Тело, получившее после натирания способность притягивать другие тела. Что такое электризация тел? Определение, простые физические опыты для детей

Все тела и вещества состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из более мелких частиц, называемых электронами, протонами и нейтронами. Эти частицы взаимодействуют друг с другом с силой, которая убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, но которая во много раз превосходит силу тяготения. Например, в атоме водорода электрон притягивается к протону, расположенному в ядре, с силой, которая в 10 39 раз превышает гравитационную силу.

Электрический заряд

Существует минимальное значение электрического заряда, которое называют элементарным зарядом - это 1,6 * 10 -19 Кл. В природе не существует тел, заряд которых не кратен элементарному. Элементарным зарядом обладают электроны, протоны, позитроны и другие частицы.
Протоны и электроны обладают электрическими зарядами одной интенсивности, но противоположными по знаку. Протоны - положительным зарядом, а электроны - отрицательным.
В атоме, в его естественном состоянии, число протонов равно числу электронов, что делает его электрически нейтральным. Однако, когда он теряет или получает электроны, то говорят, что атом электризуется.

Если тело имеет большее количество положительных зарядов, то говорят, что оно потеряло электроны и стало положительно заряженным. Тела никогда не отдают протоны (т. е. положительный заряд), так как они расположены в центральной части атома - ядре.
Отрицательно заряженным телом называют тело, у которого избыток электронов.
Если тело обладает зарядом, то говорят, что оно наэлектризовано. Степень наэлектризованности можно определить по силам взаимодействия между наэлектризованными телами.
Многочисленные опыты показывают, что в природе всегда выполняется закон сохранения электрического заряда : в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов всех частиц не меняется с течением времени.

Три способа электризации тел

Электрически нейтральное тело можно наэлектризовать разными способами:

трением;
прикосновением;
наведением (электростатической индукцией).

Электризация трением

Электризация трением происходит, когда вы трёте один предмет о другой.

Проведите эксперимент. Возьмите небольшой лист бумаги и пластмассовую ручку. Потрите ручку о волосы, а потом прикоснитесь к бумаге. Вы наэлектризовали ручку трением о волосы.

Электризация прикосновением

При взаимодействии двух тел, одно из которых наэлектризовано, незаряженное тело получает электрический заряд, если к нему прикоснуться заряженным. Если поднести пластмассовую ручку, обладающую положительным зарядом, к нейтральному стержню электроскопа, то произойдёт перераспределение заряда. Электроны стержня будут притягиваться положительным зарядом ручки (перетекать на ручку). Соответственно, на стержне образуется недостаток электронов, то есть положительный заряд. Причём равный по величине заряду ручки.

Электризация наведением (электростатическая индукция)

Этот способ электризации означает, что вы подносите заряженный предмет к изолированному проводнику, но не прикасаетесь к нему. Тогда на проводнике появляются заряды, притом на той его части, которая ближе к предмету, эти заряды противоположного знака. А на дальнем конце образуется заряд того же знака, что и на заряженном предмете.

При удалении заряженного предмета заряды на проводнике пропадают. Но если до удаления предмета разделить проводник на две части, то заряды на них сохранятся.

В этой статье попробуем изложить довольно обобщенное представление о том, что же такое электризация тел, а также коснемся закона сохранения электрического заряда.

Независимо от того, принципу работает тот или иной источник электрической энергии, в каждом из них происходит процесс электризации физических тел , т. е. разделение электрических зарядов, имеющихся в источнике электрической энергии, и сосредоточение их на определенных местах, например на электродах или зажимах источника. В результате этого процесса на одном на зажимов источника электрической энергии (катоде) получается избыток отрицательных зарядов (электронов), а на другом зажиме (аноде) - недостаток электронов, т. е. первый из них заряжается отрицательным, а второй - положительным электричеством.

После открытия электрона, элементарной частицы, обладающей минимальным зарядом, после того, как было наконец объяснено строение атома, большинство физических явлений, связанных с электричеством, также стали объяснимы.

Вещественная материя, образующая тела, в целом оказывалась электрически нейтральной, ибо составляющие тела молекулы и атомы нейтральны в обычных условиях, и тела в итоге зарядом не обладают. Но если такое нейтральное тело потереть о другое тело, то часть электронов покинет свои атомы, и перейдет с одного тела на другое. Длина путей, пройденных этими электронами при таком перемещении, не более расстояния между соседними атомами.

Однако если после трения тела разъединить, раздвинуть, то оба тела окажутся заряженными. Тело, на которое перешли электроны, станет отрицательно заряженным, а то, которое эти электроны отдало - приобретет положительный заряд, станет положительно заряженным. Это и есть электризация.

Допустим что в каком-нибудь физическом теле, например в стекле, удалось изъять из значительного числа атомов часть их электронов. Это значит, что стекло, потеряв часть своих электронов, окажется заряженным положительным электричеством, так как в нем положительные заряды получили перевес над отрицательными.

Изъятые из стекла электроны исчезнуть не могут и должны быть где-то размешены. Допустим, что после того как электроны били изъяты из стекла, они оказались размещенными на металлическом шарике. Тогда очевидно, что металлический шарик, получивший лишние электроны, зарядился отрицательным электричеством, так как в нем отрицательные заряды получили перевес над положительными.

Наэлектризовать физическое тело - значит создать в нем избыток или недостаток электронов, т.е. нарушить в нем равновесие двух противоположностей, а именно положительных и отрицательных зарядов.

Наэликтризовать два физических тела одновременно и совместно разноменными электрическими зарядами - значит изьять из одного тела электроны и передать их другому телу.

Если где-либо в природе образовался положительный электрический заряд, то оновременно с ним неизбежно должен возникнуть такой же по абсолютной величине отрицательный заряд, так как всякий избыток электронов в любом физическом теле возникает за счет недостатка их в каком-нибудь другом физическом теле.

Разноименные электрические заряды выступают в электрических явлениях как неизменно сопутствующие друг другу противоположности, единство и взаимодействие которых сотавляет внутреннее содержание электрических явлений в веществах.

Нейтральные тела электризуются тогда, когда они отдают или принимают электроны, в любом случае они приобретают электрический заряд, и перестают быть нейтральными. Здесь не возникают ниоткуда электрические заряды, заряды только разделяются, поскольку электроны уже были в телах, и просто поменяли свое местоположение, электроны переместились с одного электризуемого тела на другое электризуемое тело.

Знак электрического заряда, получающегося при трении тел зависит от природы этих тел, от состояния их поверхностей и от ряда других причин. Поэтому не исключена возможность, что одно и то же физическое тело может в одном случае зарядиться положительным, a в другом - отрицательным электричеством, например, металлы при трении их о стекло и шерсть электризуются отрицательно, а при трении о каучук - положительно.

Уместным будет вопрос: почему через диэлектрики электрический заряд не проходит, а через металлы проходит? Все дело в том, что в диэлектриках все электроны связаны с ядрами своих атомов, они просто не имеют возможности к свободному перемещению по объему всего тела.

А вот в металлах ситуация иная. Связи электронов в атомах металлов гораздо слабее, чем в диэлектриках, и некоторые электроны легко покидают свои атомы, и свободно перемещаются по объему всего тела, это так называемые свободные электроны, которые и обеспечивают перенос заряда в проводниках.

Разделение зарядов происходит, тем не менее, и при трении металлических тел, и при трении диэлектриков. Но в демонстрациях используют именно диэлектрики: эбонит, янтарь, стекло. К этому прибегают по той простой причине, что поскольку в диэлектриках заряды по объему не перемещаются, то они и остаются на тех же местах на поверхностях тел, где и возникли.

А если трением, скажем, о мех, наэлектризовать кусок металла, то заряд лишь успев переместиться к его поверхности, мгновенно стечет на тело экспериментатора, и демонстрации, такой как с диэлектриками, не получится. Но если кусок металла будет иметь изоляцию от рук экспериментатора, то он на металле останется.

Если заряд тел в процессе электризации лишь разделяется, то как ведет себя общий их заряд? Несложные эксперименты дают ответ на этот вопрос. Взяв электрометр с укрепленным на его стержне металлическим диском, кладут на диск кусок шерстяной ткани, размером с этот диск. Сверху на диск из ткани кладут еще один такой же проводящий диск, как на стержне электрометра, но оснащенный диэлектрической рукояткой.

Держась за рукоятку, экспериментатор несколько раз двигает верхний диск, трет его об упомянутый тканевый диск, лежащий на диске стержня электрометра, затем убирает его в сторону от электрометра. Стрелка электрометра отклоняется в момент, когда диск убирают, и остается в таком положении. Это свидетельствует о том, что на шерстяной ткани и на диске, закрепленном на стержне электрометра, появился электрический заряд.

После этого диск с рукояткой приводят в соприкосновение со вторым электрометром, но без закрепленного на нем диска, и наблюдают, что его стрелка отклоняется почти на такой же угол, что и стрелка первого электрометра.

Эксперимент показывает, что оба диска при электризации получили равные по модулю заряды. Но каковы знаки этих зарядов? Чтобы ответить на данный вопрос, электрометры соединяют проводником. Стрелки электрометров тут же вернутся к нулевому положению каждая, в котором и были до начала эксперимента. Заряд нейтрализовался, а значит заряды дисков были равны по модулю, но противоположны по знаку, и в сумме дали ноль, как до начала эксперимента.

Подобные эксперименты указывают на то, что при электризации сохраняется суммарный заряд тел, то есть если в сумме был ноль до электризации, то в сумме будет ноль и после электризации . Но почему так получается? Если натереть о сукно эбонитовую палку, она зарядится отрицательно, а сукно положительно, и это известный факт. На эбоните, при трении о шерсть образуется избыток электронов, а на сукне, соответственно, недостаток.

Заряды будут равны по модулю, ведь сколько электронов перешло с сукна на эбонит, столько отрицательного заряда получил эбонит, и столько же положительного заряда образовалось на сукне, так как ушедшие с сукна электроны - это положительный заряд сукна. И избыток электронов на эбоните в точности равен недостатку электронов на сукне. Заряды противоположны по знаку, но равны по модулю. Очевидно, полный заряд при электризации сохраняется, он в сумме равен нулю.

Мало того, даже если до электризации заряды обоих тел отличались от нуля, то в сумме полный заряд все равно сохраняется тем же, что и был до электризации. Обозначив заряды тел до их взаимодействия как q1 и q2, а заряды после взаимодействия как q1" и q2", то справедливым будет следующее равенство:

q1 + q2 = q1" + q2"

Это говорит о том, что при любых взаимодействиях тел полный заряд неизменно сохраняется. Это один из фундаментальных законов природы, закон сохранения электрического заряда. Бенджамин Франклин открыл его в 1750 году, и ввел понятия «положительный заряд» и «отрицательный заряд». Франклин и предложил обозначать разноименные заряды знаками «-» и «+».

В электронике для токов прямо следуют из закона сохранения электрического заряда. Объединение проводников и радиоэлектронных компонентов представляется в виде незамкнутой системы. Суммарный приток зарядов в данную систему равен суммарному выходу зарядов из этой системы. В правилах Кирхгофа предполагается, что электронная система не может значительно изменять свой суммарный заряд.

Справедливости ради отметим, что наилучшей экспериментальной проверкой закона сохранения электрического заряда является поиск таких распадов элементарных частиц, которые были бы разрешены в случае нестрогого сохранения заряда. Такие распады никогда на практике не наблюдались.

Другие способы электризации физических тел:

1. Если цинковую пластину погрузить в раствор серной кислоты H 2 SO 4 , то она частично в нем растворится. Часть атомов цинковой пластины, оставив по два своих электрона на цинковой пластине перейдет в раствор серией кислоты в виде двухзарядных положительных ионов цинка. В результате цинковая пластина зарядится отрицательным электричеством (избыток электронов), а раствор серной кислоты - положительным (избыток положительных ионов цинка). Это имение электризации цинка в растворе серной кислоты использовано как основной процесс возникновении электрической энергии.

2. Если на поверхности таких металлов, как цинк, цезий и некоторые другие, падают лучи света, то с этих поверхностей выделяются свободные электроны в окружающую среду. В результате металл заряжается положительным электричеством, а окружающее его пространство - отрицательным. Испускание электронов освещенными поверхностями некоторых металлов называется фотоэффектом, нашедшим себе применение в фотоэлементах.

3. Если металлическое тело нагреть до состояния белого каления, то с его поверхности будут вылетать свободные электроны в окружающее пространство. В результате этого металл, потерявший электроны зарядится положительным электричеством, а окружающая среда - отрицательным.

4. Если спаять концы двух разнородных проволок, например висмутовой и медной, и место их спая нагреть, то свободные электроны частично перейдут из медной проволоки на висмутовую. В результате медная проволока зарядится положительным электричеством, а висмутовая - отрицательным. Явление электризации двух физических тел при поглощении ими тепловой энергии .

Надеемся, что эта краткая статья дала вам общее представление о том, что такое электризация тел, и теперь вы знаете, как экспериментально проверить закон сохранения электрического заряда при помощи простого эксперимента.

Подобные явления были известны ещё до нашей эры. Для опытов по электризации трением брали янтарь и натирали его шерстью. После этого янтарь и шерсть начинали притягивать к себе сухие травинки. Янтарь по-гречески – «электрон», от него и произошло слово «электричество».

Опыты показывают: наэлектризованное и ненаэлектризованное тела всегда притягиваются. Примеры: пластмассовая палочка и тонкая струйка воды, янтарь и сухие травинки. Опыты также показывают, что два тела, наэлектризованные трением друг о друга, всегда притягиваются. Например, наэлектризовавшись трением о наше тело, свитер или юбка «липнут» к телу.

Наэлектризованные тела (их также называют заряженными или имеющими заряд) могут не только притягиваться; они могут и отталкиваться. Проведём опыты. Натрём палочку из эбонита шерстяной варежкой, а палочку из стекла – шёлковым платком. Подвесив палочки на нитях, увидим, что эбонит и шерсть, а также стекло и шёлк притягивают друг друга (см. рисунок).

Теперь поменяем пары тел. Мы видим, что эбонит и шёлк, а также стекло и шерсть отталкивают друг друга (см. рисунок).

Есть и другие примеры отталкивания наэлектризованных тел.

Прежде учёные не делали различий между «стеклянным», «шерстяным», «шёлковым», «эбонитовым», «янтарным» и другими видами зарядов. Однако в 1733 году французский учёный Ш.Дюфэ проделал опыты и выяснил, что на электризуемых телах могут образовываться заряды только двух родов. Вот как он писал в своих научных трудах: «Один род я называю стеклянным электричеством, другой – смоляным. Тело, наэлектризованное стеклянным электричеством, отталкивает все тела со стеклянным электричеством и притягивает тела со смоляным электричеством». Сегодня два рода зарядов мы называем:

Справа стоит символ ±q – физическая величина электрический заряд. Электрические заряды характеризуют модулем и знаком одновременно, выражая в специальных единицах, кулонах. Как можно измерить заряд и чему равен 1 кулон (1 Кл), мы узнаем в старших классах.

Многократно электризуя одни и те же тела, можно заметить, что сила их взаимодействия бывает различной: большей или меньшей. В физике это объясняют тем, что модуль заряда бывает большим или малым.

Для обнаружения заряженных тел и сравнения их зарядов применяют прибор электроскоп (см. рисунок). Металлический корпус 1 спереди закрыт стеклом 2. Внутрь прибора вставлен металлический стержень 3 с легкоподвижными лепестками 4. От корпуса стержень отделён круглой пластмассовой втулкой 5. Если верхней части стержня коснуться заряженным телом, то лепестки отклонятся друг от друга тем сильнее, чем больше модуль заряда тела. К сожалению, с помощью электроскопа невозможно определять знаки зарядов тел.

Макроскопическому телу можно сообщить заряд любого знака. Этот процесс называется электризацией. Существуют разные способы электризации тел, то есть превращения электрически нейтральных тел в заряженные; в частности, это можно осуществить путем трения тел друг о друга (электризация трением). Например, если надутый небольшой воздушный шар потереть о шерсть, мех или свои волосы, то шар будет прилипать к телу, о которое его потерли. Если янтарь потереть куском ткани, то он будет притягивать легкие предметы. То же можно наблюдать, если потереть тканью эбонитовую или стеклянную палочку. В этих случаях объект приобретает электрический заряд благодаря трению, то есть происходит электризация трением, а силы, действующие при этом, называются электрическими силами. Опыты показывают, что два тела, наэлектризованные трением друг о друга, притягиваются.

Известно, что наэлектризованные эбонитовая и стеклянная палочки обладают различным видом зарядов. Условились считать заряд, появляющийся при электризации трением на эбонитовой палочке или янтаре отрицательным, а на стеклянной палочке – положительным.

В настоящее время электризацию тел объясняют с помощью представления о переносе электронов с одного вещества на другое. Наружные электроны атомов вещества часто очень слабо привязаны к своему ядру и при трении, обеспечивающем максимальный контакт поверхностей трущихся веществ, они могут переходить от одного вещества к другому. Тело, получившее избыток электронов, заряжается отрицательно. Тело, потерявшее электроны – положительно.

В таблице 1.1 указаны виды зарядов, возникающих у тел при их электризации трением. Названия материалов, электризующихся при взаимном трении, расположены построчно в разных столбцах.

Таблица 1.1

Кроме электризации трением, существует также и электризация индукцией. Рассмотрим ее на опыте (рис. 1.1). Имеются два незаряженных металлических шара.

Повторим опыт с шарами немного иначе (рис. 1.2). Возьмем два незаряженных металлических шара, касающихся друг друга (а). Поднесем палочку к шарам (б), затем уберем ее и только после этого раздвинем шары (в). Удивительно, но теперь шары окажутся незаряженными (г).

Если же для опыта использовать не металлические, а пластмассовые или резиновые шары, то наэлектризовать индукцией (то есть действием на расстоянии) нам их не удастся ни при каком способе раздвигания!

Рис. 1.3

Объяснить электризацию индукцией можно на основе микроструктуры вещества. В металлах, которые относятся к классу проводников, – веществ, хорошо проводящих электрический ток, – имеются свободные электроны, которые могут свободно двигаться. Когда к незаряженному металлическому шару подносят заряженное тело, электроны сдвигаются либо к подносимому заряженному телу, либо от него, в зависимости от знака его заряда. В других веществах, таких как пластмасса или резина, относящихся к классу изоляторов, ни положительные, ни отрицательные заряды не могут свободно перемещаться. Но, когда заряженное, например, положительно, тело подносят к пластмассовому стержню, конфигурация молекул стержня искажается таким образом, что его поверхность, обращенная к заряженному телу, окажется заряженной отрицательно, и наоборот.

Для обнаружения наэлектризованных тел служат специальные приборы – электроскопы. Внешний вид прибора приведен на рис 1.3. Цилиндрический корпус (1) закрыт стеклом (2). Внутрь прибора вставлен металлический стержень (3) с легкоподвижными лепестками (4). От металлического корпуса прибора стержень отделен пластмассовой втулкой (5). При соприкосновении заряженного тела со стержнем электроскопа электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра (рис. 1.4).

Рис. 1.4

Проделайте опыты!

1. Отрежьте от тетрадного листа полоску бумаги шириной 1 см. Положив полоску на тетрадь, проведите по ней несколько раз пластмассовой ручкой с лёгким нажимом. Затем возьмите в одну руку полоску, а в другую – ручку, и сближайте их. Бумажная полоска изгибается в сторону ручки, следовательно, между ними возникают силы притяжения.