Разряд тока между людьми, одетыми в шерстяную одежду, удивляет и веселит. Чтобы понять, почему так происходит следует ознакомиться, что такое электризация тел? Ответы на возникающие вопросы можно найти в разделе физики "Электродинамика". В нём описывается принцип накопления зарядов твердыми телами и действующие законы движения частиц.
Основные моменты
Чтобы определиться, что такое электризация тел, рассмотрим определения и закономерности движения заряженных частиц. Существует два противоположных вида: электроны (отрицательные) и протоны (положительные) заряды. При огромном их скоплении формируется электромагнитное поле. И чем ближе тела со статикой расположены друг к другу, тем более сильное воздействие оказывается.
После соприкосновения тел происходит обмен зарядами, выравниваются потенциалы (притяжение или отталкивание пропадает). Частицы одного знака стремятся отдалиться, разного наоборот притягиваются. Этим можно объяснить, что такое электризация тел: взаимное влияние электромагнитных полей, созданных электронами и протонами.
Попытаемся объяснить простым языком, что такое электризация тел: чтобы образовалось электромагнитное поле, нужно сначала осуществить действие, помогающее накопить заряд:
- трение;
- влияние магнитом;
- удар по предмету;
- химическая реакция;
- приложить к предмету через проводники источник питания (хотя бы батарейку).
Существует множество простых опытов, доказывающих на практике закономерности электродинамики.
Некоторые доказательства закономерностей
В качестве примеров можно провести простые опыты для детей:
- Берём обычную расчёску плоскую, лучше пластмассовую, но подойдёт и железная. Используем волосы или другие натуральные вещи: шубу, парик, шерстяной платок или свитер. Нужно несколько раз интенсивно натереть зубчики. Перед этим мелко измельчают бумагу и потом подносят к ней наэлектризовавшийся предмет. Кусочки моментально прилипают к расческе.
- можно провести камнем янтаря, натертым аналогичным образом. После он может притягивать сухие травинки и другие предметы. Если его поднести к тонкой струе воды, то увидим как она отклоняется в сторону камня.
Шерстяная и шелковая ткани
О шелковый платок натирают стеклянную палочку. После к ней может прилипать практически любой мелкий предмет. Хорошо это заметно, когда наконечник подносим к волосам или тонким лентам бумаги.
Предметы из эбонита хорошо электризуются при трении о шерстяную ткань. А стеклянные палочки натирают шёлком. Однако у этих предметов получается различный заряд. Доказательством этому служит опыт, приведенный ниже.
Натертый шерстью эбонит будет отталкивать от себя шёлк. Чтобы увидеть это, подвесим оба предмета на одну нить и будем постепенно их сближать так, чтобы они свободно свисали. В итоге увидим как ткань начнёт отклоняться в сторону.
Аналогичное явление произойдёт и при опыте со стеклянной палочкой и шерстью. Электризация тел при трении фактически происходит благодаря преобразованию одной энергии в другую.
В повседневной жизни
Вокруг нас постоянно происходит электризация тел. При трении некоторых предметов она становится настолько высокой, что к ним притягиваются даже габаритные тяжелые детали. В домашних условиях наблюдать процесс электризации можно следующим образом:
- Одеваем домашние тапочки матерчатые, только не с резиновой подошвой. Натираем длительно ногами по ковру или деревянному полу. И если коснуться кончиком пальцев с напарником, то получите разряд. В темноте будет видно как он сверкает.
- Часто незаземленные холодильники и стиральные машины тоже бились статическим электричеством. Это происходило по причине трения вращающихся частей.
- Электризуются ладони после трения их о ту же шерсть или шелк. Одежда на человеке притягивает разного рода пушинки, ворсинки по причине электризации. Девочки убирают её спреями-антистатиками, чтобы юбка не липла к ногам во время ходьбы.
Телевизоры по этой же причине притягивают пыль к экранам и корпусу. А воздушный шарик, натертый о волосы головы, можно надолго подвесить к потолку. Происходит притяжение заряженной поверхности к обоям или другому покрытию.
Обозначения в электродинамике
Для классификации и количественного обозначения явления заряженных частиц используется буква q. Положительные протоны указывают так - +q. Отрицательные электроны получили символ -q.
Для расчётов используют общее количество зарядов. Их складывают или отнимают для получения истинного уровня электризации предмета. В спокойном состоянии любой уровень частиц постоянен и имеет вид закона сохранения электрического заряда: q1+q2+...+qN= const.
А для подсчета энергии используется понятие "квант". Простым языком - это минимальное количество частиц разноименно заряженных, которые могут в единицу времени передаваться другому предмету. Этот уровень можно измерить специальным прибором — электрометром. Его работа основана на накоплении заряда металлической стрелкой, закрепленной на неподвижной оси. По мере увеличения уровня отклоняется, стрелка движется по циферблату.
Особенности расчётов:
- На заряды действуют силы притяжения. Но их стараются не учитывать при простейших расчетах. Ведь размеры частиц очень малы по сравнению с преодолеваемыми расстояниями.
- Для определения направления движения любой выбранной частицы нужно учесть все силы, действующие от окружающих элементов. Все расчеты проводятся графически: составляется векторная диаграмма.
Как определить энергию?
Электроскоп является прибором, при помощи которого фиксируется электризация тел. Электрический заряд накапливается металлическим стержнем в виде лепестков, установленным на диэлектрическом основании — пластиковой втулке. Вся конструкция помещена в стальной корпус так, что подвижная часть расположена спереди и закрыта прозрачным стеклом.
Чтобы определить уровень заряда, нужно поднести наэлектризованный предмет к верхней металлической части прибора. Чем больше частиц переходит, тем сильнее расходятся лепестки. Недостатком конструкции является невозможность фиксировать положительные или отрицательные значения, все величины отображаются без знака.
Инструменты для эксперимента
Для подтверждения сил электродинамики проводят простые физические опыты при помощи подручных средств. Одними из таких послужат:
- Два металлических диска.
- Лоскут шерстяной ткани под размер.
- Электроскоп. Либо собственное изобретение: примером может служить металлический стержень, соединенный проводником с одним из дисков. Последний устанавливается плоскостью горизонтально. Стержень же расположен вертикально, у основания на небольшом расстоянии можно наложить мелко изрезанные кусочки бумаги.
Один из дисков нужно взять в руку. Обязательно использовать диэлектрические перчатки. На втором уложена ткань.
Порядок действий
Суть эксперимента:
- Верхний диск плотно прикладывают через ткань к нижнему.
- Его проворачивают несколько раз и резко убирают вверх.
- Если все сделано правильно, заряд равномерно перераспределится между диском и стержнем.
- Кусочки бумаги налипнут на стержень.
Для того чтобы бумага упала, можно снять заряд просто прикоснувшись к металлической части диска рукой без перчатки.
Мы рассмотрели часто встречающиеся и наиболее простые способы электризации тел.
Макроскопическому телу можно сообщить заряд любого знака. Этот процесс называется электризацией. Существуют разные способы электризации тел, то есть превращения электрически нейтральных тел в заряженные; в частности, это можно осуществить путем трения тел друг о друга (электризация трением). Например, если надутый небольшой воздушный шар потереть о шерсть, мех или свои волосы, то шар будет прилипать к телу, о которое его потерли. Если янтарь потереть куском ткани, то он будет притягивать легкие предметы. То же можно наблюдать, если потереть тканью эбонитовую или стеклянную палочку. В этих случаях объект приобретает электрический заряд благодаря трению, то есть происходит электризация трением, а силы, действующие при этом, называются электрическими силами. Опыты показывают, что два тела, наэлектризованные трением друг о друга, притягиваются.
Известно, что наэлектризованные эбонитовая и стеклянная палочки обладают различным видом зарядов. Условились считать заряд, появляющийся при электризации трением на эбонитовой палочке или янтаре отрицательным, а на стеклянной палочке – положительным.
В настоящее время электризацию тел объясняют с помощью представления о переносе электронов с одного вещества на другое. Наружные электроны атомов вещества часто очень слабо привязаны к своему ядру и при трении, обеспечивающем максимальный контакт поверхностей трущихся веществ, они могут переходить от одного вещества к другому. Тело, получившее избыток электронов, заряжается отрицательно. Тело, потерявшее электроны – положительно.
В таблице 1.1 указаны виды зарядов, возникающих у тел при их электризации трением. Названия материалов, электризующихся при взаимном трении, расположены построчно в разных столбцах.
Таблица 1.1
Кроме электризации трением, существует также и электризация индукцией. Рассмотрим ее на опыте (рис. 1.1). Имеются два незаряженных металлических шара.
Повторим опыт с шарами немного иначе (рис. 1.2). Возьмем два незаряженных металлических шара, касающихся друг друга (а). Поднесем палочку к шарам (б), затем уберем ее и только после этого раздвинем шары (в). Удивительно, но теперь шары окажутся незаряженными (г).
Если же для опыта использовать не металлические, а пластмассовые или резиновые шары, то наэлектризовать индукцией (то есть действием на расстоянии) нам их не удастся ни при каком способе раздвигания!
Рис. 1.3
|
Объяснить электризацию индукцией можно на основе микроструктуры вещества. В металлах, которые относятся к классу проводников, – веществ, хорошо проводящих электрический ток, – имеются свободные электроны, которые могут свободно двигаться. Когда к незаряженному металлическому шару подносят заряженное тело, электроны сдвигаются либо к подносимому заряженному телу, либо от него, в зависимости от знака его заряда. В других веществах, таких как пластмасса или резина, относящихся к классу изоляторов, ни положительные, ни отрицательные заряды не могут свободно перемещаться. Но, когда заряженное, например, положительно, тело подносят к пластмассовому стержню, конфигурация молекул стержня искажается таким образом, что его поверхность, обращенная к заряженному телу, окажется заряженной отрицательно, и наоборот.
Для обнаружения наэлектризованных тел служат специальные приборы – электроскопы. Внешний вид прибора приведен на рис 1.3. Цилиндрический корпус (1) закрыт стеклом (2). Внутрь прибора вставлен металлический стержень (3) с легкоподвижными лепестками (4). От металлического корпуса прибора стержень отделен пластмассовой втулкой (5). При соприкосновении заряженного тела со стержнем электроскопа электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра (рис. 1.4).
Рис. 1.4
|
Проделайте опыты!
1. Отрежьте от тетрадного листа полоску бумаги шириной 1 см. Положив полоску на тетрадь, проведите по ней несколько раз пластмассовой ручкой с лёгким нажимом. Затем возьмите в одну руку полоску, а в другую – ручку, и сближайте их. Бумажная полоска изгибается в сторону ручки, следовательно, между ними возникают силы притяжения.
Подобные явления были известны ещё до нашей эры. Для опытов по электризации трением брали янтарь и натирали его шерстью. После этого янтарь и шерсть начинали притягивать к себе сухие травинки. Янтарь по-гречески – «электрон», от него и произошло слово «электричество».
Опыты показывают: наэлектризованное и ненаэлектризованное тела всегда притягиваются. Примеры: пластмассовая палочка и тонкая струйка воды, янтарь и сухие травинки. Опыты также показывают, что два тела, наэлектризованные трением друг о друга, всегда притягиваются. Например, наэлектризовавшись трением о наше тело, свитер или юбка «липнут» к телу.
Наэлектризованные тела (их также называют заряженными или имеющими заряд) могут не только притягиваться; они могут и отталкиваться. Проведём опыты. Натрём палочку из эбонита шерстяной варежкой, а палочку из стекла – шёлковым платком. Подвесив палочки на нитях, увидим, что эбонит и шерсть, а также стекло и шёлк притягивают друг друга (см. рисунок).
Теперь поменяем пары тел. Мы видим, что эбонит и шёлк, а также стекло и шерсть отталкивают друг друга (см. рисунок).
Есть и другие примеры отталкивания наэлектризованных тел.
Прежде учёные не делали различий между «стеклянным», «шерстяным», «шёлковым», «эбонитовым», «янтарным» и другими видами зарядов. Однако в 1733 году французский учёный Ш.Дюфэ проделал опыты и выяснил, что на электризуемых телах могут образовываться заряды только двух родов. Вот как он писал в своих научных трудах: «Один род я называю стеклянным электричеством, другой – смоляным. Тело, наэлектризованное стеклянным электричеством, отталкивает все тела со стеклянным электричеством и притягивает тела со смоляным электричеством». Сегодня два рода зарядов мы называем:
Справа стоит символ ±q – физическая величина электрический заряд. Электрические заряды характеризуют модулем и знаком одновременно, выражая в специальных единицах, кулонах. Как можно измерить заряд и чему равен 1 кулон (1 Кл), мы узнаем в старших классах.
Многократно электризуя одни и те же тела, можно заметить, что сила их взаимодействия бывает различной: большей или меньшей. В физике это объясняют тем, что модуль заряда бывает большим или малым.
Для обнаружения заряженных тел и сравнения их зарядов применяют прибор электроскоп (см. рисунок). Металлический корпус 1 спереди закрыт стеклом 2. Внутрь прибора вставлен металлический стержень 3 с легкоподвижными лепестками 4. От корпуса стержень отделён круглой пластмассовой втулкой 5. Если верхней части стержня коснуться заряженным телом, то лепестки отклонятся друг от друга тем сильнее, чем больше модуль заряда тела. К сожалению, с помощью электроскопа невозможно определять знаки зарядов тел.
«Электризация тел» - Электризация. Для очистки воздуха используются электростатические фильтры. Элетризация. Увелечение производительности труда, 50% экономия краски. Трут так же янтарь о янтарь, об алмаз, о стекло и многое другое. Формирование представлений об электризации, о взаимодействии заряженных тел. произошла от греческого «elektron», что в переводе означает янтарь-желтая смола.
«Заряд электрического поля» - Электростатика. Потенциал точечного заряда. Притяжение отталкивание взаимодействие отсутствует. Отношение напряжений на концах первого и второго проводников равно: 1) 1:4 2) 1:2 3) 4:1 4) 2:1. В какой точке поля потенциал меньше? 1) 1 2) 2 3) 3 4) Во всех точках поля потенциал одинаков. Закон сохранения заряда.
«Потенциал в физике» - Шару сообщили отрицательный заряд. Тест по физике «Электрическое поле». Вопрос №5. На рисунке – сечение уединенного проводящего полого шара. Вопрос №2. Вопрос №4. В каких областях пространства напряженность поля, создаваемого шаром отлична от нуля? Что показывает потенциал поля в данной точке. Вопрос №1.
«Электризация» - Как взаимодействуют тела, заряженные одноименно? А потом приближают к самолету металлический трап. Почему возникают искорки и слышен треск, когда мы снимаем нейлоновую рубашку? Электризуется одежда из синтетических тканей, полимерные и ковровые покрытия полов. Волосы встанут дыбом. Электрические явления в природе.
«Электрический заряд тела» - М., 1992 Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. Теоретический вопрос и досрочная сдача экзамена 751 - 850 - два!! Вопроса и досрочная сдача экзамена 651 – 750 – три!!! ОФ Чернов И.П. Вопросов и сдача экзамена только в назначенный срок, т.Е. По расписанию. Задачник по физике. Закон Кулона 1.3. Электростатическое поле.
«Напряженность электрического поля» - В 1979 г. в США было получено в лабораторных условиях самое высокое напряжение. Напряжение характеризует электрическое поле, создаваемое током. Напряженность электрического поля. Единица измерения напряжения в системе СИ: [ U ] = 1 B 1 Вольт равен электрическому напряжению на участке цепи, где при протекании заряда, равного 1 Кл, совершается работа, равная 1 Дж: 1 В = 1 Дж/1 Кл.
Вы замечали, что когда снимаете свитер или футболку летят искры и слышны потрескивания? А когда вы выходите из машины и вас бьёт током? Это статическое электричество или электризация тел. Она возникает в результате накопления электрических зарядов разных знаков на объектах с последующей их компенсацией. В этой статье мы кратко рассмотрим данное явление, причины его возникновения, а также способы применения как в быту, так и в промышленности.
Определение
Электризацией называется процесс разделения электрических зарядов и накопление их в определенных местах предметов и тел. Явление происходит в результате трения, соприкосновения тел или в результате электростатической индукции. Простыми словами, когда рядом расположен какой-то предмет, обладающий электрическим полем.
Напомним : в физике выделяют два рода зарядов – положительные и отрицательные, или протоны и электроны. Между ними возникает . Одноименные заряды притягиваются, а разноименные отталкиваются.
Явление наблюдается на источниках питания и не только. На диэлектриках накапливаются заряды, все видели это в опытах, иллюстрирующих явление с эбонитовыми и стеклянными палочками, которые демонстрировали на уроках физики в школе.
Изначально все атомы, из них состоит всё что нас окружает, электрически нейтральны. В результате явления электризации на поверхности предметов появляются положительные или отрицательные заряды. Напомним школьный опыт: если потереть эбонитовую палочку шерстяной тканью, после прекращения трения палочка останется заряженной. Тогда говорят, что тело электризовано.
Таким образом, во время трения электроны переходили с одного предмета на другой. В результате, после прекращения трения избыточные электроны остались «не на своих» телах и получился избыточный заряд, и оно перестало быть нейтральным. В результате трения палочки о шерсть или мех на её поверхности образовался отрицательный заряд.
Условия возникновения явления и способы передачи зарядов
Мы рассказали, как объясняется это явление в природе, а теперь давайте рассмотрим, как можно наэлектризовать тела. Сразу отметим, что выполнение всех условий необязательно – электризация может происходить по тем или иным причинам, разделим их на две основных группы:
Первая — это механическое взаимодействие. При трении расстояние между предметами сопоставимо расстоянию между молекулами в нём. Так как электроны в одном из тел слабее связаны с ядром – они переходят «вырываются» на другое тело. Другими способами электризации являются удар и соприкосновение.
Вторая группа — электризация влиянием, то есть явление наблюдается при воздействии на тело внешних сил, среди которых:
- Электрическое поле. В результате воздействия поля на проводник на его поверхности появляются заряды, причем чем меньше радиус изгиба поверхности – тем больше зарядов здесь скопится. Так на острие будет больше всего зарядов, подробнее этот вопрос мы рассматривали в статье и здесь
- Воздействие светом. Открыто профессором А.Г. Столетовым в 1888 году, заключается в том, что при воздействии светом на цинк, алюминий, цезий, натрий, свинец, калий и другие металлы они теряют электроны и становятся заряженными положительно.
- Теплом. При нагревании металла электронам сообщается энергия достаточная для того чтобы покинуть пределы металла, в результате он приобретает положительный заряд.
- Химическая реакция. При наличии двух электродов из разных металлов происходят окислительно-восстановительные реакции, в результате один из них становится заряженным положительно, а второй – отрицательно. Подробнее мы это рассматривали в статье про .
- Под давлением. В пьезоэлектриках (кварц, сегнетовая соль, фосфат аммония), при механическом воздействии (сжатии или растяжении), на гранях образуются положительные и отрицательные заряды.
Это и есть основные виды электризации.
Какие законы физики связаны с электризацией
Явление электризации связано с такими физическими законами как:
- . Описывает силу, с которой взаимодействуют заряды. Таким образом можно определить, как сильно наэлектризованные тела притягиваются друг к другу.
- . В нём сказано, что алгебраическая сумма зарядов в замкнутой системе неизменна. Это говорит о том, что избыточные заряды на электризованных предметах не появляются из ниоткуда, а переходят с тела на тело.
Мы уже рассматривали эти законы, вы можете ознакомиться подробнее в соответствующих статьях, на которые мы сослались.
Применение на практике
Явление электризации имеет как положительные и отрицательные проявления. Примеры положительного применения:
Также есть ряд применений для очистки, сортировки, фильтрации, а также в медицине для ускорения лечения.
Отрицательное влияние электризации может привести к фатальным последствиям:
- Возникновение искр при соприкосновении заряженных предметов. К таким случаям можно отнести искры в быту, которые проскакивают, когда вы снимаете свитер, когда вас бьёт током при выходе из машины. Например, самолёт в полёте электризуется и при подведении к нему трапа могут проскочить искры, а из-за этого возможно воспламенение, поэтому сначала снимают заряд с самолёта. Также известны случаи воспламенения нефтяных танкеров из-за электризации.
- Явление приводит к появлению больших электрических зарядов, они могут привести к выходу из строя электронных компонентов в технике, как при производстве техники, так и в процессе эксплуатации или ремонта. Это происходит в результате разрядки инструмента на печатную плату. Поэтому мастера по ремонту электроники должны работать в заземленных электрических браслетах и заземленными паяльниками и прочим. В современной элементной базе есть ряд технических решений по минимизации влияния электризации на их работу. Например, установка диодов Зенера параллельно цепи ЗАТВОР-ИСТОК полевых транзисторов.
Интересно! Известен случай, когда при покрытии лаком печатных плат после монтажа электронных компонентов, наблюдалась большая отбраковка, при том, что все изделия проходили проверку до покрытия лаком. Возник вопрос: как избавиться от проблемы электризации? Проблема решилась заземлением краскопульта.
