Kappaleiden sähköistäminen, varausten vuorovaikutus

Tässä artikkelissa yritämme esittää melko yleisen käsityksen siitä, mitä kappaleiden sähköistyminen on, ja käsittelemme myös sähkövarauksen säilymislakia.

Riippumatta siitä, toimiiko tämä tai tuo sähköenergian lähde periaatteella, jokainen niistä tapahtuu fyysisten kappaleiden sähköistymistä eli sähköenergian lähteessä olevien sähkövarausten erottamista ja niiden keskittymistä tiettyihin paikkoihin, esim. lähteen elektrodeissa tai liittimissä. Tämän prosessin tuloksena saadaan ylimäärä negatiivisia varauksia (elektroneja) sähköenergian lähteen yhteen napaan (katodi) ja elektronien puute toiseen liittimeen (anodi), ts. ensimmäinen niistä on varattu negatiivisella sähköllä ja toinen positiivisella sähköllä.

Elektronin, minimaalisen varauksen omaavan alkuainehiukkasen, löytämisen jälkeen, kun atomin rakenne vihdoin selvitettiin, myös useimmat sähköön liittyvät fysikaaliset ilmiöt tulivat selitettäviksi.

Kappaleet muodostavan materiaalin todetaan yleensä sähköisesti neutraaliksi, koska kehon muodostavat molekyylit ja atomit ovat normaaleissa olosuhteissa neutraaleja, joten kappaleilla ei ole varausta. Mutta jos tällainen neutraali kappale hankaa toista kappaletta vasten, osa elektroneista lähtee atomeistaan ​​ja siirtyy kappaleesta toiseen. Näiden elektronien kulkureittien pituus tällaisen liikkeen aikana ei ole enempää kuin viereisten atomien välinen etäisyys.

Jos kuitenkin kitkan jälkeen kappaleet erottuvat, siirtyvät toisistaan, niin molemmat kappaleet varautuvat. Kappale, johon elektronit ovat kulkeneet, varautuu negatiivisesti, ja se, joka luovutti nämä elektronit, saa positiivisen varauksen, varautuu positiivisesti. Tämä on sähköistämistä.

Oletetaan, että jossain fyysisessä kappaleessa, esimerkiksi lasissa, oli mahdollista poistaa osa niiden elektroneista huomattavasta määrästä atomeja. Tämä tarkoittaa, että lasi, joka on menettänyt osan elektroneistaan, varautuu positiivisella sähköllä, koska siinä positiiviset varaukset ovat saaneet etulyöntiaseman negatiivisiin nähden.

Lasista poistetut elektronit eivät voi kadota, ja ne on laitettava jonnekin. Oletetaan, että kun elektronit on poistettu lasista, ne asetetaan metallipallolle. Silloin on selvää, että metallipallo, joka vastaanottaa lisää elektroneja, on varautunut negatiivisella sähköllä, koska siinä negatiiviset varaukset ovat etusijalla positiivisiin nähden.

Fyysisen kehon sähköistäminen - tarkoittaa elektronien ylimäärän tai puutteen luomista siihen, ts. häiritä siinä kahden vastakohdan, nimittäin positiivisten ja negatiivisten varausten, tasapainoa.

Kahden fyysisen kappaleen sähköistäminen samanaikaisesti ja yhdessä erilaisten sähkövarausten kanssa tarkoittaa elektronien poistamista yhdestä kappaleesta ja siirtämistä toiseen kappaleeseen.

Jos jossain luonnossa on muodostunut positiivinen sähkövaraus, niin saman absoluuttisen arvon negatiivisen varauksen täytyy väistämättä syntyä samanaikaisesti sen kanssa, koska elektronien ylimäärä missä tahansa fyysisessä kehossa syntyy niiden puutteen vuoksi jossain toisessa fyysisessä kehossa.

Erilaiset sähkövaraukset esiintyvät sähköilmiöissä poikkeuksetta mukana tulevina vastakohtina, joiden yhtenäisyys ja vuorovaikutus muodostavat aineiden sähköilmiöiden sisäisen sisällön.

Neutraalit kappaleet sähköistyvät, kun ne antavat tai vastaanottavat elektroneja, kummassakin tapauksessa ne hankkivat sähkövarauksen ja lakkaavat olemasta neutraaleja. Täällä sähkövaraukset eivät synny tyhjästä, varaukset vain erottuvat, koska elektronit olivat jo kappaleissa ja yksinkertaisesti vaihtoivat sijaintiaan, elektronit siirtyvät sähköistetystä kappaleesta toiseen sähköistettyyn kappaleeseen.

Kappaleiden kitkasta syntyvän sähkövarauksen merkki riippuu näiden kappaleiden luonteesta, niiden pintojen kunnosta ja useista muista syistä. Siksi ei ole poissuljettua mahdollisuutta, että sama fyysinen ruumis on yhdessä tapauksessa varautunut positiivisella ja toisessa negatiivisella sähköllä, esimerkiksi metallit sähköistyvät negatiivisesti hieroessaan lasia ja villaa vasten ja hieroessaan niitä vastaan. kumi - positiivisesti.

Sopiva kysymys olisi: miksi sähkövaraus ei kulje eristeiden, vaan metallien läpi? Asia on siinä, että eristeissä kaikki elektronit on sidottu atomiensa ytimiin, mutta niillä ei vain ole kykyä liikkua vapaasti koko kehossa.

Mutta metallien kohdalla tilanne on toinen. Metalliatomien elektronisidokset ovat paljon heikompia kuin dielektrisissä, ja jotkut elektronit jättävät helposti atomeistaan ​​ja liikkuvat vapaasti koko kehossa, nämä ovat niin sanottuja vapaita elektroneja, jotka tarjoavat varauksen siirtoa johtimissa.

Varausten erottuminen tapahtuu sekä metallikappaleiden kitkan aikana että eristeiden kitkan aikana. Mutta demonstraatioissa käytetään dielektrisiä aineita: eboniittia, meripihkaa, lasia. Tähän turvaudutaan siitä yksinkertaisesta syystä, että koska varaukset eivät liiku eristeessä olevan tilavuuden läpi, ne pysyvät samoissa paikoissa niiden kappaleiden pinnoilla, joista ne ovat syntyneet.

Ja jos kitkan avulla esimerkiksi turkista metallipala sähköistyy, niin varaus, jolla on aikaa vain siirtyä pintaansa, valuu välittömästi kokeilijan kehoon, ja esittely esim. dielektriset, ei toimi. Mutta jos metallipala on eristetty kokeen tekijän käsistä, se jää metalliin.

Jos kappaleiden varaus vapautuu vain sähköistymisprosessissa, kuinka niiden kokonaisvaraus käyttäytyy? Yksinkertaiset kokeet antavat vastauksen tähän kysymykseen. Ota elektrometri, jonka sauvaan on kiinnitetty metallilevy, ja aseta levyn päälle villakangas, joka on levyn kokoinen. Kudoslevyn päälle asetetaan toinen johtava kiekko, sama kuin elektrometrisauvalla, mutta varustettu dielektrisellä kahvalla.

Kädensijasta pitäen kokeen suorittaja liikuttaa ylempää kiekkoa useita kertoja, hieroi sitä elektrometrisauvan kiekolla makaavaa kudoskiekkoa vasten ja siirtää sen sitten poispäin elektrometristä. Elektrometrin neula taipuu, kun kiekko poistetaan ja pysyy siinä asennossa. Tämä osoittaa, että villakankaaseen ja sähkömittarin sauvaan kiinnitettyyn kiekkoon on kehittynyt sähkövaraus.

Kädensijainen kiekko saatetaan sitten kosketukseen toisen elektrometrin kanssa, mutta ilman siihen kiinnitettyä kiekkoa, ja sen neulan havaitaan taipuvan lähes samassa kulmassa kuin ensimmäisen elektrometrin neula.

Koe osoittaa, että molemmat levyt saivat sähköistyksen aikana saman moduulin varauksia. Mutta mitkä ovat näiden syytösten merkit? Tähän kysymykseen vastaamiseksi elektrometrit on yhdistetty johdolla. Elektrometrin neulat palaavat välittömästi nolla-asentoon, jossa ne olivat ennen kokeen alkamista. Varaus neutraloitiin, mikä tarkoittaa, että levyjen varaukset olivat suuruudeltaan samansuuruisia, mutta etumerkillisesti vastakkaisia, ja kokonaisuutena antoi nollan, kuten ennen kokeen alkamista.

Samanlaiset kokeet osoittavat, että sähköistyksen aikana kappaleiden kokonaisvaraus säilyy, eli jos kokonaismäärä oli nolla ennen sähköistystä, niin kokonaismäärä on nolla sähköistyksen jälkeen... Mutta miksi näin tapahtuu? Jos hiero eebenpuutikua kankaaseen, se varautuu negatiivisesti ja kangas positiivisesti, ja tämä on tunnettu tosiasia. Eboniittiin muodostuu ylimäärä elektroneja, kun sitä hierotaan villaan, ja vastaava puute kankaaseen.

Varaukset ovat moduuliltaan yhtä suuret, koska kuinka monta elektronia on siirtynyt kankaasta eboniittiin, eboniitti on saanut sellaisen negatiivisen varauksen ja saman verran positiivista varausta on muodostunut kankaalle, koska elektronit, jotka ovat lähteneet kangas ovat kankaan positiivinen varaus. Ja elektronien ylimäärä eboniitilla on täsmälleen yhtä suuri kuin elektronien puute kankaalla. Varaukset ovat etumerkillisesti vastakkaisia, mutta suuruudeltaan yhtä suuria. On selvää, että täysi lataus säilyy sähköistyksen aikana; se on yhteensä nolla.

Lisäksi vaikka molempien runkojen varaukset olisivat olleet nollasta poikkeavat ennen sähköistystä, kokonaisvaraus on silti sama kuin ennen sähköistystä. Kun kappaleiden varaukset ennen niiden vuorovaikutusta on merkitty q1:ksi ja q2:ksi ja vuorovaikutuksen jälkeiset varaukset q1':ksi ja q2':ksi, niin seuraava yhtälö on totta:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

Tämä tarkoittaa, että missä tahansa kappaleiden vuorovaikutuksessa kokonaisvaraus säilyy aina. Tämä on yksi luonnon peruslaeista, sähkövarauksen säilymisen laki. Benjamin Franklin löysi sen vuonna 1750 ja esitteli käsitteet "positiivinen varaus" ja "negatiivinen varaus". Franklin ja ehdotti vastakkaisten maksujen osoittamista «-»- ja «+»-merkeillä.

Elektroniikassa Kirchhoffin säännöt koska virrat seuraavat suoraan sähkövarauksen säilymisen laista. Johtojen ja elektronisten komponenttien yhdistelmä esitetään avoimena järjestelmänä. Maksujen kokonaisvirtaus tiettyyn järjestelmään on yhtä suuri kuin maksujen kokonaisvirtaus kyseisestä järjestelmästä. Kirchhoffin säännöissä oletetaan, että elektroninen järjestelmä ei voi merkittävästi muuttaa kokonaisveloitustaan.

Rehellisyyden nimissä todetaan, että paras kokeellinen testi sähkövarauksen säilymisen laille on sellaisten alkuainehiukkasten hajoamisten etsiminen, jotka olisivat sallittuja varauksen ei-tiukan säilymisen tapauksessa. Tällaisia ​​rappeutumista ei ole koskaan havaittu käytännössä.

Muita tapoja sähköistää fyysisiä kehoja:

1. Jos sinkkilevy upotetaan rikkihappo-H2SO4-liuokseen, se liukenee osittain siihen. Jotkut sinkkilevyn atomeista, jättäen kaksi elektronistaan ​​sinkkilevylle, liukenevat happosarjan kanssa kaksinkertaisesti varautuneiden positiivisten sinkki-ionien muodossa. Tämän seurauksena sinkkilevy varautuu negatiivisella sähköllä (ylimäärä elektroneja) ja rikkihappoliuos positiivisella (ylimäärä positiivisia sinkki-ioneja). Tätä ominaisuutta käytetään rikkihappoliuoksessa olevan sinkin sähköistämiseen galvaanisessa kennossa sähköenergian ilmestymisen pääprosessina.

2. Jos valonsäteet putoavat metallien, kuten sinkin, cesiumin ja joidenkin muiden pinnoille, vapautuu vapaita elektroneja näiltä pinnoilta ympäristöön. Tämän seurauksena metalli varautuu positiivisella sähköllä ja sen ympärillä oleva tila negatiivisella sähköllä. Elektronien emissiota tiettyjen metallien valaistuilta pinnoilta kutsutaan valosähköiseksi efektiksi, jota on käytetty aurinkokennoissa.

3. Jos metallikappale kuumennetaan valkolämpötilaan, vapaat elektronit lentävät sen pinnalta ympäröivään tilaan.Tämän seurauksena elektroneja menettänyt metalli varautuu positiivisella sähköllä ja ympäristö negatiivisella sähköllä.

4. Jos juotat kahden eri langan, esimerkiksi vismutin ja kuparin, päät ja lämmität niiden liitoksen, vapaat elektronit siirtyvät osittain kuparilangasta vismuttiin. Tämän seurauksena kuparilanka varautuu positiivisella sähköllä, kun taas vismuttilanka varautuu negatiivisella sähköllä. Ilmiö kahden fyysisen kappaleen sähköistymisestä, kun ne absorboivat lämpöenergiaa käytetään termopareissa.

Sähköistettyjen kappaleiden vuorovaikutukseen liittyviä ilmiöitä kutsutaan sähköilmiöiksi.

Sähköistettujen kappaleiden välinen vuorovaikutus määräytyy ns Sähkövoimat, jotka eroavat muun luonteisista voimista siinä, että ne saavat varautuneet kappaleet hylkimään ja vetämään toisiaan niiden liikkeen nopeudesta riippumatta.

Tällä tavalla varattujen kappaleiden välinen vuorovaikutus eroaa esimerkiksi gravitaatiosta, jolle on ominaista vain kappaleiden vetovoima, tai magneettisesta alkuperästä peräisin olevista voimista, jotka riippuvat varausten suhteellisesta liikenteestä aiheuttaen magneettisia. ilmiöitä.

Sähkötekniikka tutkii pääasiassa sähköistettyjen kappaleiden ominaisuuksien ulkoisen ilmentymisen lakeja — sähkömagneettisten kenttien lakeja.

Toivomme, että tämä lyhyt artikkeli on antanut sinulle yleiskäsityksen siitä, mitä kappaleiden sähköistyminen on, ja nyt tiedät kuinka kokeellisesti varmistaa sähkövarauksen säilymislaki yksinkertaisella kokeella.