Kūnų elektrifikacija, krūvių sąveika

Šiame straipsnyje pabandysime pateikti gana apibendrintą idėją apie tai, kas yra kūnų elektrifikacija, taip pat paliesime elektros krūvio tvermės dėsnį.

Nepriklausomai nuo to, ar tas ar kitas elektros energijos šaltinis veikia pagal principą, kiekviename iš jų vyksta fizinių kūnų elektrifikacija, tai yra elektros energijos šaltinyje esančių elektros krūvių atskyrimas ir jų koncentracija tam tikrose vietose, pvz. ant šaltinio elektrodų arba gnybtų. Dėl šio proceso viename elektros energijos šaltinio gnybte (katodo) gaunamas neigiamų krūvių (elektronų) perteklius, o kitame gnybte (anode) – elektronų trūkumas, t.y. pirmasis iš jų yra įkraunamas neigiama elektra, o antrasis - teigiama elektra.

Atradus elektroną, elementariąją dalelę su minimaliu krūviu, galutinai paaiškinus atomo sandarą, dauguma su elektra susijusių fizikinių reiškinių taip pat tapo paaiškinami.

Paprastai nustatoma, kad kūnus sudaranti medžiaga yra elektriškai neutrali, nes kūną sudarančios molekulės ir atomai normaliomis sąlygomis yra neutralūs, todėl kūnai neturi jokio krūvio. Bet jei toks neutralus kūnas trinasi į kitą kūną, kai kurie elektronai paliks savo atomus ir pereis iš vieno kūno į kitą. Kelių, kuriuos šie elektronai nukeliauja tokio judėjimo metu, ilgis yra ne didesnis nei atstumas tarp gretimų atomų.

Tačiau jei po trinties kūnai atsiskiria, atsiskiria, tada abu kūnai bus įkrauti. Kūnas, į kurį pateko elektronai, bus neigiamai įkrautas, o tas, kuris paaukojo šiuos elektronus, įgis teigiamą krūvį, bus teigiamai įkrautas. Tai yra elektrifikacija.

Tarkime, kad kokiame nors fiziniame kūne, pavyzdžiui, stikle, iš daugybės atomų buvo galima pašalinti kai kuriuos jų elektronus. Tai reiškia, kad stiklas, praradęs dalį elektronų, bus įkraunamas teigiama elektra, nes jame teigiami krūviai įgijo pranašumą prieš neigiamus.

Iš stiklo pašalinti elektronai negali išnykti ir turi būti kur nors įdėti. Tarkime, kad po to, kai elektronai pašalinami iš stiklo, jie dedami ant metalinio rutulio. Tada akivaizdu, kad metalinis rutulys, kuris gauna papildomų elektronų, yra įkraunamas neigiama elektra, nes jame neigiamiems krūviams teikiama pirmenybė prieš teigiamus.

Elektrifikuoti fizinį kūną — reiškia sukurti jame elektronų perteklių ar trūkumą, t.y. sutrikdyti dviejų jame priešingų, būtent teigiamų ir neigiamų krūvių, pusiausvyrą.

Elektrifikuoti du fizinius kūnus vienu metu ir kartu su skirtingais elektros krūviais - reiškia ištraukti elektronus iš vieno kūno ir perkelti juos į kitą kūną.

Jei kur nors gamtoje susidarė teigiamas elektros krūvis, tai kartu su juo neišvengiamai turi atsirasti ir tos pačios absoliučios vertės neigiamas krūvis, nes bet koks elektronų perteklius bet kuriame fiziniame kūne atsiranda dėl jų trūkumo kitame fiziniame kūne.

Įvairūs elektros krūviai elektros reiškiniuose atsiranda kaip nuolatos lydinčios priešybės, kurių vienybė ir sąveika sudaro vidinį elektrinių reiškinių medžiagose turinį.

Neutralūs kūnai įsielektrina, kai duoda arba priima elektronus, bet kuriuo atveju jie įgyja elektros krūvį ir nustoja būti neutralūs. Čia elektros krūviai neatsiranda iš niekur, krūviai tik atskiriami, nes elektronai jau buvo kūnuose ir tiesiog pakeitė savo vietą, elektronai pereina iš vieno elektrifikuoto kūno į kitą įelektrintą kūną.

Elektros krūvio, atsirandančio dėl kūnų trinties, ženklas priklauso nuo šių kūnų prigimties, nuo jų paviršių būklės ir nuo daugelio kitų priežasčių. Todėl neatmetama galimybė, kad tas pats fizinis kūnas vienu atveju yra įkraunamas teigiama, o kitu neigiama elektra, pavyzdžiui, metalai trindami į stiklą ir vatą neigiamai įsielektrina, o trindami gumos – teigiamai.

Tinkamas klausimas būtų toks: kodėl elektros krūvis teka ne per dielektrikus, o per metalus? Esmė ta, kad dielektrikuose visi elektronai yra surišti su savo atomų branduoliais, jie tiesiog neturi galimybės laisvai judėti visame kūne.

Tačiau metaluose padėtis kitokia. Elektronų ryšiai metalo atomuose yra daug silpnesni nei dielektrikuose, o kai kurie elektronai lengvai palieka savo atomus ir laisvai juda visame kūne, tai yra vadinamieji laisvieji elektronai, kurie užtikrina krūvio perdavimą laiduose.

Krūvių atsiskyrimas vyksta tiek metalinių kūnų, tiek dielektrikų trinties metu. Tačiau demonstracijose naudojami dielektrikai: ebonitas, gintaras, stiklas. To imamasi dėl paprastos priežasties – kadangi krūviai nejuda per tūrį dielektrikuose, jie lieka tose pačiose kūnų, iš kurių kilo, paviršių vietose.

Ir jei dėl trinties, tarkime, kailiui, metalo gabalas įsielektrina, tai krūvis, kuris tik turi laiko pasislinkti į paviršių, akimirksniu nutekės ant eksperimentuojančiojo kūno, o demonstracija, pvz. dielektrikai, neveiks. Bet jei metalo gabalas yra izoliuotas nuo eksperimentuotojo rankų, jis liks ant metalo.

Jei kūnų krūvis išsiskiria tik elektrifikuojantis, kaip elgiasi jų bendras krūvis? Atsakymą į šį klausimą pateikia paprasti eksperimentai. Paėmę elektrometrą su metaliniu disku, pritvirtintu prie jo strypo, ant disko uždėkite tokio disko dydžio vilnonio audinio gabalėlį. Ant audinio disko viršaus dedamas kitas laidus diskas, toks pat kaip ir ant elektrometro strypo, bet su dielektrine rankena.

Laikydamas rankenėlę, eksperimentatorius kelis kartus judina viršutinį diską, patrina jį į minėtą audinio diską, gulintį ant elektrometro strypo disko, tada atitolina nuo elektrometro. Nuėmus diską elektrometro adata nukrypsta ir lieka tokioje padėtyje. Tai rodo, kad ant vilnonio audinio ir disko, pritvirtinto prie elektrometro strypo, atsirado elektros krūvis.

Tada diskas su rankena liečiamas su antruoju elektrometru, bet prie jo nepridedant disko, ir stebima, kad jo adata nukrypsta beveik tokiu pat kampu kaip ir pirmojo elektrometro adata.

Eksperimentas rodo, kad abu diskai elektrifikacijos metu gavo to paties modulio krūvius. Tačiau kokie yra šių kaltinimų požymiai? Norint atsakyti į šį klausimą, elektrometrai sujungiami viela. Elektrometro adatos iš karto grįš į nulinę padėtį, kurioje buvo prieš pradedant eksperimentą. Krūvis buvo neutralizuotas, o tai reiškia, kad diskų krūviai buvo vienodo dydžio, bet priešingo ženklo, ir apskritai davė nulį, kaip ir prieš pradedant eksperimentą.

Panašūs eksperimentai rodo, kad elektrifikuojant išsaugomas bendras kūnų krūvis, tai yra, jei prieš elektrifikaciją bendras kiekis buvo nulis, tai po elektrifikacijos bendras kiekis bus lygus nuliui... Bet kodėl taip atsitinka? Jei juodmedžio lazdelę patrinsite ant audinio, jis bus neigiamai įkrautas, o audinys – teigiamai, ir tai yra gerai žinomas faktas. Ant ebonito trinant ant vilnos susidaro elektronų perteklius, o ant audinio – atitinkamas deficitas.

Krūviai bus vienodi pagal modulį, nes kiek elektronų perėjo iš audinio į ebonitą, ebonitas gavo tokį neigiamą krūvį, o ant drobės susidarė tiek pat teigiamo krūvio, nes elektronai, kurie paliko audinys yra teigiamas audinio krūvis. O elektronų perteklius ant ebonito yra tiksliai lygus elektronų trūkumui ant audinio. Krūvis yra priešingo ženklo, bet vienodo dydžio. Akivaizdu, kad elektrifikuojant išsaugomas visas įkrovimas; iš viso jis lygus nuliui.

Be to, net jei abiejų kėbulų krūviai prieš elektrifikavimą buvo nuliniai, bendras krūvis vis tiek yra toks pat, kaip ir prieš elektrifikavimą. Pažymėjus kūnų krūvius prieš jų sąveiką q1 ir q2, o krūvius po sąveikos – q1' ir q2', tada bus teisinga tokia lygybė:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

Tai reiškia, kad bet kokiai kūnų sąveikai bendras krūvis visada išsaugomas. Tai vienas pagrindinių gamtos dėsnių, elektros krūvio tvermės dėsnis. Benjaminas Franklinas jį atrado 1750 m. ir pristatė „teigiamo krūvio“ ir „neigiamo krūvio“ sąvokas. Franklinas ir pasiūlė priešingus mokesčius nurodyti „-“ ir „+“ ženklais.

Elektronikoje Kirchhoffo taisyklės nes srovės tiesiogiai išplaukia iš elektros krūvio tvermės dėsnio. Laidų ir elektroninių komponentų derinys vaizduojamas kaip atvira sistema. Bendras mokesčių įplaukimas į tam tikrą sistemą yra lygus bendram mokesčių nutekėjimui iš tos sistemos. Kirchhoff taisyklėse daroma prielaida, kad elektroninė sistema negali reikšmingai pakeisti savo bendro mokesčio.

Teisybės dėlei pažymime, kad geriausias eksperimentinis elektros krūvio tvermės dėsnio bandymas yra ieškoti tokių elementariųjų dalelių skilimų, kurie būtų leistini negriežto krūvio išsaugojimo atveju. Tokių skilimų praktikoje dar nebuvo pastebėta.

Kiti būdai elektrifikuoti fizinius kūnus:

1. Jei cinko plokštelė bus panardinta į sieros rūgšties H2SO4 tirpalą, ji jame iš dalies ištirps. Kai kurie cinko plokštės atomai, palikdami du savo elektronus ant cinko plokštės, ištirps su rūgščių serija dvigubai įkrautų teigiamų cinko jonų pavidalu. Dėl to cinko plokštė bus įkraunama neigiama elektra (elektronų perteklius), o sieros rūgšties tirpalas – teigiama (teigiamų cinko jonų perteklius). Ši savybė naudojama sieros rūgšties tirpale esančiam cinkui elektrifikuoti galvaniniame elemente kaip pagrindinis elektros energijos atsiradimo procesas.

2. Jeigu šviesos spinduliai krenta ant metalų, tokių kaip cinkas, cezis ir kai kurie kiti, paviršių, tai nuo šių paviršių į aplinką išsiskiria laisvieji elektronai. Dėl to metalas įkraunamas teigiama elektra, o aplink jį esanti erdvė – neigiama. Elektronų emisija nuo tam tikrų metalų apšviestų paviršių vadinama fotoelektriniu efektu, kuris buvo pritaikytas fotovoltiniuose elementuose.

3. Jei metalinis kūnas yra įkaitintas iki baltos šilumos būsenos, tai laisvieji elektronai skris nuo jo paviršiaus į aplinkinę erdvę.Dėl to metalas, praradęs elektronus, bus įkraunamas teigiama elektra, o aplinka – neigiama.

4. Jei lituosite dviejų skirtingų laidų, pavyzdžiui, bismuto ir vario, galus ir šildysite jų sandūrą, tada laisvieji elektronai iš dalies pereis iš varinės vielos į bismutą. Dėl to varinė viela bus įkraunama teigiama elektra, o bismutinė viela – neigiama. Dviejų fizinių kūnų elektrifikacijos reiškinys, kai jie sugeria šiluminę energiją naudojamas termoporose.

Reiškiniai, susiję su elektrifikuotų kūnų sąveika, vadinami elektros reiškiniais.

Sąveiką tarp elektrifikuotų kūnų lemia vadinamoji Elektrinės jėgos, kurios skiriasi nuo kitokio pobūdžio jėgų tuo, kad priverčia įkrautus kūnus atstumti ir pritraukti vienas kitą, nepaisant jų judėjimo greičio.

Tokiu būdu įkrautų kūnų sąveika skiriasi, pavyzdžiui, nuo gravitacinės, kuriai būdinga tik kūnų trauka, arba nuo magnetinės kilmės jėgų, kurios priklauso nuo santykinio krūvių judėjimo greičio, sukeliančios magnetinį. reiškinius.

Elektrotechnika daugiausia tiria elektrifikuotų kūnų savybių išorinio pasireiškimo dėsnius — elektromagnetinių laukų dėsnius.

Tikimės, kad šis trumpas straipsnis suteikė jums bendrą idėją apie tai, kas yra kūnų elektrifikavimas, ir dabar jūs žinote, kaip eksperimentiškai patikrinti elektros krūvio tvermės dėsnį naudojant paprastą eksperimentą.