Объяснение электрических явлений

 

Вы уже знаете, что тела являются заряженными или наэлектризованными, если в результате трения они приобрели свойство притягивать к себе лёгкие предметы. А явление, при котором телам сообщаются электрические заряды, называют электризацией. Теперь давайте с вами выясним причину этого явления.

На прошлых уроках мы с вами говорили, что, например, при трении стеклянной палочки о шёлк палочка получает положительный заряд. Как это может произойти? Ведь до начала опыта и палочка, и кусочек шёлка были нейтральны, в чём легко убедиться с помощью электроскопа…

Можно выдвинуть гипотезу о том, что в результате трения отрицательный заряд переходит со стеклянной палочки на шёлк, палочка становится положительно заряженной, а кусочек шёлка — отрицательно заряженным.

Как мы знаем, чтобы подтвердить или опровергнуть любую гипотезу, её надо проверить с помощью эксперимента. Проделаем такой опыт. Поднесём к подвешенной на нити стеклянной палочке кусочек шёлка, о который её предварительно потёрли.

Палочка к нему притягивается. Это подтверждает наше предположение о том, что палочка и шёлк получили заряды противоположного знака. Поскольку стеклянная палочка заряжена положительно, то можно сделать вывод, что шёлк заряжен отрицательно.

Будем считать, что одного эксперимента недостаточно, так как он может дать случайный результат. Проделаем другой опыт: к отрицательно заряженной эбонитовой палочке поднесём тот же кусочек шёлка

Палочка от него оттолкнулась. Значит, можно сделать тот же вывод: шёлк заряжен отрицательно.

Таким образом, наша гипотеза подтвердилась. Действительно, в результате электризации, в которой обязательно участвуют два тела, происходит перераспределение зарядов. При этом электризуются оба тела, приобретая заряды противоположных знаков.

Для того чтобы объяснить, почему при электризации тело становится заряженным, проделаем следующий опыт. Возьмём электрометр, на который сверху надет полый металлический шар. Наэлектризуем трением друг о друга две пластинки — эбонитовую и плексигласовую. Внесём сначала одну из них внутрь полого шара электрометра и убедимся, что он зарядился.

Затем внесём внутрь шара вторую пластинку. Результат будет таким же: стрелка электрометра отклонится на такой же угол. Это убеждает нас в том, что каждая из пластинок действительно заряжается при трении друг о друга.

Теперь внесём внутрь шара одновременно обе заряженные пластинки. Электрометр в этом случае не обнаруживает заряда — стрелка его не отклоняется.

Данный опыт позволяет ещё раз убедиться не только в том, что при электризации тела приобретают заряды противоположных знаков, но и в том, что эти заряды равны по модулю. Именно поэтому стрелка электрометра при внесении внутрь шара двух потёртых друг о друга пластин остаётся на нуле. Иначе говоря, алгебраическая сумма зарядов обеих пластинок и до, и после электризации равна нулю.

Мы уже знаем, что заряженное тело притягивает к себе другое заряженное тело, если их заряды разноимённые. Но почему к заряженному телу притягиваются незаряженные тела?

Первым почти верное объяснение данным явлениям дал Б. Франклин. Он считал, что в любом незаряженном теле положительное и отрицательное электричество присутствуют всегда, но в равных количествах, так что имеет место их компенсация.

Мы же с вами ответим на возникший вопрос, проведя такой опыт. Поднесём к шарику незаряженного электроскопа, не касаясь его, наэлектризованную палочку. Электроскоп фиксирует появление на листочках заряда.

Уберём палочку — листочки спадают. Значит, заряд от палочки к листочкам электроскопа не перешёл через воздух, а появился под влиянием заряженной палочки.

Зная, что заряд может перемещаться в теле, мы можем объяснить произошедшее. Итак, в любом незаряженном теле всегда имеются равные количества зарядов противоположных знаков, равномерно распределённых по всему телу.

Заряд на поднесённой к электроскопу палочке притягивает к себе разноимённый и отталкивает одноимённый заряд на стержне и листочках электроскопа, что и объясняет появление заряда на листочках.

Это можно подтвердить более наглядным опытом. Поднесём наэлектризованную палочку к одному из двух незаряженных электроскопов, соединённых проводящей перемычкой — оба прибора фиксируют появление заряда.

Почему это происходит? Дело в том, что два электроскопа и проводящая перемычка образуют сейчас один большой проводник, на ближайшей части которого распределён разноимённый заряд, а на дальней — одноименный. Отодвинем палочку — листочки электроскопов возвращаются в начальное положение.

Теперь при поднесённой палочке уберём соединительную перемычку — оба прибора останутся заряженными.

В том, что это равные разноимённые заряды, можно убедиться, вернув назад перемычку, соединяющую приборы — листочки в обоих приборах возвращаются в начальное положение.

Перераспределение зарядов в теле, вызываемое воздействием другого заряженного тела, называется электризацией через влияние или электростатической индукцией.

Электризация через влияние происходит чрезвычайно часто. Например, следствием электризации через влияние является молния (или грозовой разряд).

Происхождение молнии объясняется следующим образом. Облака, проносимые над Землёй ветром с большой скоростью, электризуются. Вокруг этих облаков возникает сильное электрическое поле. На ближайших к ним телах в результате электростатической индукции возникает электрический заряд противоположного знака. Такими телами являются другие облака, а также поверхность Земли с находящимися на ней высокими предметами.

Если два облака с электрическими зарядами противоположного знака приближаются друг к другу на достаточно близкое расстояние, то между ними происходит разряд — молния, которая сопровождается громом.

Если грозовая туча имеет, например, отрицательный электрический заряд, и проходит близко к поверхности Земли, то создаваемое этим электрическим зарядом поле возбуждает в предметах на Земле положительный электрический заряд.

Между тучей и заряженными предметами может произойти разряд.

Это же явление играет важную роль во многих технических устройствах, с которыми вы познакомитесь при последующем изучении физики. В кабинетах физики часто применяют изобретённую ещё в XIX в/ немецким физиком А. Тёплером электрофорную машину, в которой используется как электризация трением, так и электризация через влияние.

Это позволяет создать на шариках прибора значительные разноимённые электрические заряды.

На прошлом уроке мы с вами говорили о строении атома. И узнали, что атом — это довольно сложное образование: в центре атома находится положительно заряженное ядро, которое состоит из протонов и нейтронов, а вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются электроны.

Зная строение атома, можно объяснить, что происходит при электризации тел. Электроны, находящиеся вдали от ядра, сравнительно слабо удерживаются ядром. Отделившись от одного атома, эти электроны могут присоединиться к другому. Этим и объясняется, что на одном теле может образоваться избыток электронов, а на другом — недостаток. В первом случае тело становится отрицательно заряженным, во втором — положительно.

Этим же объясняется существование проводников и диэлектриков. Чем слабее притягиваются электроны к ядру, тем больше вероятность, что они могут покинуть своё место и начать двигаться между атомами. Такие электроны называют свободными. Те вещества, в которых есть свободные электроны, являются проводниками.

Если же свободных электронов в веществе нет (или их количество очень мало), то вещество является диэлектриком.

Ещё раз обращаем ваше внимание на то, что во всех рассмотренных нами опытах ни положительные, ни отрицательные заряды не создавались. Они существовали в телах уже до опыта. При этом положительный заряд каждого из тел был равен его отрицательному заряду. Поэтому тела изначально были электрически нейтральны. Таким образом, при электризации заряды в теле не создаются, а только перераспределяются.

Экспериментальным путём было установлено, что распределение заряда зависит от размеров взаимодействующих тел. Например, если заряд передают от заряженного шара незаряженному шару точно такого же размера, то заряд разделится пополам.

Однако, если незаряженный шар больше, то на него перейдёт больше половины заряда.

Поэтому, чем больше тело, которому передают заряд, тем большая часть заряда на него перейдёт.

Именно на этом факте основано заземление, то есть электрическое соединение предмета из проводящего материала с Землёй. Заземление применяется в тех случаях, когда необходимо сделать тело электрически нейтральным. Поскольку размеры Земли огромны по сравнению с размерами тел, находящимися на Земле, то можно считать, что тело передаёт Земле весь свой заряд. Например, это используется для создания громоотводов: при попадании в него молнии, громоотвод просто уводит заряд молнии в землю, не принося никакого вреда.

Кроме того, наведённый тучей на здание электрический заряд немедленно стекает с громоотвода в Землю, тем самым не только предохраняя здание от удара молнии, но и уменьшая вероятность её удара в данное здание.

Теперь можно сформулировать закон сохранения электрического заряда, в основу которого легла гипотеза Б. Франклина, выдвинутая им в 1747 г., и подтверждённая в 1843г. М. Фарадеем: алгебраическая сумма электрических зарядов тел остаётся постоянной.

Это один из самых важных законов природы (его называют фундаментальным).

Следует, однако, сразу же сделать одно очень важное уточнение: алгебраическая сумма зарядов сохраняется только в замкнутой системе. Замкнутая система представляет собой совокупность тел, изолированных от других объектов. Так, в рассмотренных опытах по электризации — это два тела: стеклянная палочка и кусок шёлка; эбонитовая палочка и кусок меха.

Закон сохранения электрического заряда имеет очень глубокий физический смысл. Если число зарядов не меняется, то выполнение этого закона очевидно. Однако в старших классах вы узнаете, что частицы могут рождаться и исчезать, образуя новые заряженные частицы, могут взаимно превращаться. Но самое главное, во всех этих сложных процессах закон сохранения электрического заряда выполняется всегда!

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: