Testek villamosítása, töltések kölcsönhatása

Ebben a cikkben megpróbálunk egy meglehetősen általános elképzelést bemutatni arról, hogy mi a testek villamosítása, és érintjük az elektromos töltés megmaradásának törvényét is.

Függetlenül attól, hogy ez vagy az az elektromos energiaforrás működik-e az elvnek, mindegyik megtörténik a fizikai testek villamosítása, vagyis az elektromos energiaforrásban jelen lévő elektromos töltések szétválasztása és bizonyos helyeken való koncentrációja, pl. a forrás elektródáin vagy kivezetésein. Ennek a folyamatnak az eredményeként az elektromos energiaforrás egyik terminálján (katód) a negatív töltések (elektronok) feleslege, a másik érintkezőn (anódon) pedig elektronhiány keletkezik, pl. ezek közül az első negatív, a második pozitív elektromossággal töltődik fel.

Az elektron, a minimális töltésű elemi részecske felfedezése után az atom szerkezetének végleges magyarázata után a legtöbb elektromossággal kapcsolatos fizikai jelenség is megmagyarázhatóvá vált.

A testeket alkotó anyag általában elektromosan semleges, mivel a testet alkotó molekulák és atomok normál körülmények között semlegesek, következésképpen a testeknek nincs töltésük. De ha egy ilyen semleges test egy másik testhez dörzsölődik, akkor az elektronok egy része elhagyja atomjait, és egyik testből a másikba kerül. Az elektronok által az ilyen mozgás során megtett út hossza nem több, mint a szomszédos atomok közötti távolság.

Ha azonban a súrlódás után a testek szétválnak, eltávolodnak egymástól, akkor mindkét test feltöltődik. Az a test, amelybe az elektronok eljutottak, negatív töltésű lesz, és az, amelyik ezeket az elektronokat adományozta, pozitív töltést kap, pozitív töltésű lesz. Ez a villamosítás.

Tegyük fel, hogy valamilyen fizikai testben, például üvegben, jelentős számú atomról sikerült eltávolítani az elektronjaik egy részét. Ez azt jelenti, hogy az elektronok egy részét elvesztett üveg pozitív elektromossággal töltődik fel, mert benne a pozitív töltések előnyre tettek szert a negatívakkal szemben.

Az üvegből eltávolított elektronok nem tűnhetnek el, valahova el kell helyezni őket. Tegyük fel, hogy miután az elektronokat eltávolítottuk az üvegből, egy fémgolyóra helyezzük őket. Ekkor nyilvánvaló, hogy a további elektronokat fogadó fémgolyó negatív elektromossággal töltődik fel, mivel benne a negatív töltések elsőbbséget élveznek a pozitívakkal szemben.

A fizikai test villamosítása – azt jelenti, hogy elektronfelesleget vagy hiányt hozunk létre benne, pl. megzavarják benne két ellentét egyensúlyát, nevezetesen a pozitív és a negatív töltések.

Két fizikai test egyidejű és különböző elektromos töltésekkel történő villamosítása azt jelenti, hogy elektronokat vonunk ki az egyik testből, és egy másik testbe helyezzük át.

Ha valahol a természetben pozitív elektromos töltés alakult ki, akkor azzal egyidejűleg óhatatlanul azonos abszolút értékű negatív töltésnek kell keletkeznie, mivel bármely fizikai testben az elektronok feleslege a másik fizikai test hiánya miatt keletkezik.

A különféle elektromos töltések az elektromos jelenségekben változatlanul kísérő ellentétekként jelennek meg, amelyek egysége és kölcsönhatása alkotja az anyagok elektromos jelenségeinek belső tartalmát.

A semleges testek felvillanyozódnak, amikor elektronokat adnak vagy fogadnak, mindkét esetben elektromos töltést kapnak, és megszűnnek semlegesek lenni. Itt az elektromos töltések nem a semmiből keletkeznek, a töltések csak szétválnak, mert az elektronok már a testekben voltak és egyszerűen megváltoztatták a helyüket, az elektronok egyik villamosított testből a másik villamosított testbe kerülnek.

A testek súrlódásából származó elektromos töltés előjele e testek természetétől, felületük állapotától és számos egyéb októl függ. Ezért nem kizárt annak a lehetősége, hogy ugyanaz a fizikai test egyik esetben pozitív, másik esetben negatív elektromossággal töltődik fel, például a fémek üveghez és gyapjúhoz dörzsölve negatívan felvillanyozódnak, dörzsölve pedig radír - pozitívan.

Helyénvaló kérdés lenne: miért nem a dielektrikumon, hanem a fémeken keresztül áramlik az elektromos töltés? A lényeg az, hogy a dielektrikumban az összes elektron az atommagjához kötődik, csak nem képesek szabadon mozogni a testben.

A fémeknél azonban más a helyzet. A fématomokban az elektronkötések sokkal gyengébbek, mint a dielektrikumokban, és egyes elektronok könnyen elhagyják atomjaikat és szabadon mozognak az egész testben, ezek az úgynevezett szabad elektronok, amelyek a vezetékekben töltésátvitelt biztosítanak.

A töltések szétválása a fémes testek és a dielektrikumok súrlódása során egyaránt megtörténik. De a bemutatókon dielektrikumokat használnak: ebonitot, borostyánt, üveget. Ezt azon egyszerű oknál fogva alkalmazzák, hogy mivel a töltések a dielektrikumban nem mozognak a térfogatban, ugyanazokon a helyeken maradnak a testek felületén, ahonnan keletkeztek.

És ha a súrlódás következtében, mondjuk a szőrnél, egy fémdarab felvillanyozódik, akkor a töltés, amelynek már csak ideje van a felszínére mozdulni, azonnal lecsapódik a kísérletező testére, és egy bemutató pl. dielektrikum, nem fog működni. De ha egy fémdarabot elszigetelnek a kísérletező kezétől, az a fémen marad.

Ha a testek töltése csak a villamosítás során szabadul fel, akkor hogyan viselkedik a teljes töltésük? Az egyszerű kísérletek választ adnak erre a kérdésre. Vegyen egy elektrométert, amelynek rúdjára fémkorong van, és helyezzen a korongra egy darab gyapjúszövetet, akkora, mint a korong. A szövetkorong tetejére egy másik vezető tárcsát helyeznek el, az elektrométerrúddal megegyezően, de dielektromos fogantyúval.

A fogantyút fogva a kísérletvezető többször mozgatja a felső korongot, hozzádörzsöli az elektrométerrúd korongján fekvő szövetkoronghoz, majd elmozdítja az elektrométertől. Az elektrométer tűje a korong eltávolításakor elhajlik, és ebben a helyzetben marad. Ez azt jelzi, hogy elektromos töltés alakult ki a gyapjúszöveten és az elektrométerrúdhoz rögzített korongon.

A fogantyús korongot ezután érintkezésbe hozzuk a második elektrométerrel, de anélkül, hogy a tárcsát hozzáerősítenék, és megfigyelhető, hogy tűje közel ugyanolyan szögben elhajlik, mint az első elektrométer tűje.

A kísérlet azt mutatja, hogy mindkét lemez a villamosítás során ugyanannak a modulnak a töltéseit kapta. De mik a jelei ezeknek a vádaknak? A kérdés megválaszolásához az elektrométereket egy vezeték köti össze. Az elektrométer tűi azonnal visszatérnek a nulla pozícióba, amelyben a kísérlet megkezdése előtt voltak. A töltést semlegesítették, ami azt jelenti, hogy a töltések a korongokon egyenlő nagyságúak voltak, de ellentétes előjelűek, és összességében nullát adtak, mint a kísérlet megkezdése előtt.

Hasonló kísérletek mutatják, hogy a villamosítás során a testek teljes töltése konzerválódik, vagyis ha a teljes mennyiség nulla volt a villamosítás előtt, akkor a teljes mennyiség nulla lesz a villamosítás után... De miért történik ez? Ha egy ébenfa botot dörzsölünk egy kendőre, akkor az negatív töltésű lesz, a ruha pedig pozitív töltésű lesz, és ez jól ismert tény. Ha gyapjúra dörzsöljük, az eboniton elektronfelesleg képződik, a ruhán pedig ennek megfelelő hiány.

A töltések modulusban egyenlőek lesznek, mert a szövetből hány elektron ment át az ebonitba, az ebonit ekkora negatív töltést kapott, és ugyanannyi pozitív töltés keletkezett a vásznon, mert az elektronok, amelyek elhagyták a a ruha pozitív töltése a ruhán. És az ebonit elektronfeleslege pontosan megegyezik a ruhán lévő elektronok hiányával. A töltések ellentétes előjelűek, de nagyságuk egyenlő. Nyilvánvaló, hogy a teljes töltés megmarad a villamosítás során; összesen nullával egyenlő.

Sőt, még ha a töltések mindkét testen nullától eltérőek voltak a villamosítás előtt, a teljes töltés még mindig ugyanaz, mint a villamosítás előtt. Ha a testek kölcsönhatásuk előtti töltéseit q1-nek és q2-nek, a kölcsönhatás utáni töltéseket pedig q1'-nek és q2'-nek jelöljük, akkor a következő egyenlőség lesz igaz:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

Ez azt jelenti, hogy a testek bármilyen kölcsönhatása esetén a teljes töltés mindig megmarad. Ez a természet egyik alapvető törvénye, az elektromos töltés megmaradásának törvénye. Benjamin Franklin fedezte fel 1750-ben, és bevezette a "pozitív töltés" és a "negatív töltés" fogalmát. Franklin és azt javasolta, hogy az ellentétes töltéseket «-» és «+» jelekkel jelezzék.

Az elektronikában Kirchhoff szabályai mert az áramok közvetlenül következnek az elektromos töltés megmaradásának törvényéből. A vezetékek és az elektronikus alkatrészek kombinációja nyílt rendszerként jelenik meg. Az adott rendszerbe befolyó díjak teljes összege megegyezik az adott rendszerből származó díjak teljes kiáramlásával. Kirchhoff szabályai azt feltételezik, hogy egy elektronikus rendszer nem tudja jelentősen megváltoztatni a teljes töltöttségét.

Az igazság kedvéért megjegyezzük, hogy az elektromos töltés megmaradásának törvényének legjobb kísérleti tesztje az elemi részecskék olyan bomlásának keresése, amely a töltés nem szigorú megmaradása esetén megengedett. Ilyen bomlást a gyakorlatban soha nem figyeltek meg.

A fizikai testek villamosításának egyéb módjai:

1. Ha a cinklemezt H2SO4 kénsav oldatába merítjük, akkor részben feloldódik benne. A cinklemezen lévő atomok egy része, két elektronjukat a cinklemezen hagyva, savsorral oldódik meg kétszeresen töltött pozitív cinkionok formájában. Ennek eredményeként a cinklemez negatív elektromossággal (többlet elektronnal), a kénsavoldat pedig pozitív (pozitív cinkionok többletével) töltődik fel. Ezt a tulajdonságot a kénsavoldatban lévő cink villamosítására használják galvánelemben mint az elektromos energia megjelenésének fő folyamata.

2. Ha fénysugarak fémek, például cink, cézium és mások felületére esnek, akkor ezekről a felületekről szabad elektronok szabadulnak fel a környezetbe. Ennek eredményeként a fém pozitív elektromossággal, a körülötte lévő tér pedig negatív elektromossággal töltődik fel. Az egyes fémek megvilágított felületeiről származó elektronkibocsátást fotoelektromos effektusnak nevezik, amelyet a fotovoltaikus cellákban alkalmaznak.

3. Ha a fémtestet fehérhő állapotra hevítjük, akkor a szabad elektronok a felületéről a környező térbe repülnek.Ennek eredményeként az elektronokat vesztett fém pozitív elektromossággal, a környezet pedig negatív elektromossággal töltődik fel.

4. Ha két különböző vezeték, például bizmut és réz végét forrasztja, és felmelegíti a csatlakozásukat, akkor a szabad elektronok részben átmennek a rézhuzalból a bizmutba. Ennek eredményeként a rézhuzal pozitív elektromossággal, míg a bizmuthuzal negatív elektromossággal töltődik fel. Két fizikai test villamosításának jelensége, amikor hőenergiát nyelnek el hőelemekben használják.

A villamosított testek kölcsönhatásával összefüggő jelenségeket elektromos jelenségeknek nevezzük.

A villamosított testek közötti kölcsönhatást az ún Elektromos erők, amelyek abban különböznek a más természetű erőktől, hogy a töltött testek taszítják és vonzzák egymást, mozgásuk sebességétől függetlenül.

Ily módon a töltött testek közötti kölcsönhatás különbözik például a gravitációstól, amelyet csak a testek vonzása jellemez, vagy a mágneses eredetű erőktől, amelyek a töltések relatív mozgási sebességétől függenek, és mágneses hatást okoznak. jelenségek.

Az elektrotechnika elsősorban a villamosított testek tulajdonságainak külső megnyilvánulásának törvényeit tanulmányozza - az elektromágneses mezők törvényeit.

Reméljük, hogy ez a rövid cikk általános képet adott arról, hogy mi a testek villamosítása, és most már tudja, hogyan lehet kísérletileg ellenőrizni az elektromos töltés megmaradásának törvényét egy egyszerű kísérlet segítségével.