Для школьников.
В статье рассмотрен механизм электризации тел через трение и деление тел по электрическим свойствам на проводники и диэлектрики.
Любое тело состоит из атомов. Атом удобно изображать в виде планетарной модели, то есть положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательные электроны, в виде электронных оболочек. На следующих рисунках схематически изображены атом водорода и атом неона
Ядро атома состоит из протонов, имеющих положительный элементарный заряд, и нейтронов, не имеющих заряда. На рисунке изображены ядра атомов гелия и лития.
Атом в естественном состоянии нейтрален (не заряжен), так как содержит одинаковое количество протонов и электронов. Тело, состоящее из таких атомов, тоже не заряжено, так как содержит одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, компенсирующих друг друга.
Рисунок, приведённый ниже, поясняет как два незаряженных тела (две пластинки) заряжаются при трении друг о друга (электризуются) одинаковыми по модулю, но противоположными по знаку зарядами.
Каков механизм электризации при трении двух тел? Обязательно ли трение для возникновения зарядов на телах?
Электризация - это возникновение зарядов на поверхности двух тесно соприкасающихся или трущихся поверхностей. Электризация возникает только, если расстояние между соприкасающимися плоскостями будет равно расстоянию между атомами веществ. Тогда атомы одного тела смогут захватить электроны другого тела. Только в этом случае часть электронов с одного тела перейдёт на другое тело и на границе тел возникнет двойной электрический слой.
Согласно рисунку, часть свободных электронов при трении перешла с верхней пластинки на нижнюю, в результате чего нижняя пластинка зарядилась отрицательно ( в ней появился избыток отрицательных зарядов). Верхняя же пластинка из-за потери электронов приобрела такой же положительный заряд.
Внизу показаны эти пластинки, удалённые друг от друга, и оказавшиеся заряженными. Заряды пластинок одинаковы по модулю и противоположны по знаку.
Электризация наблюдается и в отсутствии трения в его обычном понимании.
Например, при опускании парафинового шарика в дистиллированную воду (диэлектрик), и шарик, и вода электризуются. Это можно проверить с помощью электроскопа, к стержню которого прикреплён высокий металлический стакан. Если в стакане оставить только воду или только парафиновый шарик, то листки электроскопа разойдутся, то есть покажут присутствие заряда.
Когда же вода и шарик одновременно находятся в стакане электроскопа, то его листки не расходятся, так как общий заряд дистиллированной воды и парафинового шарика равен нулю.
Двойной электрический слой возникает на границе любых двух тел - твёрдых, жидких, газообразных.
Есть и другие способы получения заряженных тел. Например, можно заряжать тела через электрическое поле или электростатическую индукцию, называемую ещё электризацией через влияние. Полученные при этом заряды называются наведёнными или индуцированными (об этом явлении будем говорить позднее).
Итак, электрические заряды (свободные электроны) могут перемещаться с одного тела на другое. Они могут перемещаться и внутри тела.
Тела, в которых электрические заряды перемещаются свободно, называются проводниками. Хорошими проводниками являются все металлы, водные растворы солей и кислот, раскалённые газы и многие другие вещества.
Вещества, в которых свободных зарядов мало и заряды перемещаются плохо, называются диэлектриками (или изоляторами). Хорошими твёрдыми диэлектриками являются янтарь, фарфор, стекло и другие.
Подробно поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле будет рассмотрено далее.
Заряжено данное тело или нет, можно узнать с помощью электроскопа. Электроскоп - это прибор, в котором к стерженьку, сделанному из проводника, прикреплены два тонких металлических листочка. Стержень с листочками помещён в стеклянный сосуд, от которого он изолирован диэлектрической пробкой. Если к электроскопу прикоснуться заряженным телом, то листочки приобретут одинаковый заряд и оттолкнутся друг от друга, образовав некоторый угол.
Если взять два электроскопа (заряженный и незаряженный) и соединить их медной проволокой (проводник), то незаряженный электроскоп тоже зарядится. Это говорит о том, что электроны свободно перемещаются по медной проволоке и заряды перераспределятся между электроскопами.. Это демонстрируется рисунком а), из которого видно, что заряженный электроскоп уменьшил свой заряд, а незаряженный приобрёл - их листочки разошлись на одинаковый угол.
Если же заряженный и незаряженный электроскопы соединить шёлковой нитью (диэлектрик), то второй электроскоп останется незаряженным. В диэлектриках свободные заряды двигаться не могут, то есть диэлектрики практически не пропускают электрического тока.
Когда в теле происходит перемещение электрических зарядов, то говорят, что в нём есть электрический ток. В случае а) в медном проводе, соединяющем заряженный и незаряженный электроскопы, существует электрический ток.
Приведём ещё один рисунок, показывающий, что стеклянная палочка (диэлектрик) при нагревании становится проводником. Пока стеклянная палочка не нагрета, в цепи, содержащей лампочку, тока нет. Если же палочку нагревать, то лампочка загорается (появляется электрический ток). При этом ток сам будет продолжать разогревать стеклянную палочку. Далее горелку можно убрать, стекло будет продолжать нагреваться током и может расплавиться.
И проводники, и диэлектрики нашли широкое применение на практике. Так, провода линии электропередачи изготовляют из проводников, а чтобы заряды не уходили к окружающим телам и в землю, провода закрепляют на диэлектриках (изоляторах).
Заключение. Проводники содержат большое количество свободных электронов (это валентные электроны, находящиеся на дальней орбите в атоме, слабо связанные с ядром атома). В диэлектриках таких электронов очень мало. При определённых условиях структура диэлектриков разрушается и они становятся проводниками (в этих случаях говорят, что произошёл "пробой диэлектрика").
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Закон Кулона.
Следующая запись: дополнение к занятию 46.
Занятие 45. Электростатика. Закон сохранения заряда.
Ссылки на другие занятия до электростатики даны в Занятии 1.
