Elektrificatie van lichamen, interactie van ladingen

In dit artikel zullen we proberen een vrij algemeen idee te geven van wat de elektrificatie van lichamen is, en we zullen ook ingaan op de wet van behoud van elektrische lading.

Ongeacht of deze of gene bron van elektrische energie voor het principe werkt, elk van hen vindt elektrificatie van fysieke lichamen plaats, dat wil zeggen de scheiding van elektrische ladingen die aanwezig zijn in de bron van elektrische energie en hun concentratie op bepaalde plaatsen, bijvoorbeeld op de elektroden of terminals van de bron. Als resultaat van dit proces wordt een overmaat aan negatieve ladingen (elektronen) verkregen aan de ene aansluiting van de bron van elektrische energie (kathode), en een gebrek aan elektronen aan de andere aansluiting (anode), d.w.z. de eerste is geladen met negatieve elektriciteit en de tweede met positieve elektriciteit.

Na de ontdekking van het elektron, het elementaire deeltje met minimale lading, nadat eindelijk de structuur van het atoom was verklaard, werden ook de meeste fysische verschijnselen die verband houden met elektriciteit verklaarbaar.

De materiële materie waaruit de lichamen zijn opgebouwd, blijkt over het algemeen elektrisch neutraal te zijn, aangezien de moleculen en atomen waaruit het lichaam bestaat onder normale omstandigheden neutraal zijn en de lichamen bijgevolg geen lading hebben. Maar als zo'n neutraal lichaam tegen een ander lichaam wrijft, zullen sommige elektronen hun atomen verlaten en van het ene lichaam naar het andere gaan. De lengte van de paden die deze elektronen tijdens zo'n beweging afleggen, is niet meer dan de afstand tussen naburige atomen.

Als na wrijving de lichamen echter uit elkaar gaan, uit elkaar bewegen, dan worden beide lichamen opgeladen. Het lichaam waarnaar de elektronen zijn overgegaan, zal negatief geladen worden, en degene die deze elektronen heeft gedoneerd, zal een positieve lading krijgen, zal positief geladen worden. Dit is elektrificatie.

Stel dat het in een fysiek lichaam, bijvoorbeeld in glas, mogelijk is om enkele van hun elektronen uit een aanzienlijk aantal atomen te verwijderen. Dit betekent dat het glas, dat een deel van zijn elektronen heeft verloren, zal worden opgeladen met positieve elektriciteit, omdat daarin de positieve ladingen een voordeel hebben gekregen ten opzichte van de negatieve.

De uit het glas verwijderde elektronen kunnen niet verdwijnen en moeten ergens worden neergezet. Stel dat nadat de elektronen uit het glas zijn verwijderd, ze op een metalen bal worden geplaatst. Het is dan duidelijk dat de metalen bal die extra elektronen ontvangt, is geladen met negatieve elektriciteit, omdat daarin negatieve ladingen voorrang krijgen op positieve.

Elektrificeer het fysieke lichaam - middelen om er een overmaat of gebrek aan elektronen in te creëren, d.w.z. verstoren de balans van twee tegengestelden erin, namelijk positieve en negatieve ladingen.

Twee fysieke lichamen gelijktijdig en samen met verschillende elektrische ladingen elektrificeren - betekent elektronen uit het ene lichaam onttrekken en overbrengen naar een ander lichaam.

Als zich ergens in de natuur een positieve elektrische lading heeft gevormd, dan moet er onvermijdelijk tegelijkertijd een negatieve lading met dezelfde absolute waarde ontstaan, aangezien elk teveel aan elektronen in een fysiek lichaam ontstaat door het ontbreken ervan in een ander fysiek lichaam.

De verschillende elektrische ladingen verschijnen in elektrische verschijnselen als onveranderlijk begeleidende tegenstellingen, waarvan de eenheid en interactie de interne inhoud vormen van elektrische verschijnselen in substanties.

Neutrale lichamen worden geëlektrificeerd wanneer ze elektronen afgeven of ontvangen, in beide gevallen krijgen ze een elektrische lading en zijn ze niet langer neutraal. Hier ontstaan ​​de elektrische ladingen niet uit het niets, de ladingen worden alleen gescheiden, omdat de elektronen zich al in de lichamen bevonden en simpelweg van plaats veranderden, de elektronen verplaatsen zich van het ene geëlektrificeerde lichaam naar het andere geëlektrificeerde lichaam.

Het teken van de elektrische lading als gevolg van de wrijving van lichamen hangt af van de aard van deze lichamen, van de toestand van hun oppervlakken en van een aantal andere redenen. Daarom is de mogelijkheid niet uitgesloten dat hetzelfde fysieke lichaam in het ene geval wordt geladen met positieve en in een ander geval met negatieve elektriciteit, bijvoorbeeld metalen wanneer ze tegen glas en wol worden gewreven, worden negatief geëlektrificeerd en wanneer ze worden gewreven tegen rubber - positief.

Een passende vraag zou zijn: waarom stroomt elektrische lading niet door diëlektrica maar door metalen? Het punt is dat in diëlektrica alle elektronen gebonden zijn aan de kernen van hun atomen, ze hebben gewoon niet het vermogen om vrij door het lichaam te bewegen.

Maar bij metalen is de situatie anders. Elektronenbindingen in metaalatomen zijn veel zwakker dan in diëlektrica, en sommige elektronen verlaten gemakkelijk hun atomen en bewegen zich vrij door het lichaam, dit zijn de zogenaamde vrije elektronen die zorgen voor ladingsoverdracht in draden.

Scheiding van ladingen vindt zowel plaats tijdens wrijving van metalen lichamen als tijdens wrijving van diëlektrica. Maar bij demonstraties worden diëlektrica gebruikt: eboniet, amber, glas. Dit wordt gebruikt om de eenvoudige reden dat, aangezien de ladingen niet door het volume in diëlektrica bewegen, ze op dezelfde plaatsen blijven op de oppervlakken van de lichamen waaruit ze voortkwamen.

En als door wrijving, bijvoorbeeld voor de vacht, een stuk metaal wordt geëlektrificeerd, dan zal de lading, die alleen tijd heeft om naar het oppervlak te gaan, onmiddellijk wegvloeien naar het lichaam van de onderzoeker, en een demonstratie, bijvoorbeeld met diëlektrica, zal niet werken. Maar als een stuk metaal uit de handen van de onderzoeker wordt geïsoleerd, blijft het op het metaal zitten.

Als de lading van de lichamen alleen vrijkomt tijdens het elektrificatieproces, hoe gedraagt ​​hun totale lading zich dan? Eenvoudige experimenten geven een antwoord op deze vraag. Pak een elektrometer met een metalen schijf aan de staaf en plaats een stuk wollen doek over de schijf, ter grootte van die schijf. Bovenop de weefselschijf is nog een geleidende schijf geplaatst, dezelfde als op de elektrometerstaaf, maar voorzien van een diëlektrische handgreep.

Terwijl hij de hendel vasthoudt, beweegt de onderzoeker de bovenste schijf verschillende keren, wrijft deze tegen de weefselschijf die op de schijf van de elektrometerstaaf ligt en beweegt hem vervolgens weg van de elektrometer. De naald van de elektrometer wijkt uit wanneer de schijf wordt verwijderd en blijft in die positie. Dit geeft aan dat er zich een elektrische lading heeft ontwikkeld op de wollen stof en op de schijf die aan de staaf van de elektrometer is bevestigd.

De schijf met het handvat wordt dan in contact gebracht met de tweede elektrometer, maar zonder dat de schijf eraan is bevestigd, en de naald blijkt bijna dezelfde hoek te hebben als de naald van de eerste elektrometer.

Het experiment laat zien dat beide schijven tijdens elektrificatie ladingen van dezelfde module ontvingen. Maar wat zijn de tekenen van deze beschuldigingen? Om deze vraag te beantwoorden, zijn elektrometers verbonden door een draad. De naalden van de elektrometer keren onmiddellijk terug naar de nulpositie waarin ze zich bevonden voordat het experiment begon. De lading werd geneutraliseerd, wat betekent dat de ladingen op de schijven even groot maar tegengesteld van teken waren, en in totaal nul opleverden, net als voordat het experiment begon.

Soortgelijke experimenten tonen aan dat tijdens elektrificatie de totale lading van lichamen behouden blijft, dat wil zeggen, als de totale hoeveelheid nul was vóór elektrificatie, dan zal de totale hoeveelheid nul zijn na elektrificatie... Maar waarom gebeurt dit? Als je met een ebbenhouten stok over een doek wrijft, wordt deze negatief geladen en de doek positief geladen, en dat is een bekend feit. Een overmaat aan elektronen wordt gevormd op eboniet wanneer het op wol wordt gewreven, en een overeenkomstig tekort op stof.

De ladingen zullen gelijk zijn in modulus, want hoeveel elektronen zijn er van het doek naar het eboniet gegaan, het eboniet heeft zo'n negatieve lading gekregen en dezelfde hoeveelheid positieve lading heeft zich op het canvas gevormd, omdat de elektronen die de doek zijn de positieve lading op het doek. En het teveel aan elektronen op het eboniet is precies gelijk aan het ontbreken van elektronen op het doek. De ladingen hebben een tegengesteld teken maar zijn even groot. Uiteraard blijft de volledige lading behouden tijdens elektrificatie; het is in totaal gelijk aan nul.

Bovendien, zelfs als de ladingen op beide lichamen vóór elektrificatie niet nul waren, is de totale lading nog steeds hetzelfde als vóór elektrificatie. Nadat we de ladingen van de lichamen vóór hun interactie hebben aangeduid als q1 en q2, en de ladingen na de interactie als q1' en q2', dan is de volgende gelijkheid waar:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

Dit houdt in dat voor elke interactie van lichamen de totale lading altijd behouden blijft. Dit is een van de fundamentele natuurwetten, de wet van behoud van elektrische lading. Benjamin Franklin ontdekte het in 1750 en introduceerde de begrippen "positieve lading" en "negatieve lading". Franklin en stelde voor om tegengestelde ladingen aan te geven met «-» en «+» tekens.

Op het gebied van elektronica Kirchhoffs regels omdat stromen rechtstreeks volgen uit de wet van behoud van elektrische lading. De combinatie van draden en elektronische componenten wordt weergegeven als een open systeem. De totale instroom van ladingen in een bepaald systeem is gelijk aan de totale uitstroom van ladingen uit dat systeem. De regels van Kirchhoff gaan ervan uit dat een elektronisch systeem zijn totale lading niet significant kan veranderen.

In alle eerlijkheid merken we op dat de beste experimentele test van de wet van behoud van elektrische lading de zoektocht is naar dergelijk verval van elementaire deeltjes dat zou zijn toegestaan ​​in het geval van niet-strikt behoud van lading. Een dergelijk verval is in de praktijk nog nooit waargenomen.

Andere manieren om fysieke lichamen te elektrificeren:

1. Als de zinkplaat wordt ondergedompeld in een oplossing van zwavelzuur H2SO4, lost deze er gedeeltelijk in op. Sommige atomen op de zinkplaat, die twee van hun elektronen op de zinkplaat achterlaten, gaan in oplossing met een reeks zuren in de vorm van dubbel geladen positieve zinkionen. Als gevolg hiervan zal de zinkplaat worden geladen met negatieve elektriciteit (overmaat aan elektronen) en de zwavelzuuroplossing zal worden geladen met positieve (overmaat aan positieve zinkionen). Deze eigenschap wordt gebruikt om zink in zwavelzuuroplossing te elektrificeren in een galvanische cel als het belangrijkste proces van het verschijnen van elektrische energie.

2. Als lichtstralen vallen op het oppervlak van metalen zoals zink, cesium en sommige andere, dan komen er vrije elektronen vrij van deze oppervlakken in de omgeving. Als gevolg hiervan wordt het metaal geladen met positieve elektriciteit en wordt de ruimte eromheen geladen met negatieve elektriciteit. De emissie van elektronen van verlichte oppervlakken van bepaalde metalen wordt het foto-elektrisch effect genoemd, dat toepassing heeft gevonden in fotovoltaïsche cellen.

3. Als het metalen lichaam wordt verwarmd tot een staat van witte warmte, dan zullen de vrije elektronen van het oppervlak de omringende ruimte in vliegen.Als gevolg hiervan zal het metaal dat elektronen heeft verloren worden opgeladen met positieve elektriciteit en de omgeving met negatieve elektriciteit.

4. Als je de uiteinden van twee verschillende draden, bijvoorbeeld bismut en koper, soldeert en hun verbinding verwarmt, dan zullen de vrije elektronen gedeeltelijk van de koperdraad naar het bismut gaan. Als gevolg hiervan zal de koperdraad worden opgeladen met positieve elektriciteit, terwijl de bismutdraad zal worden opgeladen met negatieve elektriciteit. Het fenomeen van elektrificatie van twee fysieke lichamen wanneer ze thermische energie absorberen gebruikt in thermokoppels.

De verschijnselen die verband houden met de interactie van geëlektrificeerde lichamen worden elektrische verschijnselen genoemd.

De interactie tussen geëlektrificeerde lichamen wordt bepaald door de zogenaamde Elektrische krachten die verschillen van krachten van een andere aard doordat ze ervoor zorgen dat geladen lichamen elkaar afstoten en aantrekken, ongeacht de snelheid van hun beweging.

Op deze manier verschilt de interactie tussen geladen lichamen bijvoorbeeld van de zwaartekracht, die alleen wordt gekenmerkt door de aantrekkingskracht van lichamen, of van de krachten van magnetische oorsprong, die afhangen van de relatieve bewegingssnelheid van ladingen, waardoor magnetische fenomenen.

Elektrotechniek bestudeert voornamelijk de wetten van de externe manifestatie van de eigenschappen van geëlektrificeerde lichamen - de wetten van elektromagnetische velden.

We hopen dat dit korte artikel je een algemeen idee heeft gegeven van wat de elektrificatie van lichamen is, en nu weet je hoe je de wet van behoud van elektrische lading experimenteel kunt verifiëren met behulp van een eenvoudig experiment.