Явления, связанные с электричеством, довольно распространены в природе. Одним из самых наблюдаемых явлений является электризация тел. Так или иначе с электризацией приходилось сталкиваться каждому человеку. Иногда мы не замечаем статического электричества вокруг нас, а иногда его проявление ярко выражено и довольно ощутимо.

Например, владельцы автотранспорта, при определённых стечениях обстоятельств, замечали, как их машина вдруг начинала «бить током». Обычно это происходит при выходе из салона автомобиля. Ночью даже можно заметить искрение между кузовом и рукой, прикасающейся к нему. Объясняется это электризацией, о которой поговорим в данной статье.

Определение

В физике электризацией называют процесс, при котором происходит перераспределения зарядов, на поверхностях разнородных тел. При этом на телах скапливаются заряженные частицы противоположных знаков. Наэлектризованные тела могут передавать часть накопленных заряженных частиц другим предметам или окружающей среде, контактирующей с ними.

Заряженное тело передаёт заряды при непосредственном контакте с ним нейтральных или противоположно заряженных предметов, либо через проводник. По мере перераспределения взаимодействие электрических зарядов уравновешивается, и процесс перетекания прекращается.

Важно помнить, что при электризации тел новые электрические частицы не возникают, а лишь перераспределяются уже существующие. При электризации действует закон сохранения заряда, согласно которому алгебраическая сумма отрицательных и положительных зарядов всегда равна нулю. Другими словами – количество отрицательных зарядов переданных другому телу при электризации равняется количеству оставшихся заряженных протонов противоположного знака.

Известно, что носителем элементарного отрицательного заряда является электрон. Протоны же обладают положительными знаками, но эти частицы прочно связаны ядерными силами и не могут свободно перемещаться при электризации (за исключением кратковременного высвобождения протонов в процессе разрушения атомных ядер, например, в различных ускорителях). В целом атом, обычно, электрически нейтрален. Его нейтральность может нарушить электризация.

Однако, отдельные электроны из облака, окружающего многопротонные ядра, могут покидать свои отдалённые орбиты и свободно перемещаться между атомов. В таких случаях образуются ионы (иногда называемые дырками), имеющие положительные заряды. См. схему на рис. 1.

Рис. 1. Два рода зарядов

В твёрдых телах ионы связаны атомными силами и, в отличие от электронов, не могут изменить своё расположение. Поэтому только электроны являются переносчиками заряда в твёрдых телах. Для наглядности мы будем считать ионы просто заряженными частицами (абстрактными точечными зарядами), которые ведут себя так же, как и частицы с противоположным знаком – электроны.

Рис. 2. Модель атома

Физические тела в естественных условиях электрически нейтральные. Это значит, что их взаимодействия уравновешены, то есть, количество ионов заряженных положительно равно количеству отрицательно заряженных частиц. Однако, электризация тела нарушает это равновесие. В таких случаях электризация является причиной изменения баланса кулоновских сил.

Условия возникновения электризации тел

Прежде чем перейти к определению условий электризации тел, заострим ваше внимание на взаимодействии точечных зарядов. На рисунке 3 изображена схема такого взаимодействия.

Рис. 3. Взаимодействие заряженных частиц

На рисунке видно, что одноимённые точечные заряды отталкиваются, тогда как разноимённые – притягиваются. В 1785 г. силы этих взаимодействий исследовал французский физик О. Кулон. Знаменитый гласит: два неподвижных точечных заряда q 1 и q 2 , расстояние между которыми равно r, действуют друг на друга с силой:

F = (k*q 1 *q 2)/r 2

Коэффициент k зависит от выбора системы измерений и свойств среды.

Исходя из того, что на точечные заряды действуют кулоновские силы, имеющие обратно пропорциональную зависимость от квадрата расстояния между ними, проявление этих сил может наблюдаться только на очень небольших расстояниях. Практически, эти взаимодействия проявляются на уровне атомных измерений.

Таким образом, для того чтобы электризация тела произошла, необходимо максимально приблизить его к другому заряженному телу, то есть, прикоснуться к нему. Тогда под действием кулоновских сил часть заряженных частиц переместится на поверхность заряжаемого предмета.

Строго говоря, при электризации перемещаются только электроны, которые распределяются по поверхности заряжаемого тела. Избыток электронов образует определённый отрицательный заряд. Создание положительного заряда на поверхности реципиента, электроны с которого перетекли на заряжаемый объект, возложено на ионы. При этом модули величин зарядов на каждой из поверхностей равны, но знаки их противоположны.

Электризация нейтральных тел из разнородных веществ возможна только в том случае, если у одного из них электронные связи с ядром очень слабые, а у другого, наоборот – очень сильные. На практике это означает, что в веществах, у которых электроны вращаются на удалённых орбитах, часть электронов теряют свои связи с ядрами и слабо взаимодействуют с атомами. Поэтому, при электризации (тесном контакте с веществами), у которых проявляются более сильные электронные связи с ядрами, происходит перетекание свободных электронов. Таким образом, наличие слабых и сильных электронных связей является главным условием электризации тел.

Поскольку в кислотных и щелочных электролитах могут перемещаться и ионы, то электризация жидкости возможна путём перераспределения собственных ионов, как это имеет место при электролизе.

Способы электризации тел

Существует несколько способов электризации, которые условно можно разделить на две группы:

1. Механическое воздействие:
   • электризация соприкосновением;
   • электризация трением;
   • электризация при ударе.
2. Влияние внешних сил:
   • электрическое поле;
   • воздействие света (фотоэффект);
   • влияние тепла (термопары);
   • химические реакции;
   • давление (пьезоэффект).

Рис. 4. Способы электризации

Наиболее распространённым способом электризации тел в природе является трение. Чаще всего происходит трение воздуха при контакте его с твёрдыми или жидкими веществами. В частности, в результате такой электризации происходят грозовые разряды.

Электризация трением нам известна ещё со школьной скамьи. Мы могли наблюдать наэлектризованные трением небольшие эбонитовые палочки. Отрицательный заряд потёртых об шерсть палочек определяется избытком электронов. Шерстяная ткань при этом заряжается положительным электричеством.

Подобный опыт можно провести со стеклянными палочками, но натирать их необходимо шёлком или синтетическими тканями. При этом, в результате трения стеклянные наэлектризованные палочки заряжаются положительно, а ткань – отрицательно. В остальном между стеклянным электричеством и зарядом эбонита различий нет.

Чтобы наэлектризовать проводник (например, металлический стержень), необходимо:

1. Изолировать металлический предмет.
2. Прикоснуться к нему положительно заряженным телом, например стеклянной палочкой.
3. Отвести часть заряда на землю (кратковременно заземлить один конец стержня).
4. Убрать заряженную палочку.

При этом заряд на стержне равномерно распределится по его поверхности. Если металлический предмет неправильной формы, неравномерно – концентрация электронов будет больше на выпуклостях и меньше на впадинах. При разделении тел происходит перераспределение заряженных частиц.

Свойства наэлектризованных тел

• Притягивание (отталкивание) мелких предметов – признак наэлектризованности. Два тела, заряженных одноимённо, противодействуют (отталкиваются), а разнознаковые – притягиваются. На этом принципе основана работа электроскопа – прибора для измерения величины заряда (см. рис. 5).

Рис. 5. Электроскоп

• Избыток зарядов нарушает равновесие во взаимодействии элементарных частиц. Поэтому каждое заряженное тело стремится избавиться от своего заряда. Часто такое избавление сопровождается молниеносным разрядом.

Применение на практике

• очистка воздуха с помощью электростатических фильтров;
• электростатическая окраска металлических поверхностей;
• производство синтетического меха, путём притягивания наэлектризованного ворса к тканевой основе, и др.

Вредное воздействие:

• влияние статических разрядов на чувствительные электронные изделия;
• воспламенение паров ГСМ от разрядов .

Способы борьбы: заземление ёмкостей с горючим, работа в антистатической одежде, заземление инструментов и т.п.

Видео в дополнение темы

2002-02-22T16:40+0300

2008-06-04T20:08+0400

https://сайт/20020222/77999.html

Электризация трением

https://cdn22.img..png

РИА Новости

https://cdn22.img..png

РИА Новости

https://cdn22.img..png

Электризация трением

Вадим Прибытков, физик-теоретик, постоянный автор Терры Инкогнита. Понимание атома в качестве классической системы Резерфорда-Бора дает возможность для объяснения широкого круга природных явлений, возникающих в ходе трения материальных компонентов. К ним, в частности, относится и такое явление, как электризация трением янтаря, стекла, тканей, бумаги и других изоляторов. С этого явления начинаются почти все книги по электричеству, однако его объяснение обычно обходится. Почему? А ведь с электрических свойств янтаря началось само электричество. Этот вопрос очень интересует Китайгородского. Он понимает, что при трении возникают свободные заряды-электроны и констатирует: "В общих чертах картина более или менее ясна, но не только. Видимо, то мизерное количество свободных электронов, которое имеется у изолятора, связано с его молекулярными разными силами у разных диэлектриков. Поэтому если привести в тесное соприкосновение два тела, то электроны перейдут с одного из них на другое....

Вадим Прибытков, физик-теоретик, постоянный автор Терры Инкогнита.

Понимание атома в качестве классической системы Резерфорда-Бора дает возможность для объяснения широкого круга природных явлений, возникающих в ходе трения материальных компонентов. К ним, в частности, относится и такое явление, как электризация трением янтаря, стекла, тканей, бумаги и других изоляторов. С этого явления начинаются почти все книги по электричеству, однако его объяснение обычно обходится. Почему?

А ведь с электрических свойств янтаря началось само электричество.

Этот вопрос очень интересует Китайгородского. Он понимает, что при трении возникают свободные заряды-электроны и констатирует: "В общих чертах картина более или менее ясна, но не только. Видимо, то мизерное количество свободных электронов, которое имеется у изолятора, связано с его молекулярными разными силами у разных диэлектриков. Поэтому если привести в тесное соприкосновение два тела, то электроны перейдут с одного из них на другое. Произойдет электризация. Однако "тесное соприкосновение"--это приведение поверхностей на расстояние, равное межатомному. Поскольку атомогладких поверхностей в природе не существует, трение помогает ликвидировать всякого рода выступы и увеличивает площадь, так сказать, истинного соприкосновения.

Переход электронов от одного тела к другому имеет место для любой пары тел-металлов, полупроводников и изоляторов.

Наэлектризовать же удается только изоляторы, ибо лишь в этих телах возникшие заряды остаются в тех местах, куда они перебрались от одного тела к другому.

Я не могу сказать, чтобы эта теория оставляла чувство глубокого удовлетворения. Неясно, чем хороши--эбонит, стекло, кошачий мех. Можно задать кучу вопросов, на которые нет вразумительного ответа". (А.И. Китайгородский, Электроны, М., с.54).

Частично Китайгородский объяснил сущность явления правильно, однако в его трактовке имеются существенные пробелы и основной--в отсутствия анализа взаимодействия электромагнитных квантов с электронами вещества. Дело здесь не только в "тесном соприкосновении", на что напирает Китайгородский, а именно в трении, которое он не знает, как использовать.

Трение между двумя диэлектриками, при этом они совершенно не обязательно должны быть разными веществами, могут быть и одинаковыми, например, два листа бумаги, приводит к соударению электронов, перераспределению между ними электромагнитной энергии, к отрыву ряда электронов от атомов и их перемещению.

На поверхности диэлектриков образуются зоны с преобладанием разных зарядов, что при взаимном соприкосновении ведет к их притяжению или отталкиванию. Кроме того, свободные электроны переходят при этом с одной части поверхности на другую.

Перейдя с одного диэлектрика на другой, электроны локализуются на нем, потому что диэлектрик не является проводником. Аналогичную природу имеют электрические разряды в атмосфере, возникающие за счет трения молекул и атомов газа и паров воды. То, что речь идет о соударении электронов подтверждается электризацией бумаги на пишущей машинке и даже под воздействием шариковой ручки.

Вот и все объяснение. Оно простое, наглядное, убедительное и раскрывает сущность явления. Электромагнитная энергия управляет электронами и играет решающую роль в их движении.

В ходе данного урока мы продолжим знакомиться с «китами», на которых стоит электродинамика, - электрическими зарядами. Мы изучим процесс электризации, рассмотрим, на каком принципе основан этот процесс. Поговорим о двух типах зарядов и сформулируем закон сохранения этих зарядов.

На прошлом уроке мы уже упоминали о ранних экспериментах в электростатике. Все они были основаны на натирании одного вещества о другое и дальнейшем взаимодействии этих тел с малыми объектами (пылинками, клочками бумаги…). Все эти опыты основаны на процессе электризации.

Определение. Электризация – разделение электрических зарядов. Это значит, что электроны от одного тела переходят к другому (рис. 1).

Рис. 1. Разделение электрических зарядов

До момента открытия теории о двух принципиально разных зарядах и элементарного заряда электрона считалось, что заряд – некая невидимая сверхлегкая жидкость, и, если она есть на теле, значит, тело обладает зарядом и наоборот.

Первые серьезные опыты по электризации различных тел, как уже было сказано на предыдущем уроке, проводил английский ученый и врач Уильям Гильберт (1544-1603), однако ему не удавалось наэлектризовать металлические тела, и он посчитал, что электризация металлов невозможна. Однако это оказалось неправдой, что впоследствии доказал русский ученый Петров. Однако следующий более важный шаг в исследовании электродинамики (а именно открытие разнородных зарядов) сделал французский ученый Шарль Дюфе (1698-1739). В результате своих опытов он установил наличие, как он их назвал, стеклянных (трение стекла о шелк) и смоляных (янтаря о мех) зарядов.

Еще через некоторое время были сформулированы следующие законы (рис. 2):

1) одноименные заряды взаимно отталкиваются;

2) разноименные заряды взаимно притягиваются.

Рис. 2. Взаимодействие зарядов

Обозначения положительных (+) и отрицательных (–) зарядов было введено американским ученым Бенджамином Франклином (1706-1790).

По договоренности принято называть положительным заряд, который образуется на стеклянной палочке, если натирать ее бумагой или шелком (рис. 3), а отрицательный – на эбонитовой или янтарной палочке, если натирать ее мехом (рис. 4).

Рис. 3. Положительный заряд

Рис. 4. Отрицательный заряд

Открытие Томсоном электрона наконец дало ученым понять, что при электризации никакая электрическая жидкость не сообщается телу и никакой заряд не наносится извне. Происходит перераспределение электронов, как мельчайших носителей отрицательного заряда. В области, куда они приходят, их количество становится большим, чем количество положительных протонов. Таким образом, появляется нескомпенсированный отрицательный заряд. И наоборот, в области, откуда они уходят, появляется нехватка отрицательных зарядов, необходимых для компенсации положительных. Таким образом, область заряжается положительно.

Было установлено не только наличие двух разных видов зарядов, но и два различных принципа их взаимодействия: взаимное отталкивание двух тел, заряженных одноименными зарядами (одного знака) и соответственно притяжение разноименно заряженных тел.

Электризация может производиться несколькими способами:

• трением;
• прикосновением;
• ударом;
• наведением (через влияние);
• облучением;
• химическим взаимодействием.

Электризация трением и электризация соприкосновением

Когда стеклянную палочку натирают о бумагу, палочка получает положительный заряд. Соприкасаясь с металлической стойкой, палочка передает положительный заряд бумажному султану, и его лепестки отталкиваются друг от друга (рис. 5). Этот опыт говорит о том, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга.

Рис. 5. Электризация прикосновением

В результате трения о мех эбонит приобретает отрицательный заряд. Поднося эту палочку к бумажному султану, видим, как лепестки притягиваются к ней (см. рис. 6).

Рис. 6. Притяжение разноименных зарядов

Электризация через влияние (наведение)

Поставим на подставку с султаном линейку. Наэлектризовав стеклянную палочку, приблизим ее к линейке. Трение между линейкой и подставкой будет небольшим, поэтому можно наблюдать взаимодействие заряженного тела (палочки) и тела, у которого заряда нет (линейка).

При проведении каждого эксперимента совершалось разделение зарядов, никаких новых зарядов не возникало (рис. 7).

Рис. 7. Перераспределение зарядов

Итак, если мы сообщили любым из вышеуказанных способов электрический заряд телу, нам, конечно же, необходимо каким-либо способом оценить величину этого заряда. Для этого используется прибор электрометр, который был придуман русским ученым М.В. Ломоносовым (рис. 8).

Рис. 8. М.В. Ломоносов (1711-1765)

Электрометр (рис. 9) состоит из круглой банки, металлического стержня и легкого стержня, который может вращаться вокруг горизонтально расположенной оси.

Рис. 9. Электрометр

Сообщая заряд электрометру, мы в любом случае (и для положительного, и для отрицательного заряда) заряжаем и стержень, и стрелку одноименными зарядами, в результате чего стрелка отклоняется. По углу отклонения и оценивается заряд (рис. 10).

Рис. 10. Электрометр. Угол отклонения

Если взять наэлектризованную стеклянную палочку, прикоснуться ею к электрометру, то стрелка отклонится. Это говорит о том, что электрометру был сообщен электрический заряд. В ходе этого же эксперимента с эбонитовой палочкой этот заряд компенсируется (рис. 11).

Рис. 11. Компенсация заряда электрометра

Так как уже было указано, что никакого создания заряда не происходит, а происходит лишь перераспределение, то имеет смысл сформулировать закон сохранения заряда:

В замкнутой системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной (рис. 12). Замкнутой системой называется система тел, из которой заряды не уходят и в которую заряженные тела или заряженные частицы не поступают.

Рис. 13. Закон сохранения заряда

Данный закон напоминает о законе сохранения массы, так как заряды существуют только вместе с частицами. Очень часто заряды по аналогии называют количеством электричества .

До конца закон сохранения зарядов не объяснен, так как заряды появляются и исчезают только попарно. Другими словами, если заряды рождаются, то только сразу положительный и отрицательный, причем равные по модулю.

На следующем уроке мы подробнее остановимся на количественных оценках электродинамики.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
3. Касьянов В.А. Физика 10 класс. - М.: Дрофа, 2010.

1. Интернет-портал «youtube.com» ()
2. Интернет-портал «abcport.ru» ()
3. Интернет-портал «planeta.edu.tomsk.ru» ()

Домашнее задание

1. Стр. 356: № 1-5. Касьянов В.А. Физика 10 класс. - М.: Дрофа. 2010.
2. Почему отклоняется стрелка электроскопа, если к нему прикоснуться заряженным телом?
3. Один шар заряжен положительно, второй - отрицательно. Как изменится масса шаров при их соприкосновении?
4. *К шару заряженного электроскопа поднесите, не дотрагиваясь, заряженный металлический стержень. Как изменится отклонение стрелки?

Еще в глубокой древности было известно, что если потереть янтарь о шерсть, он начинает притягивать к себе легкие предметы. Позднее это же свойство было обнаружено у других веществ (стекло, эбонит и др.). Это явление называют электризацией , а тела, способные притягивать к себе после натирания другие предметы, наэлектризованными. Явление электризации объяснялось на основании гипотезы о существовании зарядов, которые приобретает наэлектризованное тело.

Простые опыты по электризации различных тел иллюстрируют следующие положения.

• Заряды существуют двух видов: положительные (+) и отрицательные (-). Положительный заряд возникает при трении стекла о кожу или шелк, а отрицательный $-$ при трении янтаря (или эбонита) о шерсть.
• Заряды (или заряженные тела) взаимодействуют друг с другом. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные $-$ притягиваются.

Состояние электризации можно передать от одного тела к другому, что связано с переносом электрического заряда. При этом телу можно передать больший или меньший заряд, т. е. заряд имеет величину. При электризации трением заряд приобретают оба тела, причем одно $-$ положительный, а другое $-$ отрицательный. Следует подчеркнуть, что абсолютные величины зарядов наэлектризованных трением тел равны, что подтверждается многочисленными экспериментами.

Объяснить, почему тела электризуются (т. е. заряжаются) при трении, стало возможным после открытия электрона и изучения строения атома. Как известно, все вещества состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из элементарных частиц $-$ отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных протонов и нейтральных частиц $-$ нейтронов. Электроны и протоны являются носителями элементарных (минимальных) электрических зарядов. Протоны и нейтроны (нуклоны) составляют положительно заряженное ядро атома, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны, число которых равно числу протонов, так что атом в целом электронейтрален. В обычных условиях тела, состоящие их атомов (или молекул), электрически нейтральны. Однако в процессе трения часть электронов, покинувших свои атомы, может перейти с одного тела на другое. Перемещение электронов при этом не превышает межатомных расстояний. Но если после трения тела разъединить, то они окажутся заряженными: тело, которое отдало часть своих электронов, будет заряжено положительно, а тело, которое их приобрело, $-$ отрицательно.

Итак, тела электризуются, т. е. получают электрический заряд, когда они теряют или приобретают электроны. В некоторых случаях электризация обусловлена перемещением ионов. Новые электрические заряды при этом не возникают. Происходит лишь разделение имеющихся зарядов между электризующимися телами: часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое.