Электризация. Электрический заряд / Хабр

В основе объяснения явления электризации лежит электронная теория. Теория объясняет электрические свойства тел наличием в них электронов и их движением. Считается что причиной такого явления как «электризация трением» является, что при соприкосновении двух различных тел, часть электронов переходит с одного тела на другое. В результате на поверхности одного тела оказывается положительный заряд (избыток электронов), а на поверхности другого отрицательный заряд (недостаток электронов).

Что известно о таком явлении как электризация трением?

1. Если потереть друг о друга два разных вещества – стеклянную палочку о шёлк, то они приобретут разный заряд. То же самое произойдёт если потереть сургуч мехом.

2. Разделение зарядов происходит и без трения. Если в стакан с дистиллированной водой опустить парафиновый шарик на изолированной ручке, то произойдёт разделение зарядов. Вода и парафиновый шарик получат противоположные заряды.

3. Разделение зарядов имеет место любых двух различных тел: диэлектриков или проводников, твёрдых тел, жидкостей или газов.

4. Заряды, полученные электризацией трением можно перенести на другие предметы.

5. Под действием света происходит положительный заряд вещества.

Приведем аргументы против электронной теории.

Во-первых, в веществах не может быть свободных электронов. При взаимодействии протона и электрона всегда выделяется фотон энергии связи. Энергия связи крепко держит протон с электроном вместе даже в простых веществах. А в химических соединениях, которыми в основном и являются диэлектрики, эта связь ещё крепче. Эксперименты по исследованию фотоэффекта показывают, что для того чтобы оторвать электрон от протона нужно затратить фотон равный энергии связи между ними.

Во-вторых, электроны не могут просто взять и перейти от одного атома к другому. Для этого нужно чтобы у принимающего вещества были протоны, к которым эти электроны должны перейти. А у отдающего вещества электрон должен суметь покинуть свой протон.

В-третьих, один протон может быть связан только с одним электроном.

В-четвертых, если электрон оторвать от химического соединения, то это химическое соединение разрушится.

Почему же возникает при трении друг о друга разность потенциалов?

Для объяснения этого явления мне поможет концепция, выдвинутая в статье «Энергия» о квантовой энергетической природе протона и электрона.

В статье «Энергия» было показано, что мир состоит из двух видов энергии – магнитной (протонной) и электронной. Протон и позитрон являются стабильными квантами магнитной (протонной) энергии, а антипротон и электрон – стабильные кванты электронной энергии (статья «Энергия»).

Протоны и электроны могут терять энергию, уменьшаясь в массе. А при недостатке массы забирать энергию своего вида там, где её больше.

Как предполагал Бенджамин Франклин, электрическая энергия представляется в виде «электрической жидкости» которая заключена в самом веществе. Разный уровень «электрической жидкости» в разных веществах создают разницу в энергии этих веществ. По его предположениям движение этой «электрической жидкости» между веществами и приводит к различным электрическим явления.

Каким же образом создаётся эта разница в уровне «электрической жидкости» в веществе?

Наличие стабильных квантов магнитной (протон) и электронных (электрон) видов энергии создают условия для обмена энергией между атомами разных веществ. Разная энергия связи протонов и электронов в атомных ядрах разных химических элементов и химических веществ, создаёт разницу уровня магнитной (протонной) –  энергии («электрической жидкости») в веществе.

Бенджамин Франклин условился считать избыток «электрической жидкости» считать плюсом, а её недостаток – минусом.  Будем придерживаться той же условности, где имеется избыток магнитной (протонной) энергии – плюс, а там, где недостаток магнитной (протонной) энергии – минус. Именно эта разница энергии протонов в атомных ядрах разных химических элементов и определяет движение этой самой энергии в веществе. Электроны же только создают своей связью с протонами эту разницу в энергии.

Почему же именно протоны являются носителями электрического заряда?

С одной стороны, протоны тяжелее электронов в 1836 раз, и они больше подходят как резервуар энергии. С другой стороны, протоны в атомном ядре находятся в тесном контакте между собой в отличие от электронов, которые в атоме разобщены и каждый электрон находится на своём квантовом уровне у своего протона соответствующей энергии связи, что не даёт им возможности обмениваться энергией между собой.

В молекулярных соединениях участвуют атомы разных химических элементов, которые имеют разную энергию связи с электронами, а значит и разную энергию атомного ядра, приходящуюся на один протон. Это важное обстоятельство, которое влияет на обмен энергией между атомами.

На рисунке 1 представлены два условных однопротонных атома с разной энергией связи протона с электроном. Присутствие нейтрона в атомном ядре вынуждает электрон занимать более высокий энергетический уровень в атоме. Поэтому однопротонные атомы с разным количеством нейтронов имеют разную энергию связи электронов с протонами. Так как нейтроны не участвуют в обмене энергией, и чтобы не загромождать рисунок лишними деталями, они на рисунке не показаны.

Протон можно представить, как сосуд с жидкостью. Размер элементарной частицы определяется по внутреннему квантовому уровню. Чем сильнее связь протона с электроном, тем меньше их масса и больше размер и тем меньше уровень энергии (заряд) E_p1 – сосуд 1 с меньшим уровнем. И чем меньше связь протона с электроном, тем энергия (масса) E_p2 протона больше – сосуд 2.

Каждый однопротонный атом после объединения свободного протона со свободным электроном имеет нейтральный статус. Но относительно друг друга атомы с разной энергией связи имеют разный энергетический потенциал, а значит разный энергетический (электрический) заряд.

Как показано на рисунке 2, при сближении двух атомов с разным энергетическим потенциалом друг с другом, по закону сообщающихся сосудов энергия протона с меньшей энергией связи со своим электроном перетекла к протону, у которого энергия связи со своим электроном больше. Уровень магнитной (протонной) энергии в атоме1 и атоме2 выровнялся. Относительно друг друга эти два атома обрели нейтральный заряд. Но в то же время у атома1 стало больше магнитной (протонной) энергии, чем он должен иметь после соединение свободного протона со свободным электроном, а значит он зарядился положительно, а у атома2 стало меньше магнитной (протонной) энергии, чем должно быть при соединении свободного протона со свободным электроном, и значит он зарядился отрицательно.

При разведении атома1 и атома2, на расстояние, они сохраняют энергетический статус, полученный при контакте друг с другом (рисунок 3). Атом 1 остался заряженным положительно – с избыточным магнитным (протонным) зарядом, а атом 2 заряжен отрицательно – с недостаточным магнитным (протонным) зарядом.

Электрический заряд – это разница уровня магнитной (протонной) энергии между атомами.

На рисунке 4 показаны взаимодействие веществ с разной энергией связи и разным количеством протонов в атомном ядре.

Наиболее тесный контакт между протонами происходит в атомном ядре. И поэтому, несмотря на разную энергию связи протонов с электронами в атоме, масса протонов в атомном ядре одинаковая. Это происходит по той причине, что протоны в атомном ядре имеют наиболее тесный контакт и могут свободно обмениваться энергией. Для электронов это обстоятельство ничего не меняет, так как энергия квантового уровня, на котором находится электрон не изменяется, а энергия (масса) протона определяется по крайнему внутреннему квантовому уровню (статья «Энергия»).

При таком обмене энергией возникает любопытная ситуация. При равенстве масс протонов в атомном ядре, учитывая энергию связи электронов с протонами, один протон становится легче (отрицательно заряженным), чем он должен быть при связи со своим электроном, а другой протон становится тяжелее (положительно заряженным), чем он должен быть при связи со своим электроном. Атомное ядро при этом остаётся нормальным (нейтральным), соответствующим энергии связи всех протонов со своими электронами.

Таким же свойством, как и протоны – обмениваться энергией, обладают и атомные ядра. У разных химических элементов усреднённая масса (энергия) на один протон атомных ядер разная.

При тесном контакте двух веществ, то вещество, у которого энергия связи больше и, соответственно, средняя энергия атомного ядра, приходящаяся на один протон меньше, отбирает часть магнитной (протонной) энергии у атомного ядра вещества, у которого средняя энергия атомного ядра, приходящаяся на один протон больше (Рис. 5). Энергия атомных ядер, приходящаяся на один протон разных веществ, выравнивается и они становятся нейтральными друг к другу, но при этом происходит обмен энергией не между атомами, а между протонами атомных ядер. При разделении этих двух веществ, ядра атомов сохраняют то энергетическое состояние, которое образовалось при тесном контакте (Рис. 6).

Атом2, у которого появился дефицит массы в атомном ядре, становится «отрицательно заряженным». Количество электронов в атоме2 остается неизменным. Атом1, у которого появился избыток массы в атомном ядре, становится «положительно заряженным». Количество электронов в нём также остаётся неизменным.

Для того, чтобы вернуться к своему нормальному (нейтральному) состоянию, атом1 должен отдать лишнюю энергию и для этого ему необходимо войти в тесный контакт с веществом у которого в атомном ядре средняя энергия, приходящаяся на один протон меньше. И наоборот, атом2 должен вернуть недостающую энергию атомному ядру, при этом ему нужно войти в тесный контакт с веществом у которого средняя энергия в атомном ядре, приходящаяся на один протон, больше.

Химические соединения обладают очень большой энергией связи электронов с протонами ядер химических элементов. Наличие в химических соединениях разных ядер с разной энергией, приводит к затруднённой передачи магнитной (протонной) энергии от одного вещества к другому. По этой причине приобретённый заряд энергии сохраняется на наэлектризованном участке диэлектрика.

Рассмотрим электризацию под действием света.

Если взять достаточно чувствительный электроскоп и осветить не заряженную цинковую пластинку светом дугового разряда, то под действием света она зарядится положительно.

Явление заключается в том, что, под действием фотона, протон и связанный с ним электрон восстанавливаются. А электрический заряд связан с энергией протона.

На рисунке 8 показано, что происходит с атомом в опыте с электроскопом показанном на (Рис. 7) на атомном уровне.

В обычных условиях атом является нейтрально заряженным (Рис. 8а).

При взаимодействии атома с фотоном происходит полное или частичное восстановление протона и электрона. Восстановление электрона никак не влияет на заряд системы, т.к. электрический заряд с ним не связан. А полное или частичное восстановление протона и увеличение его энергии, приводит к приобретению системы протон — электрон положительного заряда (Рис. 8b). Даже если под действием фотона электрон переместится на более высокий уровень протона, но не покинет его, это так же приведёт к увеличению электрического заряда атома. Протон показан как положительно заряженный, это только потому что в электрическом поле он ведёт себя как заряженная частица. Свободный протон не может обмениваться магнитной (протонной) энергией так как он является стабильным квантом магнитной (протонной энергии). Так как освобождённый электрон не обладает кинетической энергией, он остаётся рядом со свободным протоном. Затем протон свободный протон снова соединяется со свободным электроном и образуется фотон связи (Рис. 8с). Система протон – электрон приобретает нейтральный заряд. При фотоэффекте электроскоп не может накапливать большой заряд так как возбуждённые атомы снова соединяются со своим электроном и восстанавливают нейтральный статус.

Если электроскоп (рис. 7) наэлектризовать, а затем осветить, то под действием света он разрядится. Это явление на атомном уровне можно объяснить так.

Нейтральный атом (Рис. 9а) заряжается внешним источником магнитной (протонной) энергии (Рис. 9b). У протона в атоме появляется избыточная магнитная (протонная) энергия, а энергетическое состояние электрона не меняется. Если теперь на такой возбуждённый атом попадёт фотон, то электрон восстановится до свободного состояния, а избыточная магнитная (протонная) энергия перейдёт к освободившемуся электрону в виде кинетической энергии. Электрон покинет атом (Рис. 9с). Но свободный электрон далеко не сможет удалится. Полученную кинетическую магнитную (протонную) энергию электрон перенесёт на какое-либо вещество и затем с меньшей кинетической энергией возвратится к своему протону. При соединении свободного протона и электрона выделится фотон энергии связи.

Для разных химических элементов так называемая работа выхода электронов разная: цезий – 1,94эВ для выхода электрона достаточно инфракрасного излучения, а ртуть — 4,52эВ для выхода электрона необходим ультрафиолетовый.

Электрический заряд.

Суммарный и отрицательный заряды

 

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: электризация тел, взаимодействие зарядов, два вида заряда, закон сохранения электрического заряда.

Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.

Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение — гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.

1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные тела (имеющие электрический заряд).

2. Гравитационное взаимодействие — это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.

3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.

Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда . Электрический заряд — это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы. Единицей измерения заряда является кулон (Кл).

 

Два вида заряда

 

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия — притяжение и отталкивание — удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные.

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды разных знаков друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1; подвешенным на нитях шарикам сообщены заряды того или иного знака.

Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен Кл. Величина

Кл

называется элементарным зарядом. Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:

Если , то тело имеет избыточное количество электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же , то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на больше.

 

Электризация тел

 

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация — это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.

Один из способов электризовать тело — сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк — отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть — положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением. С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову 😉

Другой тип электризации называется электростатической индукцией, или электризацией через влияние. В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других — отрицательные.

Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис. 2. На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд . Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая — положительно.

Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3 (изображение с сайта en.wikipedia.org).

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.

Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней — положительный.

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд — хорошо известная вам молния.

 

Закон сохранения заряда

 

Вернёмся к примеру электризации трением — натирании палочки тканью. В этом случае палочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после взаимодействия.

Мы видим здесь закон сохранения заряда, который гласит: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими телами:

Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.

При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряженных частиц ушло с палочки — столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элементарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно сохраняется!

Например, на рис. 5 показан процесс , при котором порция электромагнитного излучения (так называемый фотон) превращается в две заряженные частицы — электрон и позитрон . Такой процесс оказывается возможным при некоторых условиях — например, в электрическом поле атомного ядра.

Рис. 5. Рождение пары электрон–позитрон

Заряд позитрона равен по модулю заряду электрона и противоположен ему по знаку. Закон сохранения заряда выполнен! Действительно, в начале процесса у нас был фотон, заряд которого равен нулю, а в конце мы получили две частицы с нулевым суммарным зарядом.

Закон сохранения заряда (наряду с существованием наименьшего элементарного заряда) является на сегодняшний день первичным научным фактом. Объяснить, почему природа ведёт себя именно так, а не иначе, физикам пока не удаётся. Мы можем лишь констатировать, что эти факты подтверждаются многочисленными физическими экспериментами.

Электричество и магнетизм

Все тела в природе образованы из атомов или молекул, которые, в свою очередь, состоят из ядер и электронов, обладающих электрическим зарядом.

Электрический заряд является феноменологической характеристикой свойств элементарных частиц и их взаимодействий.

Между заряженными элементарными частицами существуют особые силы взаимодействия, называемые электрическими силами. Экспериментально установлено, что эти силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания, поэтому для описания электрического взаимодействия  вводятся два типа электрических зарядов, условно называемых отрицательными и положительными:  одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются (рис. 1.2).  

 Рис. 1.2. Два отрицательных заряда отталкиваются, отрицательный и положительный заряды притягиваются, два положительных заряда отталкиваются

Видео 1.2. Два вида зарядов. Электризация трением: шерсть и эбонит.

Видео 1.3. Два вида зарядов. Электризация трением: эбонитовая и стеклянная палочки.

 Заряд электронов считается отрицательным, заряд протонов —  положительным. Входящие в состав ядер нейтроны электрического заряда не имеют. Силы электрического взаимодействия связывают ядро и электроны в единую устойчивую систему — атом. 

Наименьший по величине электрический заряд, экспериментально обнаруженный в природе, — заряд электрона. Заряд протона точно равен ему по величине и противоположен по знаку:

 

Электрический заряд протона , называют элементарным зарядом.

Отметим, что приведенное выше значение элементарного заряда обычно используется для приближенных расчетов и при решении учебных школьных и ВУЗовских задач. На самом деле физики-экспериментаторы определили его с гораздо большей точностью. В настоящее время в таблицах (Journal of Physics G. Nuclear and Particle Physics. Vol. 37, № 7А, July 2010, Article 075021) приводится следующее значение элементарного заряда

Ввиду точного равенства величин зарядов протона и электрона в каждом атоме суммарный положительный и отрицательный заряды одинаковы по величине, и поэтому обычно тела оказываются электронейтральными.

Однако, прилагая некоторые усилия, можно оторвать электроны от одних тел, которые становятся при этом положительно заряженными, и передать их другим телам, которые заряжаются отрицательно. Такие тела являются макроскопически заряженными. Электрический заряд любого тела кратен элементарному заряду e, то есть изменяется дискретно: 

(1.1)

 где N — целое число. О дискретности возможных значений электрического заряда принято говорить как  о  квантовании  электрического заряда. 

Многочисленные эксперименты доказали, что имеет место закон сохранения электрического заряда: 

В любой электроизолированной системе заряженных тел суммарный электрический заряд сохраняется:

 

Электроизолированной принято называть такую физическую систему, граничную поверхность которой заряженные частицы пересекать не могут.

Поэтому во многих случаях, в частности, при выводе уравнений, являющихся интегральной или дифференциальной формой записи закона сохранения заряда весьма полезна такая его формулировка:  

Единственным способом изменения заряда любой физической системы является внесение в систему заряженных частиц через её граничную поверхность.

 

Очевидно, что «вносить» в систему или «выносить» из системы заряженные частицы — в алгебраическом смысле одно и то же. Отметим также, что подобный подход оказывается продуктивным и при записи других законов сохранения: энергии, импульса, момента импульса и т. п.

На микроскопическом уровне закон сохранения заряда следует из анализа реакций между элементарными частицами и, конечно, ядерных реакций. Возьмем, например, альфа-распад изотопа урана (рис. 1.3):

  

Рис. 1.3. Альфа-распад изотопа урана-238 

Атомный номер Z ядра урана равен 92, что означает, что в ядре находится 92 протона, то есть его заряд равен q_U = 92e

. У тория Z = 90, то есть заряд его ядра q_Th=90e, а для гелия Z = 2 и q_He = 2e. Выполнение равенства

и означает сохранение электрического заряда в данной реакции. Никогда не наблюдались реакции с участием ядер или элементарных частиц, в которых бы нарушался закон сохранения электрического заряда. Это не означает, что частицы с электрическим зарядом не могут исчезать или рождаться, но при этом также должны исчезнуть или родиться частицы с таким же, но противоположным по знаку зарядом. Главное, чтобы суммарный заряд до и после реакции оставался неизменным. Приведем в качестве примера так называемую

реакцию аннигиляции: электрон e^– с зарядом –e сталкивается со своей античастицей — позитроном e⁺, заряд которого положителен и равен +e. В результате рождаются два фотона g  (рис. 1.4). 

Рис. 1.4. Реакция аннигиляции электрона и позитрона

 Легко убедиться, что реакция

удовлетворяет закону сохранения электрического заряда: полный заряд до и после реакции равен нулю. В то же время никогда не наблюдалась такая, например, реакция

в которой заряд не сохраняется.  

Электрон — самая легкая из заряженных частиц, и благодаря закону сохранения заряда (и закону сохранения энергии) ему просто не на что распадаться. Поэтому электрон стабилен, и это есть необходимая предпосылка стабильности атомов, молекул, вещества и нас с вами. 

 

Дополнительная информация 

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Nuclear/radact.html — альфа-распад;

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/0141.html  — аннигиляция;

http://www.abitura.com/happy_physics/kaganov4.html   — электрон.

Белорусский государственный университет транспорта — БелГУТ (БИИЖТ)

Регистрация на конференцию «Проблемы безопасности на транспорте»

Регистрация на конференцию «Тихомировские чтения»

Как поступить в БелГУТ:

дневное, заочное полное,
заочное сокращенное

Как получить место

в общежитии БелГУТа

Как поступить иностранному гражданину

События

Все события

Пн	Вт	Ср	Чт	Пт	Сб	Вс
			1 Дата : 2022-09-01	2	3	4
5 Дата : 2022-09-05	6 Дата : 2022-09-06	7 Дата : 2022-09-07	8 Дата : 2022-09-08	9 Дата : 2022-09-09	10 Дата : 2022-09-10	11 Дата : 2022-09-11
12	13	14	15 Дата : 2022-09-15	16 Дата : 2022-09-16	17 Дата : 2022-09-17	18
19	20	21 Дата : 2022-09-21	22	23	24	25
26	27	28	29	30

Все анонсы

• С Днем народного единства!
• Заседание совета университета. ..
• Велопробег «В единстве — сила»…
• Молодёжный сентябрь
• Конкурс кандидатов в перспективный кадровый резерв…
• Логистика. Обучение для студентов выпускных курсов…
• Акция «Мы едины» — поем гимн вместе…
• ЕДИ «История белорусской государственности – основ…
• Матч по мини-футболу между БелГУТом и ГГТУ…
• Диалоговая площадка «Беларусь адзіная»…

Анонсы

Университет

Абитуриентам

Студентам

Конференции

Приглашения

С Днем народного единства!

Заседание совета университета…

Велопробег «В единстве — сила»…

Молодёжный сентябрь

Новости

Университет

Международные связи

Спорт

Воспитательная работа

Жизнь студентов

Новости подразделений



• Студенческая жизнь

Выставка военной атрибутики
16 сентября 2022

• Спорт

Матч по мини-футболу между БелГУТом и ГГТУ. ..
16 сентября 2022

• Студенческая жизнь

Народная зарядка: 20 упражнений вместе с БРСМ…
16 сентября 2022

• Университет

Исполняем гимн вместе
16 сентября 2022

• Студенческая жизнь

Квиз «Гісторыя майго жыцця»
16 сентября 2022

• Университет

Флэшмоб «Мы едины»
15 сентября 2022

• Университет

Диалоговая площадка «Беларусь адзіная»…
15 сентября 2022

• Студенческая жизнь

Встреча секретаря БРСМ БелГУТа со студентами. ..
15 сентября 2022

• Университет

Встреча ректора со студентами в студенческом городке…
15 сентября 2022

Другие новости

• Проект студента востребован в городе
• Будущее Беларуси — в единстве
• Видео-репортаж Дня рождения Гомеля
• Интервью с участниками открытия фестиваля «Сожскi карагод» и видео-реп…
• Неделя спорта и здоровья
• Опубликован сборник материалов конференции «Водоснабжение, химия и при…
• Студент БелГУТа из Марокко рассказывает об учебе в Беларуси…
• БРСМ — всегда на помощь! День города Гомеля…
• Новый номер газеты «Вести БелГУТа»
• Республиканский легкоатлетический студенческий забег…
• БелГУТ предлагает жилые помещения арендного использования…

КУДА ПОСТУПАТЬ

Все факультеты

БелГУТ на Доске почета

Достижения университета

Предложения

Все предложения

Видеотека

Все видео

Фотогалерея

Все фото

Физика Электрический заряд и элементарные частицы.

Закон сохранения электрического заряда

Материалы к уроку

Конспект урока

Электродинамика – это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи – электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами. Раздел электродинамики, посвященный изучению покоящихся электрически заряженных тел, называют электростатикой.
Со словами электричество, электрический заряд, электрический ток вы встречались много раз и успели к ним привыкнуть. Но попробуйте ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» — и вы убедитесь, что это не так-то просто. Дело в том, что понятие заряд – это основное первичное понятие, которое не сводится на современном уровне развития наших знаний к каким-либо более простым, элементарным понятиям.
Мельчайшие частицы, из которых состоят все тела и которые не делимы на более простые, называются элементарными. Они имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу согласно закону всемирного тяготения. То есть подчиняются законам макромира: с увеличением расстояния между частицами сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату этого расстояния. Но сила взаимодействия элементарных частиц в огромное число раз превосходит силу тяготения.
Дадим определение понятию «элементарный заряд». Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния также как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называют заряженными. Стоит отметить, что бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.
Взаимодействие между заряженными частицами носит название электромагнитных. Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий подобно тому, как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий. Благодаря гравитационному взаимодействию макротела во Вселенной располагаются упорядоченно и сохраняют свою форму из-за электромагнитного взаимодействия между элементарными частицами, из которых они состоят.
В природе существуют частицы с электрическими зарядами двух видов, иначе говорят двух противоположных знаков; при зарядах одинаковых знаков частицы отталкиваются, а при разных знаках – притягиваются. Между положительными и отрицательными зарядами внутренних различий нет. Заряд элементарных частиц – протонов, входящих в состав всех атомных ядер, называют положительным, а заряд электронов – отрицательным. Если бы знаки зарядов частиц поменялись местами, то от этого характер электромагнитных взаимодействий нисколько бы не изменился.
Рассмотрим взаимодействие наэлектризованных султанчиков. Мы видим, как одноименно заряженные листочки султана отталкиваются, а разноименно заряженные – притягиваются.
Электрический заряд элементарных частиц, который  является количественной мерой электромагнитного взаимодействия  частиц, – это особая характеристика частицы. Электрический заряд делим. Существует элементарный электрический заряд, его несут в себе частицы электрон или протон. Также как и масса, энергия, импульс, дискретность заряда характеризуют материю в микромире.
На основании опытов по электролизу
(окислительно-восстановительный процесс, когда оседает вещество на электроде при прохождении электрического тока в растворе) Майкл Фарадей установил: заряды имеются в атомах всех химических элементов.
В 1899 г. Джосеф Джон Томсон доказал реальность существования электронов. 
В 1909 г. Роберт  Милликен впервые измерил заряд электрона, он оказался равным 16 квинтиллионным Кулонам.
 В 1919 г.    Эрнест Резерфорд при бомбардировке  азота альфа-частицами обнаружил положительно заряженную частицу – протон. Здесь в уравнении ядерной реакции протон обозначают как пэ-1-1.
Только электроны и протоны могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Существуют и другие элементарные частицы, которые живут ничтожно мало: меньше миллионных долей секунды. Они рождаются при столкновении быстрых элементарных частиц и, просуществовав совсем чуть-чуть, распадаются, превращаясь в другие частицы. Этот процесс в микромире в возбужденном состоянии происходит непрерывно.
По своему строению атом напоминает Солнечную систему. Подобно тому как планеты, притягиваясь к Солнцу, движутся вокруг него, электроны в атоме движутся вокруг ядра, удерживаемые силой притяжения к нему.
Если атом увеличить так, чтобы ядро приняло размер мелкой монеты, то расстояние между ядром и электронами стало бы равно целому километру!
Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электроскоп, который состоит из металлического стержня — электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным предметом заряды стекают через электрод на листочки фольги, листочки оказываются одноимёнными заряженными и поэтому отклоняются друг от друга.
Для измерения значения электрического заряда Михаилом Васильевичем Ломоносовым был придуман и изобретен электрометр, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. При соприкосновении заряженного тела со стрежнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке, и силы отталкивания, действующие между одноимёнными зарядами на стержне и стрелке, вызывают её поворот.
К частицам, не имеющим электрического заряда, относится нейтрон. Его масса лишь незначительно превышает массу протона. Нейтроны вместе с протонами входят в состав атомного ядра. Атом любого вещества в целом нейтрален, так как число электронов в нем равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.
Макроскопическое тело считаем электрически заряженным в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с одним знаком заряда. Тело имеет отрицательный заряд, если на нем находится избыток электронов по сравнению с протонами, а положительный – недостаток электронов. Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело, то есть наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного. Это можно сделать с помощью трения. Этим самым мы отдаем электрону последнего уровня дополнительную энергию, чтобы он оторвался от ядра атома. При этом происходит перераспределение имеющихся зарядов между телами, нейтральными в первый момент, новые частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают.
Если поднести к электрометру заряженную стеклянную палочку, стрелка электрометра отклоняется, показывая, что он зарядился. Мы не касались стержня электрометра палочкой, а только поднесли ее близко к стержню. Почему же электрометр зарядился? Ответ прост. Стержень электрометра электрически нейтрален. При поднесении положительно заряженной стеклянной палочки на ближайшем конце стержня накапливаются разноименные заряды, а на удаленном конце стержня одноименные заряды. Снова наблюдается перераспределение зарядов, но в пределах одного тела.
 К середине массивного проводника, соединяющего два незаряженных электрометра, поднесли отрицательно заряженную палочку. Как распределится заряд на электрометрах? 
Правильный ответ: оба будут заряжены отрицательно, а проводник – положительно.
Мелкие бумажки, мелкие кусочки фольги притягиваются к наэлектризованной палочке.
Под действием поля палочки часть свободных электронов смещается в нижнюю часть — в часть В. Часть А заряжается положительно, часть В –отрицательно. К палочке ближе часть А, поэтому силы притяжения преобладают над силами отталкивания. 
В справочниках можно найти список веществ, записанных в порядке убывания энергии связи электрона  с атомами. Например, в соответствии со этим списком можно утверждать, что электроны на шерсти кошки закреплены слабее, чем на дереве. При трении кошка заряжается положительно, дерево — отрицательно.
При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда. В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной. Если заряды частиц обозначить через (кю1, кю2) q_1,  q₂,   и т.д., то q₁+ q₂+ q₃+…+ q_n = const. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, давая жизнь новым частицам. Однако во всех случаях заряженные частицы рождаются парами с одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами; исчезают заряженные частицы тоже парами, превращаясь в нейтральные. И во всех этих случаях сумма зарядов остается одной и той же. 
Металлический шарик 1, укреплённый на длинной изолирующей ручке и имеющий заряд (плюс кю) +q, приводят поочерёдно в соприкосновение с двумя такими же шариками 2 и 3, расположенными на изолирующих подставках и  имеющими соответственно заряды (минус кю) – q и (плюс кю) +q.  Какой заряд останется в результате на шарике 3?
По закону сохранения заряда при соприкосновении шара 1 шара 2 происходит нейтрализация шара 1. При соприкосновении шара 1 с шаром 3 половина заряда на шаре 3 перетекает в шар 1. Шар 1 приобретает заряд равный половине кю. Правильный ответ -2.
 Доказано, что электрический заряд во Вселенной сохраняется. Полный электрический заряд Вселенной, скорее всего, равен нулю; число положительно заряженных элементарных частиц равно числу отрицательно заряженных элементарных частиц.
Явление электризации тел учитывается на производстве и применяется на практике. Например, большие электрические заряды накапливаются при трении шин об асфальт при сухой погоде. Возникает опасность проскакивания искры. Поэтому сзади машин – цистерн для горючего прикрепляют металлические цепи, волочащиеся по дороге. 
Другой пример. Явление электризации тел позволяет в современных копировальных установках (ксерокс и др. установки) распылять порошок и краску по бумаге. 
Из-за электризации удается обнаружить отпечатки пальцев при экспертизе.
 Электризацию используют при покраске  изделий из металла. Движущиеся на конвейере детали заряжают положительно, а  краску, распыляемую из пульверизатора,- отрицательно. Частички краски устремляются к детали и оседают на ней. Получается тонкий, плотный, прочный слой. Краски расходуется значительно меньше.
Примеров можно приводить бесконечно: электрофотография; обогащение руд; очистка зерна; смешение разнородных материалов; нанесение ворсового покрова; напыление порошков и т. д.
Заглянем в историю.
То что все вещества состоят из атомов, утверждал еще Демокрит (400 лет до нашей эры). Он был большим путешественником, и его любимым изречением было: «Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все остальное — воззрение».
 «Электричество» произошло от греческого слова электрон – янтарь. Янтарь – это окаменевшая смола хвойных деревьев, которые росли на Земле сотни тысяч лет назад. Электризация янтаря трением  была известна еще до нашей эры. 
Фалес Милетский (624–547 гг. до нашей эры) обнаружил, что янтарь, потёртый о мех, приобретает свойство притягивать пушинки, соломинки.
Легенда гласит: … дочь Фалеса пряла шерсть янтарным веретеном. Уронив его однажды в воду, стала обтирать веретено шерстяным хитоном и заметила, что к веретену пристало несколько шерстинок, и чем сильнее она вытирала веретено, тем больше налипало шерстинок. Девушка рассказала об этом явлении отцу, тот провёл эксперимент с различными изделиями, и все они вели себя одинаково…
Первые эксперименты, связанные с электризацией в науке относят к работам Вильяма (Уильяма) Гильберта, английского ученого и врача. Именно он первым попытался наэлектризовать несколько различных тел. Ему это удалось, но не с металлическими предметами. Поэтому он посчитал, что   металлические предметы наэлектризовать нельзя.
В 1733 году французский ученый Шарль Дюфе выяснил, что существует электричество двух родов, в высокой степени отличных один от другого. «Один род я называю стеклянным электричеством, другой — смоляным. … Тело, наэлектризованное стеклянным электричеством, отталкивает все тела со стеклянным электричеством, и, обратно, оно притягивает тела со смоляным электричеством», писал он. Как видите, Ш. Дюфе обнаружил, что «стеклянным» электричеством можно наэлектризовать не только стекло, а любое тело. Полвека спустя термины «стеклянное» и «смоляное» электричество были заменены на другие: «положительный» и «отрицательный» заряд. Эти названия сохранились до сегодняшнего дня: 
+q   – положительный заряд (так заряжается стекло, потертое о шелк; шерсть, потертая об эбонит).
–q   – отрицательный заряд (заряд шелка при трении о стекло; заряд эбонита при трении о шерсть).
Дальнейшие исследования частиц показали, что их нельзя считать элементарными. Каждая из этих частиц при взаимодействии с другими частицами и атомными ядрами может превращаться в другие частицы. Поэтому термин «элементарная частица» является условным.
  Сегодня обнаружено около 400 элементарных частиц.
Хронология физики элементарных частиц на сегодняшний день такова.
Открытие электрона принадлежит Джосеф Джон Томсону, он доказал реальность существования электронов в 1899 году.
В 1910-1919 гг.    Эрнест Резерфорд при бомбардировке  азота альфа-частицами обнаружил протон.
В 1918 году был обнаружили позитрон, который возникает при ядерных явлениях и живет ничтожно мало.
Фотон – переносчик световой энергии. При поглощении или испускании фотона электроном последний переходит на следующий энергетический уровень в электронной оболочке атома радиоактивного вещества. 
Двадцатый век – это время расцвета науки квантовая механика, время, когда человек заглянул в удивительный микромир.      
Но все эти частицы являются нестабильными, т.е. они сразу распадались на частицы с меньшими массами, в конечном счете, превращаясь в стабильные протон, электрон, фотон и нейтрино (и их античастицы). Для любой элементарной частицы есть своя античастица. Античастица — частица, имеющая ту же массу и спин, но противоположные значения зарядов всех типов.
Спин демонстрирует, что существует пространство состояний, никак не связанное с перемещением частицы в обычном пространстве.
Все известные элементарные частицы делятся на два класса:
1)    фермионы, которые составляют вещество; 
2)    бозоны, через которые осуществляется взаимодействие фермионов.
Фермионы подразделяются на лептоны и кварки.
Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных.  Заряды кварков дробные. Кварки в сегодняшней Вселенной существуют только в связанных состояниях. Например, в протоне, в нейтроне.
Рассмотрим носителей электрического заряда в различных средах.
Носителями заряда в металлах являются электроны. Под действием электрического поля электроны приходят в упорядоченное движение, в металле возникает электрический ток. Ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.
При нагревании или освещении некоторые электроны приобретают возможность свободно перемещаться внутри кристалла, так что при приложении электрического поля возникает направленное перемещение электронов. Эти кристаллы назовем полупроводниками. Полупроводники представляют собой нечто среднее между проводниками и изоляторами. Изоляторы не пропускают электрический заряд, а, значит, и электрический ток. У полупроводников с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.
Носителями свободных зарядов в жидкостях являются положительно и отрицательно заряженные ионы растворенного вещества. Водные растворы неорганических кислот, солей и щелочей, расплавы назовем электролитами. С ростом температуры растёт количество ионов в электролитах.
Два рода зарядов: положительный и отрицательный участвуют в электризации тел, которая возникает при трении или при поляризации тела в электрическом поле. Поляризация – явление, когда заряженные частицы меняют свою ориентацию внутри вещества под влиянием внешнего электрического поля. В процессе электризации одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Электрически нейтральное тело сначала притягивает заряженное, после того как оно будет заряжено тем же зарядом, оба тела будут отталкиваться.

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитора

Электрический ток 8 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Введение

 

Мы рассмотрели понятие заряда, поговорили о носителях положительных и отрицательных зарядов, а также об их взаимодействии. Эти знания помогают объяснить некоторые электрические явления, например притяжение кусочков бумаги к наэлектризованной стеклянной палочке или отталкивание струи воды от наэлектризованной расчески.

 

Если воздействовать на заряженные частицы электрическим полем и заставить их двигаться, то можно использовать энергию этого движения. Лампа накаливания, электрочайник, аккумулятор и все другие устройства и приборы, работа которых связана с электричеством, используют энергию движения заряженных частиц или, говоря, по-другому, энергию электрического тока.

 

Действие тока

 

 

Заряд – это свойство частиц. То есть сам по себе он не может существовать, обязательно есть носители заряда, которые называют заряженными частицами или заряженными телами. Движение – это изменение положения тел в пространстве. Так вот, направленное движение заряженных частиц называют электрическим током. А сами движущиеся частицы называют носителями тока.

 

---

 

Почему движение «направленное»?

Ток – это направленное движение заряженных частиц. Почему мы говорим именно о направленном движении и почему это важно? Движение – это изменение положения тела, тело движется из одной точки в другую, оно не может быть не направленным. Здесь мы говорим о направленном движении в том смысле, что оно не должно быть хаотичным. Посмотрим на один электрон – он движется, причем в каждый момент времени в определенном направлении, пусть даже оно постоянно меняется. И вместе с ним переносится заряд. Но если рядом движется еще один электрон навстречу первому, он переносит заряд в противоположную сторону.

В зависимости от задачи, которую мы решаем, можно рассматривать на микроуровне токи, создаваемые каждым из электронов. Но, если говорить о переносе зарядов в системе из двух электронов, то его нет. Поэтому говорить о токе при хаотичном движении мы не будем – переноса заряда не происходит.

Молекулы воздуха тоже все время движутся, но это движение не обязательно означает наличие ветра. Ветер – это поток воздуха, то есть направленное движение его молекул.

Лампа накаливания светит потому, что нагревается ее нить, здесь нагревание должно быть. Но часто нагревание проводника с током – это лишние потери энергии, которые приходится учитывать. Часто такое нагревание происходит из-за вихревого движения электронов внутри проводника, тогда нужно рассматривать не только движение потока электронов, но и движение отдельных электронов.

---

 

Термин «электрический ток»

На самом деле, фразы «электрический ток» и «движение заряженных частиц» имеют один и тот же смысл, просто сформулированный разными словами.

«Электрический» – это прилагательное, описывающее все, что связано с одним из видов взаимодействия частиц: электрическое взаимодействие, электрический заряд, электрические явления. Слово «ток» означает течение, то есть движение чего-либо. То есть по смыслу электрический ток – это электрическое движение, движение электрических зарядов.

---

Мы привыкли к тому, что может двигаться масса. Сейчас говорим о движении зарядов, а заряд – это свойство частиц. И неясно, как может двигаться свойство. Конечно, движутся носители положительных и отрицательных зарядов (электроны и протоны), и это сопровождается переносом заряда и изменением свойства системы – именно это нас и будет интересовать.

Пример движения заряженных частиц мы можем увидеть в природе – это молния. Молния возникает, когда на облаках накапливается электрический заряд из-за трения слоев воздуха. Тогда избыточный заряд может перейти на Землю или на другое облако, заряженное противоположно. Это движение зарядов происходит очень быстро, а мы называем его молнией. Молния яркая, она излучает свет, а если она попадет в дерево, которое является плохим проводником, то оно загорится. Источником света и тепловой энергии здесь является энергия движения заряженных частиц. Эту энергию мы научились использовать, например в электрических приборах.

Какую еще выгоду мы можем извлечь из электрического тока, кроме теплового и светового действия? Еще есть химическое действие тока. Некоторые вещества при растворении в воде распадаются на атомы или группы атомов, в которых электронов больше или меньше, чем протонов, то есть такие частицы не будут электронейтральными. Их назвали ионами, а процесс разложения на ионы – электрической диссоциацией. Например, поваренная соль (NaCl) делится на два типа ионов: положительно заряженный Na и отрицательно заряженный Cl. Эти заряженные атомы и группы атомов в растворе – это свободные носители заряда, и их движение будет электрическим током.

При этом переносится вещество, и можно получать чистые вещества из растворов их соединений. В случае с раствором поваренной соли ионы натрия движутся к одному электроду, а ионы хлора – ко второму. Там ионы теряют заряд и образуются чистые вещества – натрий и хлор (см. рис. 1).

Рис. 1. Электрическая диссоциация

Чтобы выделить железные предметы или детали из кучи других, можно использовать магнит. Но обычный магнит не подходит – хорошо бы, чтобы его можно было «выключать» и не «отрывать» железо силой. На заводах используют специальные магниты – они работают только тогда, когда по ним течет электрический ток.

До сих пор мы говорили только об электрическом взаимодействии неподвижных зарядов. Кстати, синоним к слову «неподвижный» – «статичный», поэтому раздел физики, изучающий неподвижные заряды, называют еще электростатикой. Электрическое поле – это, на самом деле, проявление электромагнитного поля. Заряд создает вокруг себя электромагнитное поле, и у него есть две составляющие, два проявления. В системах отсчета, в которых заряд не движется, проявляется электрическая составляющая поля. В системах отсчета, в которых заряд движется, добавляется еще одна составляющая, которую назвали магнитной (см. рис. 2).

Рис. 2. Электрическая и магнитная составляющие заряда

Возьмем цилиндр и посмотрим на него сверху – увидим круг. Посмотрим сбоку – увидим прямоугольник. В разных проекциях получатся разные фигуры. И это не мешает нам изучать их отдельно. Так же и с электромагнитным полем. То, что есть электромагнитное поле, не отменяет всего, что мы выучили об электрических явлениях и что выучим о магнитных на следующих уроках. Магнитная составляющая электромагнитного поля проявляется в системах отсчета, в которых заряд движется. А как раз электрический ток – это движение заряда. Так что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, посредством которого он взаимодействует с другими такими проводниками, с постоянными магнитами и тоже притягивает железо. На этом основан принцип действия электромагнитов на заводах, о которых мы сказали раньше.

 

Условия возникновения электрического тока

 

 

1. Наличие свободных носителей заряда. Чтобы заряженные частицы двигались по веществу, они должны вообще там быть. В любом атоме есть протоны и электроны, но не все они могут свободно перемещаться, а для возникновения тока нужны именно свободные носители заряда. В металлах – это свободные электроны, которые в достаточном количестве покидают атомы, в то время как протоны прочно сцеплены с атомным ядром (см. рис. 3).

 

Рис. 3. Свободные заряды – электроны в металлах

Поэтому, когда речь идет о металлах, под электрическим током мы будем понимать именно движение электронов. Материалы, из которых сделаны провода во всех электрических приборах и линиях электропередач, – это металлы. Электрический ток в металлах получил широкое применение, и именно его мы и будем больше всего изучать.

Но свободные заряды есть не только в металлах: например, ионы в растворах некоторых веществ. Такие вещества, содержащие большое количество свободных зарядов, называют проводниками – они проводят ток.

---

 

Заряженные частицы в других средах

Итак, в металлах носителями тока являются свободные электроны. Есть вещества, в которых свободные электроны есть, но их не так много, как в металлах. Такие вещества называют полупроводниками. У таких веществ есть важные свойства, которые научились применять в технике: почти вся современная вычислительная техника состоит из полупроводников.

Есть вещества, которые называют электролитами. Если растворить их в воде или расплавить, то молекулы, из которых они состоят, распадаются на две заряженные части – ионы. Это такие атомы или группы атомов, в которых количество электронов больше или меньше количества протонов. Соответственно, они имеют отрицательный или положительный заряд. И, поскольку это жидкость, ионы могут свободно передвигаться по ее объему.

В газах также могут быть свободные заряженные частицы. Поскольку это газ, то все частицы будут «свободными», осталось только сделать их заряженными. Это возможно, если под каким-то внешним воздействием электроны покинут свои атомы или молекулы. Образуются свободные электроны и положительные ионы. Также свободный электрон может присоединиться к нейтральной молекуле, образуется отрицательный ион. Именно ионы являются свободными носителями для протекания тока в газах.

Кроме того, свободные заряженные частицы можно поместить в вакуум. Например, если поместить металлический провод в вакуум и нагреть его, то некоторые электроны покинут металл и будут находиться в вакууме.

---

 

 О количестве свободных носителей заряда

Понятно, что чем больше количество свободных носителей заряда в веществе, тем лучше оно проводит ток. Теоретически, если знать для каждого вещества количество свободных носителей на кубический сантиметр, то можно сравнивать проводящие свойства веществ.

Для металлов таких таблиц обычно не делают, потому что в них свободных электронов в любом случае больше, чем может проникнуть сквозь вещество проводника, там ведь тоже не свободное пространство. А вот для растворов электролитов или для ионизированного газа количество свободных носителей заряда важно, оно больше влияет на протекание тока.

Обычная вода – хороший проводник, потому что в ней растворены различные соли (дистиллированная вода плохо проводит ток). Человеческое тело на 80% состоит из воды, а также других растворов, поэтому сравнительно хорошо проводит электрический ток, из-за чего прямой контакт тела с включенным в сеть проводником опасен. Поэтому все вилки и шнуры электроприборов (а также, например, рукоятки отверток) выполнены из пластика или резины – веществ, которые практически не проводят ток, так как у них практически отсутствуют свободные носители заряда. Такие вещества, как мы уже знаем, называются диэлектриками.

Просто поднести вилку к розетке недостаточно, чтобы прибор заработал – нужен прямой контакт. Воздух – плохой проводник, в нем практически нет свободных носителей заряда. Но при определенных условиях (например, высокой влажности) может стать проводником. Тогда мы наблюдаем искрение или молнии.

Мы постоянно используем фразы: «практически не проводят ток» и «почти нет носителей заряда». Сколько это «почти»? Зависит от задачи, которую мы решаем. И в диэлектриках может быть какое-то количество свободных носителей. Но если наш прибор не способен регистрировать ток, создаваемый даже миллионом электронов в секунду, то нам все равно, будет их там 100 или 200 – для нас их «почти нет». Принято считать диэлектриками вещества, в которых свободных носителей зарядов не более 100 млн на .

---

2. Необходимо заставить свободные носители заряда направленно двигаться. Для этого нужно подействовать на них другими зарядами, или можно сказать по-другому: «подействовать на них электрическим полем», потому что заряды взаимодействуют посредством электрического поля. Это можно сделать, разместив с одной стороны проводника множество положительных зарядов, с другой – множество отрицательных.

---

 

Другие примеры того, как разделение создает движение

Если на одном конце проводника будет избыток положительного заряда, а на втором – отрицательного, то по проводнику потечет ток. Заряды будут двигаться так, чтобы уравняться. Когда мы говорим про избыток положительного заряда, то подразумеваем недостаток электронов. Итак, с одной стороны проводника возникает недостаток электронов, с другой – избыток. Под воздействием электрического поля движение электронов будет направлено так, чтобы выровнять этот дисбаланс.

Это общая идея: если возникает неравномерность системы по какому-либо из параметров, то, в отсутствии внешнего воздействия, система стремится к «выравниванию» этого параметра.

Например, если теплое тело соединить с холодным, то через некоторое время их температуры уравняются. Мы уже знаем, почему так произойдет: температура определяется кинетической энергией частиц. У более нагретого тела эта энергия выше, а, значит, частицы в среднем обладают более высокой скоростью движения. Они более активно двигаются, соударяются с менее подвижными частицами холодного тела и передают им часть своей энергии. В результате средняя скорость молекул обоих тел будет выравниваться, пока не достигнет некоторого равновесного значения.

---

Проверим, будет ли достаточно выполнения этих двух условий. Да, мы получим электрический ток. Но пользы от него будет немного, поскольку он практически сразу прекратится: электроны распределятся по проводнику (см. рис. 4).

Рис. 4. Распределение зарядов в проводнике под действием электрического поля

В итоге общий заряд как с одной, так и с другой стороны проводника станет равным нулю, электрическое поле исчезнет. Соответственно, прекратится электрический ток. Поэтому для длительного протекания электрического тока необходимо создать и поддерживать электрическое поле, для этого нужно постоянно разделять заряды. Выделяют третье условие существования электрического тока: замкнутая цепь.

Устройства, которые обеспечивают разделение зарядов, называются источниками электрического тока. Источники тока постоянно разделяют электрические заряды, поэтому электрическое поле не исчезает. Разделенные заряды накапливаются на полюсах источника: отрицательном и положительном. В зависимости от того, за счет какой энергии происходит разделение зарядов, выделяют разные виды источников тока:

— К механическим источникам тока относится электрофорная машина (см. рис. 5).

Рис. 5. Электрофорная машина

Используется принцип электризации влиянием, когда присутствие электрического заряда рядом с проводником разделяет заряд в этом проводнике. При вращении подвижной части этот наведенный заряд переходит на накопитель, и далее процесс повторяется. Эта машина сейчас используется в основном для демонстрации физических явлений.

— К тепловым источникам тока относится термоэлемент. Принцип их работы основан на том, что разность температур в разных областях проводника заставляет электроны двигаться так, что заряды распределяются. Чаще всего термоэлементы применяются в различных датчиках температуры.

— К световым источникам относятся фотоэлементы. В них заряды разделяются при поглощении фотоэлементом энергии светового излучения. Из множества фотоэлементов состоят солнечные батареи. Также фотоэлементы используются в датчиках освещения.

— К химическим источникам относятся гальванические элементы и аккумуляторы. В них накопление и перенос заряда сопровождается переносом вещества и химическими реакциями. Несколько гальванических элементов, составленных вместе, называются батареей гальванических элементов, или попросту батарейкой. Батарейки и аккумуляторы имеют широкое применение: от бытовых приборов до аппаратуры на спутниках.

Основной источник электроэнергии – это электростанции, к которым вы подключаетесь через сеть электропередач, когда пользуетесь розеткой. Конечно, электростанция – это не огромная батарейка. Там разделение зарядов происходит немного по-другому, используется взаимосвязь электрического и магнитного полей, но более подробно мы будем говорить об этом в старших классах.

Итак, можно выделить три основных условия существования тока: внешнее электрическое поле, наличие свободных зарядов и, естественно, замкнутый контур, по которому будут двигаться заряды.

Эти условия обеспечиваются наличием проводника и источника тока. Чаще всего электрический ток мы будем рассматривать в цепи из металлических проводников и гальванических элементов, но вы должны понимать, что на их месте может быть любой источник тока и любой вид проводника.

Действия электрического тока проявляются в различных электрических приборах, например в лампе или нагревателе. Чтобы они работали, их необходимо подключить с помощью проводников к источнику тока. Соединение источника тока с электрическими приборами (потребителями) называется электрической цепью (см. рис. 6).

Рис. 6. Электрическая цепь

Поскольку источник тока может быть любым, да и потребители могут различаться, то удобнее изображать электрическую цепь схематически. Это будет называться схемой электрической цепи, или просто электрической схемой (см. рис. 7).

Рис. 7. Схема электрической цепи

Для каждого элемента цепи есть свои обозначения (см. рис. 8).

Рис. 8. Условные обозначения некоторых элементов цепи

Мы говорили о замкнутой цепи как об условии существования тока, то есть если цепь разомкнуть, ток течь не будет. Процесс замыкания/размыкания цепи осуществляется с помощью ключа (см. рис. 9).

Рис. 9. Условное обозначение ключа

 

Сила тока

 

 

Необходимо как-то оценивать ток количественно: есть молния, от удара которой загораются деревья и разрушаются здания, а есть батарейка, ток от которой мы даже не ощущаем. Понятно, что это разные вещи и ток молнии больше, сильнее, чем от батарейки. Как это «больше, сильнее» выразить?

 

Чтобы описать напор воды в шланге (трубе), удобно использовать следующую характеристику: какой объем (масса) воды протекает через сечение шланга за единицу времени. А электрический ток – это «поток» заряда. Удобно считать, какой заряд q проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени t. Эту величину назвали силой тока и договорились обозначать буквой I.

I= q/ t, [I] = А

В СИ сила тока измеряется в амперах.

Измеряют силу тока с помощью прибора, который называется амперметр. Принцип его действия основан на магнитном действии тока. Мы говорили, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле – составляющая электромагнитного поля. Так проводник может вступать в магнитное взаимодействие, причем чем больше ток через проводник внутри амперметра, тем сильнее будет магнитное взаимодействие. Именно по силе взаимодействия и определяют величину тока (см. рис. 10).

Рис. 10. Амперметр и его обозначение в схеме электрической цепи

Мы считаем ток скалярной величиной, бессмысленно говорить о направлении тока, он может течь, только повторяя форму проводника. Единственное, где могут быть варианты, – это одно из двух направлений. Когда что-то перемещается, передается и есть только два возможных направления, удобно использовать инструмент отрицательных чисел. Мы так делали, когда обозначали количество теплоты Q. Мы приняли его положительным, когда тело получает теплоту, и отрицательным – когда теряет. Для силы тока приняли направление от плюса к минусу источника, то есть направление движения положительно заряженных частиц.

А что делать, если в проводнике нет свободных положительно заряженных частиц? Например, в металле носителями тока являются электроны – отрицательно заряженные частицы. В этом случае направление тока противоположно направлению движения отрицательных частиц. Отрицательно заряженные электроны движутся от минуса к плюсу, это все равно, что такой же положительный заряд движется от плюса к минусу, и в математическом выражении это одно и то же. И если нам не важно, какие именно частицы движутся, а важна величина силы тока, то можем использовать эту модель: ток течет от плюса к минусу.

---

 

Движение положительных и отрицательных зарядов

Рассмотрим подробнее утверждение, что перемещение отрицательного заряда в одном направлении эквивалентно перемещению положительного заряда в противоположном.

Пусть в точке А был заряд 10 Кл, в точке Б был заряд 20 Кл. Из точки А переместился заряд 5 Кл в точку Б (см. рис. 11).

Рис. 11. Перемещение заряда от А к В

Итого, в точке А заряд уменьшился на 5 Кл, стал 10 – 5 = 5 Кл; в точке Б заряд увеличился на 5 Кл, стал 20 + 5 = 25 Кл.

Рассмотрим другую ситуацию. Пусть заряд –5 Кл переместился из точки Б в точку А (см. рис. 12).

Рис. 12. Перемещение заряда от В к А

Тогда в точке Б заряд уменьшился на –5 Кл, то есть стал: 20 – (–5) = 25 Кл. А в точке А заряд увеличился на –5 Кл и стал: 10 + (–5) = 5 Кл.

Видим, что итог одинаковый: что в первом, что во втором случае. То есть перенос положительного заряда из точки А в точку Б эквивалентен переносу отрицательного заряда из точки Б в точку А.

---

 

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портад «class-fizika.narod.ru» (Источник)
2. Интернет-портад «class-fizika.narod.ru» (Источник)
3. Интернет-портад «class-fizika.narod.ru» (Источник)
4. Интернет-портад «class-fizika.narod.ru» (Источник)
5. Интернет-портад «class-fizika.narod.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. На каком действии электрического тока основано получение химически чистых металлов?
2. Нарисуйте схему, в которой будет: источник тока, лампочка, амперметр, звонок и выключатель.
3. В коробке перемешаны медные винты и железные шурупы. Каким образом можно быстро рассортировать их, имея аккумулятор, достаточно длинный медный изолированный провод и железный стержень?

 

 

 

БИОДОТЭДУ

Нажмите здесь, чтобы		Физическая структура Основные понятия Ионы
Протоны и электроны На каждый протон в атомном центре где-то на орбите приходится электрон. Протон несет положительный заряд ( + ), а электрон несет отрицательный заряд ().0018 — ), поэтому атомы элементов нейтральны, все положительные заряды уравновешивают все отрицательные заряды. Атомы отличаются друг от друга количеством содержащихся в них протонов, нейтронов и электронов. Однако их расположение всегда следует одному и тому же набору принципов. протоны и нейтроны в атомном центре электроны на орбиталях на энергетических уровнях электроны всегда занимают самый низкий возможный энергетический уровень Вопрос стабильности Водород и гелий иллюстрируют тот факт, что не все атомы обладают одинаковыми свойствами. Оба являются газами, но газообразный водород взрывоопасен, тогда как газообразный гелий полностью инертен и не может подвергаться каким-либо химическим реакциям при нормальных обстоятельствах. Атомы водорода имеют один протон в центре и один электрон на самом низком энергетическом уровне. Атомы гелия, с другой стороны, имеют два протона и два электрона на самом низком энергетическом уровне. Нижний энергетический уровень заполнен максимальным количеством электронов. Это очень стабильное устройство, и, как следствие, гелий является инертным газом с небольшими химическими свойствами. Водород имеет только один электрон на самом низком энергетическом уровне. Это очень нестабильная конфигурация, и газообразный водород подвергается множеству реакций, чтобы достичь стабильной электронной конфигурации, где его энергетический уровень либо пуст от электронов, либо заполнен электронами. Атомы наиболее стабильны, когда их внешний энергетический уровень либо свободен от электронов, либо заполнен электронами. Ионы Атомы натрия имеют 11 электронов. Два из них находятся на самом низком энергетическом уровне, восемь — на втором энергетическом уровне, а затем один электрон — на третьем энергетическом уровне. Это очень нестабильная структура, а элемент натрия представляет собой высокореактивное, смертоносное белое полутвердое вещество, которое воспламеняется на воздухе или прожигает человеческую плоть при контакте. Реактивное вещество. Атомы хлора имеют 17 электронов. Два на низшем, восемь на втором и 7 на третьем энергетическом уровне. Это тоже очень нестабильная схема. Этот элемент представляет собой газ при комнатной температуре и использовался во время Первой мировой войны в качестве отравляющего оружия из-за его высокой реактивности с легкими человека. Эти два атома были созданы друг для друга. Атомы натрия легко отдают единственный электрон на самой внешней орбитали. Этот электрон немедленно подхватывается атомом хлора и помещается в последнее пустое место на его самой внешней орбите. Теперь оба атомных устройства гораздо более стабильны. Они оба имеют крайние орбитали, заполненные электронами. Однако за эту стабильность приходится платить. Отдавая электрон, атом натрия теряет отрицательный электрический заряд. У него все еще есть все положительно заряженные протоны, поэтому оставшаяся структура больше не является электрически нейтральной. Он имеет чистый положительный заряд (+). Точно так же атом хлора получил этот дополнительный отрицательный заряд и не имеет дополнительных протонов, поэтому теперь он несет чистый отрицательный заряд (-). Эти новые атомные устройства называются ионов , а процесс электронного обмена называется ионизацией . Ионные связи Ионные связи представляют собой тип связи, образованный притяжением между противоположно заряженными ионами. Такие связи создаются, когда самые внешние электроны одного атома (например, натрия) постоянно передаются другому атому (например, хлору). Атом, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом (называемым катион), в то время как атом, подхватывающий лишний электрон, становится отрицательно заряженным ионом (называемым анионом ). Разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Итак, ионы ориентируются таким образом, что каждый положительный ион оказывается окруженным отрицательными ионами, а каждый отрицательный ион оказывается окруженным положительными ионами. Ионы устроены таким образом, что положительные и отрицательные заряды чередуются и уравновешивают друг друга. Хлорид натрия — это твердая пищевая добавка, которая более стабильна, чем любая из ее составных частей, а все потому, что самые внешние энергетические уровни ее атомов заполнены электронами. … теперь вы исследуете ионы для себя. ./../SDPS/PS.004a.dcr»> Если вы читаете это сообщение, а не видите интерактивную анимацию, то… Вероятно, вы используете браузер (программное обеспечение, позволяющее выйти в Интернет на вашем компьютере), который устарел или не поддерживает эти функции. Если вы хотите, вы можете исправить эту ситуацию, , обновив браузер как минимум до версии Netscape 4.0 или выше (или Internet Explorer 4.0 или выше). Также вам понадобится подключаемый модуль Sockwave, установленный вместе с вашим браузером (примечание: иногда браузеры поставляются с уже установленным подключаемым модулем — проверьте). BIO точка EDU © 2003, профессор Джон Бламир

Статическое электричество и электрический заряд — Science Learning Hub

Добавить в коллекцию

+ Создать новую коллекцию

Электрический заряд создается, когда электроны переносятся на объект или удаляются от него. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, когда они добавляются к объекту, он становится отрицательно заряженным. Когда электроны удаляются из объекта, он становится положительно заряженным.

Что такое электрический заряд?

Электрический заряд создается при соприкосновении или трении двух материалов. Когда материалы находятся в контакте, электроны могут буквально стираться с одного объекта на другой. Это не означает, что любые два материала, натертые друг о друга, заставят электроны двигаться. Некоторые материалы с гораздо большей готовностью отдают электроны, а другие с гораздо большей вероятностью принимают электроны. Список материалов, упорядоченный по их способности отдавать электроны, называется трибоэлектрическим рядом.

Большинство из нас, вероятно, когда-либо генерировали статический электрический заряд. Удар, который вы получаете, когда идете по ковру и прикасаетесь к металлической поверхности, или когда вы чувствуете цепляние за статически заряженную одежду, свидетельствует о статическом электрическом заряде.

Волосы и мех кролика легко отдают электроны, в то время как полиэтилен и тефлон хорошо притягивают электроны. Когда два материала, находящиеся в разных положениях трибоэлектрического ряда, трутся друг о друга, материалы, находящиеся ближе к положительному концу, отдают электроны и становятся положительно заряженными, а те, что ближе к отрицательному концу, принимают электроны и становятся отрицательно заряженными.

Как создать электрический заряд?

Рассмотрим практический пример создания электрического заряда. Когда шарик трется о волосы, электроны перемещаются с волос на поверхность шарика. Электроны «прилипают» к шарику в том месте, где его терли, и не двигаются по поверхности шарика. Воздушный шар становится отрицательно заряженным (красные электроны), а волосы человека становятся положительно заряженными (меньше электронов, чем раньше).

Теперь давайте воспользуемся только что заряженным шариком, чтобы зарядить другой шарик. Когда мы касаемся заряженным шариком нейтрального (уравновешенного — без лишних электронов) шарика, часть добавленных электронов переносится на нейтральный шарик. Теперь оба шарика имеют отрицательный заряд, и мы кое-что замечаем — шарики раздвигаются. Заряд на воздушных шарах вызывает силу, которая раздвигает воздушные шары. Эта сила очень похожа на силу отталкивания, которую вы чувствуете, когда соединяете два магнита с севера на север или с юга на юг.

Изоляторы и проводники

Изоляторы представляют собой такие материалы, как стекло, резина, дерево и большинство пластиков, в которых электроны удерживаются довольно плотно и не могут свободно перемещаться с места на место. Проводники — это такие материалы, как медь, серебро, золото и железо, в которых электроны могут свободно перемещаться с места на место.

Например, заряженный баллон (изолятор) подносят к нейтральной алюминиевой банке (проводнику). Пока банка находится далеко от воздушного шара, отрицательный заряд на воздушном шаре практически не влияет на банку, и электроны на банке равномерно рассеиваются. Когда шарик подносят к банке, происходит нечто интересное — электроны движутся в сторону банки, чтобы уйти как можно дальше от отрицательно заряженного шарика. Это оставляет сторону банки, ближайшую к воздушному шару, положительно заряженной. Банка в целом по-прежнему нейтральна, но поскольку положительно заряженная сторона банки находится рядом с воздушным шаром, отрицательные заряды на воздушном шаре притягивают положительную сторону банки, и сила притягивает воздушный шар и банку друг к другу. Если банка лежит на боку, она покатится к воздушному шару.

Совсем другое дело произойдет, если проводящую банку коснуться заряженного шара. Когда воздушный шар и могут коснуться, часть электронов на воздушном шаре перетечет на банку, оставив банку с дополнительными электронами и, следовательно, отрицательно заряженной. Теперь и баллон, и банка заряжены отрицательно, и одинаковые заряды вызывают силу, раздвигающую баллон и баллон. Если банка лежит на боку, она откатит шарик.

Индукция

В приведенном выше примере мы использовали отрицательно заряженный воздушный шар, чтобы передать отрицательный заряд банке в процессе прямого контакта. Также можно использовать отрицательно заряженный воздушный шар для придания положительного заряда банке посредством процесса, называемого индукцией.

Если воздушный шар поднести к банке, электроны переместятся к дальней стороне банки, как описано ранее. Если теперь другой объект, например палец, коснется отрицательной стороны банки, часть переполненных электронов потечет на объект, оставив банку положительно заряженной.

Таким образом, можно использовать отрицательно заряженный воздушный шар для придания либо отрицательного заряда (путем контакта с шариком), либо положительного заряда (путем индукции).

Природа науки

В науке модель — это представление идеи, объекта или даже процесса или системы, которое используется для описания и объяснения явлений, которые нельзя испытать непосредственно. Модели занимают центральное место в том, что делают ученые, как в своих исследованиях, так и при передаче своих объяснений.

Связанное содержимое

Эта статья поможет понять структуру атома и предлагает простую модель, объясняющую движение электронов в проводниках и изоляторах.

Узнайте, как сделать простой электромагнит в этом упражнении.

Это задание помогает учащимся создавать простые электрические цепи и тестировать различные материалы, чтобы определить те из них, которые являются хорошими проводниками, и те, которые не проводят электричество.

Этот записанный курс профессионального обучения укрепит вашу уверенность в преподавании физического мира.

Полезная ссылка

Используйте эту симуляцию Университета Колорадо, чтобы поэкспериментировать с электрическими зарядами на воздушных шарах и других объектах.

Опубликовано 2 апреля 2019 г.Ссылка на Статьи Хаба

Перейти к полному глоссарию

Добавить 0 пунктов в коллекцию

1. + Создать новую коллекцию

Скачать 0 пунктов

Загрузка All

9. обсуждалось в предыдущем разделе Урока 1, атомы являются строительными блоками материи. Существуют различные типы атомов, известные как элементы.

Атомы каждого элемента отличаются друг от друга количеством протонов, присутствующих в их ядре. Атом, содержащий один протон, является атомом водорода (Н). Атом, содержащий 6 протонов, является атомом углерода. А атом, содержащий 8 протонов, является атомом кислорода.

Количество электронов, окружающих ядро, определяет, является ли атом электрически заряженным или электрически нейтральным. Количество заряда одного протона равно количеству заряда, которым обладает один электрон. Протон и электрон имеют одинаковое количество, но противоположный тип заряда. Таким образом, если атом содержит равное количество протонов и электронов, атом описывается как электрически нейтральный . С другой стороны, если атом имеет неравное количество протонов и электронов, то атом электрически заряжен (и фактически тогда его называют ион , а не атом). Любая частица, будь то атом, молекула или ион, которая содержит меньше электронов, чем протонов, считается положительно заряженной . И наоборот, любая частица, которая содержит больше электронов, чем протонов, считается отрицательно заряженной .


Сравнение заряженных и незаряженных частиц
Положительно заряженный	Отрицательно заряженный	Незаряженный
Содержит больше протонов, чем электронов	Обладает большим количеством электронов, чем протонов	Равное количество протонов и электронов




Заряженные объекты как дисбаланс протонов и электронов

В предыдущем разделе урока 1 атом был описан как небольшое и плотное ядро ​​из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, окруженное оболочками из отрицательно заряженных электронов. Протоны прочно связаны внутри ядра и не могут быть удалены обычными средствами. В то время как электроны притягиваются к протонам ядра, добавление энергии к атому может убедить электронов покинуть атом. Точно так же электроны внутри атомов других материалов могут быть убеждены покинуть свои собственные электронные оболочки и стать членами электронных оболочек других атомов других материалов. Короче говоря, электроны — это мигранты, постоянно находящиеся в движении и всегда готовые опробовать новую атомную среду.

Все объекты состоят из этих атомов. Электроны, содержащиеся внутри объектов, склонны перемещаться или мигрировать к другим объектам. Процесс, когда электрон покидает один материальный объект, чтобы поселиться (возможно, только временно) в другом объекте, является обычным повседневным явлением. Даже когда вы читаете слова на этой веб-странице, некоторые электроны, вероятно, проходят через монитор и прилипают к вашей одежде (при условии, что вы используете этот онлайн-ресурс) (и носите одежду). Если бы вы прошли по ковру к двери комнаты, электроны, скорее всего, соскоблили бы атомы вашей обуви и переместились бы на атомы ковра. И когда одежда падает в сушилку, весьма вероятно, что электроны на одном предмете одежды переместятся с атомов этой одежды на атомы другого предмета одежды. В общем, чтобы электроны могли двигаться от атомов одного материала к атомам другого материала, должен существовать источник энергии, мотив и низкоомный путь .

Причина и механизмы, по которым происходит это движение электронов, будут предметом Урока 2. А пока достаточно сказать, что заряженные объекты содержат неравное количество протонов и электронов. Заряженные объекты имеют дисбаланс заряда — либо больше отрицательных электронов, чем положительных протонов, либо наоборот. А нейтральные объекты имеют баланс заряда — равное количество протонов и электронов. Принцип, сформулированный ранее для атомов, может быть применен к объектам. Объекты с большим количеством электронов, чем протонов, заряжены отрицательно; объекты с меньшим количеством электронов, чем протоны, заряжены положительно.

В этом обсуждении электрически заряженных и электрически нейтральных объектов нейтроном пренебрегали. Нейтроны, будучи электрически нейтральными, в этом блоке роли не играют. Их наличие (или отсутствие) не будет иметь прямого отношения к тому, заряжен объект или нет. Их роль в атоме заключается лишь в том, чтобы обеспечить стабильность ядра, что не обсуждается в «Учебном классе физики». Когда дело доходит до драмы статического электричества, главными героями становятся электроны и протоны.

Заряд как количество

Как и масса, заряд объекта является измеримой величиной. Заряд, которым обладает объект, часто выражается с помощью научной единицы, известной как Кулон . Точно так же, как масса измеряется в граммах или килограммах, заряд измеряется в кулонах (сокращенно C). Поскольку один кулон заряда представляет собой аномально большое количество заряда, в качестве единицы измерения заряда чаще используются единицы измерения микрокулонов (мкКл) или нанокулонов (нКл). Чтобы проиллюстрировать величину 1 Кулон, объекту потребуется избыток 6,25 x 10 ¹⁸ электронов имеют общий заряд -1 Кл. И, конечно же, объект с недостатком 6,25 x 10 ¹⁸ электронов будет иметь общий заряд +1 Кл.

Заряд одного электрона равен — 1,6 x 10 ^-19 Кулон. Заряд одного протона равен +1,6 х 10 ^-19 кулонов. Количество заряда на объекте отражает степень дисбаланса между электронами и протонами на этом объекте. Таким образом, для определения полного заряда положительно заряженного объекта (объекта с избытком протонов) необходимо из общего числа протонов вычесть общее количество электронов. Эта операция дает количество избыточных протонов. Поскольку один протон вносит заряд +1,6 x 10 ^-19 кулонов к общему заряду атома, общий заряд можно вычислить, умножив количество избыточных протонов на +1,6 x 10 ^-19 кулонов. Аналогичный процесс используется для определения общего заряда отрицательно заряженного объекта (объекта с избытком электронов), за исключением того, что сначала из числа электронов вычитается количество протонов.

Этот принцип показан в следующей таблице.

Объект	Количество избыточных протонов/электронов	Количество и вид заряда (Q) на объекте в кулонах (C)
А	1 x 10 6 избыточные электроны	-1,6 х 10 -13 С
Б	1 x 10 6 избыточные протоны	+1,6 x 10 -13 C
С	2 x 10 10 избыточные электроны	-3,2 х 10 -9 С
Д	3,5 x 10 8 избыточные протоны	+5,6 x 10 -11 C
Е	4,67 x 10 10 избыточные электроны	-7,5 х 10 -9 С

В заключение, электрически нейтральный объект — это объект, имеющий баланс протонов и электронов. Напротив, заряженный объект имеет дисбаланс протонов и электронов. Определение количества заряда такого объекта включает в себя процесс подсчета ; общее количество электронов и протонов сравнивают, чтобы определить разницу между количеством протонов и электронов. Эта разница умножается на 1,6 х 10 ^-19 Кулоны для определения общего количества заряда на объекте. Тип заряда (положительный или отрицательный) определяется избытком протонов или электронов.

 

 

Мы хотели бы предложить …

Иногда недостаточно просто прочитать об этом. Вы должны взаимодействовать с ним! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашей интерактивной зарядки. Вы можете найти его в разделе Physics Interactives на нашем сайте. Интерактивная зарядка — это электростатическая «игровая площадка», которая позволяет учащимся исследовать различные концепции, связанные с зарядом, взаимодействием зарядов, процессами зарядки и заземлением. Как только вы освоитесь с концепцией, нажмите на кнопку «Играть».


Посетите: Интерактивная зарядка







Проверьте свое понимание

Используйте свое понимание заряда, чтобы ответить на следующие вопросы. Когда закончите, нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. ВЕРНО или НЕВЕРНО : Положительно заряженный объект содержит только протоны и не содержит электронов.




2. ПРАВДА или ЛОЖЬ : Отрицательно заряженный объект может содержать только электроны без сопутствующих протонов.




3. ПРАВДА или ЛОЖЬ : Электрически нейтральный объект содержит только нейтроны.

 

4. Определите следующие частицы как заряженные или незаряженные. Если заряжены, укажите, заряжены ли они положительно или отрицательно. (n = нейтрон, p = протон, e = электрон)

 

 

 

5. На рисунке справа изображен нейтральный атом кислорода.

а. Объясните, что должно произойти, чтобы атом кислорода стал отрицательно заряженным.

б. Объясните, что должно произойти, чтобы атом кислорода стал положительно заряженным.

 

6. Определите количество и тип заряда объекта, в котором протонов на 3,62 x 10 ¹² больше, чем электронов.




 

7. Дополните следующие утверждения:

После довольно утомительного подсчета (и довольно длинной истории) учитель физики определяет, что очень маленький образец объекта содержит …

a. … 8,25749 х 10 ¹⁷ протонов и 5,26 х 10 ¹⁴ электронов; заряд этого объекта ____ кулонов.

б. … 3,12 х 10 ¹⁴ протонов и 4,5488 х 10 ¹⁶ электронов; заряд этого объекта ____ кулонов.

г. … 2,40277 х 10 ¹⁹ протонов и 9,88 х 10 ¹⁶ электронов; заряд этого объекта ____ кулонов.

д. … 2,6325 х 10 ¹⁵ протонов и 2,6325 х 10 ¹⁵ электронов; заряд этого объекта ____ кулонов.




 

8. Количество заряда, переносимого молнией, оценивается в 10 кулонов. Какое количество избыточных электронов несет молния?

 

 

9. Ответьте на следующее утверждение учащегося:

«Положительно заряженный объект — это объект, имеющий избыток положительных электронов».

 

Следующий раздел:

Перейти к следующему уроку:

18.1 Электрические заряды, сохранение заряда и перенос заряда — физика

Раздел Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Описывать положительные и отрицательные электрические заряды
• Использование сохранения заряда для расчета количества заряда, переданного между объектами
• Характеристика материалов как проводников или изоляторов на основе их электрических свойств
• Описать электрическую поляризацию и индукционную зарядку

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим учащимся освоить следующие стандарты

• (5) Учащийся знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
  • (С) описать и рассчитать, как величина электрической силы между двумя объектами зависит от их зарядов и расстояния между ними; и
  • (Е) охарактеризовать материалы как проводники или изоляторы на основе их электрических свойств.

Кроме того, в Руководстве по физике для средней школы рассматривается содержание этого раздела лабораторной работы под названием Электрический заряд, а также следующие стандарты:

• (5) Учащийся знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
  • (С) описать и рассчитать, как величина электрической силы между двумя объектами зависит от их зарядов и расстояния между ними; а также
  • (Е) охарактеризовать материалы как проводники или изоляторы на основе их электрических свойств.

Основные термины раздела

проводимость	проводник	электрон	индукция
изолятор	закон сохранения заряда	поляризация	протон

Электрический заряд

Вы можете знать кого-то, у кого есть электрическая личность , что обычно означает, что этот человек привлекает других людей. Это высказывание основано на электрическом заряде — свойстве материи, которое заставляет объекты притягиваться или отталкиваться друг от друга. Электрический заряд бывает двух видов, которые мы называем 9.0742 положительный и отрицательный. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Таким образом, два положительных заряда отталкиваются друг от друга, как и два отрицательных заряда. Положительный заряд и отрицательный заряд притягиваются друг к другу.

Откуда мы знаем, что существует два типа электрического заряда? Когда различные материалы трутся друг о друга контролируемым образом, определенные комбинации материалов всегда приводят к чистому заряду одного типа на одном материале и чистому заряду противоположного типа на другом материале. По соглашению мы называем один тип заряда положительным, а другой — отрицательным. Например, если потереть стекло о шелк, то стекло станет положительно заряженным, а шелк — отрицательно. Так как стекло и шелк имеют противоположные заряды, они притягиваются друг к другу, как белье, протертое друг о друга в сушилке. Две стеклянные палочки, натертые таким образом о шелк, будут отталкиваться друг от друга, потому что каждая палочка имеет положительный заряд. Точно так же две шелковые ткани, натертые таким образом, будут отталкивать друг друга, потому что обе ткани имеют отрицательный заряд. На рис. 18.2 показано, как эти простые материалы можно использовать для изучения природы силы между зарядами.

Рисунок 18.2 Стеклянная палочка становится положительно заряженной при трении о шелк, тогда как шелк становится отрицательно заряженным. а) Стеклянная палочка притягивается к шелку, потому что их заряды противоположны. б) Две одинаково заряженные стеклянные палочки отталкиваются. в) Две одинаково заряженные шелковые ткани отталкиваются.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Демонстрация учителя

Подготовьте демонстрацию статического электричества. Простая демонстрация может состоять в том, чтобы зарядить стеклянную палочку или расческу, протирая ее шерстью, шелком или другой тканью, а затем зарядить надутый шарик, потирая его о рубашку или волосы. Поместите воздушный шар на непроводящую электричество поверхность стола и используйте стеклянную палочку или расческу, чтобы оттолкнуть воздушный шар и заставить его катиться по поверхности стола. Развлеките учащихся, толкая воздушный шар сначала в одном направлении, а затем быстро перемещая стеклянную палочку или гребенку к противоположной стороне воздушного шара, чтобы заставить его замедлиться, а затем двигаться в противоположном направлении. Спросите, какая сила действует между шариком и стеклянной палочкой или гребнем (сила отталкивания).

Ученым потребовалось много времени, чтобы выяснить, что стоит за этими двумя типами зарядов. Само слово электрический происходит от греческого слова elektron для янтаря, потому что древние греки заметили, что янтарь при натирании мехом притягивает сухую солому. Почти 2000 лет спустя английский физик Уильям Гилберт предложил модель, объясняющую эффект электрического заряда таинственной электрической жидкостью, которая переходит от одного объекта к другому. Эта модель обсуждалась в течение нескольких сотен лет, но в конце концов от нее отказались в 189 г.7 работами английского физика Дж. Дж. Томсона и французского физика Жана Перрена. Наряду со многими другими, Томсон и Перрин изучали загадочные катодные лучи , которые, как было известно в то время, состояли из частиц меньше самого маленького атома. Перрин показал, что катодные лучи на самом деле несут отрицательный электрический заряд. Позже работа Томсона привела его к заявлению: «Я не вижу выхода из вывода, что [катодные лучи] представляют собой заряды отрицательного электричества, переносимые частицами материи».

Потребовалось несколько лет дальнейших экспериментов, чтобы подтвердить интерпретацию экспериментов Томсона, но наука фактически открыла частицу, которая несет фундаментальную единицу отрицательного электрического заряда. Теперь мы знаем эту частицу как электрон.

Однако известно, что атомы

электрически нейтральны, что означает, что они несут одинаковое количество положительного и отрицательного заряда, поэтому их суммарный заряд равен нулю. Поскольку электроны отрицательны, какая-то другая часть атома должна содержать положительный заряд. Томсон выдвинул то, что называется модель сливового пудинга , в которой он описал атомы как состоящие из тысяч электронов, плавающих вокруг в туманной массе положительного заряда, как показано на изображении слева на рис. 18.3. Его ученик, Эрнест Резерфорд, изначально считал эту модель правильной и использовал ее (наряду с другими моделями), чтобы попытаться понять результаты своих экспериментов по бомбардировке золотой фольги альфа-частицами (то есть атомами гелия, лишенными своих электронов). Однако результаты не подтвердили модель Томсона, а скорее разрушили ее! Резерфорд обнаружил, что большая часть пространства, занимаемого атомами золота, на самом деле пуста и что почти вся материя каждого атома сосредоточена в крошечном чрезвычайно плотном ядре, как показано на правом изображении на рис. 18.3. Позже было обнаружено, что атомное ядро ​​содержит частицы, называемые протонами, каждый из которых несет единицу положительного электрического заряда. ¹

Рисунок 18,3 На левом рисунке показана модель сливового пудинга Томпсона, в которой электроны плавают в туманной массе положительного заряда. На правом рисунке показана модель Резерфорда, в которой электроны вращаются вокруг крошечного массивного ядра. Обратите внимание, что размер ядра на этом рисунке сильно преувеличен. Если бы он был нарисован в масштабе относительно размера электронных орбит, ядро ​​не было бы видно на этом рисунке невооруженным глазом. Кроме того, насколько наука может обнаружить в настоящее время, электроны являются точечными частицами, а это означает, что они вообще не имеют размера!

Таким образом, протоны и электроны являются фундаментальными частицами, несущими электрический заряд. Каждый протон несет одну единицу положительного заряда, а каждый электрон несет одну единицу отрицательного заряда. С наибольшей точностью, которую могут обеспечить современные технологии, заряд, переносимый протоном, равен 90 742, в точности 90 350, что противоположно заряду электрона. Единица СИ для электрического заряда — кулона (сокращенно «Кл»), названная в честь французского физика Шарля Огюстена де Кулона, изучавшего силу между заряженными объектами. Протон переносит +1,602 × 10–19С+1,602×10-19С. а электрон переносит -1,602×10-19C, -1,602×10-19C, . Количество n протонов, необходимых для получения +1,00 C, равно

n=1,00C×1 протон1,602×10−19C=6,25×1018 протонов.n=1,00C×1протон1,602×10−19C=6,25×1018 протонов.

18,1

Такое же количество электронов требуется для создания электрического заряда −1,00 Кл. Основная единица заряда часто представляется как e . Таким образом, заряд протона равен 90 742 е 90 350 , а заряд электрона равен − е . Математически e=+1,602×10-19C.e=+1,602×10-19C.

Снап Лаборатория

Как и в отличие от обвинений

В этом упражнении исследуется отталкивание и притяжение, вызванное статическим электрическим зарядом.

• Клейкая лента
• Непроводящая поверхность, например пластиковый стол или стул

Инструкции

Процедура для части (a)

1. Подготовьте два куска ленты длиной около 4 см. Чтобы сделать ручку, согните один конец примерно на 0,5 см вдвое, чтобы липкая сторона склеилась.
2. Прикрепите кусочки ленты бок о бок к неметаллической поверхности, такой как столешница или сиденье стула, как показано на рис. 18.5(а).
3. Отклейте оба куска ленты и повесьте их вниз, держа за ручки, как показано на рис. 18.5(b). Если лента изгибается вверх и прилипает к руке, попробуйте использовать более короткий кусок ленты или просто встряхните ленту, чтобы она больше не прилипала к руке.
4. Теперь медленно соедините два куска ленты вместе, как показано на рис. 18.5(c). Что случается?

Рисунок 18.5

Процедура для части (b)

5. Наклейте один кусок ленты на неметаллическую поверхность и наклейте второй кусок ленты поверх первого, как показано на рис. 18.6(a).
6. Медленно отделите две части, потянув за ручку нижней части.
7. Аккуратно проведите пальцем по верхней части второго куска ленты (т. е. по нелипкой стороне), как показано на рис. 18.6(b).
8. Разделите два куска ленты, потянув за их ручки, как показано на рис. 18.6(c).
9. Медленно соедините два куска ленты. Что случается?

Рисунок 18,6

Проверка захвата

Почему на шаге 4 два куска ленты оттолкнулись друг от друга? В шаге 9, почему они привлекли друг друга?

1. Одноименные заряды притягиваются, а разноименные отталкиваются.
2. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.
3. Ленты с положительным зарядом отталкиваются, а ленты с отрицательным зарядом притягиваются друг к другу.
4. Ленты с отрицательным зарядом отталкиваются, а ленты с положительным зарядом притягиваются друг к другу.

Сохранение заряда

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL][OL]Обсудите, что подразумевается под сохранением в физическом смысле. Укажите, как законы сохранения служат правилами учета, которые позволяют нам отслеживать определенные величины. Это похоже на знание того, сколько студентов находится на экскурсии, и использование этой информации, чтобы убедиться, что никто из студентов не пропал без вести. Поскольку ученики не могут раствориться в воздухе, подсчет учеников позволяет учителю узнать, отсутствуют ли какие-либо ученики. Если их нет, то они должны быть где-то еще, и можно начинать поиски.

[AL]Спросите, с какими еще законами сохранения они встречались в физике, и обсудите, как эти законы используются.

Поскольку основные положительные и отрицательные единицы заряда переносятся протонами и электронами, мы ожидаем, что общий заряд не может измениться ни в одной системе, которую мы определяем. Другими словами, хотя мы можем перемещать заряд, мы не можем создать или разрушить его. Это должно быть верно при условии, что мы не создаем и не уничтожаем протоны или электроны в нашей системе. Однако в двадцатом веке ученые научились создавать и уничтожать электроны и протоны, но обнаружили, что заряд все еще сохраняется. Многие эксперименты и солидные теоретические аргументы возвели эту идею в статус закона. Закон сохранения заряда гласит, что электрический заряд нельзя создать или уничтожить.

Закон сохранения заряда очень полезен. Это говорит нам о том, что чистый заряд в системе одинаков до и после любого взаимодействия внутри системы. Конечно, мы должны следить за тем, чтобы при взаимодействии в систему не поступал внешний заряд, а из системы не выходил внутренний заряд. Математически сохранение заряда можно выразить как

.

qinitial=qfinal.qinitial=qfinal.

18,2

где qinitialqinitial — чистый заряд системы до взаимодействия, а qfinal,qfinal — чистый заряд после взаимодействия.

Рабочий пример

Какой недостающий заряд?

На рис. 18.7 показаны две сферы, изначально имеющие заряд +4 Кл и +8 Кл. После взаимодействия (которое может заключаться в том, что они просто касаются друг друга) синяя сфера имеет заряд +10 Кл, а красная сфера имеет неизвестное количество заряда. Используйте закон сохранения заряда, чтобы найти окончательный заряд на красной сфере.

Стратегия

Чистый начальный заряд системы равен qinitial=+4C+8C=+12Cqinitial=+4C+8C=+12C . Итоговый конечный заряд системы равен qfinal=+10C+qredqfinal=+10C+qred, где qredqred — конечный заряд на красной сфере. Сохранение заряда говорит нам, что qinitial=qfinalqinitial=qfinal, поэтому мы можем найти qredqred.

Решение

Приравнивание qначальноеqначальное и qконечноеqконечное и решение для qredqred дает

qначальное=qконечное+12C=+10C+qкрасное.+2C=qкрасное.qначальное=qконечное+12C=+10C+qкрасное.+2C=qкрасное.

18,3

Заряд красной сферы +2 C.

Рисунок 18,7 Две сферы, одна синяя и одна красная, изначально имеют заряд +4 C и +8 C соответственно. После взаимодействия двух сфер синяя сфера имеет заряд +10 Кл. Закон сохранения заряда позволяет найти конечный заряд qredqred на красной сфере.

Обсуждение

Как и все законы сохранения, закон сохранения заряда представляет собой учетную схему, которая помогает нам отслеживать электрический заряд.

Практические задачи

1.

Какое уравнение описывает сохранение заряда?

1. q _{начальная} = q _{конечная} = константа
2. q _{начальный} = q _{окончательный} = 0
3. q _{инициал} − q _{окончательный} = 0
4. q _{начальный} / q _{окончательный} = постоянный

2.

Изолированная система содержит два объекта с зарядами q_{1} и q_{2}. Если объект 1 потеряет половину своего заряда, каков будет окончательный заряд объекта 2?

1. \фракция{q_2}{2}

2. \фракция{3q_2}{2}

3. q_2 — \frac{q_1}{2}

4. q_2 + \frac{q_1}{2}

Проводники и изоляторы

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL]Попросите учащихся определить значение проводника , и изолятора . Объясните, как эти термины используются в физике для обозначения материалов, пропускающих какое-либо количество и не пропускающих.

[OL]Спросите учащихся, сталкивались ли они с проводниками и изоляторами в своей повседневной жизни. Каковы свойства этих материалов? Будьте готовы обсуждать и различать теплопроводники и изоляторы.

[AL]Спросите, помнят ли учащиеся другие проводники и изоляторы в физике. Обсудите, как теплоизоляторы и проводники функционируют в отношении тепловой энергии.

Материалы можно классифицировать в зависимости от того, позволяют ли они перемещать заряды. Если заряд может легко перемещаться через материал, например металлы, то такие материалы называются проводниками. Это означает, что заряд может быть проведен (т. е. перемещен) через материал довольно легко. Если заряд не может проходить через материал, например резину, то такой материал называется изолятором.

Большинство материалов являются изоляторами. Их атомы и молекулы крепче держатся за свои электроны, поэтому электронам трудно перемещаться между атомами. Однако это возможно. Обладая достаточной энергией, можно заставить электроны двигаться через изолятор. Однако изолятор часто физически разрушается в процессе. В металлах внешние электроны слабо связаны со своими атомами, поэтому не требуется много энергии, чтобы заставить электроны двигаться через металл. Такие металлы, как медь, серебро и алюминий, являются хорошими проводниками. К изоляционным материалам относятся пластик, стекло, керамика и дерево.

Проводимость некоторых материалов занимает промежуточное положение между проводниками и изоляторами. Они называются полупроводниками . Их можно сделать проводящими при правильных условиях, которые могут включать температуру, чистоту материала и силу, приложенную для проталкивания через них электронов. Поскольку мы можем контролировать, являются ли полупроводники проводниками или изоляторами, эти материалы широко используются в компьютерных микросхемах. Наиболее часто используемым полупроводником является кремний. На рис. 18.8 показаны различные материалы, расположенные в соответствии с их способностью проводить электроны.

Рисунок 18,8 Материалы можно классифицировать по их способности проводить электрический заряд. Косая черта на стрелке означает, что между проводниками, полупроводниками и изоляторами существует очень большой разрыв в проводимости, но рисунок сжат, чтобы поместиться на странице. Цифры под материалами дают их удельное сопротивление Ом•м (о котором вы узнаете ниже). Удельное сопротивление является мерой того, насколько трудно заставить заряд двигаться через данный материал.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Обратите внимание, что шкала нелинейна, что означает, что проводимость изоляторов намного меньше, чем у проводников. Также отметьте, что полупроводники часто действуют как изоляторы или проводники, но не как материалы с проводимостью, которая находится между изоляторами и проводниками.

Что произойдет, если на проводящий объект поместить избыточный отрицательный заряд? Поскольку одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, они будут сталкиваться друг с другом до тех пор, пока не окажутся настолько далеко друг от друга, насколько это возможно. Поскольку заряд может двигаться в проводнике, он движется к внешним поверхностям объекта. Рисунок 18.9(а) схематически показывает, как избыточный отрицательный заряд равномерно распределяется по внешней поверхности металлического шара.

Что произойдет, если то же самое сделать с изолирующим предметом? Электроны по-прежнему отталкиваются друг от друга, но они не могут двигаться, потому что материал является изолятором. Таким образом, избыточный заряд остается на месте и не распределяется по объекту. На рис. 18.9(b) показана эта ситуация.

Рисунок 18,9 (а) Проводящая сфера с избыточным отрицательным зарядом (т. е. электронами). Электроны отталкиваются друг от друга и расходятся, чтобы покрыть внешнюю поверхность сферы. (b) Изолирующая сфера с избыточным отрицательным зарядом. Электроны не могут двигаться, поэтому остаются на своих первоначальных позициях.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Обратите внимание, что накопление статического электричества не остается на объекте навсегда. Спросите учащихся, как статический заряд может выйти из объекта. Обратите внимание, что накопление статического электричества рассеивается быстрее во влажные дни, чем в сухие.

Передача и разделение заряда

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL][OL]Спросите, как концепция статического электричества может быть совместима с переносом заряда. Разве перенос заряда не есть движение заряда, что противоречит статике?

[AL]Попросите учащихся дать определение разделения заряда. Приготовьтесь объяснить, почему это не означает расщепления электронов.

Большинство объектов, с которыми мы имеем дело, электрически нейтральны, что означает, что они имеют одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов. Однако перенести отрицательный заряд с одного объекта на другой довольно легко. При переносе отрицательного заряда с одного объекта на другой остается избыток положительного заряда. Откуда мы знаем, что отрицательный заряд является мобильным зарядом? Положительный заряд несет протон, прочно застрявший в ядре атома, а атомы застряли в твердых материалах. Электроны, которые несут отрицательный заряд, намного легче удалить из своих атомов или молекул, и поэтому их легче перенести.

Электрический заряд может передаваться несколькими способами. Одним из простейших способов передачи заряда является зарядка контактом, при котором поверхности двух предметов, изготовленных из разных материалов, находятся в тесном контакте. Если один из материалов удерживает электроны сильнее, чем другой, то при разделении материалов он уносит с собой некоторое количество электронов. Трение двух поверхностей друг о друга увеличивает передачу электронов, потому что это создает более тесный контакт между материалами. Он также служит для представления свежий материал с полным запасом электронов к другому материалу. Таким образом, когда вы идете по ковру в сухой день, ваша обувь трется о ковер, и ваша обувь удаляет с ковра некоторое количество электронов. В результате на вашей обуви появляется избыток отрицательного заряда. Когда вы прикасаетесь к дверной ручке, часть вашего избытка электронов переносится на нейтральную дверную ручку, создавая небольшую искру.

Прикосновение рукой к дверной ручке демонстрирует второй способ передачи электрического заряда — зарядку путем проводимости. Этот перенос происходит потому, что одноименные заряды отталкиваются, и поэтому лишние электроны, которые вы подобрали с ковра, хотят быть как можно дальше друг от друга. Некоторые из них перемещаются к дверной ручке, где распределяются по внешней поверхности металла. Другой пример зарядки за счет проводимости показан в верхней строке рис. 18.10. Металлический шар со 100 избыточными электронами касается металлического шара с 50 избыточными электронами, поэтому 25 электронов из первого шара переходят во второй шар. Каждая сфера заканчивается 75 избыточными электронами.

Те же рассуждения применимы к переносу положительного заряда. Однако, поскольку положительный заряд практически не может перемещаться в твердых телах, он передается за счет движения отрицательного заряда в противоположном направлении. Например, рассмотрим нижнюю строку рис. 18.10. Первая металлическая сфера имеет 100 избыточных протонов и касается металлической сферы с 50 избыточными протонами, поэтому вторая сфера передает 25 электронов первой сфере. Эти 25 дополнительных электронов электрически нейтрализуют 25 протонов, так что первая металлическая сфера остается с 75 избыточными протонами. Это показано в нижней строке рисунка 18.10. Вторая металлическая сфера потеряла 25 электронов, поэтому у нее есть еще 25 избыточных протонов, всего 75 избыточных протонов. Конечный результат будет таким же, если мы учтем, что первый шар передал первому шару суммарный положительный заряд, равный заряду 25 протонов.

Рисунок 18.10 В верхнем ряду металлическая сфера с 100 избыточными электронами передает 25 электронов металлической сфере с избыточными 50 электронами. После переноса обе сферы имеют по 75 избыточных электронов. В нижнем ряду металлическая сфера с 100 избыточными протонами получает 25 электронов от шара с 50 избыточными протонами. После переноса обе сферы имеют по 75 избыточных протонов.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Укажите, почему общий заряд в каждый момент одинаков. Обсудите, почему перемещение электронов вправо эквивалентно перемещению той же величины положительного заряда влево, но обязательно уточните, что в большинстве случаев в твердых телах движутся только отрицательные заряды.

[BL][OL]Обсудите значение поляризации на повседневном языке. Например, обсудите, что подразумевается под поляризационными дебатами или поляризованным Конгрессом. Сравните и сопоставьте повседневное значение с физическим значением.

[AL]Спросите, какие еще примеры поляризации из повседневной жизни они могут привести.

В этом обсуждении вы можете задаться вопросом, как избыточные электроны первоначально попали из вашей обуви в вашу руку, чтобы создать искру, когда вы коснулись дверной ручки. Ответ в том, что нет электронов переместились с вашей обуви на ваши руки. Вместо этого, поскольку одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, избыточные электроны на вашей обуви просто отталкивают часть электронов в ваших ногах. Таким образом, электроны, выбитые из ваших ног, переместились в вашу ногу и, в свою очередь, оттолкнули некоторые электроны в вашей ноге. Этот процесс продолжался во всем вашем теле, пока распределение избыточных электронов не покрыло конечности вашего тела. Таким образом, ваша голова, ваши руки, кончик вашего носа и так далее получили свои дозы избыточных электронов, которые были вытеснены из их нормального положения. Все это было результатом того, что избыток электронов на вашей обуви выталкивал электроны из ваших ног.

Этот тип разделения зарядов называется поляризацией. Как только лишние электроны покидают вашу обувь (путем стирания об пол или уноса во влажном воздухе), распределение электронов в вашем теле возвращается к норме. Каждая часть вашего тела снова электрически нейтральна (то есть с нулевым избыточным зарядом).

Явление поляризации показано на рис. 18.1. Ребенок накопил лишний положительный заряд, скользя по горке. Этот избыточный заряд отталкивается и таким образом распределяется по конечностям тела ребенка, особенно по волосам. В результате волосы встают дыбом, потому что избыточный отрицательный заряд на каждой пряди отталкивает избыточный отрицательный заряд на соседних пряди.

Поляризацию можно использовать для зарядки объектов. Рассмотрим две металлические сферы, показанные на рис. 18.11. Сферы электрически нейтральны, поэтому они несут одинаковое количество положительного и отрицательного заряда. На верхнем рисунке (рис. 18.11(а)) две сферы соприкасаются, и положительный и отрицательный заряды равномерно распределены по двум сферам. Затем мы подходим к стеклянному стержню, несущему избыточный положительный заряд, что можно сделать, потирая стеклянный стержень шелком, как показано на рис. 18.11(b). Поскольку противоположные заряды притягиваются друг к другу, отрицательный заряд притягивается к стеклянной палочке, оставляя избыточный положительный заряд на противоположной стороне правой сферы. Это пример зарядки за счет индукции, при которой заряд создается путем приближения к заряженному объекту второго объекта для создания неуравновешенного заряда во втором объекте. Если мы затем разделим две сферы, как показано на рис. 18.11(c), избыточный заряд останется на каждой сфере. Левая сфера теперь имеет избыточный отрицательный заряд, а правая сфера имеет избыточный положительный заряд. Наконец, на нижнем рисунке стержень убран, и противоположные заряды притягиваются друг к другу, поэтому они движутся как можно ближе друг к другу.

Рисунок 18.11 а) Два нейтральных проводящих шара касаются друг друга, поэтому заряд равномерно распределен по обоим шарам. б) Приближается положительно заряженный стержень, который притягивает к себе отрицательные заряды, оставляя на правой сфере избыточный положительный заряд. (c) Сферы разделены. Каждая сфера теперь несет одинаковую величину избыточного заряда. (г) Когда положительно заряженный стержень удаляется, избыточный отрицательный заряд на левой сфере притягивается к избыточному положительному заряду на правой сфере.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Обсудите аналогичную ситуацию с изолирующими сферами. Укажите, как сферы остаются нейтральными, несмотря на то, что они поляризованы на рисунках (b) и (c).

Веселье в физике

Создайте искру на научной ярмарке

Генераторы Ван де Граафа — это устройства, которые используются не только для серьезных физических исследований, но и для демонстрации физики статического электричества на научных ярмарках и в классах. Поскольку они производят относительно небольшой электрический ток, их можно сделать безопасными для использования в таких условиях. Первый такой генератор был построен Робертом Ван де Граафом в 1931 для использования в ядерно-физических исследованиях. На рис. 18.12 показан упрощенный эскиз генератора Ван де Граафа.

В генераторах Ван де Граафа используются гладкие и заостренные поверхности, а также проводники и изоляторы для создания больших статических зарядов. В варианте, показанном на рис. 18.12, электроны «распыляются» с кончиков нижней гребенки на движущуюся ленту, которая сделана из изолирующего материала, такого как резина. Этот метод зарядки ремня сродни зарядке вашей обуви электронами при ходьбе по ковру. Ремень поднимает заряды до верхнего гребня, откуда они снова передаются, подобно тому, как вы касаетесь дверной ручки и переносите на нее свой заряд. Поскольку подобно зарядам отталкиваются, лишние электроны все устремляются к внешней поверхности шара, который сделан из металла (проводника). Таким образом, сама гребенка никогда не накапливает слишком много заряда, потому что любой полученный ею заряд быстро истощается зарядом, движущимся к внешней поверхности шара.

Рисунок 18.12 Генераторы Ван де Граафа переносят электроны на металлическую сферу, где электроны равномерно распределяются по внешней поверхности.

Генераторы Ван де Граафа используются для демонстрации многих интересных эффектов, вызываемых статическим электричеством. Прикасаясь к земному шару, человек получает избыточный заряд, поэтому его волосы встают дыбом, как показано на рис. 18.13. Вы также можете создавать мини-молнии, перемещая нейтральный проводник по направлению к земному шару. Другой фаворит — поставить алюминиевые формочки для кексов на незаряженный шар, а затем включить генератор. Будучи изготовлены из проводящего материала, банки накапливают избыточный заряд. Затем они отталкиваются друг от друга и улетают с земного шара один за другим. Быстрый поиск в Интернете покажет множество примеров того, что можно сделать с помощью генератора Ван де Граафа.

Рисунок 18.13 Человек, касающийся генератора Ван де Граафа, имеет избыточный заряд, который распространяется по его волосам и отталкивает пряди волос от соседей. (кредит: Джон «ShakataGaNai» Дэвис)

Проверка захвата

Почему электроны не остаются на резиновой ленте, когда достигают верхнего гребня?

1. Верхний гребень не имеет избыточных электронов, а избыточные электроны в резиновом ремне передаются гребенке контактным путем.
2. В верхней гребенке нет избыточных электронов, а избыточные электроны в резиновом поясе передаются гребенке за счет проводимости.
3. В верхней гребенке избыточные электроны, а избыточные электроны в резиновом ремне переносятся на гребенку за счет проводимости.
4. В верхней гребенке избыточные электроны, а избыточные электроны в резиновой ленте передаются гребенке при контакте.

Виртуальная физика

Воздушные шары и статическое электричество

Эта симуляция позволяет вам наблюдать накопление отрицательного заряда на воздушном шаре, когда вы третесь им о свитер. Затем вы можете наблюдать, как взаимодействуют два заряженных воздушных шара и как они вызывают поляризацию в стене.

Проверка захвата

Нажмите кнопку сброса и начните с двух шаров. Зарядите первый шарик, потирая им свитер, а затем переместите его ко второму шарику. Почему второй шарик не двигается?

1. Второй шарик имеет равное количество положительных и отрицательных зарядов.
2. Второй шарик имеет больше положительных зарядов, чем отрицательных.
3. Второй шар имеет больше отрицательных зарядов, чем положительных.
4. Второй шар заряжен положительно и имеет поляризацию.

Снап Лаборатория

Поляризующая водопроводная вода

Эта лаборатория продемонстрирует, как легко можно поляризовать молекулы воды.

• Пластмассовый предмет небольших размеров, например, расческа или пластиковая мешалка
• Источник водопроводной воды

Инструкции

Процедура

1. Тщательно протрите пластиковый предмет сухой тканью.
2. Откройте кран ровно настолько, чтобы из крана потекла гладкая струйка воды.
3. Переместите край заряженного пластикового предмета в сторону нити проточной воды.

Что вы наблюдаете? Что происходит, когда пластиковый предмет касается водной нити? Можете ли вы объяснить свои наблюдения?

Почему вода изгибается вокруг заряженного объекта?

1. Заряженный объект индуцирует равномерный положительный заряд на молекулах воды.

2. Заряженный объект индуцирует однородный отрицательный заряд на молекулах воды.

3. Заряженный объект притягивает поляризованные молекулы воды и ионы, растворенные в воде.

4. Заряженный объект деполяризует молекулы воды и ионы, растворенные в воде.

Рабочий пример

Зарядка капель чернил

Электрически нейтральные капли чернил в струйном принтере проходят через электронный луч, создаваемый электронной пушкой, как показано на рис. 18.14. Некоторые электроны захватываются каплей чернил, так что она становится заряженной. После прохождения электронного луча суммарный заряд капли чернил составляет qinkdrop=-1×10-10Cqinkdrop=-1×10-10C. Сколько электронов захватила капля чернил?

Рисунок 18.14 Электроны из 9Электронная пушка 0742 заряжает проходящую каплю чернил.

Стратегия

Один электрон несет заряд qe-=-1,602×10-19Cqe-=-1,602×10-19C . Разделив общий заряд капли чернил на заряд qe-qe- одного электрона, мы получим количество электронов, захваченных каплей чернил.

Решение

Количество n электронов, захваченных каплей чернил, равно

n=qinkdropqe-=-1×10-10C-1,602×10-19C=6×108.n=qinkdropqe-=-1×10 −10C−1,602×10−19С=6×108.

18.4

Обсуждение

Это почти миллиард электронов! Кажется, что это много, но это совсем немного по сравнению с количеством атомов в капле чернил, которых около 1016,1016. Таким образом, каждый лишний электрон приходится примерно на 1016/(6×108)≈1071016/(6×108)≈107 атомов.

Практические задачи

3.

Сколько протонов необходимо для создания 1 нКл заряда? 1 нКл = 10-9 Кл

1. 1,6 × 10 ^-28
2. 1,6 × 10 ⁻¹⁰
3. 3 × 10 ⁹
4. 6 × 10 ⁹

4.

В лаборатории физики вы заряжаете три металлические сферы, две из которых имеют +3\,\text{nC} и одну — 5\,\text{nC}. Когда вы сведете все три сферы вместе так, что все они соприкоснутся друг с другом, каков будет общий заряд трех сфер?

1. + 1\,\text{nC}

2. + 3\,\text{nC}

3. + 5\,\text{nC}

4. + 6\,\text{nC}

Проверьте свое понимание

5.

Сколько видов электрического заряда существует?

1. один тип
2. два типа
3. три типа
4. четыре типа

6.

Какие две основные электрические классификации материалов основаны на том, насколько легко заряды могут проходить через них?

1. проводник и изолятор
2. полупроводник и изолятор
проводник
3. и сверхпроводник
4. проводник и полупроводник

7.

Правда или ложь — поляризованный материал должен иметь ненулевой суммарный электрический заряд.

1. правда
2. ложный

8.

Опишите силу взаимодействия двух положительных точечных зарядов.

1. Сила притяжения действует вдоль линии, соединяющей два точечных заряда.
2. Сила притяжения действует по касательной к линии, соединяющей два точечных заряда.
3. Сила отталкивающая и действует вдоль линии, соединяющей два точечных заряда.
4. Сила отталкивающая и действует по касательной к линии, соединяющей два точечных заряда.

9.

Чем проводник отличается от изолятора?

1. Электрические заряды легко перемещаются в изоляторе, но не в проводящем материале.
2. Электрические заряды легко перемещаются в проводнике, но не в изоляторе.
3. Проводник имеет большое количество электронов.
4. В изоляторе больше зарядов, чем в проводнике.

10.

Верно или неверно — для зарядки объекта с помощью поляризации необходимо коснуться его предметом, несущим избыточный заряд.

1. правда
2. ложь

В: Что такое «статическое электричество» и как я могу увидеть его эффекты?

 

Наука 101

Мэтт Бобровски

О: У учащихся есть много простых способов исследовать статическое электричество с помощью простых материалов. Я опишу несколько увлекательных занятий с использованием воздушных шаров и других предметов, а затем дам краткое руководство по статическому электричеству. Вы можете провести каждое из этих исследований в качестве демонстрации или, если ваши ученики готовы, дать каждой группе свои материалы, чтобы они могли провести исследование самостоятельно.

Один важный совет относительно мероприятий по статическому электричеству: выполняйте их только в дни, когда влажность низкая, скажем, менее 50% относительной влажности. В дождливые дни или дни с высокой влажностью эти действия не сработают, а могут и вовсе не сработать.

Два воздушных шара

Дадим двум шарикам электрический заряд и посмотрим, как они себя поведут. Начните с двух надутых воздушных шаров с прикрепленными к ним нитками.

1. Попросите двух студентов с длинными волосами потереть воздушные шарики о свои волосы в течение не менее 20 секунд (или они могут потереть воздушные шарики о шерстяной свитер; возможно, пусть учащиеся попробуют оба метода и решат, какой из них работает лучше).
2. Поднимите веревки так, чтобы шарики свисали рядом друг с другом (рис. 1).
3. Посмотрите, что делают шарики (они расходятся), и попытайтесь сформулировать возможное объяснение. (Объяснение явлений, которые мы наблюдаем, — это то, чем занимается наука!)
РИСУНОК 1

Дополнительная справочная информация

Как объясняется в приведенном ниже руководстве, трение шариков о волосы или шерсть приводит к тому, что шарики становятся электрически заряженными. У них одинаковый заряд, и одинаковые заряды отталкиваются, поэтому шарики расходятся. Через некоторое время заряженные частицы вытекают, т. е. лишние электроны незаметно улетают в воздух. Тогда воздушные шары больше не заряжаются, и они сближаются.

Воздушный шар и волосы

1. Попросите одного учащегося в каждой группе тереть себе волосы надутым шариком не менее 20 секунд.
2. Попросите учащегося медленно оттянуть шарик от головы, пока другие учащиеся наблюдают за взаимодействием волос и шарика.
3. Обсудите возможное объяснение.

Дополнительная справочная информация

При трении шарика о волосы электроны переходят от волос к шарику. Поскольку электроны заряжены отрицательно, воздушный шар приобретает отрицательный заряд, в то время как волосы, утратившие отрицательные заряды, теперь имеют чистый положительный заряд. Таким образом, воздушный шар и волосы имеют противоположные заряды, и противоположные заряды притягиваются друг к другу. Вот почему волосы тянутся к воздушному шару (рис. 2).

РИСУНОК 2

Воздушный шар и банка содовой

1. Положите пустую банку из-под газировки на бок.
2. Попросите одного учащегося в каждой группе тереть воздушный шарик о свои волосы (или о шерстяной свитер) не менее 20 секунд.
3. Затем учащиеся с воздушными шарами должны поднести свои воздушные шары к банкам с газировкой (не касаясь банок), пока все учащиеся наблюдают за взаимодействием между воздушным шаром и банкой.
4. Обсудите возможное объяснение.

Дополнительная справочная информация

При трении шарика о волосы или шерсть электроны переходят из волос или шерсти в шарик. Поскольку электроны заряжены отрицательно, воздушный шар приобретает суммарный отрицательный заряд. Отрицательные заряды воздушного шара притягиваются к положительным зарядам в банке, и поэтому банка катится к воздушному шару. Когда воздушный шар отрывается от банки, банка будет продолжать катиться к воздушному шару (рис. 3).

РИСУНОК 3

А разве в банке нет отрицательных зарядов, которые будут отталкиваться от отрицательных зарядов на воздушном шаре? Вы задаете отличные вопросы! Оказывается, отрицательные заряды (электроны) в банке действительно отталкиваются, но поскольку банка является хорошим проводником электричества, эти отрицательные заряды просто перемещаются в ту часть банки, которая находится дальше от воздушного шара, оставляя часть банки рядом с шариком. воздушный шар с положительным зарядом, который притягивается к отрицательно заряженному воздушному шару.

Электрически заряженная труба из ПВХ

Вы можете сделать электрически заряженную «научную палочку», взяв двухфутовый отрезок ПВХ-трубы шириной один дюйм. Потрите трубку о волосы не менее 20 секунд, чтобы зарядить ее. Посмотрите, что происходит, когда вы подносите палочку к:

• кускам рваной папиросной бумаги
• немного рисовых хлопьев или воздушного риса
• кусочков пенопласта
• тонкие кусочки мишуры

Вам или ученикам придется перезаряжать палочку каждую минуту или около того. Также можно попробовать положить на заряженную палочку кусочек тонкой мишуры, стряхнуть ее и, подведя палочку под мишуру, держать мишуру в воздухе. Вы также можете приобрести устройство, которое делает это нажатием кнопки, называемое Fun Fly Stick, которое поставляется с несколькими формами из мишуры, которые вы можете левитировать благодаря тому, что одинаковые заряды отталкивают друг друга (рис. 4, стр. 66). Fun Fly Stick доступен с arborsci. com и другие поставщики.

РИСУНОК 4

Учебное пособие по статическому электричеству

Когда электричество течет по проводу, на самом деле движутся заряженные частицы, называемые электронами. В атомах есть и другие заряженные частицы, называемые протонами. Электроны и протоны имеют противоположные заряды, и ученые различают их, обозначая заряд электрона как отрицательных зарядов , а заряд протона как положительных зарядов . Это похоже на два противоположных полюса магнита. И подобно тому, как противоположные полюса магнита притягиваются друг к другу, а одноименные полюса отталкиваются, противоположные электрические заряды будут притягиваться друг к другу, а одноименные отталкиваться (рис. 5). Поскольку эти свойства притяжения и отталкивания действуют на электрические заряды так же, как и на магнитные полюса (т. е. противоположности притягиваются), вы, возможно, захотите изучить свойства магнитов, прежде чем исследовать статическое электричество.

РИСУНОК 5

Когда электрические заряды движутся по проводу, возникает электрический ток или просто электричество. Только отрицательные заряды (электроны) движутся по проводу. Но в объекте может накапливаться как отрицательный, так и положительный заряд, и тогда этот объект электрически заряжен. Если эти заряды никуда не движутся (пока), мы говорим, что имеется статический заряд или статическое электричество . Имеет смысл, верно? Лично мне не нравится термин статическое электричество , потому что мы обычно думаем об электричестве как о электрическом токе, а в случае статического электричества никакого тока нет. Но статическое электричество — популярный термин, поэтому мы используем его в младших классах. В более высоких классах мы будем называть это электрическим зарядом или электростатическим зарядом . Вы можете столкнуться с этими терминами, если прочитаете об этом больше.

Ключевым моментом является то, что если в объекте больше электронов, чем протонов, т. е. больше отрицательных зарядов, чем положительных, то объект в целом имеет отрицательный заряд. Если в объекте больше протонов, чем электронов, т. е. больше положительных зарядов, чем отрицательных, то он имеет общий положительный заряд. Когда студенты трутся воздушными шарами о шерстяной свитер или о волосы, электроны переносятся с шерсти или волос на воздушный шарик. Таким образом, воздушный шар получает чистый отрицательный заряд, а свитер или волосы, потеряв отрицательные заряды, получают чистый положительный заряд. А так как противоположные заряды притягиваются, шарик прилипнет к свитеру или к чьим-то волосам, если его потереть. Если учащийся с длинными волосами потрет воздушный шарик о свою голову, а затем медленно оттянет воздушный шарик, учащиеся увидят, как волосы притягиваются к воздушному шарику. Это подтверждает, что воздушный шар и волосы имели противоположные заряды. На самом деле каждый раз, когда воздушный шар прилипает к чему-то (при условии, что вы не прикрепили его клейкой лентой), это потому, что у вас противоположные заряды.

Если заряженный объект касается другого объекта, особенно такого хорошего проводника, как металл, заряды могут внезапно уйти от объекта, оставив его без заряда. Ваши ученики, вероятно, сталкивались с ходьбой по ковру (особенно если они небрежно волочили ноги), а затем с получением удара током при прикосновении к дверной ручке. Если они шли по шерстяному ковру в обуви на резиновой подошве, электроны переносились с ковра на их обувь (и тела), поэтому они накапливали отрицательный заряд (рис. 6). При прикосновении к дверной ручке заряды внезапно отскакивали к металлу, создавая ощущение удара током. Теперь вы знаете, почему у вас такая электризующая личность!

РИСУНОК 6

Забавный факт: маленькая искра, которую вы получаете, когда касаетесь дверной ручки, по сути является миниатюрной молнией. Когда дождевые облака движутся по воздуху, они накапливают положительные и отрицательные электрические заряды (рис. 7). Так что у облаков тоже есть статическое электричество! И когда накапливается достаточно заряда, электрические заряды прыгают между облаком и землей. Это искра, которую мы называем молнией ! Разве это не поучительно?

Никогда не переставай учиться!

РИСУНОК 7

Вам также может понравиться

 

Журнальная статья

Давайте работать вместе

 

Журнальная статья

Как растения набирают вес

 

Журнальная статья

Не можете забрать?

 

Журнальная статья

Миграция за пределы класса

Электроны: масса, открытие и история

Космос поддерживается своей аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.

Электроны заряжены отрицательно и находятся в самых удаленных областях атомов. (Изображение предоставлено: EzumeImages через Getty Images)

Электроны — это отрицательно заряженные субатомные частицы, находящиеся в самых удаленных областях атомов. По данным Западно-Техасского университета A&M, они считаются как частично частицеподобными, так и частично волнообразными, в зависимости от сценария . Электроны, по сути, являются причиной того, что атомы могут взаимодействовать с другими атомами.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Согласно образовательному веб-сайту Lumen Learning (открывается в новой вкладке), протоны заряжены положительно, нейтроны не имеют заряда, а электроны заряжены отрицательно. Свойства атома зависят от расположения этих основных частиц. 9-24 грамма — определяется как одна атомная единица массы (аму) или один дальтон, согласно Lumen Learning.

Однако на заряд атома в значительной степени влияют электроны. Положительный заряд протона равен отрицательному заряду электрона, поэтому незаряженный — нейтральный — атом имеет равное количество протонов и электронов.

Родственный: Четыре фундаментальные силы природы

Свойства протона, нейтрона и электрона.

	Плата	Mass (amu)	Location
Proton	+1	1	Nucleus
Neutron	0	1	Nucleus
Electron	-1	0	Орбитали

Электронные орбитали и модель Бора

Электроны окружают атомное ядро ​​в областях пространства, известных как орбитали. Согласно образовательному веб-сайту Cambridge Coaching, электронная орбиталь — это область вокруг ядра, где существует высокая вероятность (более 90%) нахождения электрона. «Орбиты — это не точное место, а скорее область, включающая это точное место», — согласно Cambridge Coaching. Согласно образовательному веб-сайту Khan Academy

, каждая орбиталь может содержать до двух электронов. Ранняя модель атома, известная как модель Бора, разработанная датским ученым Нильсом Бором в 1913 году, изображает электронные оболочки, вращающиеся вокруг атомного ядра, подобно планетам, вращающимся вокруг них. солнце, согласно Академии Хана. Каждая электронная оболочка состоит из одной или нескольких подоболочек, которые по существу представляют собой наборы одной или нескольких орбиталей.

В 1913 году Нильс Бор разработал первую модель атома, известную как модель Бора. Бюст Нильса Бора находится перед Копенгагенским университетом, Дания. (Изображение предоставлено BirgerNiss через Getty Images)

Каждая электронная оболочка имеет свой энергетический уровень. Ближайшие к ядру электронные оболочки имеют меньшую энергию, чем более удаленные. Электроны могут перемещаться между этими оболочками, поглощая или выделяя энергию. Это поглощение или высвобождение энергии должно быть таким же, как разница энергий между оболочками, если электрон должен успешно перемещаться между ними.

По данным Академии Хана, чтобы атом был стабильным, он должен иметь минимально возможную энергетическую конфигурацию. Поэтому электроны сначала «заполняют» более низкие энергетические оболочки, ближайшие к ядру, прежде чем они переместятся на более высокие энергетические оболочки дальше.

Электронные конфигурации: что это такое?

Хотя модель Бора может быть полезным инструментом для понимания распределения электронных оболочек и энергетических уровней. Это не полностью отражает реальность того, что происходит с электронной конфигурацией.

Электронные конфигурации помогают химикам предсказать, как атом будет вести себя в таких областях, как проводимость, стабильность и температура кипения, согласно Лос-Аламосской национальной лаборатории . Конфигурации сообщают ученым, как электроны распределяются между подоболочками.

Подоболочки обозначаются буквами s, p, d и f , которые относятся к форме орбитали, например, s подоболочки имеют одну сферическую орбиталь, по данным Академии Хана. Надстрочная буква, сопровождающая s, p d и f в электронных конфигурациях относится к числу электронов на этой орбитали.

Для получения дополнительной информации об электронных конфигурациях и о том, как их рассчитать для себя, ознакомьтесь с этим полезным ресурсом по электронным конфигурациям (открывается в новой вкладке) от Cambridge Coaching.

История электронов

Электроны были открыты английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1897 году. По данным Кембриджского университета, Томсон провел эксперименты по разряду электричества через газы при низком давлении . Газы обычно являются плохими проводниками электричества, но при низком давлении и подаче напряжения через два электрода газ становится проводящим.

Во время этой проводимости отрицательный катод испускает яркие линии, известные как катодные лучи. Эти лучи были впервые описаны в 1858 году немецким физиком Юлиусом Плюкером, по данным Королевского общества . Но никто не знал, что их вызвало.

Похожие истории:

В то время существовало две основные теории. Во-первых, лучи были вызваны каким-то излучением, а во-вторых, что они были потоками таинственных отрицательно заряженных частиц, согласно Кембриджскому университету. Затем Томсон успешно подтвердил, что последняя теория верна, и эти частицы стали известны как электроны.

В 1910 году Томсон начал работать с Фрэнсисом Астоном, их работа по газовой проводимости повлияла на разработку спектрометра Астона и открытие изотопов, согласно Chemistry World .

Научные достижения Томсона не остались незамеченными. В 1906 году Томсон получил Нобелевскую премию за «теоретические и экспериментальные исследования разряда электричества через газы». В 1908 году он был посвящен в рыцари, а в 1912 году получил Орден «За заслуги», который был учрежден для награждения тех, кто оказал «исключительно достойную службу в Нашей коронной службе или в развитии искусств, образования, литературы и науки». в британский журнал The Gazette . Томсон также был президентом Королевского общества в течение пяти лет (19с 15 по 1920 г.) и магистром Тринити-колледжа в Кембридже (открывается в новой вкладке) до своей смерти 30 августа 1940 г. tab) или откройте для себя множество интересных экспериментов (открывается в новой вкладке) с электронами и светом. Узнайте о том, что происходит, когда два атома неметалла имеют общую пару электронов (откроется в новой вкладке) в так называемой ковалентной связи, с BBC Bitesize.

Библиография

Наварро, Жауме. История Электрона: Дж. Дж. и Г. П. Томсон (открывается в новой вкладке). Cambridge University Press, 2012.

Мюнценберг, Г. «Разработка масс-спектрометров от Thomson и Aston до настоящего времени (открывается в новой вкладке)» International Journal of Mass Spectrometry 349 (2013): 9-18.

Краг, Хельге. Нильс Бор и квантовый атом: Боровская модель строения атома 1913-1925 гг. (открывается в новой вкладке). OUP Oxford, 2012.

Маккаган, С. Б., К. К. Перкинс и К. Э. Виман. «Почему мы должны обучать модели Бора и как ей эффективно обучать (открывается в новой вкладке)» Physical Review Special Topics-Physics Education Research 4.1 (2008): 010103.

Итатани, Дзиро и др. «Томографическое изображение молекулярных орбиталей (открывается в новой вкладке)» Nature 432.7019 (2004): 867-871.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Дейзи Добриевич присоединилась к Space.com в феврале 2022 года в качестве справочного автора, ранее работавшего штатным автором в нашем сестринском журнале All About Space. Прежде чем присоединиться к нам, Дейзи прошла редакционную стажировку в журнале BBC Sky at Night Magazine и работала в Национальном космическом центре в Лестере, Великобритания, где ей нравилось знакомить общественность с космической наукой.