlouhých rukojetích: jedna z ebonitu a druhá z plexiskla. Při tření o sebe se desky elektrizují. Přinesme jednu z desek dovnitř koule, aniž bychom se dotkli jejích stěn. Pokud je deska nabita kladně, pak některé elektrony z jehly a tyče elektrometru budou přitahovány k desce a shromážděny na vnitřním povrchu koule. Zároveň se šipka nabije kladně a bude odsunuta od tyče (obr. 1.1).
Pokud do koule umístíte další desku a nejprve odstraníte první, pak se elektrony koule a tyče odpuzují od desky a budou se v přebytku hromadit na šipce. To způsobí, že se šipka vychýlí ve stejném úhlu jako v prvním experimentu. Po sklopení obou desek dovnitř koule nezjistíme žádnou odchylku šipky (obr. 1.2). To dokazuje, že náboje desek jsou stejné velikosti a opačného znaménka. Tento závěr vyplývá přímo ze zákona zachování náboje.
Jak dochází k elektrifikaci těles?
Je velmi jednoduché elektrifikovat tělesa pomocí tření. Vysvětlit, jak k tomu dochází, se ale ukázalo jako velmi obtížný úkol. Po mnoho desetiletí bylo a stále je podáváno následující vysvětlení. Při elektrizování těles je důležitý úzký kontakt mezi nimi. Elektrické síly drží elektrony uvnitř těla. Ale pro různé látky jsou tyto síly různé. Při těsném kontaktu přechází malá část elektronů látky, ve které je spojení elektronů s tělesem poměrně slabé, do jiného tělesa. Pohyby elektronů nepřesahují meziatomové vzdálenosti (10-8 cm). Ale pokud jsou těla oddělena, pak budou nabita obě.
Protože povrchy těles nejsou nikdy dokonale hladké, dochází k těsnému kontaktu mezi tělesy nezbytnými pro přechod pouze na malých plochách ploch. Když se tělesa třou o sebe, zvyšuje se počet oblastí s těsným kontaktem, a tím se zvyšuje celkový počet nabitých částic přecházejících z jednoho tělesa do druhého.
Nedávno se však toto vysvětlení elektrifikace třením stalo kontroverzním. Není jasné, jak se mohou elektrony pohybovat v takových nevodivých látkách (izolantech), jako je ebonit, plexisklo a další. Jsou vázány v neutrálních molekulách. Další vysvětlení nabídli pracovníci Ústavu fyziky a technologie v Petrohradě.
Pro iontový LiF krystal (izolátor) toto vysvětlení vypadá takto. Při tvorbě krystalu vznikají různé typy defektů, zejména vakance - nevyplněné prostory v uzlech krystalové mřížky. Pokud počet volných míst pro kladné ionty lithia a záporné ionty fluoru není stejný, pak se krystal při vytvoření nabije v objemu. Ale náboj jako celek nemůže krystal udržet dlouho. Ve vzduchu je vždy určité množství iontů a krystal je bude vytahovat ze vzduchu, dokud náboj krystalu nezneutralizuje vrstva iontů na jeho povrchu. Různé izolanty mají různý prostorový náboj, a proto se liší i náboje povrchových vrstev iontů. Při tření dochází k promíchání povrchových vrstev iontů a při oddělení izolantů se každý z nich nabije.
Mohou být dva stejné izolátory, například stejné krystaly LiF, elektrifikovány třením? Pokud mají stejné vlastní vesmírné poplatky, pak ne. Mohou mít ale také různé vlastní náboje, pokud byly krystalizační podmínky jiné a objevil se jiný počet volných míst.
Jak ukázala zkušenost, může při tření identických krystalů rubínu, jantaru atd. skutečně dojít k elektrifikaci.
Je však nepravděpodobné, že výše uvedené vysvětlení bude ve všech případech správné. Pokud se tělesa skládají například z molekulárních krystalů, pak by výskyt prázdných míst v nich neměl vést k nabíjení tělesa.
Vidíme tedy, že tak zdánlivě jednoduchý jev, jakým je elektrifikace třením, v sobě skrývá mnoho záhad.
Elektrifikace těles a její aplikace v technice
Při tření syntetických tkanin dochází k výrazné elektrifikaci. Při svlékání nylonové košile na suchém vzduchu uslyšíte charakteristický praskavý zvuk. Mezi nabitými oblastmi třecích ploch přeskakují malé jiskřičky. S podobným jevem je třeba počítat i při výrobě. Nitě příze v textilních továrnách jsou tedy elektrifikovány třením, přitahovány k vřetenům a trhány. Příze přitahuje prach a špiní se. Proto je nutné činit různá opatření proti elektrifikaci závitů.
Při odvíjení velkých rolí papíru v tiskárně nosí pracovníci gumové rukavice, aby se chránili před elektrickými výboji, ke kterým dochází mezi elektrifikovaným papírem a jejich rukama.
Velké elektrické náboje se hromadí, když se pneumatiky třou o asfalt v suchém počasí. Hrozí nebezpečí přeskočení jiskry. Kovové řetězy jsou proto připevněny k zádi vozů – palivové nádrže – a táhnou se po silnici. Někdy jsou i osobní vozy vybaveny gumičkou z vodivého kaučuku.
V důsledku elektrifikace třením funguje běžný elektrostatický stroj.
Fenomén elektrifikace těl v těsném kontaktu se využívá v moderních elektrokopírovacích strojích (např. „Era“, „Xerox“ atd.).
Takže v jedné z těchto instalací je černý pryskyřičný prášek smíchán s drobnými skleněnými kuličkami. V tomto případě jsou kuličky nabity kladně a částice prášku záporně. Kvůli přitažlivosti pokrývají povrch kuliček tenkou vrstvou.
Zkopírovaný text nebo kresba se promítá na tenkou selenovou destičku, jejíž povrch je kladně nabitý. Deska spočívá na záporně nabitém kovovém povrchu. Pod vlivem světla se deska vybije a kladný náboj zůstane pouze v oblastech odpovídajících tmavým oblastem obrazu. Deska se poté pokryje tenkou vrstvou kuliček. V důsledku přitahování opačných nábojů je pryskyřičný prášek přitahován ke kladně nabitým oblastem desky. Poté se kuličky setřepou a pevným přitlačením listu papíru k desce se na ni vytvoří otisk. Potisk je fixován teplem.
Makroskopické těleso je elektricky nabité, pokud obsahuje nadbytečné množství elementárních částic se stejným znaménkem náboje. Záporný náboj tělesa je způsoben nadbytkem elektronů ve srovnání s protony a kladný náboj je způsoben nedostatkem elektronů.
? 1. Ebonitová tyčinka se při elektrifikaci negativně nabila. Zůstala hmotnost tyče stejná? 2. Je známo, že skleněná tyčinka otřená o hedvábí se nabije kladně. Experimentálně určete znak náboje plastové rukojeti otřené o vlnu.