Elektrifikace těles, interakce nábojů

V tomto článku se pokusíme představit poměrně zobecněnou představu o tom, co je elektrifikace těles, a dotkneme se také zákona zachování elektrického náboje.

Bez ohledu na to, zda ten či onen zdroj elektrické energie funguje na principu, u každého z nich dochází k elektrifikaci fyzických těles, tedy k oddělení elektrických nábojů přítomných ve zdroji elektrické energie a jejich koncentraci v určitých místech, např. na elektrodách nebo svorkách zdroje. Výsledkem tohoto procesu je přebytek záporných nábojů (elektronů) na jednom vývodu zdroje elektrické energie (katody) a nedostatek elektronů na druhém vývodu (anoda), tzn. první z nich je nabitý zápornou elektřinou a druhý kladnou elektřinou.

Po objevení elektronu, elementární částice s minimálním nábojem, poté, co byla konečně vysvětlena struktura atomu, se stala vysvětlitelná i většina fyzikálních jevů souvisejících s elektřinou.

Hmotná hmota, která tvoří těla, je obecně považována za elektricky neutrální, protože molekuly a atomy, které tvoří tělo, jsou za normálních podmínek neutrální, a těla proto nemají žádný náboj. Pokud se ale takové neutrální těleso otírá o jiné těleso, pak některé z elektronů opustí své atomy a přejdou z jednoho tělesa do druhého. Délka drah, kterými tyto elektrony při takovém pohybu urazí, není větší než vzdálenost mezi sousedními atomy.

Pokud se však po tření tělesa oddělí, oddálí, pak se obě tělesa nabijí. Tělo, do kterého elektrony prošly, se nabije záporně a tělo, které tyto elektrony darovalo, získá kladný náboj, nabije se kladně. To je elektrifikace.

Předpokládejme, že v nějakém fyzickém těle, například ve skle, bylo možné odstranit některé jejich elektrony z významného počtu atomů. To znamená, že sklo, které ztratilo část svých elektronů, bude nabito kladnou elektřinou, protože v ní získaly kladné náboje výhodu nad zápornými.

Elektrony odstraněné ze skla nemohou zmizet a musí být někde umístěny. Předpokládejme, že po odstranění elektronů ze skla jsou umístěny na kovovou kouli. Je tedy zřejmé, že kovová kulička, která přijímá další elektrony, je nabitá zápornou elektřinou, protože v ní mají záporné náboje přednost před kladnými.

Elektrifikovat fyzické tělo — znamená vytvořit v něm přebytek nebo nedostatek elektronů, tzn. narušují v něm rovnováhu dvou protikladů, a to kladného a záporného náboje.

Elektrifikovat dvě fyzická těla současně a společně s různými elektrickými náboji — znamená odebrat elektrony z jednoho těla a přenést je do jiného těla.

Vznikl-li někde v přírodě kladný elektrický náboj, musí nevyhnutelně současně s ním vzniknout i záporný náboj stejné absolutní hodnoty, protože přebytek elektronů v jakémkoli fyzickém těle vzniká jejich nedostatkem v nějakém jiném fyzickém těle.

Různé elektrické náboje se v elektrických jevech objevují jako vždy doprovodné protiklady, jejichž jednota a interakce tvoří vnitřní obsah elektrických jevů v látkách.

Neutrální tělesa se elektrizují, když dávají nebo přijímají elektrony, v obou případech získávají elektrický náboj a přestávají být neutrální. Zde elektrické náboje nevznikají odnikud, náboje jsou pouze odděleny, protože elektrony již v tělesech byly a jednoduše změnily své umístění, elektrony se pohybují z jednoho zelektrizovaného tělesa do druhého zelektrizovaného tělesa.

Znak elektrického náboje vznikajícího při tření těles závisí na povaze těchto těles, na stavu jejich povrchů a na řadě dalších důvodů. Proto není vyloučena možnost, že stejné fyzické tělo je v jednom případě nabito kladnou a v jiném zápornou elektřinou, například kovy při tření o sklo a vlnu negativně elektrizují a při tření o guma — pozitivně.

Vhodná otázka by byla: proč elektrický náboj neprotéká dielektrikem, ale kovy? Jde o to, že v dielektrikách jsou všechny elektrony vázány na jádra jejich atomů, jen nemají možnost se volně pohybovat po těle.

V kovech je ale situace jiná. Elektronové vazby v atomech kovů jsou mnohem slabší než v dielektrikách a některé elektrony snadno opouštějí své atomy a volně se pohybují po těle, jedná se o tzv. volné elektrony, které zajišťují přenos náboje v drátech.

K oddělování nábojů dochází jak při tření kovových těles, tak při tření dielektrik. Ale při demonstracích se používají dielektrika: ebonit, jantar, sklo. K tomu se přistupuje z prostého důvodu, že jelikož se náboje nepohybují objemem v dielektriku, zůstávají na stejných místech na površích těles, ze kterých vzešly.

A pokud třením řekněme o srst zelektrizuje kus kovu, pak náboj, který má čas se jen přesunout na svůj povrch, okamžitě steče na tělo experimentátora a ukázka např. dielektrika, nebude fungovat. Ale pokud je kus kovu izolován z rukou experimentátora, zůstane na kovu.

Pokud se náboj těles uvolňuje až v procesu elektrifikace, jak se pak chová jejich celkový náboj? Na tuto otázku dávají odpověď jednoduché experimenty. Vezmeme elektrometr s kovovým diskem připojeným k jeho tyči a položíme na něj kus vlněné látky o velikosti tohoto disku. Na tkáňový disk je umístěn další vodivý disk, stejný jako na elektroměrové tyči, ale vybavený dielektrickou rukojetí.

Experimentátor držící rukojeť několikrát pohne horním kotoučem, otírá jej o uvedený tkáňový kotouč ležící na kotouči elektroměrové tyče a poté jej oddálí od elektroměru. Ručička elektroměru se po vyjmutí kotouče vychýlí a zůstane v této poloze. To znamená, že se na vlněné látce a na disku připevněném k tyči elektroměru vytvořil elektrický náboj.

Kotouč s rukojetí je pak uveden do kontaktu s druhým elektroměrem, ale bez kotouče k němu připojeného, ​​a je pozorováno, že jeho jehla je vychýlena téměř o stejný úhel jako jehla prvního elektroměru.

Experiment ukazuje, že oba disky během elektrifikace obdržely náboje stejného modulu. Jaké jsou však známky těchto obvinění? K zodpovězení této otázky jsou elektroměry připojeny drátem. Jehly elektroměru se okamžitě vrátí do nulové polohy, ve které byly před začátkem experimentu. Náboj byl neutralizován, což znamená, že náboje na discích byly stejné velikosti, ale opačného znaménka a celkově byly nulové, jako před začátkem experimentu.

Podobné experimenty ukazují, že při elektrifikaci se zachovává celkový náboj těles, to znamená, že pokud bylo celkové množství před elektrifikací nulové, pak po elektrifikaci bude celkové množství nulové... Proč se to ale děje? Pokud ebenovou tyčinkou potřete látku, nabije se záporně a látka kladně, a to je dobře známý fakt. Na ebonitu se při tření o vlnu tvoří přebytek elektronů a na látce odpovídající deficit.

Náboje budou stejné v modulu, protože kolik elektronů prošlo z látky na ebonit, ebonit obdržel takový negativní náboj a stejné množství kladného náboje se vytvořilo na plátně, protože elektrony, které opustily tkanina je kladný náboj na tkanině. A přebytek elektronů na ebonitu se přesně rovná nedostatku elektronů na látce. Náboje jsou opačného znaménka, ale stejné velikosti. Je zřejmé, že během elektrifikace se zachovává plné nabití; celkem se rovná nule.

Navíc, i kdyby byly náboje na obou tělesech před elektrifikací nenulové, celkový náboj je stále stejný jako před elektrifikací. Označíme-li náboje těles před jejich interakcí jako q1 a q2 a náboje po interakci jako q1' a q2', bude platit následující rovnost:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

To znamená, že pro jakoukoli interakci těles je vždy zachován celkový náboj. To je jeden ze základních přírodních zákonů, zákon zachování elektrického náboje. Benjamin Franklin jej objevil v roce 1750 a představil pojmy „pozitivní náboj“ a „negativní náboj“. Franklin a navrhl označit opačné náboje znaménky «-» a «+».

V elektronice Kirchhoffova pravidla protože proudy vyplývají přímo ze zákona zachování elektrického náboje. Kombinace vodičů a elektronických součástek je reprezentována jako otevřený systém. Celkový přítok poplatků do daného systému se rovná celkovému odtoku poplatků z tohoto systému. Kirchhoffova pravidla předpokládají, že elektronický systém nemůže výrazně změnit svůj celkový náboj.

Pro spravedlnost podotýkáme, že nejlepším experimentálním testem zákona zachování elektrického náboje je hledání takových rozpadů elementárních částic, které by byly povoleny v případě nepřísného zachování náboje. Takové rozpady nebyly v praxi nikdy pozorovány.

Další způsoby, jak elektrizovat fyzická těla:

1. Pokud je zinkový plech ponořen do roztoku kyseliny sírové H2SO4, pak se v něm částečně rozpustí. Některé z atomů na zinkové desce, které ponechávají dva své elektrony na zinkové desce, přejdou do roztoku s řadou kyselin ve formě dvojitě nabitých kladných iontů zinku. Výsledkem je, že zinková deska bude nabita zápornou elektřinou (přebytek elektronů) a roztok kyseliny sírové bude nabit kladně (přebytek kladných iontů zinku). Tato vlastnost se využívá k elektrifikaci zinku v roztoku kyseliny sírové v galvanickém článku jako hlavní proces vzniku elektrické energie.

2. Pokud světelné paprsky dopadají na povrch kovů jako je zinek, cesium a některé další, pak se volné elektrony uvolňují z těchto povrchů do okolí. Výsledkem je, že kov je nabit kladnou elektřinou a prostor kolem něj je nabit zápornou elektřinou. Emise elektronů z osvětlených povrchů určitých kovů se nazývá fotoelektrický jev, který našel uplatnění ve fotovoltaických článcích.

3. Pokud se kovové těleso zahřeje do stavu bílého tepla, pak volné elektrony vyletí z jeho povrchu do okolního prostoru.V důsledku toho bude kov, který ztratil elektrony, nabit kladnou elektřinou a okolí zápornou elektřinou.

4. Pokud zapájíte konce dvou různých drátů, například vizmutu a mědi, a zahřejete jejich spoj, pak volné elektrony částečně přejdou z měděného drátu na vizmut. Výsledkem je, že měděný drát bude nabit kladnou elektřinou, zatímco vizmutový drát bude nabit zápornou elektřinou. Jev elektrifikace dvou fyzických těles, když absorbují tepelnou energii používané v termočláncích.

Jevy spojené s interakcí elektrifikovaných těles se nazývají elektrické jevy.

Vzájemné působení mezi elektrifikovanými tělesy je určeno tzv Elektrické síly, které se liší od sil jiné povahy tím, že způsobují, že se nabitá tělesa vzájemně odpuzují a přitahují, bez ohledu na rychlost jejich pohybu.

Tímto způsobem se interakce mezi nabitými tělesy liší například od gravitační, která se vyznačuje pouze přitahováním těles, nebo od sil magnetického původu, které závisí na relativní rychlosti pohybu nábojů, způsobujících magnetické jevy.

Elektrotechnika studuje především zákonitosti vnějšího projevu vlastností elektrifikovaných těles — zákony elektromagnetických polí.

Doufáme, že vám tento krátký článek poskytl obecnou představu o tom, co je to elektrifikace těles, a nyní víte, jak experimentálně ověřit zákon zachování elektrického náboje pomocí jednoduchého experimentu.