Столетия назад было обнаружено, что определенные типы материалов таинственным образом притягивают друг друга после трения друг о друга. Например, после трения куска шелка (Silk Cloth) о стеклянный стержень (Glass Rod), шелк и стекло будут иметь тенденцию слипаться. Действительно, существовала сила притяжения (Attraction), которую можно было продемонстрировать даже тогда, когда два материала были разделены:
Стекло и шелк - не единственные материалы, которые, как известно, ведут себя подобным образом. Любой, кто когда-либо касался резинового шарика мог обнаружить, что тот пытается прилипнуть к пальцам, что говорило о том же явлении. Парафин (Wax) и шерстяная ткань (Wool Cloth) - еще одна пара материалов, которые ранние экспериментаторы признали проявляющими силу притяжения после трения друг о друга:
Это явление стало еще более интересным, когда было обнаружено, что идентичные материалы после протирания соответствующими тканями всегда отталкиваются (Repulsion) друг от друга:
Было также отмечено, что когда кусок стекла, натертый шелком, подвергался воздействию куска воска, натертого шерстью, эти два материала притягивали друг друга:
Кроме того, было обнаружено, что любой материал, демонстрирующий свойства притяжения или отталкивания после трения, может быть отнесен к одной из двух различных категорий: притягивается к стеклу и отталкивается воском, или отталкивается стеклом и притягивается воском. Это было либо одно, либо другое: не было найдено материалов, которые притягивались бы или отталкивались как стеклом, так и воском, или которые реагировали бы на одно, не реагируя на другое.
Больше внимания было уделено кусочкам ткани, используемым для растирания. Было обнаружено, что после протирания двух кусочков стекла двумя кусками шелковой ткани отталкиваются не только кусочки стекла, но и ткани. То же самое происходило и с кусочками шерсти, использованными для натирания воска:
Наблюдать это было действительно странно. В конце концов, ни один из этих объектов не претерпел видимых изменений от трения, но они определенно вели себя иначе, чем до того, как их потерли. Какие бы изменения ни произошли, чтобы заставить эти материалы притягиваться или отталкиваться друг от друга, они были невидимы.
Некоторые экспериментаторы предположили, что невидимые “жидкости” передаются от одного объекта к другому в процессе трения и что эти “жидкости” способны воздействовать физической силой на расстоянии. Чарльз Дюфэ был одним из первых экспериментаторов, продемонстрировавших, что определенно существуют два разных типа изменений, вызываемых трением определенных пар предметов друг о друга. Тот факт, что в этих материалах проявлялось более одного типа изменений, был очевиден из того факта, что создавались два типа сил: притяжение и отталкивание. Гипотетический перенос жидкости стал известен как заряд (Charge).
Один из исследователей-первопроходцев, Бенджамин Франклин, пришел к выводу, что между трущимися предметами обменивается только одна жидкость, и что два разных “заряда” были не чем иным, как избытком или дефицитом этой одной жидкости. После экспериментов с воском и шерстью Франклин предположил, что грубая шерсть удаляет часть этой невидимой жидкости из гладкого воска, вызывая избыток жидкости на шерсти и недостаток жидкости на воске. Возникающая в результате разница в содержании жидкости между шерстью и воском затем вызывала бы силу притяжения, поскольку жидкость пыталась бы восстановить свой прежний баланс между двумя материалами.
Постулирование существования единой “жидкости”, которая либо приобреталась, либо терялась в результате трения, наилучшим образом объясняло наблюдаемое поведение: все эти материалы при трении аккуратно попадали в одну из двух категорий, и, что наиболее важно, два активных материала, трущихся друг о друга, всегда попадали в противоположные категории, о чем свидетельствует их неизменное притяжение друг к другу. Другими словами, никогда не было случая, чтобы два материала, соприкасающиеся друг с другом, становились либо положительными, либо отрицательными.
После предположения Франклина о том, что шерсть что-то оттирает от воска, тип заряда, который был связан с натертым воском, стал известен как “отрицательный” (потому что предполагалось, что в нем дефицит жидкости), в то время как тип заряда, связанный с натирающей шерстью, стал известен как “положительный” (потому что предполагалось, что в нем избыток жидкости). Он и не подозревал, что его невинная догадка в будущем вызовет большое замешательство у изучающих электричество!
Точные измерения электрического заряда были проведены французским физиком Шарлем Кулоном в 1780-х годах с помощью устройства, называемого крутильными весами, измеряющего силу, возникающую между двумя электрически заряженными объектами. Результаты работы Кулона привели к разработке единицы измерения электрического заряда, названной в его честь кулоном. Если бы два “точечных” объекта (гипотетические объекты, не имеющие заметной площади поверхности) были одинаково заряжены с точностью до 1 кулона и располагались на расстоянии 1 метра друг от друга, они создавали бы силу около 9 миллиардов ньютонов, либо притягивающую, либо отталкивающую в зависимости от типа задействованных зарядов. Было обнаружено, что рабочее определение кулона как единицы электрического заряда (в терминах силы, генерируемой между точечными зарядами) равно избытку или недостатку примерно 6 250 000 000 000 000 000 000 электронов. Или, выражаясь обратным образом, один электрон имеет заряд около 0,00000000000000000016 кулонов. Поскольку один электрон является наименьшим известным носителем электрического заряда, эта последняя величина заряда для электрона определяется как элементарный заряд.
Гораздо позже было обнаружено, что эта “жидкость” на самом деле состояла из чрезвычайно мелких частиц вещества, называемых электронами, названных так в честь древнегреческого слова, обозначающего янтарь: еще один материал, проявляющий заряженные свойства при протирании тканью.
Из чего состоит атом?
С тех пор эксперименты показали, что все объекты состоят из чрезвычайно мелких “строительных блоков”, известных как атомы, и что эти атомы, в свою очередь, состоят из более мелких компонентов, известных как частицы. Три фундаментальные частицы, составляющие большинство атомов, называются протонами, нейтронами и электронами. В то время как большинство атомов имеют комбинацию протонов, нейтронов и электронов, не все атомы имеют нейтроны; примером является изотоп протия (1H1) водорода (Водород-1), который является самой легкой и наиболее распространенной формой водорода, имеющей только один протон и один электрон. Атомы слишком малы, чтобы их можно было разглядеть, но если бы мы могли взглянуть на один из них, он мог бы выглядеть примерно так:
Несмотря на то, что каждый атом в куске материала имеет тенденцию удерживаться вместе как единое целое, на самом деле между электронами и скоплением протонов и нейтронов, находящимся в середине, остается много пустого пространства.
Эта грубая модель представляет собой элемент углерод с шестью протонами, шестью нейтронами и шестью электронами. В любом атоме протоны и нейтроны очень тесно связаны друг с другом, что является важным качеством. Плотно связанный сгусток протонов и нейтронов в центре атома называется ядром, и количество протонов в ядре атома определяет его элементарную принадлежность: измените количество протонов в ядре атома, и вы измените тип атома, которым он является. Фактически, если бы вы могли удалить три протона из ядра атома свинца, вы осуществили бы мечту древних алхимиков о создании атома золота! Тесное связывание протонов в ядре ответственно за стабильную идентичность химических элементов и неспособность алхимиков осуществить свою мечту.
Нейтроны оказывают гораздо меньшее влияние на химический характер и идентичность атома, чем протоны, хотя их так же трудно добавить к ядру или удалить из него, поскольку они так тесно связаны. Если добавить или получить нейтроны, атом по-прежнему сохранит ту же химическую идентичность, но его масса немного изменится, и он может приобрести странные ядерные свойства, такие как радиоактивность.
Однако электроны обладают значительно большей свободой передвижения в атоме, чем протоны или нейтроны. Фактически, они могут быть сдвинуты со своих соответствующих позиций (даже полностью покинув атом!) с помощью гораздо меньшей энергии, чем требуется для смещения частиц в ядре. Если это происходит, атом по-прежнему сохраняет свою химическую идентичность, но возникает важный дисбаланс. Электроны и протоны уникальны тем, что они притягиваются друг к другу на расстоянии. Именно это притяжение на расстоянии вызывает притяжение между трущимися объектами, когда электроны удаляются от своих первоначальных атомов, чтобы находиться вокруг атомов другого объекта.
Электроны имеют тенденцию отталкивать другие электроны на расстояние, как и протоны с другими протонами. Единственная причина, по которой протоны связываются вместе в ядре атома, заключается в гораздо более сильном взаимодействии, называемом сильным ядерным взаимодействием, которое действует только на очень коротких расстояниях. Говорят, что из-за такого поведения притяжения / отталкивания между отдельными частицами электроны и протоны имеют противоположные электрические заряды. То есть каждый электрон имеет отрицательный заряд, а каждый протон - положительный. В равных количествах внутри атома они противодействуют присутствию друг друга, так что суммарный заряд внутри атома равен нулю. Вот почему изображение атома углерода состоит из шести электронов: для уравновешивания электрического заряда шести протонов в ядре. Если электроны уйдут или прибудут дополнительные электроны, суммарный электрический заряд атома будет несбалансирован, оставляя атом “заряженным” в целом, заставляя его взаимодействовать с заряженными частицами и другими заряженными атомами поблизости. Нейтроны не притягиваются и не отталкиваются электронами, протонами или даже другими нейтронами и, следовательно, классифицируются как не имеющие заряда вообще.
Процесс прихода или ухода электронов - это именно то, что происходит при трении определенных комбинаций материалов друг о друга: трение заставляет электроны от атомов одного материала покидать свои соответствующие атомы и переходить к атомам другого материала. Другими словами, электроны составляют “жидкость”, о которой выдвинул гипотезу Бенджамин Франклин.
Так что же это такое - статическое электричество?
Результат дисбаланса этой “жидкости” (электронов) между объектами называется статическим электричеством. Оно называется “статическим”, потому что перемещенные электроны имеют тенденцию оставаться неподвижными после перемещения из одного изоляционного материала в другой. В случае с воском и шерстью в ходе дальнейших экспериментов было установлено, что электроны в шерсти действительно передаются атомам воска, что прямо противоположно гипотезе Франклина! В честь того, что Франклин назвал заряд воска “отрицательным”, а шерсти - “положительным”, говорят, что электроны оказывают “отрицательное” заряжающее влияние. Таким образом, объект, атомы которого получили избыток электронов, называется отрицательно заряженным, в то время как объект, атомам которого не хватает электронов, называется положительно заряженным, какими бы запутанными ни казались эти обозначения. К тому времени, когда была открыта истинная природа электрической “жидкости”, номенклатура электрического заряда Франклина была слишком хорошо установлена, чтобы ее можно было легко изменить, и такой она остается по сей день.
Майкл Фарадей доказал (1832), что статическое электричество - это то же самое, что вырабатывается батареей или генератором. Статическое электричество по большей части является помехой. В черный и бездымный порох добавлен графит для предотвращения воспламенения из-за статического электричества. Статическое электричество приводит к повреждению чувствительных полупроводниковых схем. Хотя и возможно производить двигатели, работающие от статического электричества с высоким напряжением и низким током, тем не менее это неэкономично. Несколько практических применений статического электричества включают ксерографическую печать, электростатический воздушный фильтр и высоковольтный генератор Ван де Граафа.
ВЫВОДЫ к главе:
- Все материалы состоят из крошечных “строительных блоков”, известных как атомы.
- Все встречающиеся в природе атомы содержат частицы, называемые электронами, протонами и нейтронами, за исключением изотопа протия (1H1) водорода.
- Электроны имеют отрицательный (-) электрический заряд.
- Протоны обладают положительным (+) электрическим зарядом.
- Нейтроны не имеют электрического заряда.
- Электроны могут быть вытеснены из атомов гораздо легче, чем протоны или нейтроны.
- Количество протонов в ядре атома определяет его идентичность как уникального элемента.
(All rights reserved By Tony R. Kuphaldt)
