Если потереть пластмассовую расческу или шариковую ручку об синтетическую одежду, а потом поднести к кусочкам мелко порезанной бумаги, то можно обнаружить, что эти кусочки притянутся к расческе или к ручке. Точно также к надутому шарику прилипают разные мелкие частички, а сам он легко прилипает к стене. Если вы потрете сухой тканью зеркало или оконное стекло, то сразу увидите как множество частичек пыли прилипли к только что протертой поверхности. Можно привести еще множество примеров, но все они описывают явление под названием «электризация тел».
Описание явления
Очень часто можно встретить это явление, когда мы снимаем одежду через голову, можно даже услышать треск. А если погладить кошку, то тоже иногда можно услышать этот треск. А если проделать то и другое в темной комнате, то вы можете даже увидеть маленькие искры.
Все эти явления были обнаружены уже очень давно. Еще в VI веке до нашей эры в Древней Греции люди заметили, что смола янтарь (а греки добывали эту смолу), обладает особенными свойствами. Греки заметили, что если потереть эту смолу шерстяной или меховой тканью, то смола начинает притягивать к себе тела: листочки, волосы, травинки. Греки называли эту смолу «электрон», а обнаруженное явление «электризацией».
Электрон (ηλεκτρόνιο) в перевода с греческого означает «янтарь».
Когда янтарь притягивает к себе различные предметы, то говорят, что он наэлектризован. От этого слова «электрон» произошло и слово «электричество». А возникающие при электризации силы притяжения стали называть электрическими. Кстати, в дальнейшем вы увидите, что эти силы притяжения работают также как и силы тяготения. И даже формула, которой они подчиняются очень похожа на закон всемирного тяготения.
Электризация тел — это процесс передачи электрических зарядов между телами. В природе существует два типа зарядов — положительные и отрицательные. Если на тело передаются отрицательные заряды, то оно становится заряженным отрицательно, а если положительные — то заряженным положительно.
Заряд тела — это важная характеристика, определяющая его способность создавать электромагнитное поле и участвовать в электромагнитных взаимодействиях. Вся материя состоит из атомов, которые в свою очередь состоят из ядер, состоящих из протонов и нейтронов, и электронов, которые обращаются по орбитам вокруг ядра. Протоны имеют положительный заряд, нейтроны не имеют заряда, а электроны имеют отрицательный заряд.
Электрон очень маленький по сравнению с размером своей орбиты, примерно так же, как футбольный мяч меньше по размеру, чем футбольное поле. Если поле в несколько раз больше мяча, то орбита электрона в несколько раз больше самого электрона.
Существуют три способа электризации тел: трение, контактная электризация и индукция.
- Первый способ — трение — заключается в том, что при трении двух тел, на них могут перейти электроны с одного тела на другое. В результате одно тело приобретает отрицательный заряд, а другое — положительный.
- Второй способ — контактная электризация — состоит в том, что при контакте двух тел, на одно из них переходят электроны с другого тела. В результате одно тело приобретает положительный заряд, а другое — отрицательный.
- Третий способ — индукция — происходит в том случае, когда к заряженному телу приближается незаряженное тело. В этом случае заряды на заряженном теле начинают перемещаться, и на незаряженном теле появляются противоположные заряды.
Важно отметить, что заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков притягиваются. Если на тело подействовать силой, то заряды на нем могут перемещаться.
Свойства электризации тел
Электризация тел наблюдается обычно только при контакте двух тел из разных материалов. Это было видно уже из тех примеров, что мы привели выше. А в повседневной жизни вы можете еще поэкспериментировать: потрите сухим листом бумаги пластмассовую линейку и поднесите ее к бумаге. А еще можно разгладить на зеркальной поверхности лист газеты. Во всех этих случаях вы обнаружите, что контактируемые предметы начинают притягиваться и прилипать. То есть данные тела электризуются. Между ними возникают силы притяжения. Это электрические силы, а само явление электризации тел, возникающее при воздействии трения, называется «притяжение или электризация трением».
Но электризация может происходить не только при трении. Трение — это только процесс, при котором происходит электризация, однако, электризация тел может происходить и при ударе, при разрыве, даже при встряхивании. Трение лишь увеличивает площадь соприкасающихся участков и повышает вероятность электризации.
Электрическое взаимодействие и электрический заряд
В нашей жизни мы постоянно сталкиваемся с электричеством: свет от лампочек, работа телевизора и компьютера, зарядка телефона — все это связано с электрическими явлениями. Одним из ключевых понятий в этой области физики является электрический заряд. Электрический заряд — это свойство частиц, которое обусловлено наличием в них электронов и протонов. Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. Нейтральный атом содержит равное количество электронов и протонов, и его общий заряд равен нулю. Как мы можем определить заряд частицы?
Заряд можно измерить с помощью электрометра. Электрометр — это прибор, который измеряет разность потенциалов между двумя точками. Когда на электрометр подается заряженная частица, он показывает изменение потенциала, которое позволяет определить заряд. Как частицы взаимодействуют друг с другом? Сила взаимодействия между заряженными частицами определяется законом Кулона.
Закон Кулона гласит, что сила взаимодействия между двумя заряженными частицами пропорциональна их зарядам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
\displaystyle F = k\frac{q_1 q_2}{r^2},где \displaystyle F — сила взаимодействия, \displaystyle q_1 и \displaystyle q_2 — заряды частиц, \displaystyle r — расстояние между ними, а \displaystyle k — постоянная Кулона, в системе Международных единиц (СИ) ее значение равно примерно 9×10^9 Н·м^2/Кл^2. Эта константа определяет силу электростатического взаимодействия между двумя точечными зарядами, которые находятся на расстоянии 1 метра друг от друга и имеют заряд в 1 Кулон.
Закон Кулона позволяет объяснить многие электрические явления. Например, почему одни материалы притягиваются к другим, а другие — отталкиваются. Если два объекта имеют заряды одного знака, то они отталкиваются, а если заряды разных знаков — они притягиваются друг к другу.
Этот принцип лежит в основе работы электростатических машин и генераторов, а также используется в электромагнитных моторах и трансформаторах. Заряды могут также влиять на движение электронов в проводниках. Проводник — это материал, в котором электроны могут свободно перемещаться. Когда на проводник подается электрический заряд, он создает электрическое поле, которое воздействует на электроны.
Электроны, находящиеся в проводнике, начинают двигаться под действием этого поля, и это движение создает электрический ток. Одним из практических применений электрических зарядов является электрическое освещение.
Лампочка работает благодаря тому, что в ней протекает электрический ток, который приводит к нагреванию нити. Этот процесс основан на том, что нить лампочки имеет высокое сопротивление электрическому току, что приводит к ее нагреванию и свечению.
Электрическое взаимодействие и электрический заряд — это ключевые понятия в физике, которые позволяют объяснить многие электрические явления в нашей жизни. Закон Кулона позволяет вычислить силу взаимодействия между заряженными частицами, а электрометр помогает измерить заряды.
Проводники и лампочки работают благодаря движению электронов под действием электрического поля. Эти знания помогают нам лучше понимать мир вокруг нас и сделать жизнь более комфортной и удобной.
