что такое мера электризации
Билет №15. Электризация тел. Два вида электрических зарядов. Взаимодействие зарядов. Закон сохранения электрического заряда
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.
: в физике выделяют два рода зарядов – положительные и отрицательные, или протоны и электроны. Между ними возникает электрическое поле. 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.
Статическое электричество в быту
Пенопластовые шарики прилипли к кошачьей шерсти из-за статического электричества
Статическое электричество широко распространено в обыденной жизни. Если, например, на полу лежит ковер из шерсти, то при трении об него человеческое тело может получить отрицательный электрический заряд, в то время как ковёр получит положительный. Другим примером может служить электризация пластиковой расчески, которая после причёсывания получает минус-заряд, а волосы получают плюс-заряд. Накопителем минус-заряда нередко являются полиэтиленовые пакеты, полистироловый пенопласт. Накопителем плюс-заряда может являться сухая полиуретановая монтажная пена, если её сжать рукой.
Электростатический разряд происходит при очень высоком напряжении и чрезвычайно низких токах. Даже простое расчёсывание волос в сухой день может привести к накоплению статического заряда с напряжением в десятки тысяч вольт, однако ток его освобождения будет настолько мал, что его зачастую невозможно будет даже почувствовать. Именно низкие значения тока не дают статическому заряду нанести человеку вред, когда происходит мгновенный разряд.[2]
С другой стороны, такие напряжения могут быть опасны для элементов различных электронных приборов — микропроцессоров, транзисторов и т. п. Поэтому при работе с радиоэлектронными компонентами рекомендуется принимать меры по предотвращению накопления статического заряда.
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:
Вторая группа — электризация влиянием, то есть явление наблюдается при воздействии на тело внешних сил, среди которых:
Это и есть основные виды электризации.
Три способа электризации тел
Электрически нейтральное тело можно наэлектризовать разными способами:
Электризация трением
Электризация трением происходит, когда вы трёте один предмет о другой.
Проведите эксперимент. Возьмите небольшой лист бумаги и пластмассовую ручку. Потрите ручку о волосы, а потом прикоснитесь к бумаге. Вы наэлектризовали ручку трением о волосы.
Электризация прикосновением
При взаимодействии двух тел, одно из которых наэлектризовано, незаряженное тело получает электрический заряд, если к нему прикоснуться заряженным. Если поднести пластмассовую ручку, обладающую положительным зарядом, к нейтральному стержню электроскопа, то произойдёт перераспределение заряда. Электроны стержня будут притягиваться положительным зарядом ручки (перетекать на ручку). Соответственно, на стержне образуется недостаток электронов, то есть положительный заряд. Причём равный по величине заряду ручки.
Электризация наведением (электростатическая индукция)
Этот способ электризации означает, что вы подносите заряженный предмет к изолированному проводнику, но не прикасаетесь к нему. Тогда на проводнике появляются заряды, притом на той его части, которая ближе к предмету, эти заряды противоположного знака. А на дальнем конце образуется заряд того же знака, что и на заряженном предмете.
При удалении заряженного предмета заряды на проводнике пропадают. Но если до удаления предмета разделить проводник на две части, то заряды на них сохранятся.
Какие законы физики связаны с электризацией
Явление электризации связано с такими физическими законами как:
Мы уже рассматривали эти законы, вы можете ознакомиться подробнее в соответствующих статьях, на которые мы сослались.
Молнии
Основная статья: Молния
В результате движения воздушных потоков, насыщенных водяными парами, образуются грозовые облака, являющиеся носителями статического электричества. Электрические разряды образуются между разноименными заряженными облаками или, чаще, между заряженным облаком и озоновым слоем земли, с последующим разрядом на землю. При достижении критической разности потенциалов происходит разряд молнии между облаками, на земле или в околокосмическом слое планеты. Для защиты от молний устанавливаются молниеотводы, проводящие разряд напрямую в землю.
Помимо молний, грозовые облака могут вызывать на изолированных металлических предметах опасные электрические потенциалы из-за электростатической индукции.
В 1872 году экспедицией под руководством географа Генри Ганнетта[en] была покорена 13-я по высоте гора штата Монтана (США)[en]. Ей дали название Электрический пик
, так как у первопроходцев-покорителей, находящихся на вершине, после грозы начали сыпаться искры из пальцев рук и волос на голове[3][4][5].
Делимость электрического заряда. Электрон
В эксперименте с электрометрами металлическим стержнем часть заряда переносится от одного электрометра на другой. Из опыта видно, что заряд делится. Если коснуться стержня второго электрометра рукой, то заряд с него снимется, и распределится по всему телу (человеческое тело является хорошим проводником электричества). Если снова соединить приборы стержнем из металла, оставшийся заряд опять разделится. При повторении тех же шагов заряд каждый раз будет делиться. Кажется, что этот процесс будет происходить до бесконечности.
Заряды постепенно настолько уменьшаются, что электрометр уже не в состоянии их измерить. Уже очень точные опыты показали, что делить заряд до бесконечности нельзя, существует наименьший электрический заряд, который поделить уже нельзя. Называют его элементарным зарядом с абсолютной величиной e. Заряды измеряют в кулонах (Кл) в честь Шарля Кулона, французского физика.
Элементарным электрическим зарядом с отрицательным знаком обладает частица электрон (греч. «еlectron» – «янтарь»).
Передача (проведение) электричества
Все ли вещества могут одинаково передавать электрический заряд? Ответ можно получить с помощью двух электрометров, металлического стержня и эбонитовой палочки. Стержень и палочка крепятся к пластмассовой ручке.
Вещества, способные проводить электрические заряды, как в случае под буквой б, называются проводниками (металлы, кислотные, щелочные и солевые растворы). Вещества, с помощью которых нельзя передать заряды, называются диэлектриками (изоляторами). Хорошие диэлектрики – это резина, стекло, эбонит, фарфор, пластмассы, воздух и др.
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:
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.
Электризация тел — условия, способы и области применения
В обычных условиях большинство предметов электронейтральны. Но иногда на их поверхности или в объеме может накопиться электрический заряд — положительный или отрицательный. Это явление называют электризацией тел. Оно изучается в электростатике — разделе физики, который рассматривает неподвижные электрические заряды.
Электризация в физике
Электризация — процесс разделения зарядов, при котором электрически нейтральные тела становятся заряженными. Ее можно описать с помощью таких законов физики, как закон Кулона и закон сохранения заряда.
Законы Кулона и сохранения заряда
Закон Кулона описывает, как заряды действуют друг на друга. Сила их взаимодействия (притяжения или отталкивания) прямо пропорциональна произведению их величин и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Противоположные заряды притягиваются, одинаковые — отталкиваются.
Закон сохранения утверждает, что алгебраическая сумма зарядов сохраняется. Если, как в определении явления, на одном предмете возник положительный заряд, на другом должен появиться такой же по величине отрицательный.
Электрический заряд не может существовать без носителя. Значит, на телах накапливаются носители — электроны. Тело с их избытком заряжается отрицательно, а с недостатком — положительно.
Названия «отрицательный» и «положительный» для зарядов условны, важно то, что они бывают двух разных типов.
Свойства статического электричества
Наэлектризоваться могут не только твердые тела, но и жидкости и газы. В них происходит перераспределение ионов. Электризуются вещества разных классов: диэлектрики, полупроводники, изолированные проводники.
При разделении наэлектризованных предметов заряд на них сохраняется. Чем больше будут удалены тела друг от друга, тем больше будет разность потенциалов на них.
При соприкосновении с нейтральными или по-другому заряженными телами заряд может релаксировать — перетечь на другое тело, поэтому человека в синтетической одежде может «ударить током», если он прикоснется к металлической батарее или холодильнику. Также может произойти электрический разряд через воздух от заряженного тела к незаряженному, расположенному на некотором расстоянии.
Как наэлектризовать предмет
Создать статическое электричество на поверхности тела можно разными способами:
При соприкосновении электрически незаряженного тела с заряженным предмет электризуется с тем же знаком.
При трении предметов из различных видов материалов на их поверхностях возникают разноименные электрические заряды. Причина явления — различие сил, с которыми взаимодействуют атомы или молекулы. Кратко можно сказать, что вещество, в котором атомы или молекулы связаны друг с другом сильнее, притягивает к себе электроны из другого, где частицы взаимодействуют с меньшей силой.
Примеры явления
Само явление электризации было открыто еще в Древней Греции, когда заметили, что при натирании янтаря шерстью он начинает притягивать пыль, нитки, ворс. Это вещество по-гречески называется «электрон», отсюда и получили название все связанные с электричеством явления.
Положительно электризуется стекло при трении о шелк, отрицательно — эбонит при трении о шерсть. Все знают примеры электризации в быту, например, положительно заряжаются волосы, когда расчесываются пластиковой расческой, а сама расческа электризуется отрицательно. Заряжаются положительно стекло, бумага, шерсть, отрицательно — резина, силикон, пластик.
Статическое электричество дольше всего сохраняется на предметах, если воздух сухой. Влажный воздух проводит электричество, и предметы быстро перестают быть наэлектризованными. В присутствии комнатных растений, кипящего чайника, которые повышают влажность, статика на одежде и волосах появляется реже.
Известный пример электролизации — молния. Это электрический разряд, проскакивающий между разноименно заряженными облаками или между облаком и землей. Заряженные грозовые тучи могут вызывать электризацию различных предметов на земле из-за перераспределения зарядов на них.
Показательные опыты
Показать взаимодействие одинаково или противоположно заряженных тел можно при помощи обычного скотча. Для этого необходимо две полоски клейкой ленты по 12,5 см.
Чтобы продемонстрировать отталкивание, полоски приклеивают к столу так, чтобы кусочек длиной 2,5 см остался свободным. Эти свисающие концы закрепляют на двух карандашах. Если резко оторвать скотч от стола, не касаясь его руками, полоски наэлектризуются одинаково. Теперь их нужно развести на некоторое расстояние и постепенно сближать. На определенном расстоянии будет заметно отталкивание полосок.
Чтобы продемонстрировать притяжение разноименно заряженных тел, одну полоску скотча электризуют, как в предыдущем опыте, а затем кладут на стол липкой стороной вверх. Другую полоску, предварительно закрепленную на карандаше, кладут на первую, а затем отрывают. Тогда полоски будут заряжены противоположно. Как и в предыдущем опыте, на определенном расстоянии можно заметить притягивание полосок.
Опасность процесса
Заряд на наэлектризованном предмете может быть довольно большим, и напряжение может достигать десятков киловольт, но из-за очень маленьких значений силы тока оно для человека неопасно.
Однако такие небольшие разряды могут оказать отрицательное влияние на точную электронику, например, микропроцессоры, поэтому при работе с электронными компонентами: при их производстве, ремонте или использовании особое внимание уделяют предотвращению электронизации.
При некоторых условиях релаксация большого накопленного заряда может привести к возгоранию. Самолеты электризуются в полете, поэтому может произойти разряд, когда подводят трап. Чтобы избежать этого, с самолета снимают статическое электричество, отводя его в землю. По этой же причине на бензовозы всегда прикрепляют цепочку, соприкасающуюся с землей. Так предупреждают возгорание топлива.
Практическое применение
Накопление статического электричества на предметах может быть опасно, но у этого явления есть и положительные стороны. Электризация тел применяется на практике в различных областях:
Также это явление используется для сортировки, фильтрации, очищения. Электростатика используется и в медицине.
Электризация связана с возникновением избытка или недостатка электронов на поверхности или внутри предметов. Создать их можно разными способами, например, трением или прикосновением к заряженном предмету. Электризация имеет практическое применение, но в некоторых случаях может быть опасной.
Что такое электризация тел и как она возникает?
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.
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 закон Кулона гласит: два неподвижных точечных заряда q1 и q2, расстояние между которыми равно r, действуют друг на друга с силой:
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:
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:
При этом заряд на стержне равномерно распределится по его поверхности. Если металлический предмет неправильной формы, заряды распределятся неравномерно – концентрация электронов будет больше на выпуклостях и меньше на впадинах. При разделении тел происходит перераспределение заряженных частиц.
Свойства наэлектризованных тел
Применение на практике
Вредное воздействие:
Способы борьбы: заземление ёмкостей с горючим, работа в антистатической одежде, заземление инструментов и т.п.
Электризация тел. Электрический заряд
Понятие электризации тел. Виды электризации
В глубокой древности дочь древнегреческого философа Фалеса Милетского обратила внимание отца. Что к ее янтарному украшению притягиваются легкие пушинки, ворсинки меха. Философ заинтересовался этим явлением. И после проведения различных наблюдений, установил. Что этим свойством обладают и другие вещества. Стеклянная палочка потертая о шелк, эбонитовая палочка, потёртая о сукно или мех. В семнадцатом веке такие явления были названы электрическими (от греческого слова электрон — янтарь). Если потереть о сухое сукно эбонитовую палочку, то не только палочка, но и сукно, начинает притягивать кусочки бумаги. Значит при трении электризуются оба тела.
Наэлектризовать тело это значит сообщить телу электрический заряд.
Существует несколько способов электризации тел:
1) Трение (Эбонитовая палочка потертая о мех).
2) Прикосновение (к металлической гильзе коснуться наэлектризованной стеклянной палочкой).
3) Влияние (поднести заряженную палочку к струйке воды).
Существуют два вида электрического заряда
1. Положительный заряд, который можно получить при трении стеклянной палочки о бумагу.
2. Отрицательный заряд, который можно получить при трении эбонитовой палочки о мех.
Между заряженными телами существуют различные виды взаимодействия. Если взять два тела с отрицательными зарядами, то они друг от друга отталкиваются. А если взять одно тело положительное, а другое отрицательное, то эти тела притягиваются.
Объяснение электризации тел. Проводники и их свойства.
Чтобы объяснить, как происходит процесс электризации тел, рассмотрим строение проводников.
Проводниками называют вещества, которые проводят электрический заряд.
К проводникам относятся: металлы, растворы солей и кислот, тело животного и человека, Земля. В проводниках атомы устроены так, что электроны, которые расположены на последней орбите, слабо удерживаются ядром и покидают атом и становятся свободными. Существование свободных электронов в проводниках и помогает объяснить явление электризации тел. Электроны имеют отрицательный заряд. Рассмотрим опыт: возьмём металлическую гильзу и подвесим её на нити. Поднесем к ней наэлектризованную стеклянную палочку с положительным зарядом. Так как гильза это проводник и у нее много свободных электронов они сместятся в сторону стеклянной палочки. В результате гильза и палочка начнут притягиваться друг к другу.
Прибор, определяющий величину заряда. Его устройство и действие.
Немецкий физик Рихман создает прибор, при помощи которого можно определить величину электрического заряда. Этот прибор был назван электроскопом, в настоящее время прибор усовершенствован и называется электрометром.
1. Из двух стеклянных дисков.
2. Металлический обод.
3. Металлический стержень.
5. Полый металлический шар.
6. Шкала с делением.
Поднесем отрицательно заряженное тело к электрометру. Так как стержень и стрелка проводники. И в них много свободных электронов. Они начинают смещаться вниз (они отталкиваются от отрицательно заряженного тела). Внизу образуется избыток электронов. На стрелке и на стержне образуются одинаковые заряды, которые друг от друга отталкиваются. Поэтому стрелка отклоняется на некоторый угол от стержня. По углу отклонения стрелки можно судить о величине электрического заряда.