Kehade elektrifitseerimine, laengute vastastikmõju

Selles artiklis püüame esitada üsna üldistatud ettekujutuse sellest, mis on kehade elektrifitseerimine, ja puudutame ka elektrilaengu jäävuse seadust.

Sõltumata sellest, kas see või teine ​​elektrienergia allikas töötab põhimõttel, toimub igaühes neist füüsiliste kehade elektrifitseerimine, see tähendab elektrienergia allikas olevate elektrilaengute eraldamine ja nende kontsentratsioon teatud kohtades, näiteks allika elektroodidele või klemmidele. Selle protsessi tulemusena saadakse elektrienergia allika ühes klemmis (katoodis) negatiivsete laengute (elektronide) liig ja teises klemmis (anoodis) elektronide puudus, s.o. esimene neist on laetud negatiivse ja teine ​​positiivse elektriga.

Pärast elektroni, minimaalse laenguga elementaarosakese avastamist, pärast aatomi ehituse lõplikku selgitamist muutusid seletatavaks ka enamik elektriga seotud füüsikalisi nähtusi.

Kehasid moodustav aine on üldiselt elektriliselt neutraalne, kuna keha moodustavad molekulid ja aatomid on tavatingimustes neutraalsed ja seetõttu puudub kehadel laeng. Aga kui selline neutraalne keha hõõrub vastu teist keha, siis osa elektrone lahkub oma aatomitest ja läheb ühest kehast teise. Nende elektronide poolt sellise liikumise ajal läbitavate teekondade pikkus ei ületa naaberaatomite vahemaad.

Kui aga pärast hõõrdumist kehad eralduvad, eemalduvad, siis laetakse mõlemad kehad. Keha, kuhu elektronid on edasi liikunud, laetakse negatiivselt ja see, kes need elektronid loovutas, omandab positiivse laengu, saab positiivse laengu. See on elektrifitseerimine.

Oletame, et mõnes füüsilises kehas, näiteks klaasis, oli võimalik eemaldada mõned nende elektronid märkimisväärsest hulgast aatomitest. See tähendab, et klaas, mis on kaotanud osa elektronidest, laetakse positiivse elektriga, kuna selles on positiivsed laengud saanud eelise negatiivsete ees.

Klaasist eemaldatud elektronid ei saa kaduda ja need tuleb kuhugi panna. Oletame, et pärast seda, kui elektronid on klaasilt eemaldatud, asetatakse need metallkuulile. Siis on ilmne, et täiendavaid elektrone vastuvõttev metallkuul on laetud negatiivse elektriga, kuna selles eelistatakse negatiivseid laenguid positiivsete ees.

Elektrifitseerida füüsiline keha — tähendab tekitada selles elektronide liig või puudus, s.t. häirida selles kahe vastandi, nimelt positiivsete ja negatiivsete laengute tasakaalu.

Kahe füüsilise keha elektrifitseerimine samaaegselt ja koos erinevate elektrilaengutega — tähendab elektronide eemaldamist ühest kehast ja ülekandmist teise kehasse.

Kui kuskil looduses on tekkinud positiivne elektrilaeng, siis paratamatult peab sellega samaaegselt tekkima ka sama absoluutväärtusega negatiivne laeng, kuna igasugune elektronide liig mis tahes füüsilises kehas tekib nende puudumise tõttu mõnes teises füüsilises kehas.

Erinevad elektrilaengud esinevad elektrinähtustes alati kaasnevate vastanditena, mille ühtsus ja vastastikmõju moodustavad ainetes esinevate elektrinähtuste sisemise sisu.

Neutraalsed kehad elektristuvad, kui nad annavad või võtavad vastu elektrone, mõlemal juhul omandavad nad elektrilaengu ja lakkavad olemast neutraalsed. Siin ei teki elektrilaengud tühjast kohast, laengud ainult eraldatakse, kuna elektronid olid juba kehades ja lihtsalt vahetasid asukohta, elektronid liiguvad ühelt elektrifitseeritud kehalt teisele elektrifitseeritud kehale.

Kehade hõõrdumisel tekkiva elektrilaengu märk sõltub nende kehade olemusest, nende pindade seisukorrast ja mitmetest muudest põhjustest. Seetõttu pole välistatud ka võimalus, et sama füüsiline keha on ühel juhul laetud positiivse ja teisel juhul negatiivse elektriga, näiteks metallid vastu klaasi ja villa hõõrudes elektristuvad negatiivselt ning vastu hõõrudes. kumm - positiivselt.

Asjakohane küsimus oleks: miks elektrilaeng ei voola läbi dielektrikute, vaid läbi metallide? Asi on selles, et dielektrikutes on kõik elektronid seotud oma aatomite tuumadega, neil lihtsalt ei ole võimalust kogu kehas vabalt liikuda.

Kuid metallide puhul on olukord erinev. Metalli aatomite elektronsidemed on palju nõrgemad kui dielektrikutes ja mõned elektronid lahkuvad kergesti oma aatomitest ja liiguvad vabalt kogu kehas, need on nn vabad elektronid, mis tagavad juhtmetes laengu ülekande.

Laengute eraldumine toimub nii metallkehade kui ka dielektrikute hõõrdumise ajal. Kuid demonstratsioonides kasutatakse dielektrikuid: eboniiti, merevaigu, klaasi. Seda kasutatakse sel lihtsal põhjusel, et kuna laengud ei liigu dielektrikutes läbi ruumala, jäävad need kehade pindadele, kust nad tekkisid, samadesse kohtadesse.

Ja kui hõõrdumise tõttu, näiteks karusnaha puhul, elektriseerub metallitükk, siis voolab laeng, millel on aega vaid oma pinnale liikuda, koheselt katsetaja kehale ja demonstratsioon näiteks dielektrikud, ei tööta. Aga kui mõni metallitükk katse läbiviija käte vahelt isoleerida, jääb see metalli peale.

Kui kehade laeng vabaneb ainult elektriseerumise käigus, siis kuidas käitub nende kogulaeng? Lihtsad katsed annavad sellele küsimusele vastuse. Võttes elektromeetri, mille varda külge on kinnitatud metallketas, asetage ketta peale selle ketta suurune tükk villast riiet. Koeketta peale asetatakse teine ​​juhtiv ketas, sama mis elektromeetri vardal, kuid varustatud dielektrilise käepidemega.

Käepidemest kinni hoides liigutab katse läbiviija ülemist ketast mitu korda, hõõrub seda elektromeetri varda kettal asuva koeketta vastu, seejärel liigutab selle elektromeetrist eemale. Elektromeetri nõel kaldub ketta eemaldamisel kõrvale ja jääb sellesse asendisse. See näitab, et villasele kangale ja elektromeetri varda külge kinnitatud kettale on tekkinud elektrilaeng.

Käepidemega ketas viiakse seejärel kontakti teise elektromeetriga, kuid ilma selle külge kinnitatud kettata, ja selle nõel on peaaegu sama nurga all kui esimese elektromeetri nõel.

Katse näitab, et mõlemad kettad said elektrifitseerimise ajal sama mooduli laenguid. Kuid millised on nende süüdistuste märgid? Sellele küsimusele vastamiseks ühendatakse elektromeetrid juhtmega. Elektromeetri nõelad naasevad kohe nullasendisse, milles nad olid enne katse algust. Laeng neutraliseeriti, mis tähendab, et ketaste laengud olid suuruselt võrdsed, kuid märgilt vastupidised ja andsid üldiselt nulli, nagu enne katse algust.

Sarnased katsed näitavad, et elektrifitseerimisel säilib kehade kogulaeng ehk kui enne elektrifitseerimist oli kogusumma null, siis pärast elektrifitseerimist on kogusumma null... Aga miks see nii juhtub? Kui hõõruda eebenipuust pulka riidele, saab see negatiivselt ja riie positiivselt ning see on üldtuntud fakt. Eboniidile tekib villale hõõrumisel elektronide liig ja riidele vastav puudujääk.

Laengud on mooduli poolest võrdsed, sest kui palju elektrone on riidest eboniidile läinud, siis eboniit on saanud sellise negatiivse laengu ja sama palju positiivset laengut on tekkinud lõuendile, kuna eboniidist lahkunud elektronid riie on riide positiivne laeng. Ja elektronide liig eboniidil on täpselt võrdne elektronide puudumisega riidel. Laengud on märgilt vastupidised, kuid suuruselt võrdsed. Ilmselgelt säilib elektrifitseerimise ajal täislaeng; see on kokku nulliga.

Veelgi enam, isegi kui mõlema keha laengud olid enne elektrifitseerimist nullist erinevad, on kogulaeng endiselt sama, mis enne elektrifitseerimist. Olles tähistanud kehade laenguid enne nende vastasmõju kui q1 ja q2 ning laenguid pärast vastasmõju kui q1' ja q2', siis on tõene järgmine võrdsus:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

See tähendab, et kehade mis tahes interaktsiooni korral säilib kogulaeng alati. See on üks põhilisi loodusseadusi, elektrilaengu jäävuse seadus. Benjamin Franklin avastas selle 1750. aastal ja võttis kasutusele mõisted "positiivne laeng" ja "negatiivne laeng". Franklin ja tegi ettepaneku tähistada vastandlikud laengud «-» ja «+» märkidega.

Elektroonikas Kirchhoffi reeglid sest voolud tulenevad otseselt elektrilaengu jäävuse seadusest. Juhtmete ja elektroonikakomponentide kombinatsioon on kujutatud avatud süsteemina. Tasude sissevool antud süsteemi on võrdne kogu tasude väljavooluga sellest süsteemist. Kirchhoffi reeglid eeldavad, et elektrooniline süsteem ei saa oma kogutasu oluliselt muuta.

Ausalt öeldes märgime, et elektrilaengu jäävuse seaduse parim eksperimentaalne test on selliste elementaarosakeste lagunemiste otsimine, mis oleks lubatud laengu mitterange jäävuse korral. Selliseid lagunemisi pole praktikas kunagi täheldatud.

Muud viisid füüsiliste kehade elektrifitseerimiseks:

1. Kui tsinkplaat on kastetud väävelhappe H2SO4 lahusesse, lahustub see selles osaliselt. Mõned tsingiplaadil olevad aatomid, jättes kaks elektroni tsingiplaadile, lahustuvad hapete seeriaga kahekordselt laetud positiivsete tsingiioonide kujul. Selle tulemusena laetakse tsinkplaat negatiivse elektriga (elektronide ülejääk) ja väävelhappe lahus positiivsega (positiivsete tsingiioonide ülejääk). Seda omadust kasutatakse tsingi elektrifitseerimiseks väävelhappe lahuses galvaanilises elemendis kui elektrienergia ilmumise peamine protsess.

2. Kui valguskiired langevad metallide nagu tsink, tseesium ja mõned teised pinnale, siis vabanevad nendelt pindadelt keskkonda vabad elektronid. Selle tulemusena laetakse metall positiivse elektriga ja seda ümbritsev ruum negatiivse elektriga. Teatud metallide valgustatud pindadelt elektronide emissiooni nimetatakse fotoelektriliseks efektiks, mis on leidnud rakendust fotogalvaanilistes elementides.

3. Kui metallkeha kuumutada valge kuumuse olekusse, siis vabad elektronid lendavad selle pinnalt ümbritsevasse ruumi.Selle tulemusena laetakse elektrone kaotanud metall positiivse elektriga, ümbrus aga negatiivse elektriga.

4. Kui jootate kahe erineva juhtme, näiteks vismuti ja vase, otsad ja soojendate nende ristmikku, siis liiguvad vabad elektronid osaliselt vasktraadilt vismuti. Selle tulemusena laetakse vasktraat positiivse elektriga, vismuttraat aga negatiivse elektriga. Kahe füüsilise keha elektrifitseerimise nähtus, kui need neelavad soojusenergiat kasutatakse termopaarides.

Elektrifitseeritud kehade vastasmõjuga seotud nähtusi nimetatakse elektrinähtusteks.

Elektrifitseeritud kehade vastastikmõju määrab nn Elektrilised jõud, mis erinevad teist laadi jõududest selle poolest, et panevad laetud kehad üksteist tõrjuma ja ligi tõmbama, olenemata nende liikumiskiirusest.

Nii erineb laetud kehade omavaheline interaktsioon näiteks gravitatsioonilisest, mida iseloomustab ainult kehade külgetõmbejõud, või magnetilise päritoluga jõududest, mis sõltuvad laengute suhtelisest liikumiskiirusest, põhjustades magnetilist. nähtusi.

Elektrotehnika uurib peamiselt elektrifitseeritud kehade omaduste välise avaldumise seadusi — elektromagnetväljade seadusi.

Loodame, et see lühike artikkel on andnud teile üldise ettekujutuse sellest, mis on kehade elektrifitseerimine, ja nüüd teate, kuidas lihtsa katse abil katseliselt kontrollida elektrilaengu jäävuse seadust.