Электризация без непосредственного контакта макроскопических тел
Перейти к содержимому

Электризация без непосредственного контакта макроскопических тел

  • автор:

Электризация без непосредственного контакта макроскопических тел

Электрический заряд атома равен разности количества положительно и отрицательно заряженных частиц, входящих в состав данного тела.

Электрический заряд макроскопического тела равен разности модулей зарядов положительно и отрицательно заряженных частиц, входящих в состав данного тела. Чтобы получить макроскопические заряженные тела, необходимо наэлектризовать нейтральные тела. Наэлектризовать тело — означает отделить от него часть отрицательного заряда.

Электризация — процесс получения электрически заряженных макроскопических тел из электрически нейтральных.

Степень электризации макроскопических тел характеризуется величиной и знаком электрического заряда, полученного телом.

В лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используются электроскоп и электрометр.

Рис. 1. Электроскоп и электрометр

Электроскоп (от греческих слов electron и skopeo ) — это простейший прибор, состоящий из металлического стержня с лепестками, которые могут расходиться в стороны. Электрометр — это прибор, в котором вместо лепестков на металлическом стержне укреплена стрелочка, а на стекле имеются деления. При натирании стеклянной палочки о шелк палочка заряжается положительно. При соприкосновении заряженного тела (стеклянной палочки) со стержнем электрометра электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол. Поворот стрелки объясняется тем, что при соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стрелке и по стержню. Силы отталкивания, действующие между одноименными зарядами, отклоняют стрелку. Чем больше наэлектризован электрометр, тем на больший угол отклонится стрелка.

Рис. 2. Перенос заряда с заряженного тела на электрометр

Способы электризации могут быть различными: электризация трением (трибоэлектризация) или электризация влиянием (при отсутствии непосредственного контакта).

Электрические заряды, возникающие при трении, называют трибоэлектричеством (от греческого tribo — растираю).

Вещества можно расположить в трибоэлектрический ряд . В этом ряду предыдущее тело заряжается положительно, а последующее отрицательно, если эти два тела потереть друг о друга.

Рис. 3. Трибоэлектрический ряд

Модель 1. Электроскоп

Электризация тел возможна не только при трении, но и при облучении светом, нагревании, соприкосновении с заряженным телом.

§ 1.1. Заряженные тела. Электризация тел

В электродинамике, созданной Максвеллом, рассматриваются электромагнитные взаимодействия не отдельных заряженных элементарных частиц, а макроскопических тел.

Макроскопические тела, как правило, электрически нейтральны. Нейтрален атом любого вещества, так как число электронов в нем равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.

Тело больших размеров заряжено в том случае, когда оно содержит избыточное количество элементарных частиц с одним знаком заряда. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный заряд — их недостатком.

Электризация тел

Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело или, как говорят, наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного*.

Проще всего это сделать с помощью трения. Если провести расческой по волосам, то небольшая часть наиболее подвижных заряженных частиц — электронов — перейдет с волос на расческу и зарядит ее отрицательно, а волосы зарядятся положительно.

С помощью несложного опыта можно доказать, что при электризации трением оба тела приобретают противоположные по знаку, но одинаковые по модулю заряды.

Возьмем электрометр (электроскоп в металлическом корпусе) с укрепленной на его стержне металлической сферой с отверстием и две пластины на длинных рукоятках: одну из эбонита, а другую — из плексигласа. При трении друг о друга пластины электризуются. Внесем одну из пластин внутрь сферы, не касаясь ее стенок. Если пластина заряжена положительно, то часть электронов со стрелки и стержня электрометра притянется к пластине и соберется на внутренней поверхности сферы. Стрелка при этом зарядится положительно и оттолкнется от стержня (рис. 1.1).

Рис. 1.1 и 1.2

Если поместить внутрь сферы другую пластину, вынув предварительно первую, то электроны сферы и стержня будут отталкиваться от пластины и соберутся в избытке на стрелке. Это вызовет отклонение стрелки, причем на тот же угол, что и в первом опыте. Опустив обе пластины внутрь сферы, мы не обнаружим отклонения стрелки (рис. 1.2). Это доказывает, что заряды пластин равны по модулю и противоположны по знаку. Этот вывод непосредственно вытекает из закона сохранения заряда.

Как происходит электризация тел?

Наэлектризовать тела с помощью трения очень просто. А вот объяснить, как это происходит, оказалось очень непростой задачей. На протяжении многих десятков лет давалось, да и сейчас дается следующее объяснение. При электризации тел важен тесный контакт между ними. Электрические силы удерживают электроны внутри тела. Но для разных веществ эти силы различны. При тесном контакте небольшая часть электронов того вещества, у которого связь электронов с телом относительно слаба, переходит на другое тело. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний (10 -8 см). Но если тела разъединить, то оба они окажутся заряженными.

Так как поверхности тел никогда не бывают идеально гладкими, то необходимый для перехода тесный контакт между телами устанавливается только на небольших участках поверхностей. При трении тел друг о друга число участков с тесным контактом увеличивается, и тем самым увеличивается общее число заряженных частиц, переходящих от одного тела к другому.

Однако в последнее время это объяснение электризации трением стало вызывать возражения. Не ясно, как в таких не проводящих ток веществах (изоляторах), как эбонит, плексиглас и другие, могут перемещаться электроны. Они ведь связаны в нейтральных молекулах. Сотрудниками физико-технического института в Санкт-Петербурге было предложено другое объяснение.

Для ионного кристалла LiF (изолятора) это объяснение выглядит так. При образовании кристалла возникают различного рода дефекты, в частности вакансии — незаполненные места в узлах кристаллической решетки. Если число вакансий для положительных ионов лития и отрицательных — фтора неодинаково, то кристалл окажется при образовании заряженным по объему. Но заряд в целом не может сохраняться у кристалла долго. В воздухе всегда имеется некоторое количество ионов, и кристалл будет их вытягивать из воздуха до тех пор, пока заряд кристалла не нейтрализуется слоем ионов на его поверхности. У разных изоляторов объемные заряды различны, и поэтому различны заряды поверхностных слоев ионов. При трении поверхностные слои ионов перемешиваются, и при разъединении изоляторов каждый из них оказывается заряженным.

А могут ли электризоваться при трении два одинаковых изолятора, например те же кристаллы LiF? Если они имеют одинаковые собственные объемные заряды, то нет. Но они могут иметь и различные собственные заряды, если условия кристаллизации были разными и появилось разное число вакансий.

Как показал опыт, электризация при трении одинаковых кристаллов рубина, янтаря и др. действительно может происходить.

Однако приведенное объяснение вряд ли правильно во всех случаях. Если тела состоят, к примеру, из молекулярных кристаллов, то появление вакансий у них не должно приводить к заряжению тела.

Таким образом, мы видим, что такое простое, казалось бы, явление, как электризация трением, содержит немало загадочного.

Электризация тел и ее применение в технике

Значительная электризация происходит при трении синтетических тканей. Снимая нейлоновую рубашку в сухом воздухе, можно слышать характерное потрескивание. Между заряженными участками трущихся поверхностей проскакивают маленькие искорки. С подобным явлением приходится считаться на производстве. Так, нити пряжи на текстильных фабриках электризуются за счет трения, притягиваются к веретенам и рвутся. Пряжа притягивает пыль и загрязняется. Поэтому необходимо принимать различные меры против электризации нитей.

Разматывая в типографии большие рулоны бумаги, рабочие надевают резиновые перчатки, чтобы предохранить себя от электрических разрядов, возникающих между наэлектризованной бумагой и руками.

Большие электрические заряды накапливаются при трении шин об асфальт при сухой погоде. Возникает опасность проскакивания искры. Поэтому сзади машин — цистерн для горючего — прикрепляют металлические цепи, волочащиеся по дороге. Иногда даже легковые машины снабжены эластичной лентой из проводяш;ей резины.

За счет электризации трением работает обычная электростатическая машина.

Явление электризации тел при тесном контакте используется в современных электрокопировальных установках (типа «Эра», «Ксерокс» и др.).

Так, в одной из этих установок черный смоляной порошок перемешивается с мельчайшими стеклянными шариками. При этом шарики заряжаются положительно, а частицы порошка — отрицательно. Вследствие притяжения они покрывают поверхность шариков тонким слоем.

Копируемый текст или чертеж проецируется на тонкую селеновую пластину, поверхность которой заряжена положительно. Пластина покоится на отрицательно заряженной металлической поверхности. Под действием света пластина разряжается, и положительный заряд остается лишь на участках, соответствующих темным местам изображения. Затем пластина покрывается тонким слоем шариков. Благодаря притяжению разноименных зарядов смоляной порошок притягивается к положительно заряженным участкам пластины. После этого шарики стряхивают и, плотно прижав к пластине лист бумаги, получают на ней отпечаток. Отпечаток закрепляют с помош;ью нагревания.

Макроскопическое тело электрически заряжено в том случае, если оно содержит, избыточное количество элементарных частиц с одним знаком заряда. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный — недостатком электронов.

Вопросы для самопроверки

  1. Эбонитовая палочка при электризации зарядилась отрицательно. Осталась ли неизменной масса палочки?
  2. Известно, что стеклянная палочка, потертая о пхелк, заряжается положительно. Определите экспериментально знак заряда пластмассовой ручки, потертой о шерсть.

* Здесь и в дальнейшем для краткости мы часто будем говорить о зарядах, перемещении зарядов и т. д. В действительности же при этом имеются в виду заряженные тела (или частицы), перемещение заряженных частиц и т. д., так как заряда без частицы не существует.

Электризация без непосредственного контакта макроскопических тел

По современным представлениям атом состоит из массивного положительно заряженного ядра, состоящего из протонов и нейтронов, и движущихся вокруг ядра отрицательно заряженных электронов. В нормальном состоянии положительный заряд ядра (его носителями являются находящиеся в ядре протоны) равен по величине (т. е. по модулю) отрицательному заряду электронов, и атом в целом электрически нейтрален. Однако атом может терять или приобретать один или несколько электронов. Тогда его заряд будет положительным или отрицательным, и такой атом называется ионом.

В твёрдом теле ядра атомов могут колебаться, оставаясь вблизи фиксированных положений, в то время как часть электронов движется свободно. Электризацию трением можно объяснить тем, что в различных веществах ядра удерживают электроны с различной силой. Когда пластмассовая линейка, которую натирают бумажной салфеткой, приобретает отрицательный заряд, это означает, что электроны в бумажной салфетке удерживаются слабее, чем в пластмассе, и часть их переходит с салфетки на линейку. Положительный заряд салфетки равен по величине отрицательному заряду, приобретённому линейкой. Таким образом, при электризации тел заряды не создаются, а перераспределяются. Этим и объясняется явление электризации: электроны удаляются из тела или заимствуются у атомов другого тела, но не уничтожаются и не создаются вновь. Следует заметить, что при описанном способе электризации трение не играет принципиальной роли: сдавливая тела, мы просто сближаем их поверхности, которые без этого соприкасались бы в немногих точках вследствие неровностей и выступов.

Наэлектризовать тело можно и другими способами. Например, приведя незаряженное тело в соприкосновение с заряженным. Возможна электризация через влияние, т. е. без непосредственного контакта. Опыт показывает, что под действием заряженного тела на незаряженном может происходить перераспределение электронов или упорядочение молекул (или атомов), вследствие чего части незаряженного тела оказываются наэлектризованными. Это явление получило название электризации через влияние, или электростатической индукции, а заряды, возникающие вследствие перераспределения (упорядочения), индуцированными.

Электризация у некоторых веществ может происходить под действием электромагнитных волн: электроны покидают облучаемую поверхность, в результате тело заряжается положительно. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом, или кратко фотоэффектом.

В результате действия ультрафиолетового электромагнитного излучения на первоначально незаряженное тело его поверхность покинуло `N=4,0*10^(10)` электронов. Найдите заряд `Q` тела? Элементарный заряд `e=1,6*10^(-19)`Кл.

Положительный заряд тела будет обусловлен некомпенсированным электронами зарядом `Q=N*e=4,0*10^(10)*1,6*10^(-19)=6,4*10^(-9)`Кл.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 Исследование электризации различных тел. Два рода зарядов

Цель работы: исследовать электризацию тел при трении и при соприкосновении, а также научиться определять с помощью датчика электрического заряда (электрометра) числовое значение и знак заряда наэлектризованного тела.

Электризация тел происходит при их непосредственном контакте. Процесс сообщения телу электрического заряда называется электризацией. Явление электризации может возникать в результате различных процессов, происходящих при непосредственном контакте разнородных тел, например трения, скобления, раскалывания или надавливания. Химические реакции, процесс кристаллизации (отвердевания), в результате которых изменяется состав или структура вещества, также могут привести к появлению электрического заряда. Макроскопическое тело заряжено в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с одним знаком заряда. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный заряд — их недостатком.

Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело, или, как говорят, наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного. Проще всего это сделать с помощью трения. При трении можно обеспечить хороший контакт между поверхностями соприкасающихся тел. В результате часть электронов с одного тела переходит на другое. Например, если провести расчёской по волосам, то небольшая часть наиболее подвижных заряженных частиц — электронов — перейдёт с волос на расчёску и зарядит её отрицательно, а волосы зарядятся положительно.

При электризации трением оба тела приобретают равные по модулю, но противоположные по знаку заряды.

Опыты, позволяющие обнаружить притяжение или отталкивание заряженных тел, убеждают нас в том, что электрические заряды взаимодействуют на расстоянии. Изучением взаимодействия зарядов занимались английские физики Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл. Установлено, что всякое заряженное тело окружено электрическим полем. Электрическое поле — это особый вид материи, отличающийся от вещества. Наши органы чувств не воспринимают электрическое поле, обнаружить поле можно благодаря тому, что оно действует на всякий находящийся в нём заряд. Именно этим и объясняется взаимодействие наэлектризованных тел.

В этой работе вам предлагается определить знаки зарядов у нескольких пар различных тел, наэлектризованных при контакте друг с другом, а также исследовать электризацию двух одинаковых тел и определить заряд каждого из них.

Определение знака заряда тела будет проводиться с помощью датчика электрического заряда.

Оборудование и материалы

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *