Elektrifikacija teles, interakcija nabojev

V tem članku bomo poskušali predstaviti dokaj posplošeno predstavo o tem, kaj je elektrifikacija teles, dotaknili pa se bomo tudi zakona o ohranitvi električnega naboja.

Ne glede na to, ali ta ali oni vir električne energije deluje po načelu, pri vsakem od njih pride do elektrifikacije fizičnih teles, to je ločevanja električnih nabojev, ki so prisotni v viru električne energije, in njihove koncentracije na določenih mestih, npr. na elektrodah ali sponkah vira. Posledica tega procesa je presežek negativnih nabojev (elektronov) na enem priključku vira električne energije (katodi), na drugem priključku (anodi) pa pomanjkanje elektronov, tj. prvi od njih je nabit z negativno elektriko, drugi pa s pozitivno elektriko.

Po odkritju elektrona, osnovnega delca z minimalnim nabojem, potem ko je bila dokončno pojasnjena zgradba atoma, je postala razložljivih tudi večina fizikalnih pojavov, povezanih z elektriko.

Materialna snov, ki sestavlja telesa, je na splošno električno nevtralna, saj so molekule in atomi, ki sestavljajo telo, v normalnih pogojih nevtralni in telesa posledično nimajo naboja. Toda če se tako nevtralno telo drgne ob drugo telo, bo nekaj elektronov zapustilo svoje atome in prešlo iz enega telesa v drugo. Dolžina poti, ki jo prepotujejo ti elektroni med takim gibanjem, ni večja od razdalje med sosednjimi atomi.

Če pa se telesi po trenju ločita, razmakneta, potem bosta obe telesi naelektreni. Telo, na katerega so prešli elektroni, bo postalo negativno nabito, tisto, ki je te elektrone dalo, pa bo pridobilo pozitiven naboj, bo postalo pozitivno nabito. To je elektrifikacija.

Recimo, da je bilo v nekem fizičnem telesu, na primer v steklu, mogoče odstraniti nekaj njihovih elektronov iz velikega števila atomov. To pomeni, da bo steklo, ki je izgubilo del svojih elektronov, naelektreno s pozitivno elektriko, saj so v njem pozitivni naboji dobili prednost pred negativnimi.

Elektroni, odvzeti iz stekla, ne morejo izginiti in jih je treba nekam dati. Predpostavimo, da so elektroni po odstranitvi iz stekla postavljeni na kovinsko kroglo. Potem je očitno, da je kovinska krogla, ki prejme dodatne elektrone, nabita z negativno elektriko, saj imajo v njej negativni naboji prednost pred pozitivnimi.

Naelektriti fizično telo - pomeni ustvariti v njem presežek ali pomanjkanje elektronov, tj. porušijo ravnovesje dveh nasprotij v njem, namreč pozitivnega in negativnega naboja.

Naelektriti dve fizični telesi hkrati in skupaj z različnimi električnimi naboji - pomeni odvzeti elektrone enemu telesu in jih prenesti na drugo telo.

Če je nekje v naravi nastal pozitiven električni naboj, mora hkrati z njim neizogibno nastati tudi negativni naboj enake absolutne vrednosti, saj vsak presežek elektronov v katerem koli fizičnem telesu nastane zaradi njihovega pomanjkanja v kakšnem drugem fizičnem telesu.

Različni električni naboji se v električnih pojavih pojavljajo kot vedno spremljajoča nasprotja, katerih enotnost in interakcija tvorita notranjo vsebino električnih pojavov v snoveh.

Nevtralna telesa postanejo naelektrena, ko oddajajo ali sprejemajo elektrone, v obeh primerih pridobijo električni naboj in prenehajo biti nevtralna. Pri tem električni naboji ne nastanejo od nikoder, naboji se le ločijo, saj so bili elektroni že v telesih in so preprosto spremenili svoje mesto, elektroni se premikajo iz enega naelektrenega telesa v drugo naelektreno telo.

Predznak električnega naboja, ki nastane zaradi trenja teles, je odvisen od narave teh teles, od stanja njihovih površin in številnih drugih razlogov. Zato ni izključena možnost, da je isto fizično telo v enem primeru naelektreno s pozitivno, v drugem pa z negativno elektriko, na primer kovine ob drgnjenju ob steklo in volno postanejo negativno naelektrene, ob drgnjenje pa guma — pozitivno.

Primerno bi bilo vprašanje: zakaj električni naboj ne teče skozi dielektrike, temveč skozi kovine? Bistvo je, da so v dielektrikih vsi elektroni vezani na jedra svojih atomov, le nimajo možnosti prostega gibanja po telesu.

Toda pri kovinah je situacija drugačna. Elektronske vezi v kovinskih atomih so veliko šibkejše kot v dielektrikih in nekateri elektroni zlahka zapustijo svoje atome in se prosto gibljejo po telesu, to so tako imenovani prosti elektroni, ki zagotavljajo prenos naboja v žicah.

Do ločevanja nabojev pride tako med trenjem kovinskih teles kot med trenjem dielektrikov. Toda v demonstracijah se uporabljajo dielektriki: ebonit, jantar, steklo. K temu se zatečejo iz preprostega razloga, ker se naboji v dielektrikih ne premikajo skozi prostornino, ostanejo na istih mestih na površinah teles, iz katerih so nastali.

In če se zaradi trenja, recimo za krzno, kos kovine naelektri, potem bo naboj, ki ima le čas, da se premakne na njegovo površino, takoj odtekel na telo eksperimentatorja in demonstracija, na primer z dielektriki, ne bo delovalo. Toda če je kos kovine izoliran iz rok eksperimentatorja, bo ostal na kovini.

Če se naboj teles sprosti šele v procesu elektrifikacije, kako se potem obnaša njihov skupni naboj? Preprosti poskusi dajejo odgovor na to vprašanje. Vzemite elektrometer s kovinskim diskom, pritrjenim na njegovo palico, in na disk položite kos volnene tkanine v velikosti tega diska. Na vrhu tkivne plošče je nameščena druga prevodna plošča, enaka kot na palici elektrometra, vendar opremljena z dielektričnim ročajem.

Eksperimentator z držanjem za ročaj večkrat premakne zgornji disk, ga podrgne ob omenjeni tkivni disk, ki leži na kolutu palice elektrometra, nato ga odmakne od elektrometra. Igla elektrometra se ob odstranitvi diska odkloni in ostane v tem položaju. To pomeni, da se je na volneni tkanini in na disku, pritrjenem na palico elektrometra, razvil električni naboj.

Disk z ročajem se nato pripelje v stik z drugim elektrometrom, vendar brez diska, pritrjenega nanj, in opazimo, da je njegova igla odklonjena za skoraj enak kot kot igla prvega elektrometra.

Poskus je pokazal, da sta oba diska med elektrifikacijo prejela naboje istega modula. Kakšni pa so znaki teh obtožb? Za odgovor na to vprašanje so elektrometri povezani z žico. Igle elektrometra se bodo takoj vrnile v ničelni položaj, v katerem so bile pred začetkom poskusa. Naboj je bil nevtraliziran, kar pomeni, da sta bila naboja na diskih enaka po velikosti, vendar nasprotna po predznaku, na splošno pa je dala nič, kot pred začetkom poskusa.

Podobni poskusi kažejo, da se pri elektrifikaciji skupni naboj teles ohranja, se pravi, če je bila skupna količina pred elektrifikacijo enaka nič, potem bo skupna količina enaka nič po elektrifikaciji... Toda zakaj se to zgodi? Če z ebenovino palico podrgnete po tkanini, bo ta postala negativno naelektrena, tkanina pa pozitivno, in to je splošno znano dejstvo. Pri drgnjenju po volni nastane presežek elektronov na ebonitu, na blagu pa ustrezen primanjkljaj.

Naboja bosta enaka po modulu, kajti koliko elektronov je prešlo iz tkanine v ebonit, toliko negativnega naboja je ebonit prejel, toliko pozitivnega naboja pa je nastalo na platnu, ker elektroni, ki so zapustili krpo so pozitivni naboj na tkanini. In presežek elektronov na ebonitu je popolnoma enak pomanjkanju elektronov na blagu. Naboja sta nasprotnega predznaka, a enaka po velikosti. Očitno se med elektrifikacijo ohrani polna napolnjenost; skupno je enako nič.

Še več, tudi če sta bila naboja na obeh telesih pred elektrifikacijo različna od nič, je skupni naboj še vedno enak kot pred elektrifikacijo. Če naboje teles pred interakcijo označimo kot q1 in q2, naboje po interakciji pa kot q1' in q2', bo veljala naslednja enakost:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

To pomeni, da je pri kateri koli interakciji teles skupni naboj vedno ohranjen. To je eden temeljnih zakonov narave, zakon o ohranitvi električnega naboja. Benjamin Franklin ga je odkril leta 1750 in uvedel koncepta "pozitivnega naboja" in "negativnega naboja". Franklin in predlagal označevanje nasprotnih nabojev z znakoma «-» in «+».

V elektroniki Kirchhoffova pravila ker tokovi izhajajo neposredno iz zakona o ohranitvi električnega naboja. Kombinacija žic in elektronskih komponent je predstavljena kot odprt sistem. Skupni dotok stroškov v dani sistem je enak skupnemu odtoku stroškov iz tega sistema. Kirchhoffova pravila predvidevajo, da elektronski sistem ne more bistveno spremeniti svojega skupnega naboja.

Po pravici povedano ugotavljamo, da je najboljši eksperimentalni preizkus zakona o ohranitvi električnega naboja iskanje takih razpadov osnovnih delcev, ki bi bili dovoljeni v primeru nestriktnega ohranjanja naboja. Takih razpadov v praksi še nismo opazili.

Drugi načini elektrifikacije fizičnih teles:

1. Če cinkovo ​​ploščo potopimo v raztopino žveplove kisline H2SO4, se bo v njej delno raztopila. Nekateri atomi na cinkovi plošči, ki pustijo dva svoja elektrona na cinkovi plošči, bodo šli v raztopino z vrsto kislin v obliki dvojno nabitih pozitivnih cinkovih ionov. Posledično bo cinkova plošča nabita z negativno elektriko (presežek elektronov), raztopina žveplove kisline pa bo nabita s pozitivno (presežek pozitivnih cinkovih ionov). Ta lastnost se uporablja za elektrifikacijo cinka v raztopini žveplove kisline v galvanskem členu kot glavni proces pojava električne energije.

2. Če svetlobni žarki padejo na površino kovin, kot so cink, cezij in nekatere druge, potem se prosti elektroni sprostijo s teh površin v okolje. Zaradi tega se kovina naelektri s pozitivno elektriko, prostor okoli nje pa z negativno elektriko. Emisijo elektronov z osvetljenih površin nekaterih kovin imenujemo fotoelektrični učinek, ki je našel uporabo v fotovoltaičnih celicah.

3. Če se kovinsko telo segreje do stanja bele vročine, bodo prosti elektroni odleteli z njegove površine v okoliški prostor.Posledično bo kovina, ki je izgubila elektrone, napolnjena s pozitivno elektriko, okolica pa z negativno elektriko.

4. Če spajkate konca dveh različnih žic, na primer bizmuta in bakra, in segrejete njuno stičišče, bodo prosti elektroni delno prešli iz bakrene žice v bizmut. Posledično bo bakrena žica nabita s pozitivno elektriko, medtem ko bo bizmutova žica nabita z negativno elektriko. Pojav elektrifikacije dveh fizičnih teles, ko absorbirata toplotno energijo uporablja se v termočlenih.

Pojave, povezane z medsebojnim delovanjem naelektrenih teles, imenujemo električni pojavi.

Interakcija med naelektrenimi telesi je določena s t.i Električne sile, ki se od sil druge narave razlikujejo po tem, da povzročijo, da se naelektrena telesa odbijajo in privlačijo, ne glede na hitrost njihovega gibanja.

Na ta način se interakcija med naelektrenimi telesi razlikuje na primer od gravitacijske, za katero je značilno samo privlačnost teles, ali od sil magnetnega izvora, ki so odvisne od relativne hitrosti gibanja nabojev, kar povzroča magnetno pojavov.

Elektrotehnika preučuje predvsem zakonitosti zunanje manifestacije lastnosti naelektrenih teles - zakone elektromagnetnih polj.

Upamo, da vam je ta kratek članek dal splošno predstavo o tem, kaj je elektrifikacija teles, in zdaj veste, kako s preprostim poskusom eksperimentalno preveriti zakon o ohranitvi električnega naboja.