Już w starożytności wiedziano, że bursztyn pocierany wełną zaczyna przyciągać do siebie lekkie przedmioty. Później tę samą właściwość odkryto w innych substancjach (szkło, ebonit itp.). Zjawisko to nazywa się elektryfikacja, a ciała zdolne do przyciągania do siebie innych obiektów po pocieraniu są naelektryzowane. Zjawisko elektryfikacji wyjaśniono w oparciu o hipotezę o istnieniu ładunków, jakie uzyskuje naelektryzowane ciało.

Proste eksperymenty dotyczące elektryfikacji różnych ciał ilustrują następujące punkty.

  • Istnieją dwa rodzaje ładunków: dodatnie (+) i ujemne (-). Ładunek dodatni powstaje, gdy szkło pociera się o skórę lub jedwab, a ładunek ujemny powstaje, gdy bursztyn (lub ebonit) ociera się o wełnę.
  • Ładunki (lub naładowane ciała) oddziałują ze sobą. Podobnie jak ładunki odpychają się, w przeciwieństwie do ładunków $-$ przyciągają.

Stan naelektryzowania może zostać przeniesiony z jednego ciała na drugie, co wiąże się z przeniesieniem ładunek elektryczny. W takim przypadku na ciało można przenieść większy lub mniejszy ładunek, tj. ładunek ma wielkość. Po zelektryzowaniu przez tarcie oba ciała uzyskują ładunek, jedno dodatnie $-$, a drugie $-$ negatywny. Należy to podkreślić Wartości bezwzględneładunki ciał naelektryzowanych przez tarcie są równe, co potwierdzają liczne eksperymenty.

Po odkryciu elektronu i zbadaniu struktury atomu możliwe stało się wyjaśnienie, dlaczego ciała ulegają elektryzowaniu (tj. ładowaniu) podczas tarcia. Jak wiadomo, wszystkie substancje składają się z atomów, które z kolei składają się z cząstki elementarne$-$ ujemnie naładowane elektrony, dodatnio naładowane protony i cząstki neutralne $-$ neutrony. Elektrony i protony są nośnikami elementarnych (minimalnych) ładunków elektrycznych. Protony i neutrony (nukleony) tworzą dodatnio naładowane jądro atomu, wokół którego krążą ujemnie naładowane elektrony, których liczba jest równa liczbie protonów, tak że atom jako całość jest elektrycznie obojętny. W normalnych warunkach ciała składające się z atomów (lub cząsteczek) są elektrycznie obojętne. Jednak podczas procesu tarcia część elektronów, które opuściły swoje atomy, może przemieszczać się z jednego ciała do drugiego. Ruch elektronów w tym przypadku nie przekracza odległości międzyatomowych. Ale jeśli po tarciu ciała zostaną rozdzielone, wówczas okażą się naładowane: ciało, które oddało część swoich elektronów, zostanie naładowane dodatnio, a ciało, które je nabyło $-$, będzie naładowane ujemnie.

Zatem ciała ulegają elektryzowaniu, to znaczy otrzymują ładunek elektryczny, gdy tracą lub zyskują elektrony. W niektórych przypadkach elektryfikacja jest spowodowana ruchem jonów. W takim przypadku nie powstają żadne nowe ładunki elektryczne. Istnieje jedynie podział istniejących ładunków pomiędzy ciałami elektryzującymi: część ładunków ujemnych przechodzi z jednego ciała do drugiego.

Podczas tej lekcji będziemy nadal zapoznawać się z „filarami”, na których stoi elektrodynamika - ładunkami elektrycznymi. Przeanalizujemy proces elektryfikacji, zastanowimy się, na jakiej zasadzie opiera się ten proces. Porozmawiajmy o dwóch rodzajach ładunków i sformułujmy prawo zachowania tych ładunków.

Na ostatniej lekcji wspominaliśmy już o wczesnych eksperymentach z elektrostatyką. Wszystkie polegały na pocieraniu jednej substancji o drugą i dalszej interakcji tych ciał z drobnymi przedmiotami (cząstkami kurzu, skrawkami papieru...). Wszystkie te eksperymenty opierają się na procesie elektryfikacji.

Definicja.Elektryfikacja– separacja ładunków elektrycznych. Oznacza to, że elektrony z jednego ciała przemieszczają się do drugiego (ryc. 1).

Ryż. 1. Separacja ładunków elektrycznych

Do czasu odkrycia teorii dwóch zasadniczo różnych ładunków i elementarnego ładunku elektronu uważano, że ładunek jest jakąś niewidzialną ultralekką cieczą, a jeśli znajduje się na ciele, to ciało ma ładunek i nawzajem.

Pierwsze poważne eksperymenty z elektryzacją różnych ciał, jak już wspomniano w poprzedniej lekcji, przeprowadził angielski uczony i lekarz William Gilbert (1544-1603), nie udało mu się jednak naelektryzować ciał metalowych i uważał, że elektryfikacja metali była niemożliwa. Okazało się to jednak nieprawdą, co później udowodnił rosyjski naukowiec Pietrow. Jednak następny jest bardziej ważny krok w badaniu elektrodynamiki (mianowicie odkrycia odmiennych ładunków) dokonał francuski naukowiec Charles Dufay (1698-1739). W wyniku swoich eksperymentów stwierdził obecność, jak je nazwał, ładunków szklanych (tarcie szkła o jedwab) i żywicznych (bursztyn o futro).

Po pewnym czasie sformułowano następujące prawa (ryc. 2):

1) podobne ładunki odpychają się;

2) różne ładunki przyciągają się.

Ryż. 2. Interakcja ładunków

Oznaczenia ładunków dodatnich (+) i ujemnych (–) wprowadził amerykański naukowiec Benjamin Franklin (1706-1790).

Zgodnie z umową, ładunek powstający na szklanym pręcie po pocieraniu go papierem lub jedwabiem (ryc. 3) nazywa się dodatnim, a ładunek ujemny na pręcie ebonitowym lub bursztynowym w przypadku pocierania go futrem (ryc. 4).

Ryż. 3. Ładunek dodatni

Ryż. 4. Ładunek ujemny

Odkrycie elektronu przez Thomsona w końcu wyjaśniło naukowcom, że podczas elektryfikacji do ciała nie jest przekazywany żaden płyn elektryczny i żaden ładunek nie jest przykładany z zewnątrz. Następuje redystrybucja elektronów jako najmniejszych nośników ładunku ujemnego. W regionie, do którego docierają, ich liczba staje się większa niż liczba dodatnich protonów. W ten sposób pojawia się nieskompensowany ładunek ujemny. I odwrotnie, w obszarze, z którego wychodzą, pojawia się brak ładunków ujemnych niezbędnych do kompensacji ładunków dodatnich. W ten sposób obszar zostaje naładowany dodatnio.

Stwierdzono nie tylko obecność dwóch różne rodzajeładunki, ale także dwie różne zasady ich oddziaływania: wzajemne odpychanie się dwóch ciał naładowanych jednakowymi ładunkami (tego samego znaku) i odpowiednio przyciąganie ciał naładowanych przeciwnie.

Elektryfikację można przeprowadzić na kilka sposobów:

  • tarcie;
  • dotykiem;
  • cios;
  • przewodnictwo (poprzez wpływ);
  • naświetlanie;
  • interakcja chemiczna.

Elektryfikacja przez tarcie i elektryfikacja przez kontakt

Kiedy szklany pręt pociera się o papier, otrzymuje on ładunek dodatni. Patyk w kontakcie z metalowym stojakiem przenosi ładunek dodatni na papierową chmurę, a jej płatki odpychają się (ryc. 5). Doświadczenie to sugeruje, że jednakowe ładunki odpychają się.

Ryż. 5. Elektryzujący dotyk

W wyniku tarcia o futro ebonit zyskuje ładunek ujemny. Przykładając ten patyk do papierowego pióropusza, widzimy, jak przyciągają do niego płatki (patrz ryc. 6).

Ryż. 6. Przyciąganie różnych ładunków

Elektryfikacja poprzez wpływ (wskazówki)

Połóżmy linijkę na stojaku z pióropuszem. Po naelektryzowaniu szklanego pręta zbliż go do linijki. Tarcie pomiędzy linijką a stojakiem będzie niewielkie, dzięki czemu będzie można obserwować oddziaływanie ciała naładowanego (kij) i ciała pozbawionego ładunku (linijka).

W trakcie każdego doświadczenia ładunki oddzielały się, nie powstawały nowe ładunki (rys. 7).

Ryż. 7. Redystrybucja opłat

Jeśli więc przekazaliśmy ciału ładunek elektryczny za pomocą którejkolwiek z powyższych metod, oczywiście musimy w jakiś sposób oszacować wielkość tego ładunku. W tym celu stosuje się urządzenie elektrometryczne wynalezione przez rosyjskiego naukowca M.V. Łomonosow (ryc. 8).

Ryż. 8. M.V. Łomonosow (1711-1765)

Elektrometr (ryc. 9) składa się z okrągłej puszki, metalowego pręta i lekkiego pręta, które mogą obracać się wokół osi poziomej.

Ryż. 9. Elektrometr

Przekazując ładunek do elektrometru, w każdym przypadku (zarówno dla ładunków dodatnich, jak i ujemnych) ładujemy zarówno pręt, jak i strzałę tymi samymi ładunkami, w wyniku czego strzałka odchyla się. Do oszacowania ładunku wykorzystuje się kąt odchylenia (rys. 10).

Ryż. 10. Elektrometr. Kąt odchylenia

Jeśli weźmiesz naelektryzowany szklany pręt i dotkniesz nim elektrometru, igła odchyli się. Oznacza to, że do elektrometru przekazano ładunek elektryczny. Podczas tego samego eksperymentu z laską ebonitową ładunek ten ulega kompensacji (ryc. 11).

Ryż. 11. Kompensacja ładunku elektrometru

Ponieważ wskazano już, że nie następuje tworzenie ładunku, a jedynie redystrybucja, sensowne jest sformułowanie prawa zachowania ładunku:

W układzie zamkniętym suma algebraiczna ładunków elektrycznych pozostaje stała(ryc. 12). Układ zamknięty to układ ciał, z którego nie wypływają ładunki i do którego nie wchodzą naładowane ciała lub naładowane cząstki.

Ryż. 13. Prawo zachowania ładunku

Prawo to przypomina prawo zachowania masy, ponieważ ładunki istnieją tylko razem z cząstkami. Bardzo często opłaty nazywane są przez analogię ilość prądu.

Prawo zachowania ładunków nie zostało do końca wyjaśnione, gdyż ładunki pojawiają się i znikają tylko parami. Innymi słowy, jeśli rodzą się ładunki, to jednocześnie tylko dodatnie i ujemne i równe pod względem wielkości.

W następnej lekcji przyjrzymy się bliżej ilościowym ocenom elektrodynamiki.

Bibliografia

  1. Tikhomirova SA, Yavorsky B.M. Fizyka (poziom podstawowy) - M.: Mnemosyne, 2012.
  2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizyka, klasa 10. - M.: Ilexa, 2005.
  3. Kasjanow V.A. Fizyka, klasa 10. - M.: Drop, 2010.
  1. Portal internetowy „youtube.com” ()
  2. Portal internetowy „abcport.ru” ()
  3. Portal internetowy „planeta.edu.tomsk.ru” ()

Praca domowa

  1. Strona 356: nr 1-5. Kasjanow V.A. Fizyka, klasa 10. - M.: Drop. 2010.
  2. Dlaczego igła elektroskopu ugina się pod wpływem naładowanego ciała?
  3. Jedna kulka jest naładowana dodatnio, druga ujemnie. Jak zmieni się masa kulek po ich zetknięciu?
  4. * Przyłóż naładowany metalowy pręt do kuli naładowanego elektroskopu, nie dotykając jej. Jak zmieni się wychylenie igły?
Interaktywna prezentacja materiałów na ten temat ”Wyjaśnienie elektryfikacji. Prawo zachowania ładunku ";
Pole elektryczne
Zjawiska elektryczne w przyrodzie i technice
Obejrzyj prezentację dźwiękową.

Ciała zostać zelektryfikowanym, tj. otrzymać ładunek elektryczny kiedy zyskują lub tracą elektrony. W takim przypadku nie powstają żadne nowe ładunki elektryczne. Istnieje jedynie podział istniejących ładunków pomiędzy ciałami elektryzującymi: część ładunków ujemnych przechodzi z jednego ciała do drugiego.

Metody elektryfikacji:

1) elektryfikacja tarcie: zaangażowane są ciała heterogeniczne. Ciała uzyskują ładunki o tej samej wartości, ale różnym znaku.

2) elektryfikacja poprzez kontakt: Kiedy ciała naładowane i nienaładowane zetkną się, część ładunku zostaje przekazana ciału nienaładowanemu, co oznacza, że ​​oba ciała uzyskują ładunek o tym samym znaku.

3) elektryfikacja poprzez wpływ: dzięki elektryzacji poprzez wpływ ładunek ujemny można uzyskać za pomocą ładunku dodatniego na ciele i odwrotnie.

Ciała składające się z cząstek obojętnych (atomów i cząsteczek) w normalnych warunkach nie mają ładunku. Jednak w proces tarcia Niektóre elektrony, które opuściły swoje atomy, mogą przemieszczać się z jednego ciała do drugiego. Ruchy elektronów nie przekraczają odległości międzyatomowych. Ale jeśli ciała zostaną rozdzielone po tarciu, wówczas okażą się naładowane: ciało, które oddało część swoich elektronów, będzie naładowane dodatnio, a ciało, które je otrzymało, będzie naładowane ujemnie.
Elektryfikacja poprzez tarcie tłumaczy się przeniesieniem niektórych elektronów z jednego ciała na drugie, w wyniku czego ciała są inaczej naładowane. Ciała naelektryzowane przez tarcie o siebie są przyciągane. Elektryfikacja przez indukcję tłumaczy się redystrybucją gazu elektronowego pomiędzy ciałami (lub częściami ciała), w wyniku czego ciała (lub części ciała) są ładowane w różny sposób. Powstaje jednak pytanie: czy wszystkie ciała nadają się do elektryfikacji poprzez indukcję? Można przeprowadzać eksperymenty i sprawdzać, czy plastikowe, drewniane czy gumowe kulki dają się łatwo naelektryzować na skutek tarcia, a nie indukcji.

Znajomość elektronu i budowy atomu pozwala wyjaśnić zjawisko przyciągania ciał niezelektryfikowanych do naelektryzowanych. Dlaczego na przykład łuska naboju, której wcześniej nie naelektryzowaliśmy, przyciąga naładowany kij? Przecież wiemy, że pole elektryczne działa tylko na ciała naładowane.


Faktem jest, że w rękawie znajdują się wolne elektrony. Gdy tylko tuleja znajdzie się w polu elektrycznym, elektrony zaczną się poruszać pod wpływem sił pola. Jeśli pręt zostanie naładowany dodatnio, wówczas elektrony trafią na koniec tulei, który znajduje się bliżej pręta. Ten koniec zostanie naładowany ujemnie. Na przeciwległym końcu tulei zabraknie elektronów i ten koniec będzie naładowany dodatnio (ryc. a). Ujemnie naładowana krawędź rękawa znajduje się bliżej patyka, więc rękaw będzie do niej przyciągany (ryc. b). Kiedy tuleja dotknie pręta, część elektronów z niej zostanie przeniesiona na dodatnio naładowany pręt. Na rękawie pozostanie nieskompensowany ładunek dodatni (ryc. c).

Jeśli ładunek zostanie przeniesiony z naładowanej kuli na nienaładowaną, a rozmiary kulek będą takie same, wówczas ładunek zostanie podzielony na pół. Jeśli jednak druga, nienaładowana kula będzie większa od pierwszej, to przeniesie się na nią ponad połowa ładunku.Im większe jest ciało, na które ładunek zostanie przeniesiony, tym większa część ładunku zostanie na nie przeniesiona. Na tym właśnie polega uziemienie - przeniesieniu ładunku do ziemi. Kula jest duża w porównaniu do znajdujących się na niej ciał. Dlatego też, gdy naładowane ciało styka się z ziemią, oddaje prawie cały swój ładunek i praktycznie staje się elektrycznie obojętne.