Закон сохранения электрических зарядов. §1.1

Электризация тел

Если макроскопическое тело содержит избыточное количество элементарных частиц с каким-либо одним знаком, то оно электрически заряжено. Так, отрицательный заряд теда обусловлен избытком числа электронов по сравнению с числом протонов, а положительный – недостатком электронов. Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело, то есть наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного. Это можно сделать, например, с помощью трения. Допустим, если провести расческой по сухим волосам, то небольшая часть самых подвижных заряженных частиц – электронов, перейдет с волос на расческу и зарядит ее отрицательно, а волосы зарядятся положительно.

Электризация – это процесс получения электрически заряженных макроскопических тел из электронейтральных .

Степень электризации тел в результате взаимного трения характеризуется значением и знаком электрического заряда, полученного телом. Каучук, натертый о мех, заряжается отрицательно, а стекло, потертое о шелк, заряжается положительно. При этом мех получает положительный заряд, а шелк – отрицательный. Знак заряда тел в результате электризации определяется тем, что одни вещества при трении отдают электроны, а другие их присоединяют. Причина этого явления состоит в различии энергии связи электрона с атомом в этих веществах. Получается, что в зависимости от энергии связи одно и то же вещество при трении с различными веществами может получать заряд разного знака.

Трение, лишь один из многих способов электризации вещества. Тело может заряжаться из-за соприкосновения с заряженным телом, в результате нагревания, светового облучения и т. д. Электризация при облучении используется, например, в ксероксе и лазерном принтере.

2. Закон сохранения заряда .

Мы знаем, что масса тел сохраняется. Сохраняется также и электрический заряд. Именно заряд, а не число заряженных частиц. При электризации трением происходит перераспределение имеющихся зарядов между телами, нейтральными в первый момент. Небольшая часть электронов переходит с одного тела на другое. При этом новые частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда. Этот закон справедлив для системы, в которую не входят извне, и из которой не выходят наружу заряженные частицы, то есть для замкнутой системы , которую называют электрически изолированной .

Электрически изолированная система тел – система тел, через границу которой не проникают заряды.

Закон сохранения заряда формулируется следующим образом :

Алгебраическая сумма зарядов электрически изолированной системы постоянна, то есть :

Q 1 + Q 2 + … + Q n = const

Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл. Если число заряженных элементарных частиц не меняется, то выполнение закона сохранения заряда очевидно. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, давая жизнь новым частицам. Однако во всех случаях заряженные частицы рождаются только парами с одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами; исчезают частицы тоже только парами, превращаясь в нейтральные. И во всех случаях сумма зарядов остается одной и той же. Справедливость закона сохранения заряда подтверждают наблюдения над огромным числом превращений элементарных частиц. Этот закон выражает одно из самых фундаментальных свойств электрического заряда. Причина, по которой заряд сохраняется, до сих пор неизвестна.

Закон сохранения заряда справедлив в любой инерциальной системе отсчета (ИСО). Это означает, что наблюдатели, измеряющие заряд в разных ИСО получат одно и то же его значение.

Электрический заряд во вселенной сохраняется. Полный электрический заряд вселенной скорее всего равен нулю, то есть число положительно заряженных элементарных частиц равно числу отрицательно заряженных элементарных частиц.

Закон Кулона.

Мы изучаем электростатику, а основной закон электростатики – закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел .

Основной закон электростатики был установлен экспериментально французским ученым Шарлем Кулоном в 1785 году и носит его имя. Закон Кулона, как и закон всемирного тяготения также сформулирован для точечных тел.

В природе точечных тел не существует, но если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно не влияют на взаимодействия между ними. В таком случае тела можно рассматривать как точечные, то есть как точки.

Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между заряженными телами. Пока будем считать, что взаимодействие происходит в вакууме. Впрочем, опыт показывает, что воздух очень мало влияет на силу взаимодействия заряженных тел, она оказывается почти такой же, как и в вакууме.

Открытие закона взаимодействия электрических зарядов было облегчено тем, что эти силы оказались большими. Здесь не надо было применять особо чувствительной аппаратуры, как при проверке закона всемирного тяготения в земных условиях. Как взаимодействуют друг с другом неподвижные заряженные тела удалось установить с помощью крутильных весов .

Крутильные весы состоят из стеклянной палочки, подвешенной на тонкой упругой проволочке. На одном конце палочки закреплен маленький металлический шарик, а на другом противовес. Еще один металлический шарик закреплен неподвижно на стержне, который в свою очередь крепится на крышке весов.

При сообщении шарикам одноименных зарядов она начинают отталкиваться друг от друга. Чтобы их удержать на фиксированном расстоянии, упругую проволочку нужно закрутить на некоторый угол. По углу закручивания проволочки определяют силу взаимодействия шариков. Крутильные весы позволили изучить зависимость силы взаимодействия заряженных шариков от величины зарядов и от расстояния между ними. Измерять силу и расстояние в то время умели. Единственная трудность была с зарядом, для измерения которого не существовало даже единиц. Кулон нашел простой способ изменения заряда шариков в 2, 4 и более раз, соединяя его с таким же незаряженным шариком. Заряд при этом распределялся поровну между шариками, что и уменьшало исследуемый заряд в известном отношении. Новое значение силы взаимодействия при новом заряде определялось экспериментально. Опыты Кулона привели к установлению закона, поразительно напоминающего закон всемирного тяготения.

Сила взаимодействия между двумя точечными неподвижными зарядами, находящимися в вакууме, прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена по прямой, соединяющей эти заряды .

1. какие превращения энергии происходят при подъеме тела и при его падении?
2.что происходит с механической энергией при ударе свинцового груза о свинцовую плиту?
3.какую энергию называют внутренней энергией системы?
4. как изменяется внутренняя энергия газа при его расширении; при его сжатии? приведите примеры
5.обладает ли внутренней энергией тело, температура которого 0 градусов Цельсия?
6.одно и то же вещество может находиться в твердом,жидком,и газообразном состоянии. В каком из состояний внутренняя энергия тела больше; меньше?

сопровождается переносом вещества?A.Теплопроводность.Б. Излучение.B.Конвекция.3. Какое из перечисленных ниже веществ имеет наибольшуютеплопроводность?А. Мех. Б. Дерево. В. Сталь.4.Какое из перечисленных ниже веществ имеет наименьшую, теплопроводность?A.Опилки. Б. Свинец. В. Медь.5. Назовите возможный способ теплопередачи между телами, отделеннымибезвоздушным пространством.A.Теплопроводность.Б. Конвекция.B.Излучение.6.Металлическая ручка и деревянная дверь будут казаться на ощупь одинаковонагретыми при температуре...A.выше температуры тела.Б. ниже температуры тела.B.равной температуре тела.7.Что происходит с температурой тела, если оно поглощаетстолько же энергии, сколько излучает?A.Тело нагревается.Б. Тело охлаждается.B. Температура тела не меняется.8. Каким из способов происходит теплопередача в жидкостях?A.Теплопроводность.Б. Конвекция.B.Излучение.9. Какое из перечисленных ниже веществ обладает наименьА. Воздух. Б. Чугун. В. Алюминий10. Удельная теплоемкость воды 4200(Дж/кг*0С). Это означает,что...A.для нагревания воды массой 4200 кг на 1 °С требуется количество теплоты,равное 1 Дж.Б. для нагревания воды массой 1 кг на 4200 °С требуется количество теплоты,равное 1 Дж.B.для нагревания воды массой 1 кг на 1 °С требуется коли11.Удельная теплота сгорания топлива показывает, какое коA.сгорании топлива.Б. полном сгорании топлива.B. при полном сгорании топлива массой 1 кг.12. Испарение происходит...A.при любой температуре.Б. при температуре кипения.B.при определенной температуре для каждой жидкости.13. При наличии ветра испарение происходит...A.быстрее.Б. медленнее.B. с такой же скоростью, как и при его отсутствии.14. Может ли КПД теплового двигателя стать равным 100%, если трение междудвижущимися деталями этой машины свести к нулю?А. Да. Б. Нет.15. Из какого полюса магнита выходят линии магнитного поля?А. Из северного. Б. Из южного. В. Из обоих полюсов.16. К шарику незаряженного электроскопа подносят, не касаясь его, телозаряженное отрицательным зарядом. Какой заряд приобретут листочкиэлектроскопа?А. Отрицательный. Б. Положительный. В. Никакой.17. Может ли атом водорода или любого другого вещества изменить свой заряд на1,5 заряда электрона?А. Да. Б. Нет.18. Какое изображение получается на сетчатке глаза человека?А. Увеличенное, действительное, перевернутое.Б. Уменьшенное, действительное, перевернутое.В. Увеличенное, мнимое, прямое.Г. Уменьшенное, мнимое, прямое.19. Что измеряет амперметр?А) Электрическое сопротивление проводниковБ) Напряжение на полюсах источника тока или на каком-то участке цепиВ) Силу тока в цепиГ) Мощность электрического тока20. Диффузия – это:А) Процесс повышения температурыБ) Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одноговещества между молекулами другогоВ) Явление, при котором тело из состояния твердого переходит в состояниежидкогоГ) Процесс увеличения плотности тела21. Формула КПД:А) ŋ= Аn* 100%АɜБ) ŋ= Аɜ * 100%АnВ) ŋ= Аn * Аɜ100%Г) ŋ= Аn * Аɜ * 100%22. Что гласит закон Архимеда?А) Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равнавесу жидкости, вытесненной этим теломБ) Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равнаскорости погружения этого тела в жидкостьВ) Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равнаплотности этого телаГ) Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равна весуэтого тела23. Какое дейА)теп24. ВнутА)тольБ)тольВ)тольГ) от тем25. Какие из перечисленных веществ относятся к проводникам?а) резина; б) медь, в) пластмасса; г) стекло.26. Тело электризуется только тогда, когда оно …... заряд.а) приобретает; б) теряет; в) приобретает или теряет.27. Какие из перечисленных веществ относятся к диэлектрикам?а) резина; б) медь; в) раствор серной кислоты; г) сталь.28. Одноименно заряженные тела …...., а разноименно заряженные - ……...а) ...отталкиваются, ...притягиваются,б) ...притягиваются, ...отталкиваются.29. Электрическим током называют...А. Движение электронов по проводнику.Б. Упорядоченное движение электронов по проводнику.В. Упорядоченное движение протонов по проводнику.Г. Упорядоченное движение заряженных частиц.Д. Движение электрических зарядов по проводнику.30. Какое превращение энергии происходит при работе электрической кофемолки?Электрическая энергия превращается...А. В химическую. Б. В механическую.В. В световую. Г. Во внутреннюю

к другой.

В каком случае подводную лодку можно рассматривать как материальную точку?

2) Два шкива разного радиуса соединены ременной передачей и приведены во вращательное движение. Как изменяются физические величины (линейная скорость, период вращения, угловая скорость) при переходе от точки В к точке А, если ремень не проскальзывает?

Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. Эти силы называют электромагнитными силами .

Закон сохранения электрического заряда

В обычных условиях микроскопические тела являются электрически нейтральными, потому что положительно и отрицательно заряженные частицы, которые образуют атомы, связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы. Если электрическая нейтральность тела нарушена, то такое тело называется наэлектризованное тело . Для электризации тела необходимо, чтобы на нём был создан избыток или недостаток электронов или ионов одного знака.

Способы электризации тел , которые представляют собой взаимодействие заряженных тел, могут быть следующими:

1. Электризация тел при соприкосновении . В этом случае при тесном контакте небольшая часть электронов переходит с одного вещества, у которого связь с электроном относительно слаба, на другое вещество.
2. Электризация тел при трении . При этом увеличивается площадь соприкосновения тел, что приводит к усилению электризации.
3. Влияние . В основе влияния лежит явление электростатической индукции , то есть наведение электрического заряда в веществе, помещённом в постоянное электрическое поле.
4. Электризация тел под действием света . В основе этого лежит фотоэлектрический эффект , или фотоэффект , когда под действием света из проводника могут вылетать электроны в окружающее пространство, в результате чего проводник заряжается.

Многочисленные опыты показывают, что когда имеет место электризация тела , то на телах возникают электрические заряды, равные по модулю и противоположные по знаку.

Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов на теле по сравнению с протонами, а положительный заряд обусловлен недостатком электронов.

Когда происходит электризация тела, то есть когда отрицательный заряд частично отделяется от связанного с ним положительного заряда, выполняется закон сохранения электрического заряда . Закон сохранения заряда справедлив для замкнутой системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы.

Закон сохранения электрического заряда формулируется следующим образом :

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остаётся неизменной:

q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = const

где
q 1 , q 2 и т.д. - заряды частиц.

Определения

Элементарные частицы могут иметь эл. заряд, тогда они называются заряженными;

Элементарные частицы - взаимодействуют друг с другом с силами, которые зависят от расстояния между частицами, но превышают во много раз силы взаимного тяготения (это взаимодействие называется электромагнитным).

Электрический заряд - физическая величина, определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Существует 2 знака эл.зарядов:

• положительный
• отрицательный

Частицы с одноименными зарядами отталкиваются , с разноименными - притягиваются . Протон имеет положительный заряд, электрон - отрицательный , нейтрон - электрически нейтрален.

Элементарный заряд - минимальный заряд, разделить который невозможно.

Чем объяснить наличие электромагнитных сил в природе? - в состав всех тел входят заряженные частицы.

В обычном состоянии тела электрически нейтральны (т.к. атом нейтрален), и электромагнитные силы не проявляются.

Тело заряжено , если имеет избыток зарядов какого-либо знака:

• отрицательно заряжено - если избыток электронов;
• положительно заряжено - если недостаток электронов.

Электризация тел - это один из способов получения заряженных тел, например, соприкосновением).

При этом оба тела заряжаются, причем заряды противоположны по знаку, но равны по модулю.

Взаимодействие тел , имеющих заряды одинакового или разного знака, можно продемонстрировать на следующих опытах. Наэлектризуем эбонитовую палочку трением о мех и прикоснёмся ею к металлической гильзе, подвешенной на шёлковой нити.

На гильзе и эбонитовой палочке распределяются заряды одного знака (отрицательные заряды). Приближая заряженную отрицательно эбонитовую палочку к заряженной гильзе, можно увидеть, что гильза будет отталкиваться от палочки (рис. 1.1).

Если теперь поднести к заряженной гильзе стеклянную палочку, потёртую о шёлк (положительно заряженную), то гильза будет к ней притягиваться (рис. 1.2).

Возьмём два одинаковых электрометра и один из них зарядим (рис. 2.1). Его заряд соответствует 6 делениям шкалы.

Если соединить эти электрометры стеклянной палочкой, то никаких изменений не произойдёт. Это подтверждает тот факт, что стекло является диэлектриком. Если же для соединения электрометров использовать металлический стержень А (рис. 2.2), держа его за не проводящую электричество ручку В, то можно заметить, что первоначальный заряд разделится на две равные части: половина заряда перейдёт с первого шара на второй. Теперь заряд каждого электрометра соответствует 3 делениям шкалы. Таким образом, первоначальный заряд не изменился, он только разделился на две части.

Если заряд передать от заряженного тела к незаряженному телу такого же размера, то заряд разделится пополам между двумя этими телами. Но если второе, незаряженное тело, будет больше, чем первое, то на второе перейдёт больше половины заряда. Чем больше тело, которому передают заряд, тем большая часть заряда на него перейдёт.

Но общая сумма заряда при этом не изменится. Таким образом, можно утверждать, что заряд сохраняется. Т.е. выполняется закон сохранения электрического заряда.

Электрические заряды не существуют сами по себе, а являются внутренними свойствами элементарных частиц – электронов, протонов и др.

Опытным путем в 1914 г. американский физик Р. Милликен показал что электрический заряд дискретен . Заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда e = 1.6 × 10 -19 Кл .

В реакции образования электронно-позитронной пары действует закон сохранения заряда .

q электрона + q позитрона = 0.

Позитрон - элементарная частица, имеющая массу, приблизительно равную массе электрона; заряд позитрона положительный и равен заряду электрона.

На основании закона сохранения электрического заряда объясняется электризация макроскопических тел.

Как известно, все тела состоят из атомов, в состав которых входят электроны и протоны . Количество электронов и протонов в составе незаряженного тела одинаковое. Поэтому такое тело не проявляет электрического действия на другие тела. Если же два тела находятся в тесном контакте (при натирании, сжатии, ударе и т.п.), то электроны, связанные с атомами значительно слабее, чем протоны, переходят с одного тела на другое.

Тело, на которое перешли электроны, будет иметь их избыток. Согласно закону сохранения электрический заряд этого тела будет равняться алгебраической сумме положительных зарядов всех протонов и зарядов всех электронов. Этот его заряд будет отрицательным и по значению равным сумме зарядов избыточных электронов.

У тела с излишком электронов отрицательный заряд.

Тело, утратившее электроны, будет иметь положительный заряд, модуль которого бу­дет равен сумме зарядов электронов, поте­рянных телом.

У тела, имеющего положитель­ный заряд, электронов мень­ше, чем протонов.

Электрический заряд не изме­няется при переходе тела в другую систему отсчета.

Электромагнитные силы играют в природе огромную роль благодаря тому, что в состав всех тел входят электрически заряженные частицы. Составные части атомов ядра и электроны обладают электрическим зарядом

Существующие между заряженными частицами электромагнитные силы огромны. Однако действие электромагнитных сил между телами непосредственно не обнаруживается, так как тела в обычном состоянии электрически нейтральны. Нейтрален атом любого вещества, так как число электронов в нем равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы

Макроскопическое тело электрически заряжено в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с одним знаком заряда. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный - недостатком электронов.

Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело, т. е. наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного. Это можно сделать с помощью трения. Если провести расческой по сухим волосам, то небольшая часть самых подвижных заряженных частиц - электронов - перейдет с волос на расческу и зарядит ее отрицательно, а волосы зарядятся положительно.

Равенство зарядов при электризации. С помощью опыта можно доказать, что при электризации трением оба тела приобретают противоположные по знаку, но одинаковые по модулю заряды. Возьмем электрометр с укрепленной на его стержне

металлической сферой с отверстием и две пластины на длинных рукоятках: одну из эбонита, а другую из плексигласа. При трении друг о друга пластины электризуются. Внесем одну из пластин внутрь сферы, не касаясь ее стенок. Если пластина заряжена положительно, то часть электронов со стрелки и стержня электрометра притянется к пластине и соберется на внутренней поверхности сферы. Стрелка при этом зарядится положительно и оттолкнется от стержня (рис. 92, а). Если внести внутрь сферы другую пластину, вынув предварительно первую, то электроны сферы и стержня будут отталкиваться от пластины и соберутся в избытке на стрелке. Это вызовет отклонение стрелки, причем на тот же угол, что и при первом опыте. Опустив обе пластины внутрь сферы, мы не обнаружим отклонения стрелки (рис. 92, б). Это доказывает, что заряды пластин равны по модулю и противоположны но знаку.

Как происходит электризация тел? При электризации тел важен тесный контакт между ними. Электрические силы удерживают электроны внутри тела. Но для разных веществ эти силы различны. При тесном контакте небольшая часть электронов того вещества, у которого связь электронов с телом относительно слаба, переходит на другое вещество. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний см). Но если тела разъединить, то оба они окажутся заряженными.

Так как поверхности тел никогда не бывают идеально гладкими, то необходимый для перехода электронов тесный контакт между телами устанавливается только на небольших участках поверхностей (рис. 93). При трении тел друг о друга число участков с тесным контактом увеличивается и тем самым увеличивается общее число заряженных частиц, переходящих от одного тела к другому.

Электризация тел и ее применение в технике. Значительная электризация происходит при трении синтетических тканей. Снимая нейлоновую рубашку в сухом воздухе, можно слышать характерное потрескивание. Между заряженными участками трущихся поверхностей проскакивают маленькие искорки. С подобными явлениями приходится считаться на производстве. Так, нити пряжи на текстильных фабриках электризуются за счет трения, притягиваются к веретенам и роликам и рвутся. Пряжа притягивает пыль и загрязняется.

Приходится применять специальные меры против электризации нитей.

Электризация тел при тесном контакте используется в электро-копировальных установках (типа «Эра», «Ксерокс» и др.).

Так, в одной из этих установок черный смоляной порошок перемешивается с мельчайшими стеклянными шариками. При этом шарики заряжаются положительно, а частицы порошка - отрицательно. Вследствие притяжения они покрывают поверхность шариков тонким слоем.

Копируемый текст или чертеж проецируется на тонкую селеновую пластину, поверхность которой заряжена положительно. Пластина покоится на отрицательно заряженной металлической поверхности. Под действием света пластина разряжается и положительный заряд остается лишь на участках, соответствующих темным местам изображении. После этого пластина покрывается тонким слоем шариков. Благодаря притяжению разноименных зарядов смоляной порошок притягивается к положительно заряженным участкам пластины. Затем шарики стряхивают и, плотно прижав к пластине лист бумаги, получают на ней отпечаток. Отпечаток закрепляют с помощью нагревания.

1 Здесь и в дальнейшем для краткости мы часто будем говорить о зарядах, перемещении зарядов и т. д. В действительности же при этом имеются в виду заряженные тела (или частицы), перемещение заряженных частиц и т. д., так как заряда без частицы не существует.
Рис. 1.2
Рис. 1.1
Возьмем электрометр (электроскоп в металлическом кор-пусе) с укрепленной на его стержне металлической сферой с отверстием и две пластины на длинных рукоятках: одну из эбонита, а другую - из плексигласа. При трении друг о друга пластины электризуются. Внесем одну из пластин внутрь сферы, не касаясь ее стенок. Если пластина заряжена положительна, то часть электронов со стрелки и стержня электрометра притянется к пластине и соберется на внутренней поверхности сферы. Стрелка при этом зарядится положительно и оттолкнется от стержня (рис. 1.1).
Если поместить внутрь сферы другую пластину, вынув предварительно первую, то электроны сферы и стержня будут отталкиваться от пластины и соберутся в избытке на стрелке. Это вызовет отклонение стрелки, причем на тот же угол, что и в первом опыте. Опустив обе пластины внутрь сферы, мы не обнаружим отклонения стрелки (рис. 1.2). Это доказывает, что заряды пластин равны по модулю и противоположны по знаку. Этот вывод непосредственно вытекает из закона сохранения заряда.
Как происходит электризация тел?
Наэлектризовать тела с помощью трения очень просто. А вот объяснить, как это происходит, оказалось очень непростой задачей. На протяжении многих десятков лет давалось, да и сейчас дается следующее объяснение. При электризации тел важен тесный контакт между ними. Электрические силы удерживают электроны внутри тела. Но для разных веществ эти силы различны. При тесном контакте небольшая часть электронов того вещества, у которого связь электронов с телом относительно слаба, переходит на другое тело. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний (Ю-8 см). Но если тела разъединить, то оба они окажутся заряженными.
Так как поверхности тел никогда не бывают идеально гладкими, то необходимый для перехода тесный контакт между телами устанавливается только на небольших участках поверхностей. При трении тел друг о друга число участков с тесным контактом увеличивается, и тем самым увеличивается общее число заряженных частиц, переходящих от одного тела к другому.
Однако в последнее время это объяснение электризации трением стало вызывать возражения. Не ясно, как в таких не проводящих ток веществах (изоляторах), как эбонит, плексиглас и другие, могут перемещаться электроны. Они ведь связаны в нейтральных молекулах. Сотрудниками физико-технического института в Санкт-Петербурге было предложено другое объяснение.
Для ионного кристалла LiF (изолятора) это объяснение выглядит так. При образовании кристалла возникают различного рода дефекты, в частности вакансии - незаполненные места в узлах кристаллической решетки. Если число вакансий для по-ложительных ионов лития и отрицательных - фтора неодина-ково, то кристалл окажется при образовании заряженным по объему. Но заряд в целом не может сохраняться у кристалла долго. В воздухе всегда имеется некоторое количество ионов, и кристалл будет их вытягивать из воздуха до тех пор, пока заряд кристалла не нейтрализуется слоем ионов на его поверхности. У разных изоляторов объемные заряды различны, и поэтому различны заряды поверхностных слоев ионов. При трении поверхностные слои ионов перемешиваются, и при разъ-единении изоляторов каждый из них оказывается заряженным.
А могут ли электризоваться при трении два одинаковых изолятора, например те же кристаллы LiF? Если они имеют одинаковые собственные объемные заряды, то нет. Но они могут иметь и различные собственные заряды, если условия кристаллизации были разными и появилось разное число вакансий.
Как показал опыт, электризация при трении одинаковых кристаллов рубина, янтаря и др. действительно может происходить.
Однако приведенное объяснение вряд ли правильно во всех случаях. Если тела состоят, к примеру, из молекулярных кристаллов, то появление вакансий у них не должно приводить к заряжению тела.
Таким образом, мы видим, что такое простое, казалось бы, явление, как электризация трением, содержит немало загадочного.
Электризация тел и ее применение в технике
Значительная электризация происходит при трении синте-тических тканей. Снимая нейлоновую рубашку в сухом воздухе, можно слышать характерное потрескивание. Между заряженными участками трущихся поверхностей проскакивают маленькие искорки. С подобным явлением приходится считаться на производстве. Так, нити пряжи на текстильных фабриках электризуются за счет трения, притягиваются к ве-ретенам и рвутся. Пряжа притягивает пыль и загрязняется. Поэтому необходимо принимать различные меры против электризации нитей.
Разматывая в типографии большие рулоны бумаги, рабочие надевают резиновые перчатки, чтобы предохранить себя от электрических разрядов, возникающих между наэлектри-зованной бумагой и руками.
Большие электрические заряды накапливаются при трении шин об асфальт при сухой погоде. Возникает опасность проскакивания искры. Поэтому сзади машин - цистерн для горючего - прикрепляют металлические цепи, волочащиеся по дороге. Иногда даже легковые машины снабжены эластичной лентой из проводящей резины.
За счет электризации трением работает обычная электро-статическая машина.
Явление электризации тел при тесном контакте используется в современных электрокопировальных установках (типа «Эра», «Ксерокс» и др.).
Так, в одной из этих установок черный смоляной порошок перемешивается с мельчайшими стеклянными шариками. При этом шарики заряжаются положительно, а частицы порошка - отрицательно. Вследствие притяжения они покрывают поверхность шариков тонким слоем.
Копируемый текст или чертеж проецируется на тонкую селеновую пластину, поверхность которой заряжена положительно. Пластина покоится на отрицательно заряженной металлической поверхности. Под действием света пластина разряжается, и положительный заряд остается лишь на участках, соответствующих темным местам изображения. Затем пластина покрывается тонким слоем шариков. Благодаря притяжению разноименных зарядов смоляной порошок притягивается к положительно заряженным участкам пластины. После этого шарики стряхивают и, плотно прижав к пластине лист бумаги, получают на ней отпечаток. Отпечаток закрепляют с помощью нагревания.
Макроскопическое тело электрически заряжено в том случае, если оно содержит избыточное количество эле-ментарных частиц с одним знаком заряда. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный - недостатком электронов.
? 1. Эбонитовая палочка при электризации зарядилась отрицательно. Осталась ли неизменной масса палочки? 2. Известно, что стеклянная палочка, потертая о шелк, заряжается положительно. Определите экспериментально знак заряда пластмассовой ручки, потертой о шерсть.