Ηλεκτρισμός σωμάτων, αλληλεπίδραση φορτίων

Σε αυτό το άρθρο, θα προσπαθήσουμε να παρουσιάσουμε μια αρκετά γενικευμένη ιδέα για το τι είναι ο ηλεκτρισμός των σωμάτων και θα θίξουμε επίσης το νόμο της διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου.

Ανεξάρτητα από το αν αυτή ή η άλλη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας λειτουργεί σύμφωνα με την αρχή, καθεμία από αυτές λαμβάνει χώρα ηλεκτροδότηση φυσικών σωμάτων, δηλαδή ο διαχωρισμός των ηλεκτρικών φορτίων που υπάρχουν στην πηγή ηλεκτρικής ενέργειας και η συγκέντρωσή τους σε ορισμένα μέρη, για παράδειγμα, στα ηλεκτρόδια ή τους ακροδέκτες της πηγής. Ως αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας, λαμβάνεται μια περίσσεια αρνητικών φορτίων (ηλεκτρόνια) στο ένα τερματικό της πηγής ηλεκτρικής ενέργειας (κάθοδος) και έλλειψη ηλεκτρονίων στο άλλο τερματικό (άνοδος), δηλ. το πρώτο από αυτά φορτίζεται με αρνητικό ηλεκτρισμό και το δεύτερο με θετικό ηλεκτρισμό.

Μετά την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου, του στοιχειώδους σωματιδίου με ελάχιστο φορτίο, αφού τελικά εξηγήθηκε η δομή του ατόμου, έγιναν εξηγήσιμα και τα περισσότερα φυσικά φαινόμενα που σχετίζονται με τον ηλεκτρισμό.

Η υλική ύλη που απαρτίζει τα σώματα γενικά βρέθηκε ότι είναι ηλεκτρικά ουδέτερη, αφού τα μόρια και τα άτομα που αποτελούν το σώμα είναι ουδέτερα υπό κανονικές συνθήκες και κατά συνέπεια τα σώματα δεν έχουν φορτίο. Αλλά αν ένα τέτοιο ουδέτερο σώμα τρίβεται πάνω σε ένα άλλο σώμα, τότε μερικά από τα ηλεκτρόνια θα αφήσουν τα άτομά τους και θα περάσουν από το ένα σώμα στο άλλο. Το μήκος των μονοπατιών που διανύουν αυτά τα ηλεκτρόνια κατά τη διάρκεια μιας τέτοιας κίνησης δεν είναι μεγαλύτερο από την απόσταση μεταξύ γειτονικών ατόμων.

Ωστόσο, εάν μετά την τριβή τα σώματα χωριστούν, απομακρυνθούν, τότε και τα δύο σώματα θα φορτιστούν. Το σώμα στο οποίο έχουν περάσει τα ηλεκτρόνια θα φορτιστεί αρνητικά και αυτό που έδωσε αυτά τα ηλεκτρόνια θα αποκτήσει θετικό φορτίο, θα γίνει θετικά φορτισμένο. Αυτό είναι ηλεκτρισμός.

Ας υποθέσουμε ότι σε κάποιο φυσικό σώμα, για παράδειγμα στο γυαλί, ήταν δυνατό να αφαιρεθούν μερικά από τα ηλεκτρόνια τους από έναν σημαντικό αριθμό ατόμων. Αυτό σημαίνει ότι το γυαλί, που έχει χάσει μερικά από τα ηλεκτρόνια του, θα φορτιστεί με θετικό ηλεκτρισμό, γιατί σε αυτό τα θετικά φορτία έχουν αποκτήσει πλεονέκτημα έναντι των αρνητικών.

Τα ηλεκτρόνια που αφαιρούνται από το γυαλί δεν μπορούν να εξαφανιστούν και πρέπει να τοποθετηθούν κάπου. Ας υποθέσουμε ότι αφού αφαιρεθούν τα ηλεκτρόνια από το γυαλί, τοποθετούνται σε μια μεταλλική μπάλα. Είναι τότε προφανές ότι η μεταλλική σφαίρα που δέχεται επιπλέον ηλεκτρόνια φορτίζεται με αρνητικό ηλεκτρισμό, αφού σε αυτήν δίνεται προτεραιότητα στα αρνητικά φορτία έναντι των θετικών.

Ηλεκτρισμός του φυσικού σώματος — σημαίνει να δημιουργηθεί σε αυτό περίσσεια ή έλλειψη ηλεκτρονίων, δηλ. διαταράξει την ισορροπία δύο αντιθέτων σε αυτό, δηλαδή των θετικών και αρνητικών φορτίων.

Το να ηλεκτρίζεις δύο φυσικά σώματα ταυτόχρονα και μαζί με διαφορετικά ηλεκτρικά φορτία — σημαίνει να αποσύρεις ηλεκτρόνια από ένα σώμα και να τα μεταφέρεις σε άλλο σώμα.

Εάν ένα θετικό ηλεκτρικό φορτίο έχει σχηματιστεί κάπου στη φύση, τότε ένα αρνητικό φορτίο της ίδιας απόλυτης τιμής πρέπει αναπόφευκτα να προκύψει ταυτόχρονα με αυτό, καθώς οποιαδήποτε περίσσεια ηλεκτρονίων σε οποιοδήποτε φυσικό σώμα προκύπτει λόγω της έλλειψής τους σε κάποιο άλλο φυσικό σώμα.

Τα διάφορα ηλεκτρικά φορτία εμφανίζονται στα ηλεκτρικά φαινόμενα ως αμετάβλητα συνοδευτικά αντίθετα, των οποίων η ενότητα και η αλληλεπίδραση αποτελούν το εσωτερικό περιεχόμενο των ηλεκτρικών φαινομένων στις ουσίες.

Τα ουδέτερα σώματα ηλεκτρίζονται όταν δίνουν ή λαμβάνουν ηλεκτρόνια, σε κάθε περίπτωση αποκτούν ηλεκτρικό φορτίο και παύουν να είναι ουδέτερα. Εδώ τα ηλεκτρικά φορτία δεν προκύπτουν από το πουθενά, τα φορτία διαχωρίζονται μόνο, επειδή τα ηλεκτρόνια ήταν ήδη στα σώματα και απλώς άλλαξαν τη θέση τους, τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από ένα ηλεκτρισμένο σώμα σε ένα άλλο ηλεκτρισμένο σώμα.

Το πρόσημο του ηλεκτρικού φορτίου που προκύπτει από την τριβή των σωμάτων εξαρτάται από τη φύση αυτών των σωμάτων, από την κατάσταση των επιφανειών τους και από μια σειρά άλλους λόγους. Επομένως, δεν αποκλείεται το ίδιο φυσικό σώμα σε μια περίπτωση να φορτίζεται με θετικό και σε άλλη με αρνητικό ηλεκτρισμό, για παράδειγμα, τα μέταλλα όταν τρίβονται στο γυαλί και το μαλλί ηλεκτρίζονται αρνητικά και όταν τρίβονται με καουτσούκ — θετικά.

Μια κατάλληλη ερώτηση θα ήταν: γιατί το ηλεκτρικό φορτίο δεν ρέει μέσω διηλεκτρικών αλλά μέσω μετάλλων; Το θέμα είναι ότι στα διηλεκτρικά όλα τα ηλεκτρόνια είναι συνδεδεμένα με τους πυρήνες των ατόμων τους, απλά δεν έχουν την ικανότητα να κινούνται ελεύθερα σε όλο το σώμα.

Αλλά στα μέταλλα η κατάσταση είναι διαφορετική. Οι δεσμοί ηλεκτρονίων στα άτομα μετάλλων είναι πολύ πιο αδύναμοι από ό,τι στα διηλεκτρικά, και μερικά ηλεκτρόνια εγκαταλείπουν εύκολα τα άτομά τους και κινούνται ελεύθερα σε όλο το σώμα, αυτά είναι τα λεγόμενα ελεύθερα ηλεκτρόνια που παρέχουν μεταφορά φορτίου στα καλώδια.

Ο διαχωρισμός των φορτίων γίνεται τόσο κατά την τριβή μεταλλικών σωμάτων όσο και κατά την τριβή διηλεκτρικών. Αλλά σε επιδείξεις, χρησιμοποιούνται διηλεκτρικά: εβονίτης, κεχριμπάρι, γυαλί. Σε αυτό καταφεύγουν για τον απλούστατο λόγο ότι εφόσον τα φορτία δεν κινούνται μέσω του όγκου στα διηλεκτρικά, παραμένουν στα ίδια σημεία στις επιφάνειες των σωμάτων από τα οποία προέκυψαν.

Και αν με την τριβή, ας πούμε, για τη γούνα, ένα κομμάτι μετάλλου ηλεκτριστεί, τότε το φορτίο, που έχει χρόνο μόνο να μετακινηθεί στην επιφάνειά του, θα στραγγίσει αμέσως στο σώμα του πειραματιστή, και μια επίδειξη, για παράδειγμα, με τα διηλεκτρικά, δεν θα λειτουργήσουν. Αλλά αν ένα κομμάτι μετάλλου απομονωθεί από τα χέρια του πειραματιστή, θα παραμείνει πάνω στο μέταλλο.

Αν το φορτίο των σωμάτων απελευθερώνεται μόνο κατά τη διαδικασία ηλεκτροδότησης, τότε πώς συμπεριφέρεται το συνολικό τους φορτίο; Απλά πειράματα δίνουν απάντηση σε αυτό το ερώτημα. Παίρνοντας ένα ηλεκτρόμετρο με έναν μεταλλικό δίσκο προσαρτημένο στη ράβδο του, τοποθετήστε ένα κομμάτι μάλλινο ύφασμα πάνω από το δίσκο, στο μέγεθος αυτού του δίσκου. Στην κορυφή του δίσκου ιστού τοποθετείται ένας άλλος αγώγιμος δίσκος, ίδιος όπως στη ράβδο του ηλεκτρομέτρου, αλλά εξοπλισμένος με διηλεκτρική λαβή.

Κρατώντας τη λαβή, ο πειραματιστής μετακινεί τον επάνω δίσκο αρκετές φορές, τον τρίβει στον εν λόγω δίσκο ιστού που βρίσκεται στο δίσκο της ράβδου του ηλεκτρομέτρου και μετά τον απομακρύνει από το ηλεκτρόμετρο. Η βελόνα του ηλεκτρομέτρου εκτρέπεται όταν αφαιρείται ο δίσκος και παραμένει σε αυτή τη θέση. Αυτό δείχνει ότι έχει αναπτυχθεί ηλεκτρικό φορτίο στο μάλλινο ύφασμα και στο δίσκο που είναι προσαρτημένος στη ράβδο του ηλεκτρομέτρου.

Στη συνέχεια, ο δίσκος με τη λαβή έρχεται σε επαφή με το δεύτερο ηλεκτρόμετρο, αλλά χωρίς τον δίσκο συνδεδεμένο σε αυτό, και η βελόνα του παρατηρείται ότι εκτρέπεται σχεδόν κατά την ίδια γωνία με τη βελόνα του πρώτου ηλεκτρομέτρου.

Το πείραμα δείχνει ότι και οι δύο δίσκοι κατά την ηλεκτροδότηση έλαβαν φορτίσεις της ίδιας μονάδας. Ποια είναι όμως τα σημάδια αυτών των κατηγοριών; Για να απαντηθεί αυτή η ερώτηση, τα ηλεκτρόμετρα συνδέονται με ένα καλώδιο. Οι βελόνες του ηλεκτρομέτρου θα επιστρέψουν αμέσως στη θέση μηδέν η καθεμία στην οποία βρίσκονταν πριν ξεκινήσει το πείραμα. Το φορτίο εξουδετερώθηκε, που σημαίνει ότι τα φορτία στους δίσκους ήταν ίσα σε μέγεθος αλλά αντίθετα σε πρόσημο και συνολικά έδωσαν μηδέν, όπως πριν ξεκινήσει το πείραμα.

Παρόμοια πειράματα δείχνουν ότι κατά την ηλεκτροδότηση διατηρείται το συνολικό φορτίο των σωμάτων, δηλαδή αν η συνολική ποσότητα ήταν μηδέν πριν από την ηλεκτροδότηση, τότε η συνολική ποσότητα θα είναι μηδέν μετά την ηλεκτροδότηση... Γιατί όμως συμβαίνει αυτό; Εάν τρίψετε ένα ραβδί από έβενο σε ένα πανί, αυτό θα φορτιστεί αρνητικά και το ύφασμα θετικά, και αυτό είναι ένα γνωστό γεγονός. Μια περίσσεια ηλεκτρονίων σχηματίζεται στον εβονίτη όταν τρίβεται στο μαλλί, και ένα αντίστοιχο έλλειμμα στο ύφασμα.

Τα φορτία θα είναι ίσα σε συντελεστή, επειδή πόσα ηλεκτρόνια έχουν περάσει από το ύφασμα στον εβονίτη, ο εβονίτης έχει λάβει ένα τέτοιο αρνητικό φορτίο και το ίδιο ποσό θετικού φορτίου έχει σχηματιστεί στον καμβά, επειδή τα ηλεκτρόνια που έχουν αφήσει ύφασμα είναι το θετικό φορτίο στο πανί. Και η περίσσεια ηλεκτρονίων στον εβονίτη είναι ακριβώς ίση με την έλλειψη ηλεκτρονίων στο ύφασμα. Τα φορτία είναι αντίθετα σε πρόσημο αλλά ίσα σε μέγεθος. Προφανώς, η πλήρης φόρτιση διατηρείται κατά την ηλεκτροδότηση. ισούται με μηδέν συνολικά.

Επιπλέον, ακόμη και αν τα φορτία και στα δύο σώματα ήταν μη μηδενικά πριν από την ηλεκτροδότηση, το συνολικό φορτίο εξακολουθεί να είναι το ίδιο με πριν από την ηλεκτροδότηση. Έχοντας συμβολίσει τα φορτία των σωμάτων πριν από την αλληλεπίδρασή τους ως q1 και q2 και τα φορτία μετά την αλληλεπίδραση ως q1' και q2', τότε θα ισχύει η ακόλουθη ισότητα:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

Αυτό σημαίνει ότι για οποιαδήποτε αλληλεπίδραση σωμάτων το συνολικό φορτίο διατηρείται πάντα. Αυτός είναι ένας από τους θεμελιώδεις νόμους της φύσης, ο νόμος της διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου. Ο Benjamin Franklin το ανακάλυψε το 1750 και εισήγαγε τις έννοιες του «θετικού φορτίου» και του «αρνητικού φορτίου». Franklin και πρότεινε να υποδείξουν αντίθετα φορτία με τα σημάδια «-» και «+».

Στα ηλεκτρονικά Οι κανόνες του Kirchhoff γιατί τα ρεύματα απορρέουν άμεσα από τον νόμο διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου. Ο συνδυασμός καλωδίων και ηλεκτρονικών εξαρτημάτων αναπαρίσταται ως ανοιχτό σύστημα. Η συνολική εισροή χρεώσεων σε ένα δεδομένο σύστημα είναι ίση με τη συνολική εκροή χρεώσεων από αυτό το σύστημα. Οι κανόνες του Kirchhoff υποθέτουν ότι ένα ηλεκτρονικό σύστημα δεν μπορεί να αλλάξει σημαντικά τη συνολική του φόρτιση.

Για να είμαστε δίκαιοι, σημειώνουμε ότι η καλύτερη πειραματική δοκιμή του νόμου της διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου είναι η αναζήτηση τέτοιων διασπάσεων στοιχειωδών σωματιδίων που θα επιτρέπονταν σε περίπτωση μη αυστηρής διατήρησης του φορτίου. Τέτοιες φθορές δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ στην πράξη.

Άλλοι τρόποι ηλεκτρισμού φυσικών σωμάτων:

1. Εάν η πλάκα ψευδαργύρου βυθιστεί σε διάλυμα θειικού οξέος H2SO4, τότε θα διαλυθεί εν μέρει σε αυτό. Μερικά από τα άτομα στην πλάκα ψευδαργύρου, αφήνοντας δύο από τα ηλεκτρόνια τους στην πλάκα ψευδαργύρου, θα μεταφερθούν σε διάλυμα με μια σειρά οξέων με τη μορφή διπλά φορτισμένων θετικών ιόντων ψευδαργύρου. Ως αποτέλεσμα, η πλάκα ψευδαργύρου θα φορτιστεί με αρνητικό ηλεκτρισμό (περίσσεια ηλεκτρονίων) και το διάλυμα θειικού οξέος θα φορτιστεί με θετικό (περσόνα θετικών ιόντων ψευδαργύρου). Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται για τον ηλεκτρισμό του ψευδαργύρου σε διάλυμα θειικού οξέος σε μια γαλβανική κυψέλη ως κύρια διαδικασία εμφάνισης ηλεκτρικής ενέργειας.

2. Αν πέσουν ακτίνες φωτός στην επιφάνεια μετάλλων όπως ο ψευδάργυρος, το καίσιο και κάποια άλλα, τότε απελευθερώνονται ελεύθερα ηλεκτρόνια από αυτές τις επιφάνειες στο περιβάλλον. Ως αποτέλεσμα, το μέταλλο φορτίζεται με θετικό ηλεκτρισμό και ο χώρος γύρω του φορτίζεται με αρνητικό ηλεκτρισμό. Η εκπομπή ηλεκτρονίων από φωτισμένες επιφάνειες ορισμένων μετάλλων ονομάζεται φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο έχει βρει εφαρμογή σε φωτοβολταϊκά κύτταρα.

3. Εάν το μεταλλικό σώμα θερμανθεί σε κατάσταση λευκής θερμότητας, τότε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια θα πετάξουν από την επιφάνειά του στον περιβάλλοντα χώρο.Ως αποτέλεσμα, το μέταλλο που έχει χάσει ηλεκτρόνια θα φορτιστεί με θετικό ηλεκτρισμό και το περιβάλλον με αρνητικό ηλεκτρισμό.

4. Εάν συγκολλήσετε τα άκρα δύο διαφορετικών συρμάτων, για παράδειγμα, βισμούθιου και χαλκού, και θερμάνετε τη διασταύρωση τους, τότε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια θα περάσουν εν μέρει από το χάλκινο σύρμα στο βισμούθιο. Ως αποτέλεσμα, το σύρμα χαλκού θα φορτίζεται με θετικό ηλεκτρισμό, ενώ το σύρμα βισμούθιου θα φορτίζεται με αρνητικό ηλεκτρισμό. Το φαινόμενο της ηλεκτροδότησης δύο φυσικών σωμάτων όταν απορροφούν θερμική ενέργεια χρησιμοποιείται σε θερμοστοιχεία.

Τα φαινόμενα που σχετίζονται με την αλληλεπίδραση ηλεκτρισμένων σωμάτων ονομάζονται ηλεκτρικά φαινόμενα.

Η αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρισμένων σωμάτων καθορίζεται από το λεγόμενο Ηλεκτρικές δυνάμεις που διαφέρουν από δυνάμεις άλλης φύσης στο ότι προκαλούν τα φορτισμένα σώματα να απωθούνται και να ελκύουν το ένα το άλλο, ανεξάρτητα από την ταχύτητα της κίνησής τους.

Με αυτόν τον τρόπο, η αλληλεπίδραση μεταξύ φορτισμένων σωμάτων διαφέρει, για παράδειγμα, από τη βαρυτική, η οποία χαρακτηρίζεται μόνο από την έλξη των σωμάτων ή από τις δυνάμεις μαγνητικής προέλευσης, που εξαρτώνται από τη σχετική ταχύτητα κίνησης των φορτίων, προκαλώντας μαγνητική πρωτοφανής.

Η Ηλεκτρολογία μελετά κυρίως τους νόμους της εξωτερικής εκδήλωσης των ιδιοτήτων των ηλεκτρισμένων σωμάτων - τους νόμους των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων.

Ελπίζουμε ότι αυτό το σύντομο άρθρο σας έδωσε μια γενική ιδέα για το τι είναι ο ηλεκτρισμός των σωμάτων και τώρα ξέρετε πώς να επαληθεύσετε πειραματικά τον νόμο διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου χρησιμοποιώντας ένα απλό πείραμα.