Възможно ли е зареждане с електрификация на триене. Обяснение на електрическите явления (Гребенюк Ю.В.)

Още в древни времена е било известно, че ако търкате кехлибар върху вълна, той започва да привлича леки предмети към себе си. По -късно същото свойство е открито и при други вещества (стъкло, ебонит и др.). Това явление се нарича електрификация, и тела, способни да привличат други обекти към себе си след триене, се електрифицират. Явлението електрификация е обяснено въз основа на хипотезата за съществуването на заряди, които наелектризираното тяло придобива.

Простите експерименти за електрификация на различни тела илюстрират следните разпоредби.

Има два вида такси: положителни (+) и отрицателни (-). Положителен заряд възниква при триене на стъкло срещу кожа или коприна, а отрицателен $ - $, когато кехлибарено (или ебонитово) триене по вълна.
Зарежданията (или заредените тела) взаимодействат помежду си. Подобно на таксите се отблъскват, за разлика от $ - $ привлича.

Състоянието на електрификация може да се прехвърля от едно тяло в друго, което е свързано с прехвърлянето на електрически заряд. В този случай по -голям или по -малък заряд може да бъде прехвърлен към тялото, тоест зарядът има величина. По време на електрификация чрез триене и двете тела придобиват заряд, едното $ - $ положително, а другото $ - $ отрицателен. Трябва да се подчертае, че абсолютните стойности на зарядите на телата, електрифицирани от триене, са равни, което се потвърждава от множество експерименти.

Стана възможно да се обясни защо телата се електрифицират (т.е. зареждат) по време на триене след откриването на електрона и изследването на структурата на атома. Както знаете, всички вещества се състоят от атоми, които от своя страна се състоят от елементарни частици $ - $ отрицателно заредени електрони, положително заредени протони и неутрални частици $ - $ неутрони. Електроните и протоните са носители на елементарни (минимални) електрически заряди. Протоните и неутроните (нуклоните) съставляват положително зареденото ядро на атома, около което се въртят отрицателно заредени електрони, чийто брой е равен на броя на протоните, така че атомът като цяло е електрически неутрален. При нормални условия телата, състоящи се от атоми (или молекули), са електрически неутрални. Въпреки това, в процеса на триене, част от електроните, които са напуснали своите атоми, могат да се движат от едно тяло в друго. В този случай движението на електрони не надвишава междуатомните разстояния. Но ако след триене телата са изключени, те ще бъдат заредени: тялото, което се е отказало от някои от своите електрони, ще бъде заредено положително, а тялото, което ги е придобило $ - $ отрицателно.

И така, телата са електрифицирани, тоест те получават електрически заряд, когато губят или печелят електрони. В някои случаи електрификацията се дължи на движението на йони. В този случай не възникват нови електрически заряди. Има само разделение на съществуващите заряди между електрифициращите тела: някои от отрицателните заряди се прехвърлят от едно тяло в друго.

В хода на този урок ще продължим да се запознаваме с „китовете“, на които стои електродинамиката - електрическите заряди. Ще проучим процеса на електрификация, ще разгледаме на какъв принцип се основава този процес. Нека поговорим за два вида такси и да формулираме закона за опазване на тези такси.

В последния урок вече споменахме ранните експерименти в електростатиката. Всички те се основават на триене на едно вещество срещу друго и по -нататъшно взаимодействие на тези тела с малки предмети (прахови частици, парчета хартия ...). Всички тези експерименти се основават на процеса на електрификация.

Определение.Електрификация- разделяне на електрическите заряди. Това означава, че електроните от едно тяло преминават в друго (фиг. 1).

Ориз. 1. Разделяне на електрическите заряди

До откриването на теорията за два фундаментално различни заряда и елементарния заряд на електрон се смяташе, че зарядът е някаква невидима свръхлека течност и ако е върху тялото, то тялото има заряд и обратно.

Първите сериозни експерименти с електрификацията на различни тела, както вече беше споменато в предишния урок, бяха извършени от английския учен и лекар Уилям Хилберт (1544-1603), но той не можеше да електрифицира метални тела и смята, че електрификацията метали беше невъзможно. Това обаче се оказа невярно, което по -късно беше доказано от руския учен Петров. Следващата по-важна стъпка в изследването на електродинамиката (а именно откриването на различни заряди) е направена от френския учен Шарл Дюфай (1698-1739). В резултат на експериментите си той установява наличието на, както ги нарича, заряди от стъкло (триене на стъкло срещу коприна) и смола (кехлибар срещу козина).

Известно време по -късно бяха формулирани следните закони (фиг. 2):

1) подобни обвинения се отблъскват взаимно;

2) противоположните заряди се привличат взаимно.

Ориз. 2. Взаимодействие на таксите

Означенията за положителни (+) и отрицателни (-) заряди са въведени от американския учен Бенджамин Франклин (1706-1790).

По конвенция е обичайно да се нарича положителен заряд, който се образува върху стъклен прът, ако го търкате с хартия или коприна (фиг. 3), и отрицателен - върху абаносов или кехлибарен прът, ако го търкате с козина (фиг. 4).

Ориз. 3. Положителен заряд

Ориз. 4. Отрицателен заряд

Откритието на Томсън за електрона най -накрая накара учените да разберат, че по време на електрификацията не се подава електрическа течност към тялото и не се прилага заряд отвън. Има преразпределение на електроните, като най -малките носители на отрицателен заряд. В региона, където идват, техният брой става по -голям от броя на положителните протони. Така се появява некомпенсиран отрицателен заряд. Обратно, в района, от който напускат, има недостиг на отрицателни заряди, необходими за компенсиране на положителните. По този начин зоната се зарежда положително.

Установено е не само наличието на два различни вида заряди, но и два различни принципа на тяхното взаимодействие: взаимното отблъскване на две тела, заредени със същите заряди (от същия знак) и съответно привличането на противоположно заредени тела .

Електрификацията може да се извърши по няколко начина:

триене;
чрез докосване;
удар;
насочване (чрез влияние);
облъчване;
химическо взаимодействие.

Електрификация чрез триене и електрификация чрез контакт

Когато стъклен прът се търка в хартия, пръчката се зарежда положително. В контакт с метална стойка, пръчката пренася положителен заряд на хартиения султан, а венчелистчетата й се отблъскват (фиг. 5). Този опит предполага, че едноименните обвинения се отблъскват един от друг.

Ориз. 5. Електризиране чрез докосване

В резултат на триене срещу козината ебонитът придобива отрицателен заряд. Донасяйки тази пръчка до хартиения султан, виждаме как венчелистчетата са привлечени от нея (виж фиг. 6).

Ориз. 6. Привличане на различни такси

Електрификация чрез влияние (ръководство)

Поставихме владетел на стойка със султана. След като електрифицирате стъкления прът, го приближете до линийката. Триенето между линийката и стойката ще бъде малко, така че можете да наблюдавате взаимодействието на заредено тяло (пръчка) и тяло, което няма заряд (линийка).

По време на всеки експеримент се извършва разделяне на заряди, не се появяват нови заряди (фиг. 7).

Ориз. 7. Преразпределение на таксите

Така че, ако сме предали електрическия заряд на тялото по някой от горните начини, ние, разбира се, трябва да оценим по някакъв начин величината на този заряд. За това се използва електрометър, който е изобретен от руския учен М.В. Ломоносов (фиг. 8).

Ориз. 8. М.В. Ломоносов (1711-1765)

Електрометърът (фиг. 9) се състои от кръгла кутия, метален прът и лек прът, който може да се върти около хоризонтално разположена ос.

Ориз. 9. Електрометър

При зареждане на електрометъра във всеки случай (както за положителни, така и за отрицателни заряди) зареждаме и пръта, и стрелката със същите заряди, в резултат на което стрелката се отклонява. Зарядът се оценява от ъгъла на отклонение (фиг. 10).

Ориз. 10. Електрометър. Ъгъл на отклонение

Ако вземете електрифициран стъклен прът и го докоснете до електрометъра, стрелката ще се отклони. Това показва, че на електрометъра е подаден електрически заряд. В хода на същия експеримент с ебонитов прът този заряд се компенсира (фиг. 11).

Ориз. 11. Компенсация на заряда на електрометъра

Тъй като вече е посочено, че не се създава заряд, а се случва само преразпределение, има смисъл да се формулира законът за запазване на заряда:

В затворена система алгебричната сума от електрически заряди остава постоянна(фиг. 12). Затворената система е система от тела, от които зарядите не излизат и в които не влизат заредени тела или заредени частици.

Ориз. 13. Закон за запазване на заряда

Този закон напомня за закона за запазване на масата, тъй като зарядите съществуват само заедно с частици. Често таксите се наричат по аналогия количеството електричество.

Законът за запазване на зарядите не е напълно обяснен, тъй като зарядите се появяват и изчезват само по двойки. С други думи, ако се раждат заряди, тогава само положителни и отрицателни наведнъж и равни по големина.

В следващия урок ще се спрем по -подробно на количествените оценки на електродинамиката.

Библиография

Тихомирова С.А., Яворски Б.М. Физика (основно ниво) - М.: Мнемосина, 2012.
Генденщайн Л.Е., Дик Ю.И. Физика 10 клас. - М.: Илекса, 2005.
Касянов В.А. Физика 10 клас. - М.: Дроп, 2010.

Интернет портал „youtube.com“ ()
Интернет портал "abcport.ru" ()
Интернет портал "planeta.edu.tomsk.ru" ()

Домашна работа

П. 356: No 1-5. Касянов В.А. Физика 10 клас. - М.: Дроп. 2010 г.
Защо иглата на електроскопа се отклонява при докосване от заредено тяло?
Едната топка е положително заредена, другата отрицателна. Как ще се промени масата на топките, когато се докоснат?
* Донесете заредения метален прът до топката на заредения електроскоп, без да го докосвате. Как ще се промени отклонението на стрелката?

Явленията, свързани с електричеството, са доста често срещани в природата. Един от най -наблюдаваните явления е електрификацията на телата. По един или друг начин всеки човек трябваше да се справи с електрификацията. Понякога не забелязваме статично електричество около нас, а понякога проявлението му е ясно изразено и доста забележимо.

Например собствениците на автомобили при определени обстоятелства забелязаха как колата им изведнъж започна да „шокира“. Това обикновено се случва при напускане на автомобила. През нощта дори можете да забележите искри между тялото и докосващата го ръка. Това се обяснява с електрификацията, за която ще говорим в тази статия.

Определение

Във физиката електрификацията се нарича процес, при който има преразпределение на зарядите по повърхностите на различни тела. В този случай заредени частици с противоположни знаци се натрупват по телата. Електрифицираните тела могат да прехвърлят част от натрупаните заредени частици към други обекти или околната среда в контакт с тях.

Заредено тяло прехвърля заряди при директен контакт с неутрални или противоположно заредени предмети или чрез проводник. С напредването на преразпределението взаимодействието на електрическите заряди се балансира и процесът на преливане спира.

Важно е да запомните, че когато телата се наелектризират, не възникват нови електрически частици, а само съществуващите се преразпределят. По време на електрификацията действа законът за запазване на заряда, според който алгебричната сума от отрицателни и положителни заряди винаги е нула. С други думи, броят на отрицателните заряди, прехвърлени в друго тяло по време на електрификация, е равен на броя на останалите заредени протони от противоположния знак.

Известно е, че носител на елементарен отрицателен заряд е електрон. Протоните, от друга страна, имат положителни знаци, но тези частици са здраво свързани с ядрени сили и не могат да се движат свободно по време на електрификация (с изключение на краткосрочното освобождаване на протони в процеса на разрушаване на атомните ядра, например в различни ускорители). По принцип атомът обикновено е електрически неутрален. Електрификацията може да наруши нейната неутралност.

Въпреки това, отделни електрони от облака, обграждащ многопротонни ядра, могат да напуснат своите далечни орбити и да се движат свободно между атомите. В такива случаи се образуват йони (понякога наричани дупки), които имат положителни заряди. Вижте диаграмата на фиг. 1.

Ориз. 1. Два вида такси

В твърди тела йони са свързани с атомни сили и за разлика от електроните не могат да променят позицията си. Следователно само електроните са носители на заряд в твърди тела. За по -голяма яснота ще разгледаме йони като просто заредени частици (абстрактни точкови заряди), които се държат по същия начин като частици с противоположен знак - електрони.

Ориз. 2. Модел на атома

Физическите тела в естествени условия са електрически неутрални. Това означава, че техните взаимодействия са балансирани, тоест броят на положително заредените йони е равен на броя на отрицателно заредените частици. Електризацията на тялото обаче нарушава този баланс. В такива случаи електрификацията е причината за промяната в баланса на кулоновите сили.

Условия за настъпване на електрификация на тела

Преди да преминем към дефинирането на условията за електризация на телата, нека насочим вниманието ви към взаимодействието на точковите заряди. Фигура 3 показва диаграма на това взаимодействие.

Ориз. 3. Взаимодействие на заредени частици

Фигурата показва, че едноименните точкови заряди се отблъскват, докато противоположните се привличат. През 1785 г. силите на тези взаимодействия са изследвани от френския физик О. Кулон. Известният казва: два неподвижни точкови заряда q 1 и q 2, разстоянието между които е r, действат един върху друг със сила:

F = (k * q 1 * q 2) / r 2

Коефициентът k зависи от избора на измервателната система и свойствата на средата.

Изхождайки от факта, че кулоновите сили действат върху точкови заряди, които имат обратно пропорционална зависимост от квадрата на разстоянието между тях, проявлението на тези сили може да се наблюдава само на много малки разстояния. На практика тези взаимодействия се проявяват на нивото на атомните измерения.

По този начин, за да настъпи наелектризирането на тяло, е необходимо да се доближи максимално до друго заредено тяло, тоест да се докосне до него. След това, под действието на кулонови сили, част от заредените частици ще се преместят на повърхността на заредения обект.

Строго погледнато, по време на електрификация се движат само електрони, които са разпределени по повърхността на зареденото тяло. Излишъкът от електрони образува определен отрицателен заряд. Създаването на положителен заряд на повърхността на приемника, електроните от който тече към заредения обект, се приписва на йони. В този случай абсолютните стойности на зарядите на всяка от повърхностите са равни, но знаците им са противоположни.

Електризирането на неутрални тела от различни вещества е възможно само ако едното от тях има много слаби електронни връзки с ядрото, докато другото, напротив, е много силно. На практика това означава, че в вещества, в които електроните се въртят в далечни орбити, някои от електроните губят връзките си с ядра и взаимодействат слабо с атомите. Следователно, по време на електрификация (близък контакт с вещества), които проявяват по -силни електронни връзки с ядра, има поток от свободни електрони. По този начин наличието на слаби и силни електронни връзки е основното условие за електрификацията на телата.

Тъй като йони могат да се движат и в кисели и алкални електролити, електрификацията на течността е възможна чрез преразпределение на нейните собствени йони, както е при електролизата.

Методи за електрифициране на тела

Има няколко метода на електрификация, които условно могат да бъдат разделени на две групи:

Механично въздействие:
- електрификация чрез контакт;
- електрификация чрез триене;
- електрификация при удар.
Влияние на външни сили:
- електрическо поле;
- излагане на светлина (фотоелектричен ефект);
- влиянието на топлината (термодвойки);
- химична реакция;
- налягане (пиезоелектричен ефект).

Ориз. 4. Методи за електрификация

Най -често срещаният начин за електрифициране на тела в природата е триенето. Най -често въздушното триене възниква при контакт с твърди или течни вещества. По -специално, в резултат на такава електрификация възникват гръмотевични разряди.

Електрификацията на триене ни е известна още от училище. Можехме да наблюдаваме малки пръчки от абанос, електрифицирани от триене. Отрицателният заряд на пръчките, натрити върху вълната, се определя от излишъка от електрони. В този случай вълнената тъкан се зарежда с положително електричество.

Подобен експеримент може да се проведе със стъклени пръти, но те трябва да се търкат с коприна или синтетични тъкани. В същото време, в резултат на триене, електрифицираните стъклени пръти се зареждат положително, а тъканта - отрицателно. В противен случай няма разлика между стъклено електричество и заряд от ебонит.

За да електрифицирате проводник (например метален прът), трябва:

Изолирайте метален предмет.
Докоснете го с положително заредено тяло, например стъклен прът.
Вземете част от заряда на земята (заземете единия край на пръта за кратко).
Извадете заредената пръчка.

В този случай зарядът на пръта е равномерно разпределен по повърхността му. Ако метален обект е с неправилна форма, неравномерен, концентрацията на електрони ще бъде по -голяма при издатините и по -малка при вдлъбнатините. Когато телата са разделени, се получава преразпределение на заредени частици.

Свойства на електрифицирани тела

Привличането (отблъскването) на малки обекти е знак за електрификация. Две тела, заредени със същото име, се противопоставят (отблъскват) и различни знаци се привличат. Този принцип е в основата на работата на електроскоп - устройство за измерване на количеството заряд (виж фиг. 5).

Ориз. 5. Електроскоп

Излишните заряди нарушават баланса при взаимодействието на елементарни частици. Следователно всяко заредено тяло се стреми да се освободи от своя заряд. Често това освобождаване е придружено от светкавичен разряд.

Приложение на практика

пречистване на въздуха с електростатични филтри;
електростатично боядисване на метални повърхности;
производство на синтетична кожа чрез привличане на електрифицирана купчина към тъканна основа и др.

Вредни ефекти:

въздействието на статичните разряди върху чувствителни електронни продукти;
запалване на пари от горива и смазочни материали от изпускания.

Начини за борба: заземяване на контейнери с гориво, работа в антистатично облекло, инструменти за заземяване и др.

Видео в допълнение към темата

Защо не наблюдаваме електрическите сили на привличане и отблъскване между телата около нас? В крайна сметка всички тела са изградени от атоми, а атомите са от частици с електрически заряди.

Причината е, че атомите като цяло са неутрални. Общият отрицателен заряд на всички електрони в атом е равен на положителния заряд на ядрото. Общият заряд на атома е нула. И тъй като атомът е неутрален, молекулата също е неутрална. А тяло, съставено от атоми или молекули, също е неутрално; няма електрически заряд.

Вземете стъклена пръчка и я разтрийте силно с парче суха коприна. В този случай част от електроните се отделят от стъклените молекули и отиват към молекулите на коприната. Настъпва така наречената йонизация на някои стъклени молекули, превръщането им от неутрални частици в електрически заредени частици - йони. Стъклените молекули, които са загубили един или повече електрони, вече не са неутрални. Положителният заряд на ядрата в такава молекула е по -голям от отрицателния заряд на останалите в нея електрони. Молекулата е положително заредена - тя е положителен йон. Атом или молекула, които са уловили един или повече допълнителни електрони, се наричат отрицателни йони.

Ако докоснете тази пръчка до два листа салфетка, окачени с нишки, тогава някои от електроните от листата ще бъдат привлечени от положително заредената пръчка и ще се прехвърлят към нея. Листата ще се заредят положително и ще започнат да се отблъскват, както е показано на фигура 3.

Листата също могат да бъдат заредени отрицателно. За да направите това, вместо стъкло, трябва да вземете ебонитова или восъчна пръчка, а вместо коприна - козина или вълнен плат. При триене на восък или ебонит с козина част от електроните се прехвърлят от козината към пръчката и тя се зарежда отрицателно. Електроните се отблъскват. Следователно, когато пръчката докосне парче хартия,

Някои от електроните се прехвърлят към него. Две листа, които докосваме с ебонитова или восъчна пръчка, са заредени отрицателно. Те се отблъскват взаимно по същия начин, както е показано на Фигура 3, и са привлечени от положително заредените листа (Фигура 4).

За първи път хората се запознаха с електричеството, търкайки кехлибар с вълна. Това беше в древна Гърция преди две и половина хиляди години. Кехлибарът се нарича „електрон“ на гръцки. Така се роди думата „електричество“.

Сега виждаме, че електрическите свойства на кехлибар, стъкло, ебонит и други тела, с които хората са се запознали чрез опит, са само проява на електрическите сили, действащи между електрони и ядра.

Имената „положителни“ и „отрицателни“ заряди са дадени, когато не се знае нищо за структурата на атома, за електроните и ядрата. Впоследствие се оказа, че ядреният заряд се нарича положителен, а електронният - отрицателен.

Положително зареденото тяло е тяло, което е загубило част от електроните си. Отрицателно зареденото тяло е тяло, което е придобило излишни електрони. Електризацията на телата по време на триене се причинява от прехвърлянето на част от електроните от едно тяло в друго.

Изискванията за качество, обхват и правила за експлоатация на електрическо оборудване, наложени от съвременните местни и международни стандарти и технически регламенти, определят необходимостта от редовна поддръжка ...

Живеем в прекрасно време, което завинаги ще остане в историята, неразривно свързано с името на Йосиф Висарионович Сталин. Под ръководството на комунистическата партия и нейния лидер, другаря Сталин, съветският народ изгражда социализма ...

В допълнение към токовете, които текат през цялото време: в една посока, така наречените променливи токове също се използват широко в технологията. Посоката на променливия ток във веригата се променя обикновено много пъти в секунда. Помислете тук ...

Интерактивно представяне на материал по темата "Обяснение на електрификацията. Закон за опазване на таксите ";
Електрическо поле
Електрически явления в природата и технологиите
Гледайте озвучена презентация.

Тяло електрифицирам, т.е. вземете електрически зарядкогато печелят или губят електрони. В този случай не възникват нови електрически заряди. Има само разделение на съществуващите заряди между електрифициращите тела: някои от отрицателните заряди се прехвърлят от едно тяло в друго.

Методи на електрификация:

1) електрификация триене:участват различни тела. Телата придобиват заряди с един и същ модул, но различни по знак.

2) електрификация контакт:когато едно заредено и ненатоварено тяло влиза в контакт, част от заряда се прехвърля към ненатоварено тяло, тоест и двете тела придобиват заряд от един и същ знак.

3) електрификация чрез влияние:с електрификация, чрез влияние, можете да получите отрицателен заряд с положителен заряд върху тялото и обратно.

Телата, състоящи се от неутрални частици (атоми и молекули), нямат заряд при нормални условия. Въпреки това, в процес на триене някои от електроните, които са напуснали атомите си, могат да се движат от едно тяло в друго. В този случай изместванията на електроните не надвишават размера на междуатомните разстояния. Но ако телата се разделят след триене, тогава те ще се окажат заредени: тялото, което се е отказало от някои от своите електрони, ще бъде заредено положително, а тялото, което ги е получило, ще бъде отрицателно заредено.
Електрификация на триенесе обяснява с прехода на част от електроните от едно тяло в друго, в резултат на което телата се зареждат по различен начин.Тела, електрифицирани чрез триене един в друг са привлечени. Индукционна електрификациясе обяснява с преразпределението на електронния газ между телата (или части от тялото), в резултат на което телата (или частите на тялото) се зареждат по различен начин.Възниква обаче въпросът: всички тела подлежат ли на електрификация чрез индукция? Могат да се направят експерименти, за да се види, че пластмасовите, дървените или гумените топки могат лесно да се електрифицират чрез триене, но не и чрез индукция.

Знанията за електрона и структурата на атома позволяват да се обясни явлението привличане на неелектрифицирани тела към електрифицирани. Защо например гилзата, която преди това не сме били електрифицирани, е привлечена от заредена пръчка? В крайна сметка знаем, че електрическото поле действа само върху заредени тела.

Въпросът е, че в ръкава има свободни електрони. Веднага след като втулката се въведе в електрическото поле, електроните ще започнат да се движат под действието на силите на полето. Ако пръчката е положително заредена, тогава електроните ще отидат в края на втулката, която се намира по -близо до пръта. Този край ще се зарежда отрицателно. В противоположния край на втулката ще има недостиг на електрони и този край ще бъде положително зареден (фиг. А). Отрицателно зареденият ръб на втулката е по -близо до пръчката, така че втулката ще бъде привлечена от нея (фиг. Б). Когато втулката докосне пръчката, част от електроните от нея ще отидат към положително заредената пръчка. Некомпенсиран положителен заряд ще остане върху втулката (фиг. В).

Ако заряд се прехвърли от заредена топка към незаредена топка и размерът на топките е същият, тогава зарядът ще се раздели наполовина. Но ако втората незаредена топка е по -голяма от първата, тогава повече от половината от заряда ще бъде прехвърлена към нея. Заземяването се основава на това - прехвърлянето на заряд към земята. Земното кълбо е голямо в сравнение с телата по него. Следователно, при контакт със земята, заредено тяло му дава почти целия заряд и на практика става електрически неутрално.