Процесс электризации при взаимодействии зарядов тел

Порой наблюдение за обыденными природными явлениями приводит к появлению целых разделов в физике. Так и исследование взаимодействия веществ при их натирании привело к созданию науки — электростатики. Занимается она изучением возможности разделения зарядов в физических телах — электризацией. А также важным последствием этого действия — наэлектризованностью. Как оказалось, статическое электричество не всегда полезно, поэтому с ним приходится бороться.

Оглавление:

• Общие сведения
• Проводники и диэлектрики
• Законы электризации
• Применение явления

Общие сведения

Случается так, что при стирке приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные высушенные вещи, или приводить в порядок встающие дыбом волосы во время расчёсывания. Пожалуй, многие в детстве подвешивали воздушный шар к потолку, после его трения о голову. Рассмотренные явления притяжения и отталкивания как раз и объясняются проявлением статического электричества. Действия вызывающее же его называют электризацией. Гладя кошку или снимая свитер человек сам поневоле становится генератором явления.

Процессы, которые происходят с телами при трении впервые заметил около 2500 лет тому назад древнегреческий философ Фалес Милетский. Он обнаружил, что если янтарь натереть шёлком, то он обретает способность к притягиванию различных лёгких предметов. Явление, которое он открыл, получило название янтарность. Сегодня его называют электризацией. Это название происходит от слова «электрон» — созвучно слову «янтарь» на греческом.

Изучая природное явление, учёные пришли к выводу, что на телах при трении появляется что-то новое позволяющее взаимодействовать веществам между собой. Это свойство было названо электрическим зарядом. Оказалось, что при электризации тело способно взаимодействовать с другими веществами с силой, которая больше гравитационной. Кроме этого, было обнаружено, что наэлектризованные предметы могут как притягиваться друг к другу, так и наоборот — отталкиваться.

Было установлено, что существует два вида зарядов. Исторически они были названы стеклянными и эбонитовыми из-за предметов, с помощью которых проводились опыты. Но в физике для них принято использовать другие названия:

• положительные;
• отрицательные.

Как оказалось, в процессе трения (электризации) заряды появлялись на обоих предметах. Причём они были различного типа. Например, если потереть полиэтилен о стеклянную палочку, а потом поднести поочерёдно оба предмета к другому стеклу, то можно обнаружить, что палочка будет отталкиваться, а полиэтилен, наоборот — пристанет к поверхности.

Таким образом, было открыто, что в спокойном состоянии общий заряд тел равен нулю. Но если выполняется электризация, то происходит его разделение, а не появление, как предполагалось ранее. Учёные по аналогии с математикой договорились считать, что притягивание связано с одинаковым знаком заряда (сумма), а отталкивание — различным (вычитание).

Проводники и диэлектрики

Любое физическое тело состоит из атомов и молекул. Они, в свою очередь, образуются из элементарных частиц — нейтронов и протонов, формирующих ядро. Вокруг него по орбиталям, расположенным на разном расстоянии, вращаются электроны. Это частица, которую назвали электроном и приняли, что она обладает отрицательным зарядом. Другими словами, способна участвовать в его переносе.

В любом теле одновременно присутствуют два вида заряда противоположных знаков, кроме отрицательного ещё и, положительный, носителем которого являются протоны. Если вещество не наэлектризовано, то количество противоположных по знаку частиц будет одинаковым. Поэтому суммарный заряд тела равняется нулю.

Кратко процесс электризации можно описать следующим образом. При взаимодействии веществ электроны с одного тела могут перейти на другое. В одном из них возникнет их избыток, и оно условно зарядится отрицательно, а во втором недостаток — вещество станет положительным. Может сложиться впечатление, что для появления эффекта обязательно нужно трение, но на самом деле это не так. С его помощью просто увеличивается число точек соприкосновения тел.

Исследование веществ позволило разделить их на два класса:

• диэлектрики;
• проводники.

Отличие этих тел состоит в том, что в первых невозможно возникновение направленного перемещения зарядов. Например, яркими представителями проводников являются: металлы, кислоты, растворы щелочей. Из диэлектриков же можно отметить: пластмассы, стекло, газы, парафин, янтарь.

Электролизация в проводниках невозможна. Причина связана с тем, что отделить тела один от другого сразу по всей поверхности нельзя. Вследствие их шероховатости при отрыве всегда остаются точки соприкосновения. Так как электроны свободно перемещаются по проводнику, то через эти «мостики» в последний момент все избыточные частицы вернутся, а тела окажутся незаряженными.

Законы электризации

Изучение влияния заряженных тел привело к необходимости определения не только условий взаимодействия, но и проведения количественно анализа этого явления. Вычислением этой силы и занялся в своё время учёный Шарль Огюстен де Кулон. Он изучал процессы, происходящие между телами, размеры которых намного меньше расстояния возникновения их взаимодействия. Эти вещества получили название точечные заряды, то есть тела размерами которых можно пренебречь.

Рассуждение учёного заключалось в следующем. Пусть существуют положительные заряды (q1) обладающие силой F 2 и отрицательные (q2) с F1. Из соображений симметрии можно заключить, что их взаимодействие происходит по прямой. При этом F1 = F2 = F. В соответствии с экспериментом величина влияния зависит от расстояния между зарядами r.

Определение закона, который связывает три величины между собой F, q, r был сформулирован Кулоном в 1785 году. Исследуя деформацию кручения, он научился измерять малые величины и создал устройство, названное крутильными весами. С их помощью он установил следующее:

• сила взаимодействия зарядов прямо пропорциональна модулю первого и второго заряда;
• квадрат расстояния между взаимодействующими зарядами обратно пропорционален F.

Таким образом, учёный получил формулу: F = k * (| q1| * | q2| / r²), где k — коэффициент пропорциональности. То есть два точечных неподвижных заряда взаимодействуют с силами, лежащими на прямой проходящей через них, пропорциональными произведению их модулей и обратно пропорциональными квадрату расстояния между ними. В СИ коэффициент пропорциональности равняется: K = 9 * 10⁹ [Н * м² / Кл].

Эмпирическим путём было установлено, что алгебраическая сумма электрических зарядов, существующая в теле, равняется нулю. При этом после электризации это значение не изменится. Но для выполнения этого условия нужно, чтобы область взаимодействия была изолированной. Это утверждение справедливо как для макро, так и микромиров. Закон получил название — сохранение электрического заряда. Записывается он так: q1 + q2 = 0.

Выходит, что электрический заряд в изолированной системе имеет строгую величину. При взаимодействии его значение не изменяется, а происходит только перераспределение. Узнать же значение силы можно с помощью закона Кулона.

Применение явления

Можно сказать, что человечество буквально купается в электростатическом поле. Оно существует вокруг Земли. Возникает поле из-за существования ионосферы — верхнего слоя атмосферы. Проводящий слой образовался под действием космического излучения. Большую роль в этом сыграло Солнце. Ионосфера обладает собственным зарядом.

Существование статического электричества приводит к такому явлению, как молния. В первом приближении механизм образования грозового облака сходен с электризацией расчёски. Льдинки, образуясь из мелких капелек воды, сталкиваются между собой. При этом более крупные заряжаются отрицательно, а меньшие — положительно.

Последние собираются в верхней части облака, а первые в нижней. В результате оно индуцирует на поверхности Земли положительный заряд. По мере увеличения количества зарядов растёт напряжённость в облаке. Как только превысится определённый её порог, происходит пробой — возникновение молнии, притягивающейся к Земле. Понимая принцип явления известный учёный Бенджамин Франклин, придумал применять металлические проводники, располагающиеся над поверхностью высоких зданий. Они притягивают молнии, тем самым защищая сооружения от пожаров.

Статическое электричество является врагом радиоинженеров. При ремонте электронных плат с помощью накопленных на поверхности зарядов можно вывести из строя рабочие радиоэлементы. Для борьбы с ним применяются антистатические браслеты.

Электронизация производства направлена на создание энергоэффективных модулей, которые бывают настолько чувствительные к любому всплеску энергии, что сразу же выходят из строя. Поэтому для их бесперебойной работы нужно использовать заземление.

С другой стороны, явление нашло широкое применение в быту. Это автоматический поджиг плиты, например, при нагреве чайника с водой. Копчение с использованием явления ускоряет процесс по сравнению с традиционным методом. Сегодня трудно назвать устройство очистки воздуха, какое бы ни использовало электростатические фильтры. При покраске проводниковых материалов применяется метод, который называется электростатической окраской. Электризацию используют и в медицинских целях — статический душ.