Что значит тело наэлектризовано

Электризация. Электрический заряд

В основе объяснения явления электризации лежит электронная теория. Теория объясняет электрические свойства тел наличием в них электронов и их движением. Считается что причиной такого явления как «электризация трением» является, что при соприкосновении двух различных тел, часть электронов переходит с одного тела на другое. В результате на поверхности одного тела оказывается положительный заряд (избыток электронов), а на поверхности другого отрицательный заряд (недостаток электронов).

Что известно о таком явлении как электризация трением?

Если потереть друг о друга два разных вещества – стеклянную палочку о шёлк, то они приобретут разный заряд. То же самое произойдёт если потереть сургуч мехом.

Разделение зарядов происходит и без трения. Если в стакан с дистиллированной водой опустить парафиновый шарик на изолированной ручке, то произойдёт разделение зарядов. Вода и парафиновый шарик получат противоположные заряды.

Разделение зарядов имеет место любых двух различных тел: диэлектриков или проводников, твёрдых тел, жидкостей или газов.

Заряды, полученные электризацией трением можно перенести на другие предметы.

Под действием света происходит положительный заряд вещества.

Приведем аргументы против электронной теории.

Во-первых, в веществах не может быть свободных электронов. При взаимодействии протона и электрона всегда выделяется фотон энергии связи. Энергия связи крепко держит протон с электроном вместе даже в простых веществах. А в химических соединениях, которыми в основном и являются диэлектрики, эта связь ещё крепче. Эксперименты по исследованию фотоэффекта показывают, что для того чтобы оторвать электрон от протона нужно затратить фотон равный энергии связи между ними.

Во-вторых, электроны не могут просто взять и перейти от одного атома к другому. Для этого нужно чтобы у принимающего вещества были протоны, к которым эти электроны должны перейти. А у отдающего вещества электрон должен суметь покинуть свой протон.

В-третьих, один протон может быть связан только с одним электроном.

В-четвертых, если электрон оторвать от химического соединения, то это химическое соединение разрушится.

Почему же возникает при трении друг о друга разность потенциалов?

Для объяснения этого явления мне поможет концепция, выдвинутая в статье «Энергия» о квантовой энергетической природе протона и электрона.

В статье «Энергия» было показано, что мир состоит из двух видов энергии – магнитной (протонной) и электронной. Протон и позитрон являются стабильными квантами магнитной (протонной) энергии, а антипротон и электрон – стабильные кванты электронной энергии (статья «Энергия»).

Протоны и электроны могут терять энергию, уменьшаясь в массе. А при недостатке массы забирать энергию своего вида там, где её больше.

Как предполагал Бенджамин Франклин, электрическая энергия представляется в виде «электрической жидкости» которая заключена в самом веществе. Разный уровень «электрической жидкости» в разных веществах создают разницу в энергии этих веществ. По его предположениям движение этой «электрической жидкости» между веществами и приводит к различным электрическим явления.

Каким же образом создаётся эта разница в уровне «электрической жидкости» в веществе?

Наличие стабильных квантов магнитной (протон) и электронных (электрон) видов энергии создают условия для обмена энергией между атомами разных веществ. Разная энергия связи протонов и электронов в атомных ядрах разных химических элементов и химических веществ, создаёт разницу уровня магнитной (протонной) – энергии («электрической жидкости») в веществе.

Бенджамин Франклин условился считать избыток «электрической жидкости» считать плюсом, а её недостаток – минусом. Будем придерживаться той же условности, где имеется избыток магнитной (протонной) энергии – плюс, а там, где недостаток магнитной (протонной) энергии – минус. Именно эта разница энергии протонов в атомных ядрах разных химических элементов и определяет движение этой самой энергии в веществе. Электроны же только создают своей связью с протонами эту разницу в энергии.

Почему же именно протоны являются носителями электрического заряда?

С одной стороны, протоны тяжелее электронов в 1836 раз, и они больше подходят как резервуар энергии. С другой стороны, протоны в атомном ядре находятся в тесном контакте между собой в отличие от электронов, которые в атоме разобщены и каждый электрон находится на своём квантовом уровне у своего протона соответствующей энергии связи, что не даёт им возможности обмениваться энергией между собой.

В молекулярных соединениях участвуют атомы разных химических элементов, которые имеют разную энергию связи с электронами, а значит и разную энергию атомного ядра, приходящуюся на один протон. Это важное обстоятельство, которое влияет на обмен энергией между атомами.

На рисунке 1 представлены два условных однопротонных атома с разной энергией связи протона с электроном. Присутствие нейтрона в атомном ядре вынуждает электрон занимать более высокий энергетический уровень в атоме. Поэтому однопротонные атомы с разным количеством нейтронов имеют разную энергию связи электронов с протонами. Так как нейтроны не участвуют в обмене энергией, и чтобы не загромождать рисунок лишними деталями, они на рисунке не показаны.

Протон можно представить, как сосуд с жидкостью. Размер элементарной частицы определяется по внутреннему квантовому уровню. Чем сильнее связь протона с электроном, тем меньше их масса и больше размер и тем меньше уровень энергии (заряд) E_p1 – сосуд 1 с меньшим уровнем. И чем меньше связь протона с электроном, тем энергия (масса) E_p2 протона больше – сосуд 2.

Каждый однопротонный атом после объединения свободного протона со свободным электроном имеет нейтральный статус. Но относительно друг друга атомы с разной энергией связи имеют разный энергетический потенциал, а значит разный энергетический (электрический) заряд.

Как показано на рисунке 2, при сближении двух атомов с разным энергетическим потенциалом друг с другом, по закону сообщающихся сосудов энергия протона с меньшей энергией связи со своим электроном перетекла к протону, у которого энергия связи со своим электроном больше. Уровень магнитной (протонной) энергии в атоме1 и атоме2 выровнялся. Относительно друг друга эти два атома обрели нейтральный заряд. Но в то же время у атома1 стало больше магнитной (протонной) энергии, чем он должен иметь после соединение свободного протона со свободным электроном, а значит он зарядился положительно, а у атома2 стало меньше магнитной (протонной) энергии, чем должно быть при соединении свободного протона со свободным электроном, и значит он зарядился отрицательно.

При разведении атома1 и атома2, на расстояние, они сохраняют энергетический статус, полученный при контакте друг с другом (рисунок 3). Атом 1 остался заряженным положительно – с избыточным магнитным (протонным) зарядом, а атом 2 заряжен отрицательно – с недостаточным магнитным (протонным) зарядом.

Электрический заряд – это разница уровня магнитной (протонной) энергии между атомами.

На рисунке 4 показаны взаимодействие веществ с разной энергией связи и разным количеством протонов в атомном ядре.

Наиболее тесный контакт между протонами происходит в атомном ядре. И поэтому, несмотря на разную энергию связи протонов с электронами в атоме, масса протонов в атомном ядре одинаковая. Это происходит по той причине, что протоны в атомном ядре имеют наиболее тесный контакт и могут свободно обмениваться энергией. Для электронов это обстоятельство ничего не меняет, так как энергия квантового уровня, на котором находится электрон не изменяется, а энергия (масса) протона определяется по крайнему внутреннему квантовому уровню (статья «Энергия»).

При таком обмене энергией возникает любопытная ситуация. При равенстве масс протонов в атомном ядре, учитывая энергию связи электронов с протонами, один протон становится легче (отрицательно заряженным), чем он должен быть при связи со своим электроном, а другой протон становится тяжелее (положительно заряженным), чем он должен быть при связи со своим электроном. Атомное ядро при этом остаётся нормальным (нейтральным), соответствующим энергии связи всех протонов со своими электронами.

Таким же свойством, как и протоны – обмениваться энергией, обладают и атомные ядра. У разных химических элементов усреднённая масса (энергия) на один протон атомных ядер разная.

При тесном контакте двух веществ, то вещество, у которого энергия связи больше и, соответственно, средняя энергия атомного ядра, приходящаяся на один протон меньше, отбирает часть магнитной (протонной) энергии у атомного ядра вещества, у которого средняя энергия атомного ядра, приходящаяся на один протон больше (Рис. 5). Энергия атомных ядер, приходящаяся на один протон разных веществ, выравнивается и они становятся нейтральными друг к другу, но при этом происходит обмен энергией не между атомами, а между протонами атомных ядер. При разделении этих двух веществ, ядра атомов сохраняют то энергетическое состояние, которое образовалось при тесном контакте (Рис. 6).

Атом2, у которого появился дефицит массы в атомном ядре, становится «отрицательно заряженным». Количество электронов в атоме2 остается неизменным. Атом1, у которого появился избыток массы в атомном ядре, становится «положительно заряженным». Количество электронов в нём также остаётся неизменным.

Для того, чтобы вернуться к своему нормальному (нейтральному) состоянию, атом1 должен отдать лишнюю энергию и для этого ему необходимо войти в тесный контакт с веществом у которого в атомном ядре средняя энергия, приходящаяся на один протон меньше. И наоборот, атом2 должен вернуть недостающую энергию атомному ядру, при этом ему нужно войти в тесный контакт с веществом у которого средняя энергия в атомном ядре, приходящаяся на один протон, больше.

Химические соединения обладают очень большой энергией связи электронов с протонами ядер химических элементов. Наличие в химических соединениях разных ядер с разной энергией, приводит к затруднённой передачи магнитной (протонной) энергии от одного вещества к другому. По этой причине приобретённый заряд энергии сохраняется на наэлектризованном участке диэлектрика.

Рассмотрим электризацию под действием света.

Если взять достаточно чувствительный электроскоп и осветить не заряженную цинковую пластинку светом дугового разряда, то под действием света она зарядится положительно.

Явление заключается в том, что, под действием фотона, протон и связанный с ним электрон восстанавливаются. А электрический заряд связан с энергией протона.

На рисунке 8 показано, что происходит с атомом в опыте с электроскопом показанном на (Рис. 7) на атомном уровне.

В обычных условиях атом является нейтрально заряженным (Рис. 8а).

При взаимодействии атома с фотоном происходит полное или частичное восстановление протона и электрона. Восстановление электрона никак не влияет на заряд системы, т.к. электрический заряд с ним не связан. А полное или частичное восстановление протона и увеличение его энергии, приводит к приобретению системы протон — электрон положительного заряда (Рис. 8b). Даже если под действием фотона электрон переместится на более высокий уровень протона, но не покинет его, это так же приведёт к увеличению электрического заряда атома. Протон показан как положительно заряженный, это только потому что в электрическом поле он ведёт себя как заряженная частица. Свободный протон не может обмениваться магнитной (протонной) энергией так как он является стабильным квантом магнитной (протонной энергии). Так как освобождённый электрон не обладает кинетической энергией, он остаётся рядом со свободным протоном. Затем протон свободный протон снова соединяется со свободным электроном и образуется фотон связи (Рис. 8с). Система протон – электрон приобретает нейтральный заряд. При фотоэффекте электроскоп не может накапливать большой заряд так как возбуждённые атомы снова соединяются со своим электроном и восстанавливают нейтральный статус.

Если электроскоп (рис. 7) наэлектризовать, а затем осветить, то под действием света он разрядится. Это явление на атомном уровне можно объяснить так.

Нейтральный атом (Рис. 9а) заряжается внешним источником магнитной (протонной) энергии (Рис. 9b). У протона в атоме появляется избыточная магнитная (протонная) энергия, а энергетическое состояние электрона не меняется. Если теперь на такой возбуждённый атом попадёт фотон, то электрон восстановится до свободного состояния, а избыточная магнитная (протонная) энергия перейдёт к освободившемуся электрону в виде кинетической энергии. Электрон покинет атом (Рис. 9с). Но свободный электрон далеко не сможет удалится. Полученную кинетическую магнитную (протонную) энергию электрон перенесёт на какое-либо вещество и затем с меньшей кинетической энергией возвратится к своему протону. При соединении свободного протона и электрона выделится фотон энергии связи.

Для разных химических элементов так называемая работа выхода электронов разная: цезий – 1,94эВ для выхода электрона достаточно инфракрасного излучения, а ртуть — 4,52эВ для выхода электрона необходим ультрафиолетовый.

Электризация тел. Взаимодействие электрических зарядов

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Электризация тел. Взаимодействие электрических зарядов»

Электричество, электрический ток электрической энергии. Эти слова знакомы сейчас каждому. Сегодня трудно и даже невозможно представить нашу жизнь без электричества. Мы почти автоматически нажимаем кнопки выключателей и включаем самые разнообразные приборы и технические устройства, делающие нашу жизнь комфортной. Электролампы освещают наши квартиры и улицы. Компьютеры, радиоприёмники, телевизоры и телефоны — все эти устройства используют электричество. Но с электричеством связана не только работа современных приборов и технических устройств. Оно играет гораздо более важную роль. Электрические силы взаимодействия атомов и молекул ответственны за обмен веществ в человеческом организме. Но что такое электричество и какова его природа? Чтобы ответить на эти вопросы вспомним сначала происхождение термина электричество.

Ещё в VII в. до н. э. учёные Древней Греции установили тот факт, что после натирания шерстью янтарных предметов к ним притягиваются лёгкие тела.

В конце XVI столетия английский учёный Уильям Гильберт обнаружил, что свойством притягивать лёгкие предметы обладает не только янтарь, но и многие другие тела, предварительно натёртые кожей или другими мягкими материалами. Это явление он назвал электризацией (так как янтарь по-гречески звучит как, электрон). А тела, которые в результате трения приобретают свойство притягивать к себе другие тела, стали называть наэлектризованными или заряженными. В этом случае говорят, что телам сообщён электрический заряд.

В XVIII веке были установлены два важных свойства электризации. Во-первых, при трении электризуются оба тела (янтарь и шерсть, стеклянная палочка и бумага). Но само трение малосущественно: оно лишь увеличивает площадь соприкосновения тел.

Сказанное мы можем проверить на опыте. Потрём друг о друга чистые и сухие резиновую и стеклянную палочки. А теперь поочерёдно поднесём их к лёгкой станиолевой гильзе. Как видим, обе палочки притягивают её к себе. Значит, электрические заряды при трении появились у обоих тел.

Во-вторых, появляющиеся на телах заряды принципиально отличаются друг от друга. Докажем это на опыте. Для начала потрём стеклянную палочку о кусочек шёлка. А теперь дотронемся этой палочкой до станиолевой гильзы. Гильза оттолкнётся от палочки, отклонится на некоторый угол и останется в этом положении.

То же самое произойдёт, если повторить опыт, но вместо стеклянной палочки использовать эбонитовую, предварительно потёртую о шерсть. А если мы сейчас поднесём две наших заряженных гильзы друг к другу, то они сразу же притянутся.

Повторим эксперимент, но теперь зарядим гильзы одной и той же палочкой (всё равно какой). Вновь поднесём гильзы друг к другу. Как видим, теперь гильзы отталкиваются.

Таким образом, наэлектризованные или заряженные тела взаимодействуют между собой. Причём характер их взаимодействия может быть разным: они либо притягиваются, либо отталкиваются друг от друга, взаимодействуя при этом сильнее или слабее.

Ещё в 1729 году французский учёный Шарль Франсуа Дюфе проведя похожие эксперименты установил, что в природе существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным» соответственно.

В 1747 году американский учёный Бенджамин Франклин ввёл понятие положительного и отрицательного заряда, соответственно заряда, приобретённого стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, и заряда, полученного на янтаре, потёртым о мех.

Подобно тому, как масса определяет интенсивность гравитационного взаимодействия, электрический заряд является количественной мерой способности тел к электромагнитным взаимодействиям.

Итак, мы уже выяснили, что электрическое взаимодействие проявляется в том, что одноимённо заряженные тела (или частицы) отталкивают друг друга, а разноимённо — притягиваются. На этом явлении основан принцип действия простейшего прибора, при помощи которого выясняют, наэлектризовано тело или нет — электроскопа.

Напомним, что электроскоп состоит из металлического стержня, к концу которого прикреплены две тонкие бумажные полоски. Стержень с бумажными листочками вставляется в металлическую оправу, застеклённую с обеих сторон. Чтобы стержень не касался оправы, его пропускают через пластмассовую пробку. Если дотронуться заряженным телом до стержня электроскопа, то бумажные листочки оттолкнутся друг от друга. При этом чем более наэлектризовано тело, тем на больший угол они разойдутся. Значит, по изменению угла, на который расходятся листочки электроскопа, можно судить о степени наэлектризованности тела.

Более точным прибором для обнаружения заряда является электрометр. Сообщённый шарику, а через него стержню и стрелке заряд (любого знака) вызывает отталкивание стрелки от заряженного стержня. Нижний конец стрелки перемещается при этом по шкале. А металлический корпус позволяет использовать прибор и для более сложных измерений. Например, при помощи электрометра можно доказать, что при электризации трением оба тела, приобретают равные по модулю, но противоположные по знаку заряды. Покажем это.

Возьмём электрометр, на стержень которого надет полый металлический шар, и две пластинки — эбонитовую и плексигласовую. Наэлектризуем последние трением друг о друга.

Теперь внесём одну из них внутрь полого шара электрометра и убедимся, что он зарядился.

Снимем заряд с электрометра, прикоснувшись к нему рукой, и внесём внутрь шара вторую пластинку. Не трудно заметить, что стрелка электрометра отклонилась на такой же угол, что и в прошлый раз. Это убеждает нас в том, что каждая из пластинок действительно заряжается при трении друг о друга.

А теперь внесём внутрь шара одновременно обе заряженные пластинки. Как видим, электрометр не обнаруживает заряда — его стрелка не отклоняется.

Данный опыт позволяет нам ещё раз убедиться не только в том, что при электризации тела приобретают заряды противоположных знаков, но и в том, что эти заряды равны по модулю. Именно поэтому стрелка электрометра при внесении внутрь шара двух потёртых друг о друга пластин остаётся на нуле. Иначе говоря, алгебраическая сумма зарядов обеих пластинок и до, и после электризации равна нулю.

Мы уже знаем, что заряженное тело притягивает к себе другое заряженное тело, если их заряды разноимённые. Но почему к заряженному телу притягиваются незаряженные тела?

Первым почти верное объяснение данным явлениям дал Бенджамин Франклин. Так вот, он считал, что в любом незаряженном теле положительное и отрицательное электричество присутствуют всегда, но в равных количествах, так что имеет место их компенсация.

Подтвердим предположение Франклина, проведя такой опыт. Поднесём к шарику незаряженного электроскопа, не касаясь его, наэлектризованную палочку.

Электроскоп фиксирует появление на листочках заряда. Уберём палочку — листочки спадают. Значит, заряд от палочки к листочкам электроскопа не перешёл через воздух, а появился под влиянием заряженной палочки. Зная, что заряд может перемещаться в теле, мы можем объяснить произошедшее.

Итак, в любом незаряженном теле всегда имеются равные количества зарядов противоположных знаков, равномерно распределённых по всему телу (именно поэтому тело в целом является электрически нейтральным). Заряд же на поднесённой к электроскопу палочке притягивает к себе разноимённый и отталкивает одноимённый заряд на стержне и листочках электроскопа, что и объясняет появление заряда на листочках.

Это можно подтвердить более и наглядным опытом. Поднесём наэлектризованную палочку к одному из двух незаряженных электроскопов, соединённых медным стержнем. Как видим, оба прибора фиксируют появление заряда. Это объясняется тем, что два электроскопа и медный стержень образуют сейчас один большой проводник. На ближайшей его части распределён разноимённый заряд, а на дальней — одноименный. Отодвинем палочку — листочки электроскопов возвращаются в начальное положение. Теперь при поднесённой палочке уберём соединительную перемычку — оба прибора останутся заряженными. В том, что это равные разноимённые заряды, можно убедиться, вернув назад перемычку, соединяющую приборы — листочки в обоих приборах опадают.

Перераспределение зарядов в теле, вызываемое воздействием другого заряженного тела, называется электризацией через влияние или электростатической индукцией. С электризацией через влияние мы сталкиваемся достаточно часто. Например, следствием этого явления является молния (или грозовой разряд).

Экспериментальным путём было установлено, что распределение заряда зависит от размеров взаимодействующих тел. Например, если заряд передают от заряженного шара незаряженному шару точно такого же размера, то заряд разделится пополам. Однако, если незаряженный шар больше, то на него перейдёт больше половины заряда. Поэтому, чем больше тело, которому передают заряд, тем большая часть заряда на него перейдёт. Именно на этом факте основано заземление, то есть электрическое соединение предмета из проводящего материала с Землёй.

Теперь можно сформулировать закон сохранения электрического заряда, в основу которого легла гипотеза Бенджамина Франклина, выдвинутая им в 1747 году, и подтверждённая в 1843 году Майклом Фарадеем: в электрически изолированной системе тел алгебраическая сумма зарядов всех тел остаётся постоянной:

Обратите внимание на то, что выполняется закон сохранения заряда только для электрически изолированных систем, которые не обменивается электрически заряженными частицами с внешними телами.

А теперь давайте проведём с вами такой опыт. Возьмём заряженный электрометр и с помощью медного стержня соединим его с точно таким же электрометром, только незаряженным. Как видим практически половина заряда перешла с первого электрометра на второй. Теперь разрядим второй электрометр, коснувшись рукой и вновь присоединим его к первому, на котором осталась половина первоначального заряда.

Отклонившиеся, но уже на меньший угол, стрелки опять показывают присутствие заряда на обоих приборах. Только на каждом из них теперь лишь по четверти первоначального заряда. Очевидно, что, продолжая подобное деление, можно получить одну восьмую, одну шестнадцатую и так далее части начального заряда. Из истории физики известно, что уже более ста лет назад учёные умели делить заряд. Но самым важным для них было выяснить: существует ли в природе наименьший заряд, то есть такой, который разделить уже невозможно?

Опыты, позволившие найти «наименьшую порцию электричества», то есть элементарный заряд, были проведены одновременно в 1910—1913 годах американцем Робертом Милликеном и российским физиком Абрамом Фёдоровичем Иоффе.

В их опытах заряженная очень малая капелька масла (в опытах Милликена) и пылинка цинка (в опытах Иоффе) «зависала» между заряженными пластинами. Электрическая сила, компенсирующая силу тяжести, зависела от заряда капельки или пылинки, что позволило учёным судить о значении этого заряда. В обоих опытах были получены одинаковые результаты: заряд не мог принимать любое значение и всегда был кратен одному и тому же числу — заряду электрона. Так как этот заряд дальше уже не делился, то его и назвали элементарным зарядом, модуль которого равен модулю заряда электрона.

|е| = 1,6 · 10 –19 Кл.

Таким образом, любой электрический заряд дискретен, то есть он может быть больше заряда электрона только в целое число раз:

q = е (N_р – N_е) = Ne.

Основные сведения об электризации тел в физике

Электрический заряд является величиной, определяющей способность тела к электрическому взаимодействию и интенсивность этого взаимодействия.

Заряд обозначают латинской буквой q и измеряют в кулонах (Кл).

Два вида электрических зарядов

В природе существуют два вида электрических зарядов, которые условно названы положительным и отрицательным. Носителем положительного заряда является протон, а отрицательного — электрон. Обычно атомы находится в равновесном состоянии благодаря одинаковому числу входящих в них положительных и отрицательных частиц.

Электрический заряд электрона отрицателен и равен — 1 , 6 · 10 — 19 К л , заряд протона положителен и по модулю равен заряду электрона.

Электроны и протоны взаимодействуют по определенным законам:

• одноименные заряды взаимно отталкиваются;
• разноименные заряды взаимно притягиваются.

Определить заряжено ли тело и величину его заряда можно с помощью электроскопа и электрометра.

Электроскоп — устройство, определяющее наличие электрического заряда. Простейший электроскоп можно собрать из подручных материалов: банки, металлической проволоки, алюминиевой фольги и картона. Если поднести к электроскопу электрически заряженный предмет, то его лепестки раздвинутся.

Электрометр работает по такому же принципу, но дополнительно имеет шкалу. Степень отклонения стрелки электрометра от стержня позволяет измерить заряд.

Явление электризации тел

Электризация — процесс перераспределения зарядов, при котором электроны от одного тела переходят к другому и электрически нейтральные тела становятся заряженными.

Электроны могут перемещаться от одного атома к другому. При этом они формируют положительные (где отсутствует электрон) или отрицательные (одиночный электрон или атом с дополнительным электроном) ионы. Если электроны переходят к нейтрально заряженному телу, то в этой области их количество становится большим, чем количество положительных протонов.

Таким образом появляется некомпенсированный отрицательный заряд. И наоборот, в области, откуда они уходят, появляется нехватка отрицательных зарядов, необходимых для компенсации положительных, и область заряжается положительно.

• электризация происходит при взаимодействии;
• в электризации участвуют два тела или более;
• электризуются оба тела.

Условие возникновения электризации тел

Электризация нейтральных тел, состоящих из разных веществ, возможна, если в атомах одного из них есть электроны со слабой связью с ядром, а у другого, наоборот присутствуют очень сильные связи. Электроны, которые вращаются на удаленных орбитах, слабо взаимодействуют с ядрами, и часть таких электронов легко теряет свои связи с ними.

Поэтому, при тесном контакте с веществами, имеющими более сильные электронные связи с ядрами, происходит окончательный разрыв слабой связи и перемещение свободных электронов.

Главным условием электризации тел является наличие слабых и сильных электронных связей.

Способы электризации

Существующие способы электризации можно разделить на две группы:

Электризация с помощью механического воздействия

Электризация трением

При трении тела тесно контактируют друг с другом, и часть электронов с поверхности одного переходит на поверхность второго. Если стеклянную палочку натереть о бумагу, то палочка получит положительный заряд, а бумага — отрицательный.

При трении о мех или шерстяную ткань эбонит приобретает отрицательный заряд, а мех и шерсть — положительный.

В результате трения при контакте воздуха с твердыми или жидкими веществами, например, водной поверхностью, воздух электризуется, и происходят разряды молний.

Электризация при соприкосновении или ударе

Электризация трением возможна, даже если тела имели нейтральный заряд. Для электризации соприкосновением или ударом необходимо, чтобы хотя бы одно из тел имело отличный от нуля заряд, так как кратковременного взаимодействия недостаточно для электризации незаряженных тел. Соприкасаясь с нейтральным предметом, заряженное тело передает ему часть своего заряда.

Электризация под влиянием внешних сил

Электризация индукцией (наведением)

Электризация наведением схематически показана на изображении.

Если к двум соприкасающимся незаряженным электрометрам (рис. а) поднести положительно заряженную стеклянную палочку, то электроны, притягиваясь к предмету с положительным зарядом, сосредоточатся в ближайшем к стеклянной палочке электрометре и на нем образуется отрицательный заряд (рис. б). Если в этот момент разделить электрометры (рис. в) и затем убрать стеклянную палочку, то они так и останутся разноименно заряженными (рис. г).

Другие способы электризации:

• воздействие света (фотоэффект);
• влияние тепла (термопары);
• химические реакции;
• давление (пьезоэффект).

Распределение заряда

При электризации тела с ровной поверхностью заряд равномерно распределится по ней. Если предмет неправильной формы, заряд распределится неравномерно. Наибольшая концентрация электронов будет на выпуклых частях, меньшая — на впадинах.

Законы Кулона и сохранения заряда

Закон Кулона

Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Сила направлена по прямой, соединяющей эти заряды.

F 12 = k q 1 · q 2 r 2

где F — сила Кулона между телами с зарядами q 1 и q 2 (точечными зарядами),

q 1 и q 2 — заряды взаимодействующих тел,

r — расстояние между зарядами,

k — коэффициент, постоянная величина.

Коэффициент k равен силе взаимодействия двух точечных зарядов по 1 Кл на расстоянии 1 м. Его значение зависит от выбранной системы измерений и свойств среды.

В СИ k = 9 · 10 9 Н · м 2 К л 2 .

Сила Кулона имеет обратно пропорциональную зависимость от квадрата расстояния между зарядами, и поэтому ее проявление можно наблюдать только на очень небольших расстояниях — на уровне атомных измерений. Для того чтобы произошло перераспределение электрических зарядов, нужно, чтобы тела максимально сблизились, то есть соприкоснулись.

Тогда под действием кулоновских сил часть заряженных частиц переместится с поверхности одного предмета на поверхность другого. Избыток электронов образует определенный отрицательный заряд. На поверхности предмета, потерявшего часть электронов и имеющего поэтому избыток положительно заряженных ионов, создается положительный заряд. При этом модули величин зарядов на каждой из поверхностей равны, но знаки их противоположны.

Закон сохранения заряда

В изолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной при любых взаимодействиях зарядов внутри этой системы.

q 1 + q 2 + q 3 + . . . + q n = c o n s t

Изолированная или замкнутая система — это система тел, в которой заряды не уходят и не приходят извне.

Свойства статического электричества

Статическое электричество — это комплекс явлений, связанных с электризацией тел.

Основные причины появления статического электричества

1. Контакт между двумя телами и их разделение (включая трение, намотку/размотку и пр.).
2. Быстрый температурный перепад (например, в момент помещения материала в духовой шкаф).
3. Радиация с высокими значениями энергии, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские X-лучи, сильные электрические поля.
4. Резательные операции, то есть трение (например, на раскроечных станках или бумагорезальных машинах).
5. Индукция (статический заряд вызывает возникновение электрического поля).

Контакт между предметами с последующим отделением их друг от друга является самой распространенной причиной возникновения статического электричества на производствах. Статический заряд генерируется при разматывании или наматывании рулонных материалов, при перемещении относительно друг друга их слоев. В быту также наиболее частые причины появления статического электричества — трение и наведение.

Билет №15. Электризация тел. Два вида электрических зарядов. Взаимодействие зарядов. Закон сохранения электрического заряда

Электризацией называется процесс разделения электрических зарядов и накопление их в определенных местах предметов и тел. Явление происходит в результате трения, соприкосновения тел или в результате электростатической индукции. Простыми словами, когда рядом расположен какой-то предмет, обладающий электрическим полем.

: в физике выделяют два рода зарядов – положительные и отрицательные, или протоны и электроны. Между ними возникает электрическое поле. Одноименные заряды притягиваются, а разноименные отталкиваются.

Явление наблюдается на источниках питания и не только. На диэлектриках накапливаются заряды, все видели это в опытах, иллюстрирующих явление с эбонитовыми и стеклянными палочками, которые демонстрировали на уроках физики в школе.

Изначально все атомы, из них состоит всё что нас окружает, электрически нейтральны. В результате явления электризации на поверхности предметов появляются положительные или отрицательные заряды. Напомним школьный опыт: если потереть эбонитовую палочку шерстяной тканью, после прекращения трения палочка останется заряженной. Тогда говорят, что тело электризовано.

Таким образом, во время трения электроны переходили с одного предмета на другой. В результате, после прекращения трения избыточные электроны остались «не на своих» телах и получился избыточный заряд, и оно перестало быть нейтральным. В результате трения палочки о шерсть или мех на её поверхности образовался отрицательный заряд.

Статическое электричество в быту

Пенопластовые шарики прилипли к кошачьей шерсти из-за статического электричества
Статическое электричество широко распространено в обыденной жизни. Если, например, на полу лежит ковер из шерсти, то при трении об него человеческое тело может получить отрицательный электрический заряд, в то время как ковёр получит положительный. Другим примером может служить электризация пластиковой расчески, которая после причёсывания получает минус-заряд, а волосы получают плюс-заряд. Накопителем минус-заряда нередко являются полиэтиленовые пакеты, полистироловый пенопласт. Накопителем плюс-заряда может являться сухая полиуретановая монтажная пена, если её сжать рукой.

Когда человек, тело которого наэлектризовано, дотрагивается до металлического предмета, например, трубы отопления или холодильника, накопленный заряд моментально разрядится, а человек почувствует лёгкий удар током.

Электростатический разряд происходит при очень высоком напряжении и чрезвычайно низких токах. Даже простое расчёсывание волос в сухой день может привести к накоплению статического заряда с напряжением в десятки тысяч вольт, однако ток его освобождения будет настолько мал, что его зачастую невозможно будет даже почувствовать. Именно низкие значения тока не дают статическому заряду нанести человеку вред, когда происходит мгновенный разряд.[2]

С другой стороны, такие напряжения могут быть опасны для элементов различных электронных приборов — микропроцессоров, транзисторов и т. п. Поэтому при работе с радиоэлектронными компонентами рекомендуется принимать меры по предотвращению накопления статического заряда.

Условия возникновения явления и способы передачи зарядов

Мы рассказали, как объясняется это явление в природе, а теперь давайте рассмотрим, как можно наэлектризовать тела. Сразу отметим, что выполнение всех условий необязательно – электризация может происходить по тем или иным причинам, разделим их на две основных группы:

Первая — это механическое взаимодействие. При трении расстояние между предметами сопоставимо расстоянию между молекулами в нём. Так как электроны в одном из тел слабее связаны с ядром – они переходят «вырываются» на другое тело. Другими способами электризации являются удар и соприкосновение.

Вторая группа — электризация влиянием, то есть явление наблюдается при воздействии на тело внешних сил, среди которых:

• Электрическое поле. В результате воздействия поля на проводник на его поверхности появляются заряды, причем чем меньше радиус изгиба поверхности – тем больше зарядов здесь скопится. Так на острие будет больше всего зарядов, подробнее этот вопрос мы рассматривали в статье https://samelectrik.ru/kak-raspredelyayutsya-zaryady-v-provodnike-pri-protekanii-toka.html и здесь https://samelectrik.ru/chto-takoe-provodniki-poluprovodniki-i-dielektriki.html

• Воздействие светом. Открыто профессором А.Г. Столетовым в 1888 году, заключается в том, что при воздействии светом на цинк, алюминий, цезий, натрий, свинец, калий и другие металлы они теряют электроны и становятся заряженными положительно.
• Теплом. При нагревании металла электронам сообщается энергия достаточная для того чтобы покинуть пределы металла, в результате он приобретает положительный заряд.
• Химическая реакция. При наличии двух электродов из разных металлов происходят окислительно-восстановительные реакции, в результате один из них становится заряженным положительно, а второй – отрицательно. Подробнее мы это рассматривали в статье про анод и катод.
• Под давлением. В пьезоэлектриках (кварц, сегнетовая соль, фосфат аммония), при механическом воздействии (сжатии или растяжении), на гранях образуются положительные и отрицательные заряды.

Это и есть основные виды электризации.

Три способа электризации тел

Электрически нейтральное тело можно наэлектризовать разными способами:

• трением;
• прикосновением;
• наведением (электростатической индукцией).

Электризация трением

Электризация трением происходит, когда вы трёте один предмет о другой.

Проведите эксперимент. Возьмите небольшой лист бумаги и пластмассовую ручку. Потрите ручку о волосы, а потом прикоснитесь к бумаге. Вы наэлектризовали ручку трением о волосы.

Электризация прикосновением

При взаимодействии двух тел, одно из которых наэлектризовано, незаряженное тело получает электрический заряд, если к нему прикоснуться заряженным. Если поднести пластмассовую ручку, обладающую положительным зарядом, к нейтральному стержню электроскопа, то произойдёт перераспределение заряда. Электроны стержня будут притягиваться положительным зарядом ручки (перетекать на ручку). Соответственно, на стержне образуется недостаток электронов, то есть положительный заряд. Причём равный по величине заряду ручки.

Электризация наведением (электростатическая индукция)

Этот способ электризации означает, что вы подносите заряженный предмет к изолированному проводнику, но не прикасаетесь к нему. Тогда на проводнике появляются заряды, притом на той его части, которая ближе к предмету, эти заряды противоположного знака. А на дальнем конце образуется заряд того же знака, что и на заряженном предмете.

При удалении заряженного предмета заряды на проводнике пропадают. Но если до удаления предмета разделить проводник на две части, то заряды на них сохранятся.

Какие законы физики связаны с электризацией

Явление электризации связано с такими физическими законами как:

• Закон Кулона. Описывает силу, с которой взаимодействуют заряды. Таким образом можно определить, как сильно наэлектризованные тела притягиваются друг к другу.
• Закон сохранения заряда. В нём сказано, что алгебраическая сумма зарядов в замкнутой системе неизменна. Это говорит о том, что избыточные заряды на электризованных предметах не появляются из ниоткуда, а переходят с тела на тело.

Мы уже рассматривали эти законы, вы можете ознакомиться подробнее в соответствующих статьях, на которые мы сослались.

Молнии

Основная статья: Молния

В результате движения воздушных потоков, насыщенных водяными парами, образуются грозовые облака, являющиеся носителями статического электричества. Электрические разряды образуются между разноименными заряженными облаками или, чаще, между заряженным облаком и озоновым слоем земли, с последующим разрядом на землю. При достижении критической разности потенциалов происходит разряд молнии между облаками, на земле или в околокосмическом слое планеты. Для защиты от молний устанавливаются молниеотводы, проводящие разряд напрямую в землю.

Помимо молний, грозовые облака могут вызывать на изолированных металлических предметах опасные электрические потенциалы из-за электростатической индукции.

В 1872 году экспедицией под руководством географа Генри Ганнетта[en] была покорена 13-я по высоте гора штата Монтана (США)[en]. Ей дали название Электрический пик

, так как у первопроходцев-покорителей, находящихся на вершине, после грозы начали сыпаться искры из пальцев рук и волос на голове[3][4][5].

Делимость электрического заряда. Электрон

В эксперименте с электрометрами металлическим стержнем часть заряда переносится от одного электрометра на другой. Из опыта видно, что заряд делится. Если коснуться стержня второго электрометра рукой, то заряд с него снимется, и распределится по всему телу (человеческое тело является хорошим проводником электричества). Если снова соединить приборы стержнем из металла, оставшийся заряд опять разделится. При повторении тех же шагов заряд каждый раз будет делиться. Кажется, что этот процесс будет происходить до бесконечности.

Заряды постепенно настолько уменьшаются, что электрометр уже не в состоянии их измерить. Уже очень точные опыты показали, что делить заряд до бесконечности нельзя, существует наименьший электрический заряд, который поделить уже нельзя. Называют его элементарным зарядом с абсолютной величиной e. Заряды измеряют в кулонах (Кл) в честь Шарля Кулона, французского физика.

Элементарным электрическим зарядом с отрицательным знаком обладает частица электрон (греч. «еlectron» – «янтарь»).

Передача (проведение) электричества

Все ли вещества могут одинаково передавать электрический заряд? Ответ можно получить с помощью двух электрометров, металлического стержня и эбонитовой палочки. Стержень и палочка крепятся к пластмассовой ручке.

• а – сообщить первому электрометру заряд, коснувшись шарика каким-либо заряженным телом;
• б – стержнем из металла соединить оба электрометра. Половина заряда с первого электрометра перейдет на второй;
• в – соединить электрометры эбонитовой палочкой. Перехода заряда не наблюдается.

Вещества, способные проводить электрические заряды, как в случае под буквой б, называются проводниками (металлы, кислотные, щелочные и солевые растворы). Вещества, с помощью которых нельзя передать заряды, называются диэлектриками (изоляторами). Хорошие диэлектрики – это резина, стекло, эбонит, фарфор, пластмассы, воздух и др.

В повседневной жизни

Вокруг нас постоянно происходит электризация тел. При трении некоторых предметов она становится настолько высокой, что к ним притягиваются даже габаритные тяжелые детали. В домашних условиях наблюдать процесс электризации можно следующим образом:

• Одеваем домашние тапочки матерчатые, только не с резиновой подошвой. Натираем длительно ногами по ковру или деревянному полу. И если коснуться кончиком пальцев с напарником, то получите разряд. В темноте будет видно как он сверкает.
• Часто незаземленные холодильники и стиральные машины тоже бились статическим электричеством. Это происходило по причине трения вращающихся частей.
• Электризуются ладони после трения их о ту же шерсть или шелк. Одежда на человеке притягивает разного рода пушинки, ворсинки по причине электризации. Девочки убирают её спреями-антистатиками, чтобы юбка не липла к ногам во время ходьбы.

Телевизоры по этой же причине притягивают пыль к экранам и корпусу. А воздушный шарик, натертый о волосы головы, можно надолго подвесить к потолку. Происходит притяжение заряженной поверхности к обоям или другому покрытию.