Каким способом вы наэлектризовали тела

Что такое электризация тел и как она возникает?

Явления, связанные с электричеством, довольно распространены в природе. Одним из самых наблюдаемых явлений является электризация тел. Так или иначе с электризацией приходилось сталкиваться каждому человеку. Иногда мы не замечаем статического электричества вокруг нас, а иногда его проявление ярко выражено и довольно ощутимо.

Например, владельцы автотранспорта, при определённых стечениях обстоятельств, замечали, как их машина вдруг начинала «бить током». Обычно это происходит при выходе из салона автомобиля. Ночью даже можно заметить искрение между кузовом и рукой, прикасающейся к нему. Объясняется это электризацией, о которой поговорим в данной статье.

Определение

В физике электризацией называют процесс, при котором происходит перераспределения зарядов, на поверхностях разнородных тел. При этом на телах скапливаются заряженные частицы противоположных знаков. Наэлектризованные тела могут передавать часть накопленных заряженных частиц другим предметам или окружающей среде, контактирующей с ними.

Заряженное тело передаёт заряды при непосредственном контакте с ним нейтральных или противоположно заряженных предметов, либо через проводник. По мере перераспределения взаимодействие электрических зарядов уравновешивается, и процесс перетекания прекращается.

Важно помнить, что при электризации тел новые электрические частицы не возникают, а лишь перераспределяются уже существующие. При электризации действует закон сохранения заряда, согласно которому алгебраическая сумма отрицательных и положительных зарядов всегда равна нулю. Другими словами – количество отрицательных зарядов переданных другому телу при электризации равняется количеству оставшихся заряженных протонов противоположного знака.

Известно, что носителем элементарного отрицательного заряда является электрон. Протоны же обладают положительными знаками, но эти частицы прочно связаны ядерными силами и не могут свободно перемещаться при электризации (за исключением кратковременного высвобождения протонов в процессе разрушения атомных ядер, например, в различных ускорителях). В целом атом, обычно, электрически нейтрален. Его нейтральность может нарушить электризация.

Однако, отдельные электроны из облака, окружающего многопротонные ядра, могут покидать свои отдалённые орбиты и свободно перемещаться между атомов. В таких случаях образуются ионы (иногда называемые дырками), имеющие положительные заряды. См. схему на рис. 1.

В твёрдых телах ионы связаны атомными силами и, в отличие от электронов, не могут изменить своё расположение. Поэтому только электроны являются переносчиками заряда в твёрдых телах. Для наглядности мы будем считать ионы просто заряженными частицами (абстрактными точечными зарядами), которые ведут себя так же, как и частицы с противоположным знаком – электроны.

Рис. 2. Модель атома

Физические тела в естественных условиях электрически нейтральные. Это значит, что их взаимодействия уравновешены, то есть, количество ионов заряженных положительно равно количеству отрицательно заряженных частиц. Однако, электризация тела нарушает это равновесие. В таких случаях электризация является причиной изменения баланса кулоновских сил.

Условия возникновения электризации тел

Прежде чем перейти к определению условий электризации тел, заострим ваше внимание на взаимодействии точечных зарядов. На рисунке 3 изображена схема такого взаимодействия.

Рис. 3. Взаимодействие заряженных частиц

На рисунке видно, что одноимённые точечные заряды отталкиваются, тогда как разноимённые – притягиваются. В 1785 г. силы этих взаимодействий исследовал французский физик О. Кулон. Знаменитый закон Кулона гласит: два неподвижных точечных заряда q₁ и q₂, расстояние между которыми равно r, действуют друг на друга с силой:

Коэффициент k зависит от выбора системы измерений и свойств среды.

Исходя из того, что на точечные заряды действуют кулоновские силы, имеющие обратно пропорциональную зависимость от квадрата расстояния между ними, проявление этих сил может наблюдаться только на очень небольших расстояниях. Практически, эти взаимодействия проявляются на уровне атомных измерений.

Таким образом, для того чтобы электризация тела произошла, необходимо максимально приблизить его к другому заряженному телу, то есть, прикоснуться к нему. Тогда под действием кулоновских сил часть заряженных частиц переместится на поверхность заряжаемого предмета.

Строго говоря, при электризации перемещаются только электроны, которые распределяются по поверхности заряжаемого тела. Избыток электронов образует определённый отрицательный заряд. Создание положительного заряда на поверхности реципиента, электроны с которого перетекли на заряжаемый объект, возложено на ионы. При этом модули величин зарядов на каждой из поверхностей равны, но знаки их противоположны.

Электризация нейтральных тел из разнородных веществ возможна только в том случае, если у одного из них электронные связи с ядром очень слабые, а у другого, наоборот – очень сильные. На практике это означает, что в веществах, у которых электроны вращаются на удалённых орбитах, часть электронов теряют свои связи с ядрами и слабо взаимодействуют с атомами. Поэтому, при электризации (тесном контакте с веществами), у которых проявляются более сильные электронные связи с ядрами, происходит перетекание свободных электронов. Таким образом, наличие слабых и сильных электронных связей является главным условием электризации тел.

Поскольку в кислотных и щелочных электролитах могут перемещаться и ионы, то электризация жидкости возможна путём перераспределения собственных ионов, как это имеет место при электролизе.

Способы электризации тел

Существует несколько способов электризации, которые условно можно разделить на две группы:

1. Механическое воздействие:
   • электризация соприкосновением;
   • электризация трением;
   • электризация при ударе.
2. Влияние внешних сил:
   • электрическое поле;
   • воздействие света (фотоэффект);
   • влияние тепла (термопары);
   • химические реакции;
   • давление (пьезоэффект).

Рис. 4. Способы электризации

Наиболее распространённым способом электризации тел в природе является трение. Чаще всего происходит трение воздуха при контакте его с твёрдыми или жидкими веществами. В частности, в результате такой электризации происходят грозовые разряды.

Электризация трением нам известна ещё со школьной скамьи. Мы могли наблюдать наэлектризованные трением небольшие эбонитовые палочки. Отрицательный заряд потёртых об шерсть палочек определяется избытком электронов. Шерстяная ткань при этом заряжается положительным электричеством.

Подобный опыт можно провести со стеклянными палочками, но натирать их необходимо шёлком или синтетическими тканями. При этом, в результате трения стеклянные наэлектризованные палочки заряжаются положительно, а ткань – отрицательно. В остальном между стеклянным электричеством и зарядом эбонита различий нет.

Чтобы наэлектризовать проводник (например, металлический стержень), необходимо:

1. Изолировать металлический предмет.
2. Прикоснуться к нему положительно заряженным телом, например стеклянной палочкой.
3. Отвести часть заряда на землю (кратковременно заземлить один конец стержня).
4. Убрать заряженную палочку.

При этом заряд на стержне равномерно распределится по его поверхности. Если металлический предмет неправильной формы, заряды распределятся неравномерно – концентрация электронов будет больше на выпуклостях и меньше на впадинах. При разделении тел происходит перераспределение заряженных частиц.

Свойства наэлектризованных тел

• Притягивание (отталкивание) мелких предметов – признак наэлектризованности. Два тела, заряженных одноимённо, противодействуют (отталкиваются), а разнознаковые – притягиваются. На этом принципе основана работа электроскопа – прибора для измерения величины заряда (см. рис. 5).

Рис. 5. Электроскоп

• Избыток зарядов нарушает равновесие во взаимодействии элементарных частиц. Поэтому каждое заряженное тело стремится избавиться от своего заряда. Часто такое избавление сопровождается молниеносным разрядом.

Применение на практике

• очистка воздуха с помощью электростатических фильтров;
• электростатическая окраска металлических поверхностей;
• производство синтетического меха, путём притягивания наэлектризованного ворса к тканевой основе, и др.

Вредное воздействие:

• влияние статических разрядов на чувствительные электронные изделия;
• воспламенение паров ГСМ от разрядов статического электричества.

Способы борьбы: заземление ёмкостей с горючим, работа в антистатической одежде, заземление инструментов и т.п.

Источник

Способы наэлектризовать тело (с примерами)

Содержание:

Есть три способы наэлектризовать тело, или что то же самое, вызывают небольшой дисбаланс в его электрических зарядах, так что объект приобретает чистый заряд. Эти формы электризации — трение, индукция и контакт.

Древние греки заметили, что янтарь, ископаемый сок дерева, был способен притягивать волосы или кусочки волокна, когда их натирали кожаной тканью. Из-за этого материал на короткое время был наэлектризован.

Этим интересным свойством обладают и другие материалы, например стекло, пластик и некоторые драгоценные камни.

Например, когда вы отделяете части одежды, только что вынутые из сушилки, вылетают искры, что указывает на то, что одежда каким-то образом наэлектризовалась после вращения в барабане. А если энергично расчесать волосы пластиковой расческой, они будут притягивать кусочки бумаги.

Также бывает, что при скольжении по сиденью автомобиля ощущается неприятный толчок при прикосновении к ручке или кузову.

Эти явления происходят из субатомных частиц: протонов с положительным зарядом, нейтронов без заряда и электронов с отрицательным зарядом.

Обычно вещества находятся в нейтральном состоянии, поскольку атомы имеют такое же количество протонов, что и электроны. Но натерев некоторые из них шерстью, шелком или мехом, они могут притягивать или отталкивать другие материалы.

И если электрически заряженное тело соприкасается со вторым объектом или приближается к нему, оно способно давать или собирать заряды, оставляя другой в равной степени наэлектризованным. Посмотрим, как это происходит.

Электрификация трением

Электрификация трением состоит из трения одного материала о другой, таким образом, один из них захватывает или отдает электроны, оставляя оба с определенным общим зарядом.

Электроны, хотя и прикреплены к ядру атома, состоящему из протонов и нейтронов, обладают хорошей подвижностью, а в некоторых случаях самые удаленные из них могут даже отсоединяться. Конечно, для этого вам придется проделать объем работы, который будет зависеть от характера материала.

Расчесывание волос пластиковой расческой высвобождает электроны из волос и попадает в пластик, оставляя его с избытком.

Мы также можем попробовать натереть стеклянные или эбонитовые бруски шелковой тканью. Электроны выходят из стекла и переходят на шелк, который легко принимает их.

Теперь, подойдя к двум стеклянным стержням, натертым шелковой тканью, можно заметить, чтоони отталкивают. С другой стороны, протерев эбонитовый или пластиковый брусок кроличьей шерсти и поднося поближе стеклянный, натертый шелком, мы видим, чтоони привлекают.

То же самое происходит и с другими материалами: одни притягиваются друг к другу после трения, а другие отталкиваются. В любом случае это связано с избытком или дефектом электронов.

Это означает, что существует два вида электрического заряда. Когда два тела имеют разные типы заряда, они притягиваются. Но если они одного типа, они отталкивают друг друга.

Бенджамин Франклин (1706-1790) провел много таких экспериментов и предложил имя положительное электричество который приобретает стекло, натертое шелком, а другой вид груза был переименован отрицательное электричество.

Сохранение и квантование электрического заряда

Важно отметить, что в процессе загрузки он не создается и не уничтожается. Мы наблюдаем, что нагрузка переходит от одного материала к другому, поэтому можно установить принцип сохранения электрического заряда, как основополагающий принцип физики.

Это аналогично тому, когда мы говорим, что энергия не создается и не уничтожается, а трансформируется. Таким же образом установлено, что электрический заряд не создается и не разрушается, он только передается от одного тела к другому.

Другой важный факт заключается в том, что когда происходит перенос электронов от одного материала к другому, он всегда происходит целиком, потому что электроны не разделены на фракции.

Таким образом, делается вывод, что электрический заряд квантован, являясь квант заряд — наименьший возможный заряд — у электрона, обозначается символом а также и отрицательный знак:

е = -1,6 х 10 -19 кулон.

Кулон, обозначаемый сокращенно C, является единицей СИ для электрического заряда.

Объект, заряженный, скажем, избыточными электронами, имеет отрицательный заряд в n раз больше. С другой стороны, один с электронным дефектом имеет заряд н.э. сположительный знак.

Индукционная электрификация

Как бы сильно они ни терлись, металлические предметы не приобретают чистый заряд в результате трения.

Но металлический шар наэлектризуется, когда к заряженному жесткому пластиковому или резиновому бруску приближают с одной стороны и не трогают, а к нему прикасаются пальцем с противоположной стороны.

Таким образом, отрицательный заряд перейдет от сферы к телу человека. Затем палец убирается, и стержень удаляется, и, таким образом, сфера остается с чистым положительным зарядом.

Эксперимент работает независимо от того, имеет ли стержень положительный или отрицательный заряд, но сфера должна быть металлической, потому что, если она сделана из стекла, ее нельзя заряжать таким образом.

Это связано с очень интересным свойством: электроны в металле обладают большей подвижностью, чем в стекле или пластике.

Проводники и изоляторы

Как мы видели, материалы по-разному реагируют на электрификацию. Янтарь, пластик, стекло и жесткая резина относятся к группе, известной какизоляторы, а металлы и солевые растворы — водители.

В проводниках, по крайней мере, один из самых удаленных электронов атома имеет возможность отделяться и перемещаться внутри материала.

Таким образом, если агент выполняет необходимую работу, электроны могут упорядоченно перемещаться по металлическим проводам или в соленой воде и, таким образом, создавать электрический ток.

Следует отметить, что существует также большое разнообразие материалов с промежуточным поведением, которые называются полупроводники, очень важно при производстве электронных устройств.

Контактная электризация

Электрический заряд протекает между двумя объектами, находящимися в прямом контакте. Если в одном есть избыточные электроны, часть перейдет к другому объекту. А если наоборот — дефект, один из объектов может отдать электроны другому, оставив тела с зарядами одного знака.

Например, при прикосновении к металлической сфере предварительно заряженным пластиковым стержнем часть лишних электронов от стержня проходит прямо в сферу.

Таким образом, металлический шар заряжается прямым контактом, распределяя избыточный заряд между ними, всегда соблюдая принцип сохранения заряда.

Мы также можем поставить в контакт два заряженных металлических шара, помещенных в изолирующие опоры. Если сферы идентичны, заряд делится между ними поровну.

Источник