Предыдущий урок: Физика для чайников. Урок 16. О вечном двигателе, или законы термодинамики
На бытовом уровне вы представляете, что такое электричество, потому что не раз включали и выключали свет, и, еще наверняка с детства знаете, что пальцы нельзя совать в розетку. Но задумывались ли вы как работает электричество на самом деле? А на самом деле электричество существует благодаря тому, что вещество состоит из атомов, а каждый атом из ядра и «бегающих» округ них электронов. Ядро заряжено положительно, а электроны – отрицательно, и эта разнонаправленность зарядов создает между ними силу притяжения. Не будем пока заморачиватеся над тем вопросов, почему электроны не падают на ядро, это придется углубиться в квантовую механизму.
А вот отрываться электроны от ядра могут. И что тогда получается? А получается, что атом теперь заряжен. Такой заряженный атом называется ион. Если у атома не хватает электрона, то это будет положительно заряженный ион (так как электрон отрицательно заряжен). Можно наоборот, впихнуть в атом лишний электрон. Тогда это будет отрицательно заряженный ион.
Каким же образом можно выбить из атомов электроны? Потоком частиц (в том числе и квантов света – фотоэффект), тепловым воздействием, электрическим полем, химическим способом, и даже от трения. О последнем мы сейчас и поговорим. Вы когда-нибудь замечали, что если ходить в синтетической одежде, то вас начинает бить током, а в темноте такая одежда даже искрит? Вот это и есть то самое явление, когда под действием трения атомы вещества теряют свои электроны. Как правило, электроны «перебегают» с одной трущейся поверхности на другую. Таким образом, накапливаются электрические заряды. В школе для демонстрации подобного явления натирали эбонитовую палочку. Если не помните, напомню. Если эбонитовую палочку натереть специальной шерстяной тряпочкой, она начинала притягивать к себе разные мелкие предметы, например пыль, мелкие бумажки. Если подвесить эбонитовую палочку на тонких ниточках, то видно, что она отталкиваться от другой эбонитовой палочки:
С другой стороны, к заряженному куску шерсти эбонитовая палочка будет наоборот, притягиваться (так как у него заряд с другим знаком). Причем сила взаимодействия зарядов прямо пропорциональная размеру зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними:
В этой формуле F– это сила, в ньютонах, q – заряд, в кулонах, r – расстояние между зарядами в метрах, k – некий коэффициент, равный:
Думаю, в этой формуле все, кроме похожей на букву «Е» закорючки вам знакома. Закорюка эта, называется, кстати, Эпсилон, и обозначит электрическую постоянную, она примерно равна вот таком вот числу:
Число «пи» вы наверняка знаете, но на всякий случай напомню:
Таким образом, значение коэффициента k приближенно равно:
Это коэффициент показывает, что заряд в 1 кулон – это довольно таки большой заряд. То есть, два таких заряда, находящиеся друг от друга на расстоянии 1 метр будет взаимодействовать с силой почти девять миллиардов ньютонов. Примерно с такой силой давит на поверхность Земли груз массой миллиард килограмм, или миллион тонн. Для сравнения, вагон поезда весит «всего» от 22 до 70 тонн.
Но, как ни странно, при токе равном 1 ампер через проводник за секунду проходит заряд в 1 кулон. А ток 1 ампер – это не такой уж и большой ток. Например, через стоваттную лампочку, включённую в розетку на 220 вольт идет ток чуть меньше пол ампера (примерно 0.45А).
Другое определение кулона – это количество элементарных зарядов. Элементарный заряд – это заряд элементарной частицы, например, электрона или протона и равный:
Таким образом, 1 кулон это
Элементарных зарядов (примерно шесть миллиардов миллиардов).
В заключении этого урока расскажу, почему при трении тела могут наэлектризоваться. Электрические силы удерживают электроны внутри тела, будь это хоть эбонитовая палочка, хоть кусок шерсти. Но для разных веществ эти силы разные. И при тесном контакте часть электронов, с тела, у которого сила удерживания меньше, могут перейти на то тело, у которого эти силы больше. Но так как поверхности многих тел далекое не гладки, то площадь касание очень маленькая. А при трении число участков касания увеличивается, соответственно, уваливается и «перебегание» электронов с одного тела на другое.
Следующий урок: Физика для чайников. Урок 18. Электрическое поле