Zákon zachovania elektrických nábojov. Zákon zachovania náboja Aké častice sa podieľajú na elektrifikácii
Témy kodifikátora jednotnej štátnej skúšky: elektrifikácia telies, interakcia nábojov, dva druhy náboja, zákon zachovania elektrického náboja.
Elektromagnetické interakcie patria medzi najzákladnejšie interakcie v prírode. Sily pružnosti a trenia, tlak plynu a mnohé ďalšie možno redukovať na elektromagnetické sily medzi časticami hmoty. Samotné elektromagnetické interakcie už nie sú redukované na iné, hlbšie typy interakcií.
Rovnako zásadným typom interakcie je gravitácia – gravitačná príťažlivosť akýchkoľvek dvoch telies. Medzi elektromagnetickými a gravitačnými interakciami však existuje niekoľko dôležitých rozdielov.
1. Nie každý sa môže zúčastniť elektromagnetických interakcií, ale iba spoplatnené telá (majú nabíjačka).
2. Gravitačná interakcia je vždy príťažlivosť jedného tela k druhému. Elektromagnetické interakcie môžu byť atraktívne alebo odpudivé.
3. Elektromagnetická interakcia je oveľa intenzívnejšia ako gravitačná interakcia. Napríklad sila elektrického odpudzovania medzi dvoma elektrónmi je niekoľkonásobne väčšia ako sila ich gravitačnej príťažlivosti k sebe navzájom.
Každé nabité teleso má určité množstvo elektrického náboja. Elektrický náboj je fyzikálna veličina, ktorá určuje silu elektromagnetickej interakcie medzi prírodnými objektmi. Jednotkou poplatku je prívesok(Cl).
Dva druhy nabíjania
Keďže gravitačná interakcia je vždy príťažlivosťou, hmotnosti všetkých telies sú nezáporné. To však neplatí pre poplatky. Je vhodné opísať dva typy elektromagnetickej interakcie - príťažlivosť a odpudzovanie - zavedením dvoch typov elektrických nábojov: pozitívne A negatívne.
Náboje rôznych znamení sa navzájom priťahujú a náboje rôznych znamení sa odpudzujú. Toto je znázornené na obr. 1; Guľôčky zavesené na vláknach dostávajú náboje jedného alebo druhého znamenia.
Ryža. 1. Interakcia dvoch typov nábojov
Rozsiahly prejav elektromagnetických síl sa vysvetľuje skutočnosťou, že atómy akejkoľvek látky obsahujú nabité častice: jadro atómu obsahuje kladne nabité protóny a záporne nabité elektróny sa pohybujú po dráhach okolo jadra.
Náboje protónu a elektrónu majú rovnakú veľkosť a počet protónov v jadre sa rovná počtu elektrónov na obežných dráhach, a preto sa ukazuje, že atóm ako celok je elektricky neutrálny. To je dôvod, prečo za normálnych podmienok nezaznamenávame elektromagnetický vplyv okolitých telies: celkový náboj každého z nich je nulový a nabité častice sú rovnomerne rozložené v celom objeme telesa. Ak je však narušená elektrická neutralita (napríklad v dôsledku elektrifikácia) teleso okamžite začne pôsobiť na okolité nabité častice.
Prečo existujú práve dva typy elektrických nábojov a nie nejaké iné číslo, v súčasnosti nie je známe. Môžeme len tvrdiť, že akceptovanie tohto faktu ako primárneho poskytuje adekvátny popis elektromagnetických interakcií.
Náboj protónu je Cl. Náboj elektrónu je v znamienku opačný a rovná sa Cl. Rozsah
volal elementárny náboj. Toto je minimálny možný náboj: voľné častice s menším nábojom sa v experimentoch nezistili. Fyzika zatiaľ nevie vysvetliť, prečo má príroda najmenší náboj a prečo je jej veľkosť práve taká.
Náboj akéhokoľvek telesa vždy pozostáva z celá počet základných poplatkov:
Ak , potom má telo prebytok elektrónov (v porovnaní s počtom protónov). Ak naopak telu chýbajú elektróny: protónov je viac.
Elektrifikácia tiel
Aby makroskopické teleso mohlo pôsobiť elektrickým vplyvom na iné telesá, musí byť elektrifikované. Elektrifikácia je porušením elektrickej neutrality tela alebo jeho častí. V dôsledku elektrifikácie sa telo stáva schopným elektromagnetických interakcií.
Jedným zo spôsobov, ako zelektrizovať teleso, je odovzdať mu elektrický náboj, teda dosiahnuť prebytok nábojov rovnakého znamienka v danom telese. To sa dá ľahko urobiť pomocou trenia.
Keď sa teda sklenená tyčinka potrie hodvábom, časť jej záporných nábojov ide do hodvábu. Výsledkom je, že tyčinka sa nabije kladne a hodváb záporne. Ale pri trení ebonitovej tyčinky vlnou sa niektoré záporné náboje prenesú z vlny na tyčinku: tyčinka sa nabije záporne a vlna sa nabije kladne.
Tento spôsob elektrifikácie telies je tzv elektrifikácia trením. S elektrifikovaným trením sa stretávate vždy, keď si vyzlečiete sveter cez hlavu ;-)
Iný typ elektrifikácie je tzv elektrostatická indukcia, alebo elektrifikácia prostredníctvom vplyvu. V tomto prípade zostáva celkový náboj tela rovný nule, ale je prerozdelený tak, že v niektorých častiach tela sa hromadia kladné náboje a v iných záporné náboje.
Ryža. 2. Elektrostatická indukcia
Pozrime sa na obr. 2. V určitej vzdialenosti od kovového tela je kladný náboj. Priťahuje negatívne kovové náboje (voľné elektróny), ktoré sa hromadia v oblastiach povrchu tela, ktoré sú najbližšie k náboju. Vo vzdialených oblastiach zostávajú nekompenzované kladné náboje.
Napriek tomu, že celkový náboj kovového tela zostal rovný nule, došlo v tele k priestorovému oddeleniu nábojov. Ak teraz rozdelíme telo pozdĺž bodkovanej čiary, pravá polovica bude nabitá záporne a ľavá bude kladne nabitá.
Elektrifikáciu tela môžete pozorovať pomocou elektroskopu. Jednoduchý elektroskop je znázornený na obr. 3 (obrázok z en.wikipedia.org).
Ryža. 3. Elektroskop
Čo sa stane v tomto prípade? Kladne nabitá tyčinka (napríklad predtým otretá) sa privedie na disk elektroskopu a zbiera na nej záporný náboj. Nižšie na pohyblivých listoch elektroskopu zostávajú nekompenzované kladné náboje; Odtláčaním od seba sa listy pohybujú rôznymi smermi. Ak palicu odstránite, náboje sa vrátia na svoje miesto a listy spadnú späť.
Fenomén elektrostatickej indukcie vo veľkom meradle je pozorovaný počas búrky. Na obr. 4 vidíme, ako nad zemou prechádza búrkový mrak.
Ryža. 4. Elektrifikácia zeme búrkovým mrakom
Vo vnútri oblaku sa nachádzajú kusy ľadu rôznych veľkostí, ktoré sa miešajú stúpajúcimi prúdmi vzduchu, narážajú do seba a elektrizujú. Ukazuje sa, že záporný náboj sa hromadí v spodnej časti oblaku a kladný náboj sa hromadí v hornej časti.
Záporne nabitá spodná časť oblaku indukuje pod sebou na povrchu zeme kladné náboje. Objaví sa obrovský kondenzátor s kolosálnym napätím medzi mrakom a zemou. Ak toto napätie postačuje na prerušenie vzduchovej medzery, tak dôjde k výboju – známemu blesku.
Zákon zachovania náboja
Vráťme sa k príkladu elektrifikácie trením – trením palice handričkou. V tomto prípade palica a kus látky získajú náboje rovnakej veľkosti a opačného znamienka. Ich celkový náboj bol pred interakciou rovný nule a po interakcii zostáva rovný nule.
Vidíme tu zákon zachovania náboja ktorý znie: v uzavretom systéme telies zostáva algebraický súčet nábojov nezmenený počas akýchkoľvek procesov prebiehajúcich s týmito telesami:
Uzatvorenosť systému telies znamená, že tieto telesá si môžu vymieňať náboje iba medzi sebou, ale nie s inými objektmi mimo tohto systému.
Pri elektrifikácii palice nie je nič prekvapujúce pri zachovaní náboja: koľko nabitých častíc opustí palicu, rovnaké množstvo sa dostane na kus látky (alebo naopak). Prekvapivé je, že pri zložitejších procesoch sprevádzaných vzájomné premeny elementárne častice a zmena čísla nabité častice v systéme, celkový náboj je stále zachovaný!
Napríklad na obr. Obrázok 5 ukazuje proces, pri ktorom časť elektromagnetického žiarenia (tzv fotón) sa mení na dve nabité častice - elektrón a pozitrón. Ukazuje sa, že takýto proces je možný za určitých podmienok - napríklad v elektrickom poli atómového jadra.
Ryža. 5. Zrodenie elektrón-pozitrónového páru
Náboj pozitrónu je rovnaký ako náboj elektrónu a má opačné znamienko. Zákon zachovania náboja je splnený! Skutočne, na začiatku procesu sme mali fotón, ktorého náboj bol nula, a na konci sme dostali dve častice s celkovým nábojom nula.
Zákon zachovania náboja (spolu s existenciou najmenšieho elementárneho náboja) je dnes primárnym vedeckým faktom. Fyzikom sa zatiaľ nepodarilo vysvetliť, prečo sa príroda správa tak a nie inak. Môžeme len konštatovať, že tieto skutočnosti potvrdzujú početné fyzikálne experimenty.
Mnohé fyzikálne javy pozorované v prírode a živote okolo nás nemožno vysvetliť len na základe zákonov mechaniky, molekulárnej kinetickej teórie a termodynamiky. Tieto javy prejavujú sily pôsobiace medzi telesami na diaľku a tieto sily nezávisia od hmotnosti interagujúcich telies, a preto nie sú gravitačné. Tieto sily sú tzv elektromagnetické sily.
Zákon zachovania elektrického náboja
Za normálnych podmienok sú mikroskopické telesá elektricky neutrálne, pretože kladne a záporne nabité častice, ktoré tvoria atómy, sú navzájom spojené elektrickými silami a vytvárajú neutrálne systémy. Ak dôjde k narušeniu elektrickej neutrality telesa, potom sa takéto teleso nazýva elektrifikované telo. Na elektrizovanie telesa je potrebné, aby sa na ňom vytvoril nadbytok alebo nedostatok elektrónov alebo iónov rovnakého znamienka.
Spôsoby elektrifikácie telies, ktoré predstavujú interakciu nabitých telies, môžu byť nasledovné:
- Elektrifikácia tiel pri kontakte . V tomto prípade pri tesnom kontakte prechádza malá časť elektrónov z jednej látky, v ktorej je spojenie s elektrónom relatívne slabé, na inú látku.
- Elektrifikácia telies pri trení . Zároveň sa zväčšuje oblasť kontaktu medzi telami, čo vedie k zvýšenej elektrifikácii.
- Vplyv. Základom vplyvu je jav elektrostatickej indukcie, teda indukcia elektrického náboja v látke umiestnenej v konštantnom elektrickom poli.
- Elektrifikácia tiel vplyvom svetla . Základom toho je fotoelektrický efekt, alebo fotoefekt keď vplyvom svetla môžu elektróny vyletieť z vodiča do okolitého priestoru, v dôsledku čoho sa vodič nabije.
Početné experimenty ukazujú, že keď existuje elektrifikácia tela, potom sa na telesách objavia elektrické náboje rovnakej veľkosti a opačného znamienka.
Negatívny náboj telo je spôsobené nadbytkom elektrónov na tele v porovnaní s protónmi, a kladný náboj spôsobené nedostatkom elektrónov.
Keď je teleso elektrifikované, to znamená, keď je záporný náboj čiastočne oddelený od kladného náboja, ktorý je s ním spojený, zákon zachovania elektrického náboja. Zákon zachovania náboja platí pre uzavretý systém, do ktorého nabité častice zvonku nevstupujú a z ktorého nevychádzajú.
Zákon zachovania elektrického náboja je formulovaný nasledovne:
V uzavretom systéme zostáva algebraický súčet nábojov všetkých častíc nezmenený:
q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = konšt
Kde
q 1, q 2 atď. - náboje častíc.
Definície
Elementárne častice môže mať email náboj, potom sa nazývajú nabité;
Elementárne častice na seba vzájomne pôsobia silami, ktoré závisia od vzdialenosti medzi časticami, ale mnohonásobne prevyšujú sily vzájomnej gravitácie (táto interakcia sa nazýva elektromagnetická).
Nabíjačka- fyzikálna veličina, ktorá určuje intenzitu elektromagnetických interakcií.
Existujú 2 znaky elektrických nábojov:
- pozitívne
- negatívne
Častice s podobnými nábojmi odraziť s rôznymi menami - sú priťahovaní. Protón má pozitívne náboj, elektrón - negatívne, neutrón - elektricky neutrálny.
Základný poplatok- minimálny poplatok, ktorý nemožno rozdeliť.
Ako môžeme vysvetliť prítomnosť elektromagnetických síl v prírode? - Všetky telesá obsahujú nabité častice.
V normálnom stave sú telesá elektricky neutrálne (keďže atóm je neutrálny) a elektromagnetické sily sa neprejavujú.
Telo je nabité, ak má prebytok poplatkov akéhokoľvek znamenia:
- negatívne nabité - ak je prebytok elektrónov;
- kladne nabitý – ak je nedostatok elektrónov.
Elektrifikácia tiel- to je jeden zo spôsobov, ako získať nabité telesá napríklad kontaktom).
V tomto prípade sú obe telesá nabité a náboje majú opačné znamienko, ale rovnakú veľkosť.
Interakcia telies, ktoré majú náboje rovnakého alebo odlišného znamienka, možno demonštrovať v nasledujúcich experimentoch. Ebonitovú palicu trením o srsť zelektrizujeme a dotkneme sa kovovej objímky zavesenej na hodvábnej nite.
Náboje rovnakého znamienka (záporné náboje) sú rozmiestnené na rukáve a ebonitovej tyči. Priblížením záporne nabitej ebonitovej tyčinky k nabitej objímke môžete vidieť, že objímka sa od tyčinky odpudí (obr. 1.1).
Ak teraz k nabitému rukávu pritiahnete sklenenú tyčinku natretú na hodvábe (kladne nabitú), rukáv sa k nej pritiahne (obr. 1.2).
![](https://i1.wp.com/calcsbox.com/uploads/property/1268-adc8ca.png)
Vezmime dva rovnaké elektromery a jeden z nich nabijeme (obr. 2.1). Jeho náboj zodpovedá 6 dielikom stupnice.
Ak tieto elektromery spojíte sklenenou tyčou, nedôjde k žiadnym zmenám. To potvrdzuje skutočnosť, že sklo je dielektrikum. Ak na pripojenie elektromerov použijete kovovú tyč A (obr. 2.2), držiac ju za nevodivú rukoväť B, všimnete si, že počiatočný náboj sa rozdelí na dve rovnaké časti: polovica náboja sa prenesie z prvá lopta k druhej. Teraz náboj každého elektromera zodpovedá 3 dielikom stupnice. Pôvodný náboj sa teda nezmenil, iba sa rozdelil na dve časti.
Ak sa náboj prenesie z nabitého telesa na nenabité teleso rovnakej veľkosti, potom sa náboj rozdelí na polovicu medzi tieto dve telá. Ale ak je druhé nenabité telo väčšie ako prvé, potom sa viac ako polovica náboja prenesie na druhé. Čím väčšie je teleso, na ktoré sa náboj prenesie, tým väčšia časť náboja sa naň prenesie.
Celková výška poplatku sa však nezmení. Dá sa teda tvrdiť, že náboj je zachovaný. Tie. je splnený zákon zachovania elektrického náboja.
Elektrické náboje neexistujú samy o sebe, ale sú vnútornými vlastnosťami elementárnych častíc - elektrónov, protónov atď.
Experimentálne v roku 1914 ukázal americký fyzik R. Millikan že elektrický náboj je diskrétny . Náboj akéhokoľvek telesa je celočíselným násobkom elementárny elektrický náboj e = 1,6 x 10-19 °C.
Pri reakcii tvorby elektrón-pozitrónového páru pôsobí: zákon zachovania náboja.
q elektrón +pozitrón q = 0.
Pozitrón- elementárna častica s hmotnosťou približne rovnajúcou sa hmotnosti elektrónu; Náboj pozitrónu je kladný a rovná sa náboju elektrónu.
Na základe zákon zachovania elektrického náboja vysvetľuje elektrifikáciu makroskopických telies.
Ako viete, všetky telá pozostávajú z atómov, medzi ktoré patria elektróny A protóny. Počet elektrónov a protónov v nenabitom tele je rovnaký. Preto takéto teleso nevykazuje elektrický účinok na iné telesá. Ak sú dve telesá v tesnom kontakte (počas trenia, stláčania, nárazu atď.), potom sú elektróny spojené s atómami oveľa slabšie ako protóny a presúvajú sa z jedného telesa do druhého.
Telo, do ktorého sa elektróny preniesli, ich bude mať nadbytok. Podľa zákona zachovania sa elektrický náboj tohto telesa bude rovnať algebraickému súčtu kladných nábojov všetkých protónov a nábojov všetkých elektrónov. Tento náboj bude záporný a bude mať rovnakú hodnotu ako súčet nábojov prebytočných elektrónov.
Teleso s prebytkom elektrónov má záporný náboj.
Teleso, ktoré stratilo elektróny, bude mať kladný náboj, ktorého modul sa bude rovnať súčtu nábojov elektrónov, ktoré telo stratilo.
Telo, ktoré má kladný náboj, má menej elektrónov ako protónov.
Elektrický náboj sa nemení, keď sa teleso presunie do inej referenčnej sústavy.
Javascript je vo vašom prehliadači zakázaný.Ak chcete vykonávať výpočty, musíte povoliť ovládacie prvky ActiveX!
Elektrifikácia tiel
Ak makroskopické teleso obsahuje nadbytok elementárnych častíc s jedným znamienkom, potom je elektricky nabité. Záporný náboj je teda spôsobený nadmerným počtom elektrónov v porovnaní s počtom protónov a kladný náboj je spôsobený nedostatkom elektrónov. Na získanie elektricky nabitého makroskopického telesa, to znamená na jeho elektrifikáciu, je potrebné oddeliť časť záporného náboja od kladného náboja, ktorý je s ním spojený. To sa dá dosiahnuť napríklad pomocou trenia. Povedzme, že ak prejdete hrebeňom cez suché vlasy, potom sa malá časť najpohyblivejších nabitých častíc - elektrónov - presunie z vlasov do hrebeňa a nabijú ho negatívne a vlasy sa nabijú pozitívne.
Elektrifikácia – je proces získavania elektricky nabitých makroskopických telies z elektricky neutrálnych .
Stupeň elektrifikácie telies v dôsledku vzájomného trenia je charakterizovaný hodnotou a znakom elektrického náboja prijatého telesom. Guma natretá na kožušine sa nabije záporne, zatiaľ čo sklo natreté na hodváb sa nabije kladne. V tomto prípade kožušina dostáva kladný náboj a hodváb záporný. Znak náboja telies v dôsledku elektrifikácie je určený tým, že niektoré látky sa pri trení elektrónov vzdávajú, iné ich pridávajú. Dôvodom tohto javu je rozdiel vo väzbovej energii elektrónu s atómom v týchto látkach. Ukazuje sa, že v závislosti od väzbovej energie môže tá istá látka pri trení s rôznymi látkami dostať náboj iného znamienka.
Trenie je len jedným z mnohých spôsobov elektrifikácie hmoty. Telo sa môže nabíjať kontaktom s nabitým telesom, v dôsledku zahrievania, ožiarenia svetlom a pod. Elektrifikácia ožiarením sa používa napríklad v kopírke a laserovej tlačiarni.
2. Zákon zachovania náboja .
Vieme, že hmotnosť tiel je zachovaná. Zachová sa aj elektrický náboj. Je to náboj, nie počet nabitých častíc. Pri elektrifikácii trením dochádza k redistribúcii existujúcich nábojov medzi telesami, ktoré sú v prvom momente neutrálne. Malá časť elektrónov sa pohybuje z jedného tela do druhého. V tomto prípade sa nové častice neobjavia a už existujúce nezmiznú.
Keď sú telesá elektrifikované, je splnený zákon zachovania elektrického náboja. Tento zákon platí pre systém, do ktorého nabité častice nevstupujú zvonku a z ktorého nabité častice nevychádzajú, teda napr. uzavretý systém ktorá sa volá elektricky izolované .
Elektricky izolovaná sústava telies –sústava telies, cez hranicu ktorých náboje nepreniknú.
Zákon zachovania náboja je formulovaný nasledovne:
Algebraický súčet nábojov elektricky izolovaného systému je konštantný, tzn :
Q 1 + Q 2 + … + Q n = konšt
Zákon zachovania náboja má hlboký význam. Ak sa počet nabitých elementárnych častíc nemení, potom je splnenie zákona zachovania náboja zrejmé. Ale elementárne častice sa môžu navzájom premieňať, rodiť a miznúť, čím dávajú život novým časticiam. Vo všetkých prípadoch sa však nabité častice rodia iba v pároch s nábojmi rovnakej veľkosti a opačného znamienka; Častice tiež miznú len v pároch a menia sa na neutrálne. A vo všetkých prípadoch zostáva súčet poplatkov rovnaký. Platnosť zákona zachovania náboja potvrdzujú pozorovania obrovského množstva premien elementárnych častíc. Tento zákon vyjadruje jednu z najzákladnejších vlastností elektrického náboja. Dôvod, prečo je poplatok zadržaný, je stále neznámy.
Zákon zachovania náboja platí v akejkoľvek inerciálnej referenčnej sústave (IFR). To znamená, že pozorovatelia, ktorí merajú náboj v rôznych ISO, dostanú rovnakú hodnotu.
Elektrický náboj sa vo vesmíre zachováva. Celkový elektrický náboj vesmíru je s najväčšou pravdepodobnosťou nulový, to znamená, že počet kladne nabitých elementárnych častíc sa rovná počtu záporne nabitých elementárnych častíc.
Coulombov zákon.
Študujeme elektrostatiku a základný zákon elektrostatiky – zákon interakcie dvoch stacionárnych bodovo nabitých telies .
Základný zákon elektrostatiky experimentálne stanovil francúzsky vedec Charles Coulomb v roku 1785 a nesie jeho meno. Coulombov zákon, podobne ako zákon univerzálnej gravitácie, je formulovaný aj pre bodové telesá.
Bodové telesá v prírode neexistujú, ale ak je vzdialenosť medzi telesami mnohonásobne väčšia ako ich veľkosť, potom ani tvar, ani veľkosť nabitých telies výrazne neovplyvňuje interakcie medzi nimi. V tomto prípade možno telesá považovať za bodové telesá, teda za body.
Sila interakcie medzi nabitými telesami závisí od vlastností prostredia medzi nabitými telesami. Zatiaľ budeme predpokladať, že k interakcii dochádza vo vákuu. Skúsenosti však ukazujú, že vzduch má veľmi malý vplyv na silu interakcie medzi nabitými telesami, ukazuje sa, že je takmer rovnaká ako vo vákuu.
Objav zákona o interakcii elektrických nábojov bol uľahčený skutočnosťou, že tieto sily sa ukázali byť veľké. Tu nebolo potrebné používať zvlášť citlivé zariadenia, ako pri testovaní zákona univerzálnej gravitácie v pozemských podmienkach. Ako stacionárne nabité telesá navzájom interagujú, bolo stanovené pomocou torzné váhy .
Torzné váhy pozostávajú zo sklenenej tyče zavesenej na tenkom elastickom drôte. Na jeden koniec palice je pripevnená malá kovová gulička a na druhom protizávažie. Ďalšia kovová guľa je pevne pripevnená na tyči, ktorá je zase namontovaná na veku váhy.
Keď loptičky dostanú náboje s rovnakým názvom, začnú sa navzájom odpudzovať. Aby sa udržali v pevnej vzdialenosti, musí byť elastický drôt skrútený pod určitým uhlom. Sila interakcie medzi guličkami je určená uhlom skrútenia drôtu. Torzné váhy umožnili študovať závislosť sily interakcie nabitých guľôčok od veľkosti nábojov a od vzdialenosti medzi nimi. Vtedy vedeli merať silu a vzdialenosť. Jediný problém bol s nábojom, pre ktorý neboli ani jednotky na meranie. Prívesok našiel jednoduchý spôsob, ako zmeniť náboj guľôčok 2, 4 alebo viackrát tak, že ho spojíte s rovnakou nenabitou guľôčkou. V tomto prípade bol náboj rovnomerne rozdelený medzi guľôčky, čo v určitom pomere znížilo skúmaný náboj. Nová hodnota interakčnej sily s novým nábojom bola stanovená experimentálne. Coulombove experimenty viedli k zavedeniu zákona, ktorý nápadne pripomínal zákon univerzálnej gravitácie.
Sila interakcie medzi dvoma stacionárnymi bodovými nábojmi umiestnenými vo vákuu je priamo úmerná súčinu modulov týchto nábojov, nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti medzi nimi a smeruje pozdĺž priamky spájajúcej tieto náboje.
Elektrostatika študuje vlastnosti a interakcie nábojov, ktoré sú stacionárne v rámci referenčného rámca, v ktorom sú uvažované.
V prírode existujú iba dva typy elektrických nábojov - negatívny a pozitívny. Pozitívny náboj sa môže objaviť na sklenenej tyčinke potiahnutej kožou a negatívny náboj sa môže objaviť na jantáru potiahnutom vlnou.
Je známe, že všetky telesá sa skladajú z atómov. Atóm sa zase skladá z kladne nabitého jadra a elektrónov, ktoré sa okolo neho otáčajú. Keďže elektróny majú záporný náboj a jadro má kladný náboj, atóm ako celok je elektricky neutrálny. Keď je vystavený zvonku, môže stratiť jeden alebo viac elektrónov a zmeniť sa na kladne nabitý ión. Ak atóm (alebo molekula) k sebe pripojí ďalší elektrón, zmení sa na záporný ión.
Elektrický náboj teda môže existovať vo forme záporných alebo kladných iónov a elektrónov. Existuje jeden druh "voľnej elektriny" - negatívne elektróny. Preto, ak má telo kladný náboj, nemá dostatok elektrónov, a ak je záporný, potom má prebytok.
Elektrické vlastnosti akejkoľvek látky sú určené jej atómovou štruktúrou. Atómy môžu dokonca stratiť niekoľko elektrónov, v tomto prípade sa nazývajú viacnásobne ionizované. Jadro atómu sa skladá z protónov a neutrónov. Každý protón nesie náboj, ktorý sa rovná náboju elektrónu, ale má opačné znamienko. Neutróny sú elektricky neutrálne častice (nemajú elektrický náboj).
Okrem protónov a elektrónov majú elektrický náboj aj iné elementárne častice. Elektrický náboj je neoddeliteľnou súčasťou elementárnych častíc.
Za najmenší náboj sa považuje náboj rovný náboju elektrónu. Nazýva sa aj elementárny náboj, ktorý sa rovná 1,6·10-19C. Akýkoľvek náboj je násobkom celého počtu nábojov elektrónov. Preto elektrifikácia tela nemôže prebiehať nepretržite, ale len v krokoch (diskrétne), podľa veľkosti náboja elektrónu.
Ak sa kladne nabité telo začne nabíjať (nabíjať zápornou elektrinou), jeho náboj sa nezmení okamžite, ale najskôr sa zníži na nulu a až potom získa negatívny potenciál. Z toho môžeme usúdiť, že sa navzájom kompenzujú. Táto skutočnosť viedla vedcov k záveru, že „nenabité“ telesá vždy obsahujú náboje pozitívnych a negatívnych znakov, ktoré sú obsiahnuté v takom množstve, že ich pôsobenie sa navzájom úplne kompenzuje.
Počas elektrifikácie oddeľuje trenie záporné a kladné „prvky“ obsiahnuté v „nenabitom tele“. V dôsledku pohybu negatívnych prvkov tela (elektrónov) sú obe telesá elektrifikované, jedno z nich je negatívne a druhé je pozitívne. Množstvo nábojov „tečúcich“ z jedného prvku do druhého zostáva počas celého procesu konštantné.
Z toho môžeme vyvodiť záver poplatky nie sú sú vytvorené a nezanikajú, ale jednoducho „tečú“ z jedného tela do druhého alebo sa v ňom pohybujú. Toto je podstata zákona zachovania elektrických nábojov. Pri trení mnohé materiály podliehajú elektrifikácii – ebonit, sklo a mnohé ďalšie. V mnohých priemyselných odvetviach (textilný, papierenský a iné) predstavuje prítomnosť statickej elektriny vážny technický problém, pretože elektrifikácia prvkov spôsobená trením papiera, tkaniny alebo iných priemyselných výrobkov o časti strojov môže spôsobiť požiar a výbuch.
Ako makroskopické telesá získavajú elektrický náboj? O tom sa teraz bude diskutovať.
Náboj makroskopického telesa
Elektrodynamika, ktorú vytvoril Maxwell, uvažuje o elektromagnetických interakciách nie jednotlivých nabitých elementárnych častíc, ale makroskopických telies.
Makroskopické telesá sú spravidla elektricky neutrálne. Atóm akejkoľvek látky je neutrálny, pretože počet elektrónov v ňom sa rovná počtu protónov v jadre. Kladne a záporne nabité častice sú navzájom spojené elektrickými silami a tvoria neutrálne systémy.
Veľké teleso je nabité, keď obsahuje nadbytok elementárnych častíc s rovnakým znamienkom náboja. Záporný náboj tela je spôsobený nadbytkom elektrónov v porovnaní s protónmi a kladný náboj je spôsobený ich nedostatkom.
Elektrifikácia tiel
Aby ste získali elektricky nabité makroskopické telo alebo ho, ako sa hovorí, zelektrizovali, musíte oddeliť časť záporného náboja od toho, ktorý je s ním spojený.
pozitívny1.
Najjednoduchší spôsob, ako to dosiahnuť, je trenie. Ak si prejdete hrebeňom po vlasoch, malá časť najpohyblivejších nabitých častíc – elektrónov – sa presunie z vlasov do hrebeňa a nabije ich negatívne a vlasy sa nabijú kladne.
Pomocou jednoduchého experimentu sa dá dokázať, že pri elektrifikácii trením obe telesá získavajú náboje opačného znamienka, ale rovnakej veľkosti.
1 Tu av nasledujúcom texte budeme pre stručnosť často hovoriť o nábojoch, pohybe nábojov atď. V skutočnosti máme na mysli nabité telesá (alebo častice), pohyb nabitých častíc atď., keďže náboj bez a častica neexistuje.
Ryža. 1.2
Ryža. 1.1
Vezmime si elektrometer (elektroskop v kovovom puzdre) s kovovou guľou s otvorom pripevneným na jeho tyči a dvoma platňami na dlhých rúčkach: jedna z ebonitu a druhá z plexiskla. Pri trení o seba platničky elektrizujú. Prenesme jednu z platní dovnútra gule bez toho, aby sme sa dotkli jej stien. Ak je platňa nabitá kladne, potom sa časť elektrónov z ihly a tyče elektromera pritiahne k platni a zhromaždí sa na vnútornom povrchu gule. Zároveň sa šípka nabije kladne a odtlačí sa od tyče (obr. 1.1).
Ak do gule umiestnite ďalšiu platňu, pričom najprv odstránite prvú, potom sa elektróny gule a tyče odpudia od platne a budú sa hromadiť v prebytku na šípke. To spôsobí, že sa šípka vychýli pod rovnakým uhlom ako v prvom experimente. Po spustení oboch platničiek dovnútra gule nezistíme žiadnu odchýlku šípky (obr. 1.2). To dokazuje, že náboje dosiek majú rovnakú veľkosť a opačné znamienka. Tento záver vyplýva priamo zo zákona o zachovaní náboja.
Ako prebieha elektrifikácia tiel?
Je veľmi jednoduché elektrifikovať telesá pomocou trenia. Vysvetliť, ako sa to deje, sa však ukázalo ako veľmi náročná úloha. Po mnoho desaťročí sa podávalo a stále podáva nasledujúce vysvetlenie. Pri elektrizovaní telies je dôležitý úzky kontakt medzi nimi. Elektrické sily držia elektróny vo vnútri tela. Ale pre rôzne látky sú tieto sily rôzne. Pri tesnom kontakte prechádza malá časť elektrónov látky, v ktorej je spojenie elektrónov s telesom relatívne slabé, do iného telesa. Pohyby elektrónov nepresahujú medziatómové vzdialenosti (10-8 cm). Ale ak sú telá oddelené, obe budú obvinené.
Pretože povrchy telies nie sú nikdy dokonale hladké, tesný kontakt medzi telesami potrebný na prechod je vytvorený len na malých plochách plôch. Keď sa telesá trú o seba, zvyšuje sa počet oblastí s tesným kontaktom, a tým sa zvyšuje celkový počet nabitých častíc prechádzajúcich z jedného telesa do druhého.
Nedávno sa však toto vysvetlenie elektrifikácie trením stalo kontroverzným. Nie je jasné, ako sa môžu elektróny pohybovať v takých nevodivých látkach (izolantoch) ako je ebonit, plexisklo a iné. Sú viazané v neutrálnych molekulách. Iné vysvetlenie ponúkli pracovníci Ústavu fyziky a techniky v Petrohrade.
Pre iónový LiF kryštál (izolátor) toto vysvetlenie vyzerá takto. Pri tvorbe kryštálu vznikajú rôzne druhy defektov, najmä vakancie - nevyplnené priestory v uzloch kryštálovej mriežky. Ak počet voľných miest pre kladné ióny lítia a záporné ióny fluóru nie je rovnaký, potom sa kryštál pri vytvorení nabije v objeme. Ale náboj ako celok nemôže kryštál udržať dlho. Vo vzduchu je vždy určité množstvo iónov a kryštál ich bude vyťahovať zo vzduchu, kým náboj kryštálu nezneutralizuje vrstva iónov na jeho povrchu. Rôzne izolanty majú rôzny priestorový náboj, a preto sú aj náboje povrchových vrstiev iónov rôzne. Počas trenia sa povrchové vrstvy iónov miešajú a pri oddelení izolantov sa každý z nich nabije.
Môžu byť dva rovnaké izolátory, napríklad rovnaké kryštály LiF, elektrizované trením? Ak majú rovnaké vlastné vesmírne poplatky, tak nie. Ale môžu mať aj rôzne vlastné náboje, ak boli kryštalizačné podmienky iné a objavil sa iný počet voľných miest.
Ako ukázala skúsenosť, skutočne môže dôjsť k elektrifikácii pri trení rovnakých kryštálov rubínu, jantáru atď.
Je však nepravdepodobné, že vyššie uvedené vysvetlenie bude vo všetkých prípadoch správne. Ak telá pozostávajú napríklad z molekulárnych kryštálov, potom by výskyt voľných miest v nich nemal viesť k nabíjaniu tela.
Vidíme teda, že taký zdanlivo jednoduchý jav, akým je elektrifikácia trením, obsahuje veľa záhad.
Elektrifikácia telies a jej využitie v technike
Pri trení syntetických tkanín dochádza k výraznej elektrifikácii. Pri sťahovaní nylonovej košele na suchom vzduchu môžete počuť charakteristický praskavý zvuk. Medzi nabitými oblasťami trecích plôch preskakujú malé iskry. S podobným javom treba počítať aj pri výrobe. Nite priadze v textilných továrňach sú teda v dôsledku trenia elektrifikované, priťahované k vretienkam a trhané. Priadza priťahuje prach a špiní sa. Preto je potrebné urobiť rôzne opatrenia proti elektrifikácii závitov.
Pri odvíjaní veľkých kotúčov papiera v tlačiarni pracovníci nosia gumené rukavice, aby sa chránili pred elektrickými výbojmi, ktoré vznikajú medzi elektrifikovaným papierom a ich rukami.
Veľké elektrické náboje sa hromadia, keď sa pneumatiky otierajú o asfalt v suchom počasí. Hrozí nebezpečenstvo preskočenia iskry. Preto sú kovové reťaze pripevnené k zadnej časti automobilov - palivových nádrží - a ťahajú sa po ceste. Niekedy sú dokonca aj osobné autá vybavené gumičkou z vodivej gumy.
V dôsledku elektrifikácie trením funguje bežný elektrostatický stroj.
Fenomén elektrifikácie tiel v tesnom kontakte sa využíva v moderných elektrokopírovacích strojoch (ako napríklad „Era“, „Xerox“ atď.).
Takže v jednej z týchto inštalácií sa čierny živicový prášok zmieša s drobnými sklenenými guľôčkami. V tomto prípade sú guľôčky nabité kladne a častice prášku záporne. Vďaka príťažlivosti pokrývajú povrch loptičiek tenkou vrstvou.
Skopírovaný text alebo kresba sa premieta na tenkú selénovú platňu, ktorej povrch je kladne nabitý. Doska spočíva na záporne nabitom kovovom povrchu. Vplyvom svetla sa platňa vybije a kladný náboj zostáva len v oblastiach zodpovedajúcich tmavým oblastiam obrazu. Doska je potom pokrytá tenkou vrstvou guľôčok. V dôsledku priťahovania opačných nábojov je živicový prášok priťahovaný ku kladne nabitým oblastiam platne. Potom sa guľôčky otrasú a pevným pritlačením hárku papiera na tanier sa na ňom urobí odtlačok. Potlač je fixovaná pomocou tepla.
Makroskopické teleso je elektricky nabité, ak obsahuje nadbytočné množstvo elementárnych častíc s rovnakým znamienkom náboja. Záporný náboj telesa je spôsobený nadbytkom elektrónov v porovnaní s protónmi a kladný náboj je spôsobený nedostatkom elektrónov.
? 1. Ebonitová tyčinka sa pri elektrifikácii negatívne nabila. Zostala hmotnosť palice rovnaká? 2. Je známe, že sklenená tyčinka otretá o hodváb sa nabije kladne. Experimentálne určte znak náboja plastovej rukoväte natretej na vlnu.