Как проявляется закон сохранения заряда при электризации трением

Объяснение электризации. Закон сохранения заряда

Открытие электрона и строения атома позволило объяснить многие электрические явления.

1. Как происходит электризация тел при трении? Тела, состоящие из нейтральных частиц (атомов и молекул), в обычных условиях не обладают зарядом. Однако в процессе трения часть электронов, покинувших свои атомы, может перейти с одного тела на другое. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний. Но если тела после трения разъединить, то они окажутся заряженными: то тело, которое отдало часть своих электронов, будет заряжено положительно, а то тело, которое их получило,— отрицательно.

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

2. Почему через металлы проходит электрический заряд, а через диэлектрики нет? В диэлектриках электроны связаны с ядрами своих атомов и не могут свободно перемещаться по всему телу. В металлах связь электронов с ядрами слабее. Поэтому некоторые из них отрываются от своих атомов и начинают свободно перемещаться по всему объему тела (такие электроны называют свободными электронами). Эти электроны и переносят заряд по проводнику.

Разделение зарядов может наблюдаться при трении любых тел — как диэлектриков, так и металлических проводников. Почему же тогда в опытах по электризации используют, как правило, такие тела, как янтарь, стекло, эбонит и т. п. (т. е. диэлектрики)? Дело в том, что только на таких телах заряд будет оставаться на том же месте, где он возник: ведь через диэлектрик заряды перемещаться не могут. Если же наэлектризовать трением о мех или бумагу металлический предмет, то появившийся на нем заряд тут же уйдет через предмет, а затем через руку в тело человека, проводящего опыт. (Перемещение зарядов обусловлено взаимным отталкиванием свободных электронов.) Этого, правда, можно избежать, если держать металлический предмет за изолирующую ручку. Тогда появившийся заряд так и останется на металле.

3. Изменяется ли общий заряд тел при электризации? Проведем опыт. Укрепим на стержне электрометра металлический диск и, положив на него прослойку из сукна, поставим сверху еще один такой же диск, но с ручкой из диэлектрика. Совершив несколько движений верхним диском по изоляционной прослойке, уберем его в сторону. Мы увидим, что стрелка электрометра отклонится, свидетельствуя о появлении на сукне и соприкасающемся с ним диске электрического заряда (рис. 12, а).

Продолжим опыт. Прикоснемся другим диском (которым мы терли о сукно) к стержню другого электрометра. Стрелка этого электрометра отклонится примерно на такой же угол, что и первого электрометра (рис. 12, б). Это означает, что при электризации оба диска получили одинаковый по модулю заряд. Что можно сказать о знаках этих зарядов? Для ответа на этот вопрос завершим опыт, соединив оба электрометра металлическим проводником. Мы увидим, как стрелки обоих приборов опустятся вниз. Нейтрализация зарядов свидетельствует о том, что они были равны по модулю, но противоположны по знаку (и, следовательно, в сумме давали нуль).

Этот и другие опыты показывают, что в процессе электризации общий (суммарный) заряд тел сохраняется: если он был равен нулю до электризации, то таким он и останется после нее.

Почему так происходит? Когда, например, эбонитовую палочку трут о шерсть, то она, как мы уже знаем, заряжается отрицательно, а шерсть при этом заряжается положительно. Происходит это потому, что при трении на эбонитовой палочке образуется избыток электронов, а на куске шерсти — недостаток. При этом заряды шерсти и эбонитовой палочки оказываются равными по модулю и противоположными по знаку. Объясняется это тем, что недостаток электронов на шерсти в точности равен их избытку на эбоните. При этом полный электрический заряд на шерсти и на эбоните по-прежнему оказывается равным нулю, т. е. сохраняется.

Полный электрический заряд сохраняется и в том случае, если первоначальные заряды тел были отличны от нуля. Если обозначить первоначальные заряды тел через q₁ и q₂, а заряды тех же тел после их взаимодействия через q₁‘ и q₂‘, то можно записать:

При любых взаимодействиях тел их полный электрический заряд остается неизменным.

В этом заключается фундаментальный закон природы, называемый законом сохранения электрического заряда.

Закон сохранения заряда был установлен в 1750 г. американским ученым и видным политическим деятелем Бенджамином Франклином. Он же впервые ввел представление о положительных и отрицательных зарядах, обозначив их знаками «+» и «–».

. 1. Объясните возникновение положительного и отрицательного зарядов в процессе электризации трением. 2. Почему металлы проводят электрический заряд, а диэлектрики нет? 3. Почему на эбоните и на шерсти при их соприкосновении образуются заряды, которые равны по модулю и противоположны по знаку? 4. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда. 5. Почему при заземлении заряженного проводника почти весь его заряд переходит в землю?

Экспериментальное задание. Поднесите к незаряженной гильзе (см. рис. 7) отрицательно заряженный предмет. Почему гильза к нему притягивается: она ведь не заряжена? Что происходит со свободными электронами внутри гильзы? На какой стороне гильзы (той, которая обращена к поднесенному предмету, или на противоположной) образуется избыточное число электронов? Как при этом заряжается другая сторона гильзы? Почему та же самая гильза после соприкосновения с заряженным предметом тут же отталкивается от него?

Электризация тел и электрический заряд

Слова «электричество» и «электрический ток» знакомы сейчас каждому человеку. Электрический ток используется на транспорте, в наших домах, на заводах, фабриках, в сельском хозяйстве и т. д. Но чтобы понять, что он собой представляет, надо ознакомиться сначала с большим кругом явлений, называемых электрическими.

Некоторые из этих явлений были открыты еще в глубокой древности. Древнегреческий ученый Фалес (VII—VI вв. до н. э.) заметил, что натертый шерстью янтарь начинает притягивать к себе легкие кусочки других материалов (соломинки, шерстинки и т. п.). (Янтарь представляет собой затвердевшую смолу хвойных деревьев, которые росли на Земле около 50 миллионов лет назад.) Через две тысячи лет английский физик У. Гильберт (1544—1603) обнаружил, что аналогичной способностью обладает не только натертый янтарь, но и алмаз, сапфир, стекло и некоторые другие материалы. Все эти вещества он назвал электрическими, т. е. подобными янтарю (поскольку греческое слово «электрон» означает «янтарь»).

Впоследствии про тело, которое после натирания приобретало свойство притягивать к себе другие тела, стали говорить, что оно наэлектризовано, или что ему сообщен электрический заряд. А процесс сообщения телу электрического заряда стали называть электризацией.

Физическую величину, называемую электрическим зарядом, обозначают буквой q:

q — электрический заряд.

Единица электрического заряда в СИ называется кулоном (1 Кл) в честь французского физика Ш. Кулона (1736—1806). Определение этой величины будет дано в § 10.

Тело, у которого q ≠ 0, называют заряженным, а тело, у которого q = 0,— нейтральным (незаряженным).

Обратимся к опыту. Возьмем стеклянную палочку и поднесем ее к маленьким кусочкам бумаги. Мы увидим, что ничего не произойдет. Это говорит о том, что в обычном состоянии стекло (как и большинство других тел) электрически нейтрально. Теперь потрем палочку о лист бумаги и снова поднесем ее к кусочкам бумаги. Мы увидим, как они тут же к ней притянутся (рис. 1). Это означает, что в результате трения о бумагу палочка наэлектризовалась: ее электрический заряд стал отличным от нуля (q ≠ 0).

Аналогичное явление можно наблюдать и при расчесывании сухих волос. Притяжение волос к расческе также представляет собой результат электризации.
Приблизив наэлектризованную палочку к тонкой струйке воды, можно убедиться в том, что притягиваться способны не только твердые тела, но и жидкие (рис. 2).

Поднеся к руке наэлектризованный предмет или поместив руку вблизи экрана работающего телевизора, на поверхности которого тоже имеются электрические заряды, можно услышать легкое потрескивание, а в темноте иногда удается увидеть даже маленькие искорки. Это тоже проявление электричества.

Электрические заряды, возникающие при электризации трением, иногда называют статическим электричеством. Чаще всего оно является безобидным (например, когда вы снимаете через голову одежду из синтетического материала, шаркаете ногами по ковру или ерзаете на стуле во время урока). Но иногда оно бывает и опасным. Например, электризацию жидкости при трении о металл, по поверхности которого она течет, следует учитывать при переливании бензина из цистерны. Если не предпринимать специальных мер предосторожности, направленных на снятие электрического заряда, то это может привести к воспламенению бензина и взрыву.

Следует помнить, что в результате электризации трением электрический заряд приобретают оба тела. Например, при соприкосновении стеклянной палочки и резины электризуется и стекло, и резина. Резина, как и стеклянная палочка, начинает притягивать к себе легкие тела (рис. 3).

Чтобы наэлектризовать тела, одного касания, как правило, недостаточно. Тела следует, плотно прижав, тереть друг о друга. Делается это для того, чтобы уменьшить расстояние между телами и одновременно с этим увеличить площадь соприкосновения между ними.

Стеклянная палочка, потертая о шелк, притягивает к себе легкие предметы (например, кусочки бумаги). Те же кусочки будут притягиваться и к эбонитовой палочке, потертой о мех. (Эбонит — твердый материал, получаемый из каучука с большим количеством серы.) Означает ли это, что заряды, приобретенные этими телами, ничем не отличаются друг от друга?

Обратимся к опытам. Наэлектризуем трением о мех эбонитовую палочку, подвешенную на нити. Приблизим к ней другую такую же палочку, наэлектризованную трением о тот же кусочек меха. Мы увидим, что палочки оттолкнутся (рис. 4). Так как палочки одинаковые и наэлектризовали их трением об одно и то же тело, можно утверждать, что на них были заряды одного рода. Опыт показал, что тела, имеющие заряды одного рода, отталкиваются друг от друга.

Теперь поднесем к наэлектризованной эбонитовой палочке, подвешенной на нити, стеклянную палочку, потертую о шелк. Мы увидим, что они притянутся (рис. 5). Если бы на стеклянной палочке был заряд того же рода, что и на эбонитовой палочке, то они оттолкнулись бы. Мы же наблюдаем притяжение. Это означает, что заряд, образовавшийся на стекле, потертом о шелк, другого рода, чем на эбоните, потертом о мех. Опыт, показанный на рисунке 5, говорит о том, что тела, имеющие заряды разного рода, притягиваются друг к другу.

Приближая к подвешенной наэлектризованной эбонитовой палочке заряженные тела из различных веществ: резины, плексигласа, пластмассы, капрона и т. д.,— мы увидим, что в одних случаях палочка от них отталкивается, а в других притягивается.

Все эти опыты показывают, что в природе существуют два рода электрических зарядов.

Заряд того рода, который возникает на стекле, потертом о шелк, назвали положительным (+), а заряд того рода, который возникает на янтаре, потертом о шерсть, назвали отрицательным (–).

В результате опытов по электризации было установлено, что все вещества можно расположить в ряды, в которых предыдущее тело электризуется при трении о последующее тело положительно, а последующее при этом — отрицательно. Вот, например, один из таких рядов: кроличий мех, стекло, кварц, шерсть, шелк, хлопок, дерево, янтарь, каучук.
Описанные выше опыты показывают, что характер взаимодействия заряженных тел подчиняется простому правилу: тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды противоположного знака, взаимно притягиваются. Более кратко это правило формулируют так: одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются.

. 1. Что называют электризацией? 2. От какого греческого слова происходит термин «электричество»? 3. Одно или оба тела электризуются при трении? 4. Какие два рода электрических зарядов существуют в природе? Из каких опытов следует, что их действительно два? 5. Сформулируйте правило, описывающее характер взаимодействия заряженных тел. 6. Кусочек дерева потерли о шелк. Какие заряды (по знаку) появились на кусочке дерева и какие на шелке? 7. Как называется единица заряда? 8. Выполнив экспериментальные задания, опишите опыты, изображенные на рисунке 6.

Экспериментальные задания. 1. Надуйте детский воздушный шарик, после чего потрите его о шерсть, мех или свои волосы. Почему шарик начинает прилипать к различным предметам и даже к потолку? 2. Оберните карандаш металлической фольгой и осторожно снимите с карандаша образовавшуюся гильзу. Подвесьте ее на шелковой или капроновой нити, как показано на рисунке 7. Коснитесь гильзы наэлектризованным телом, знак заряда которого известен. Затем наэлектризуйте другие тела (пластмассовую ручку, расческу, стеклянный стакан и т. п.) и, поднося их к гильзе, определите знак заряда этих тел. Результаты опытов запишите в тетрадь.

1.2. Закон сохранения заряда. Электризация.

Как показывает опыт, электрический заряд в природе сохраняется. В 1750г. американским ученым и видным политическим деятелем Бенджамином Франклином (1706-1790 гг.) был сформулирован закон сохранения заряда.

Закон сохранения заряда — фундаментальный закон природы. Внутри изолированной системы при любых взаимодействиях алгебраическая сумма зарядов (с учетом знака заряда) остается неизменной

q₁+q₂ +. + q_n = const

Закон сохранения заряда выполняется в изолированной (замкнутой) системе заряженных тел, в которую не вводятся извне и не выводятся из нее электрические заряды.

Из закона сохранения следует:

1. Если возникает новая заряженная частица (а это случается очень часто), то одновременно обязательно наблюдается рождение частицы, имеющей заряд противоположного знака (античастицы).

2. Аннигилируют пары противоположно заряженных частиц (при встрече частицы и античастицы) тоже одновременно.

Исследования показали, что поверхность Земли обладает отрицательным электрическим зарядом, который равен -0,6 • 10 6 Кл. Равный ему положительный заряд находится в атмосфере, в слое воздуха, на высоте несколько тысяч километров над Землей. Так проявляется закон сохранения электрического заряда в природе.

Закон сохранения заряда выполняется при электризации макроскопических (больших) тел.

! Электризация — процесс сообщения заряда макроскопическому телу.

Макроскопическое тело состоит из электрически нейтральных молекул или атомов. Считается, что тело электрически заряжено, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц одного знака. Отрицательный заряд тела объясняется избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный — их недостатком.

Заряд тела — произведение числа электронов (избыточных или недостающих) на элементарный заряд:

q = ±Ne

При электризации заряды перераспределяются: часть электронов с одного тела переходит на другое тело, которое становится отрицательно заряжено; тело, потерявшее часть электронов, приобретает такой же по абсолютному значению положительный заряд. Таким образом, при электризации выполняется закон сохранения заряда.

Трудно определить теперь, кто первым обратил внимание на удивительную способность янтаря, потертого о шерсть, притягивать к себе различные легкие предметы, не соприкасаясь с ними. Произошло это очень давно. По мнению древнегреческого философа Фалеса Милетского, жившего в VI в. до н. э., вероятно, это были ткачи. Позднее было обнаружено, что таким свойством обладает не только янтарь, но и стекло, эбонит и другие вещества, потертые о мех или кожу. Янтарь по-гречески — электрон, и поэтому тела, приведенные в данное состояние, стали называть наэлектризованными.

Электризация возникает:

• при трении поверхностей тел;
• под влиянием электрического поля (наведение заряда) — электростатическая индукция.

С явлением электризации мы имеем дело на каждом шагу в быту, на производстве и во время работы технических устройств. Заряды статического электричества могут накапливаться на одежде людей, особенно при пользовании обувью с синтетическими подошвами, одеждой и бельем из шерсти, шелка и искусственных волокон, при передвижении по непроводящему покрытию пола. Электризация, возникающая в быту, чаще является безобидной: можно услышать легкое потрескивание, в темноте иногда удается увидеть маленькие искорки, неприятное ощущение в мгновение легкого электрического разряда. Неудобства, доставляемые бытовой электризацией, можно устранить, используя антистатические вещества. Электризация, возникающая в производстве, опасна с точки зрения возникновения взрыва и пожара. Поэтому необходимо предпринимать меры, направленные на снятие электрического заряда. В производственных условиях накопление зарядов статического электричества происходит в следующих случаях: при наливе электризующихся жидкостей (этилового эфира, сероуглерода, бензола, бензина, толуола, этилового и метилового спирта) в незаземленные резервуары, цистерны и другие емкости; во время протекания жидкостей по трубам, изолированным от земли; при выходе из сопел сжиженных или сжатых газов; во время перевозки жидкостей в незаземленных цистернах и бочках; при фильтрации через пористые перегородки; при очистке тканей, загрязненных диэлектрическими жидкостями; в процессах перемешивания веществ в смесителях; от трения шлифовальной шкуркой и др. Изучая явление электризации, ученые и конструкторы пытаются извлечь из него пользу. Например, созданы электрокопировальные аппараты, компьютерныепринтеры, фильтры для труб, в основе действия которых — электризация. Используя явление электризации, придумали способ равномерного нанесения лакокрасочных покрытий, способ быстрого копчения, например, рыбы, мяса и многое другое.

2.Электризация трением.

Это явление было известно ещё в 7 веке до н.э. Существует легенда, согласно которой дочка греческого философа Фалеса Милетского тщательно пыталась очистить своё янтарное веретено от ворсинок, всё равно прилипавших к веретену.

В начале 17 века английский физик Уильям Гильберт обнаружил, что не только янтарь, но и другие вещества обладают подобным свойством. Например, стеклянная палочка, потёртая о шёлк, или эбонитовая палочка, потёртая о мех или сукно, также притягивают к себе ворсинки, маленькие кусочки бумаги и т.д.

Эти явления Гильберт связывал с появлением на палочках зарядов в результате натирания. Гильберт ввёл в науку термин «электричество» от слова electron – янтарь.

Объяснить природу электризации трением стало возможным только во второй половине 20 века. Оказалось, что само трение играет здесь второстепенную роль.

При перемещении соприкасающихся тел относительно друг друга в местах некоторых выступов возникает наиболее тесный контакт. В результате этого, электроны одного тела получают возможность перейти на другое, и тогда одно из тел приобретает избыток электронов и становится заряженным отрицательно, а на другом возникает недостаток электронов и оно становится заряженным положительно. Таким образом, произошло перераспределение зарядов.

Явление перераспределения зарядов между телами называется электризацией, а сами тела, получившие при этом заряды, называются наэлектризованными телами.

При натирании стекла шёлком стекло заряжается положительно, а шёлк – отрицательно.

При натирании эбонита мехом эбонит заряжается отрицательно, а мех – положительно.

3.Обнаружение заряда.

Первый прибор, позволяющий оценить величину заряда заряженных тел, сконструировал для своих исследований Уильям Гильберт. Называется этот прибор электроскоп.

Устройство самого простейшего электроскопа показано на фотографии.

Заряженным телом касаются шарика электроскопа. По проводящему металлическому стержню, изолированного от металлического корпуса, часть заряда переходит на бумажные листочки. Так как они оказываются заряженными одноимённо, то они расходятся. Чем больший заряд оказался на листочках, тем на большее расстояние они разойдутся.

Более чувствительным прибором для обнаружения и оценки величины заряда на теле является электрометр, показанный на

фотографии. Вместо листочков используется лёгкая металлическая стрелка, которая насажена на горизонтальную ось, проходящую через проводящий стержень. Так же, как и в случае электроскопа, заряженным телом касаются шарика на проводящем изолированном от корпуса стержне. Полученный заряд распределяется между стрелкой и стержнем. Стрелка отталкивается от одноимённо заряженного стержня на угол, величина которого зависит от величины заряда, перешедшего на стержень и стрелку, а он, в свою очередь, зависит от заряда тела. Корпус электрометра металлический и заземлён, т.е. соединён проводом с землёй. Именно это придаёт электрометру большую чувствительность, так как на корпусе электрометра возникают заряды противоположного знака, наведённые за счёт электростатической индукции (с этим явлением вы познакомитесь позже), и стрелка отклоняется на больший угол.