Как объяснить электризацию с электронной точки зрения

Теория, объясняющая электрические свойства тел наличием в них электронов и их движением, носит название электронной теории. Эта теория очень просто и наглядно объясняет многие электрические явления; и поэтому при изучении электричества целесообразно с самого же начала ввести электронные представления. Разберем с этой точки зрения некоторые опыты, описанные выше.

В § 2 мы видели, что через металлы и другие проводники заряды могут легко переходить с одного тела на другое. Это значит, что в проводниках электрические частицы могут свободно перемещаться. И обратно: всякое тело, в котором электрические частицы могут легко перемещаться, должно оказаться хорошим проводником. Наоборот, из того факта, что стекло плохо проводит электричество, мы можем заключить, что внутри стекла (и других диэлектриков) перемещение электрических частиц от одного места к другому весьма затруднено. В хорошо проводящих растворах, например в растворах поваренной соли, легко перемещаются как положительные, так и отрицательные ионы. В металлах же ионы передвигаться не могут, и единственными переносчиками заряда в металлах являются электроны. Эти электроны, свободно перемещающиеся по металлу, называют свободными электронами или электронами проводимости.

Когда мы заряжаем какое-либо тело, то мы создаем на нем либо недостаток, либо избыток электронов по сравнению с их нормальным числом, при котором тело не заряжено. При этом электроны заимствуются у какого-либо другого тела или удаляются из тела, но отнюдь не уничтожаются и не создаются вновь. Таким образом, явление зарядки и разрядки тел сводится к перераспределению электронов без изменения общего числа их.

Мы знаем, что при соединении заряженного проводника с незаряженным заряд распределяется между обоими телами. С электронной точки зрения это происходит следующим образом. Если первое тело заряжено отрицательно, то электроны под действием взаимного отталкивания переходят на второе тело. Если же первое тело заряжено положительно, то оно притягивает к себе электроны второго тела. В обоих случаях заряд будет уменьшаться на первом теле и увеличиваться на втором до тех пор, пока вновь не наступит равновесие.

Наконец, мы видели (§ 4), что положительные и отрицательные заряды компенсируют друг друга, так что, соединяя равные по модулю разноименные заряды, мы получаем отсутствие заряда. С электронной точки зрения это очевидно: соединяя два проводника, в одном из которых не хватает стольких же электронов, сколько их содержится в избытке в другом, мы получим нормальное число электронов в каждом из проводников, т. е. каждый из проводников окажется незаряженным. Появление положительных и отрицательных зарядов при электризации тел трением представляет более сложный процесс, в деталях еще не вполне выясненный; но и в этом случае дело сводится именно к разделению зарядов, а не к образованию их.

© 2019 Научная библиотека

Копирование информации со страницы разрешается только с указанием ссылки на данный сайт

Разделы: Физика

Физика! Какая емкость слова!
Физика для нас не просто звук!
Физика – опора и основа
Всех без исключения наук!

Цели:

• объяснить учащимся механизм электризации тел,
• развивать исследовательские и творческие навыки,
• создать условия для повышения интереса к изучаемому материалу,
• помочь учащимся осмыслить практическую значимость, полезность приобретаемых знаний и умений.

Оборудование:

• электрофорная машина,
• электрометр,
• султанчики,
• эбонитовые и стеклянные палочки,
• шелковые и шерстяные ткани,
• электроскоп,
• соединительные провода, дистиллированная вода, парафиновые шарики,
• алюминиевые и бумажные цилиндрики, шелковые нити (крашеные и некрашеные).

На доске:

Проводники, изоляторы, смоляной и стеклянный заряды.
• Электроотрицательный атом.
• Электроположительный атом.
• Электризация: — соприкосновение
  • — влияние
  • — фотоэффект (под действием света).
• Отталкивание, притяжение.
• Заряды в наэлектризованных изоляторах и проводниках.

1. Вступительное слово учителя

В повседневной жизни человек наблюдает огромное количество явлений и, возможно, гораздо большее количество явлений остаются незамеченными.

Существование этих явлений “толкает” человека на их поиски, открытия и объяснения этих явлений. Такое явление как падение тел на землю у человека не вызывает уже никакого удивления. Но, следует заметить, что земля и данное тело взаимодействуют, не касаясь друг друга. Они взаимодействуют между собой самым известным действием – гравитационным притяжением (гравитационными полями). Мы привыкли, что тела действуют друг на друга, в основном, непосредственно. Есть еще и такие явления, известные еще древним грекам, которые каждый раз вызывают интерес у детей и взрослых. Это электрические явления.

Примеры электрических взаимодействий весьма разнообразны и не так хорошо знакомы нам с детского возраста как, например, притяжение Земли. Этот интерес объясняется и тем, что здесь мы имеем большие возможности создания, изменения экспериментальных условий, обходясь несложным оборудованием.

Проследим за ходом выявления и изучения некоторых явлений.

2. Историческая справка (докладывает ученик)

Греческий философ Фалес Милетский, живший в 624–547 гг. до н.э., открыл, что янтарь, потертый о мех, приобретает свойство притягивать мелкие предметы – пушинки, соломинки и т.д. Позже такое явление было названо электризацией.

В 1680 году немецкий ученый Ото фон Герике построил первую электрическую машину и открыл существование электрических сил отталкивания и притяжения.

Первым ученым, аргументировано отстаивавшим точку зрения о существовании двух видов зарядов, был француз Шарль Дюфе (1698–1739). Электричество, которое появляется при натирании смолы, Дюфе назвал смоляным, а электричество, которое появляется при натирании стекла – стеклянным. В современной терминологии “смоляное” электричество соответствует отрицательным зарядам, а “стекольное” положительным. Самым убедительным оппонентом теории существования двух видов зарядов был знаменитый американец Бенджамин Франклин (1706 — 1790). Он впервые ввел понятие о положительных и отрицательных зарядах. Наличие этих зарядов у тел он объяснил избытком или недостатком в телах некоей общей электрической материи. Это особая материя, впоследствии названная “флюидом Франклина”, по его мнению, обладала положительным зарядом. Таким образом, при электризации тело либо приобретает, либо теряет положительные заряды. Нетрудно догадаться, что Франклин перепутал положительные заряды с отрицательными и тела обмениваются электронами (которые несут отрицательный заряд). Во многом благодаря этому факту впоследствии ошибочно за направление тока в металлах было принято направление движения положительного заряда.

Англичанин Роберт Симмер (1707 — 1763), обратил внимание на необычное поведение своих шерстяных и шелковых чулков. Он носил две пары чулок: черные шерстяные для тепла и белые шелковые для красоты. Снимая с ноги сразу оба чулка и выдергивая один из другого, он наблюдал, как оба чулка раздуваются, принимая форму ноги и притягиваясь друг к другу. Однако чулки одинакового цвета отталкивались, а разных цветов притягивались. Основываясь на своих наблюдениях, Симмер стал рьяным сторонником теории двух зарядов, за что был прозван “раздутым философом”.

Выражаясь современным языком, его шелковые чулки имели отрицательные, а шерстяные – положительные заряды.

3. Явление электризации тел

Учитель: Какое тело называется заряженным?

Ученик: Если тело может притягивать или отталкивать другие тела, то оно обладает электрическим зарядом. О таком теле говорят, что оно заряжено. Заряд – свойство тел, – способность к электромагнитному взаимодействию.

(Демонстрация действия заряженного тела).

Учитель: Что называется электроскопом?

Ученик: Прибор, который позволяет обнаружить наличие у тела заряда и оценить его, называется электроскопом.

Учитель: Как устроен и работает электроскоп?

Ученик: Основной частью электроскопа является проводящий изолированный стержень, на котором закрепляется стрелка, способная свободно вращаться. При появлении заряда стрелка и стержень заряжаются зарядами одного знака и поэтому они, отталкиваясь, создают угол отклонения, значение которого пропорционально полученному заряду.

(Демонстрация работы прибора).

Учитель: Электризация тел может происходить в различных случаях, т.е. существуют различные способы электризации тел:

• трением,
• ударом,
• соприкосновением,
• влиянием,
• под действием световой энергии.

Рассмотрим некоторые из них.

Ученик: Если потереть эбонитовую палочку о шерсть, то эбонит получит отрицательный заряд, а шерсть – положительный заряд. Наличие этих зарядов обнаруживается с помощью электроскопа. Для этого надо коснуться стержня электроскопа эбонитовой палочкой или шерстяной тряпкой. При этом часть заряда испытуемого тела переходит к стержню. Кстати, в этом случае происходит кратковременный электрический ток. Рассмотрим взаимодействие двух бумажных подвешенных на нити гильз, заряженных один — от эбонитовой палочки, другой – от шерстяной тряпочки. Заметим, что они притягиваются друг к другу. Значит, тела с разноименными зарядами притягиваются. Не каждое вещество может передать электрические заряды. Вещества, через которые могут передаваться заряды, называют проводниками, а вещества, через которые заряды не передаются, называют непроводниками – диэлектриками (изоляторами). Это можно выяснить также с помощью электроскопа, соединяя его с заряженным телом, веществами различного рода.

Белая шелковая нить не проводит заряд, а крашенная шелковая нить проводит. (Рис. А)

Белая шелковая нить Крашеная шелковая нить

Разделение зарядов и возникновение двойного электрического слоя в местах их соприкосновения, всяких двух различных тел, изоляторов или проводников, твердых тел, жидкостей или газов. Описывая электризацию трением, мы всегда брали для опыта только хорошие изоляторы – янтарь, стекло, шелк, эбонит. Почему? Потому что в изоляторах заряд остается на том месте, где он возник и не может через всю поверхность тела перейти на другие соприкасающиеся с ним тела. Опыт не удается, если оба трущиеся тела будут металлами с изолированными ручками, так как мы не можем отделить их друг от друга сразу по всей поверхности.

Вследствие неизбежной шероховатости поверхности тел, в момент отрыва всегда остаются какие-то последние точки соприкосновения – “мостики”, через которые в последний момент сбегают все избыточные электроны и оба металла оказываются не заряженными.

Учитель: Теперь рассмотрим электризацию соприкосновением.

Ученик: Если мы погрузим шарик из парафина в дистиллированную воду и потом вынем из воды то и парафин, и вода окажутся заряженными. (Рис.B)

Электризация воды и парафина произошла без всякого трения. Почему? Оказывается, что при электризации трением мы лишь увеличиваем площадь соприкосновения и уменьшаем расстояние между атомами трущихся тел. В случае вода – парафин всякие шероховатости не мешают сближению их атомов.

Значит, трение не является обязательным условием для электризации тел. Существует другая причина, по которой происходит электризация в этих случаях.

Учитель: Далее рассмотрим электризацию через влияние.

Ученик: На электризации тела через влияние основана работа электрофорной машины. Наэлектризованное тело может взаимодействовать с любым электрически нейтральным проводником. При сближении этих тел, за счет электрического поля заряженного тела во втором теле происходит перераспределение зарядов. Ближе к заряженному телу располагаются заряды по знаку противоположные заряженному телу. Дальше от заряженного тела в проводнике (гильза или цилиндр) располагаются одноименные с заряженным телом заряды.

Так как расстояние до положительных и отрицательных зарядов в цилиндре от шара разное, то преобладают силы притяжения и цилиндр отклоняется в сторону наэлектризованного тела. Если же дальней стороны тела от заряженного шара коснуться рукой, то тело прыгнет к заряженному шару. Это происходит из-за того, что при этом электроны перескакивают к руке, уменьшая тем самым силы отталкивания. Рис. D.

Учитель: Как долго сохранится такое положение? (Рис.D)

Ученик: Через несколько секунд произойдет деление зарядов и цилиндр оторвется от шара. Характер их в дальнейшем будет зависеть от значения суммы их зарядов. Если их сумма равна нулю, то их силы взаимодействия равны нулю. Если Fp

Учитель: Существует такое понятие, как электроотрицательность, которое играет определяющую роль при электризации тел. От него зависит знак заряда, получаемый элементом при электризации. Электроотрицательность – что это такое?

Ученик: Электроотрицательностью называется свойство химического элемента притягивать к своему атому электроны от атомов других элементов, с которыми элемент образует химическую связь в соединениях.

Электроотрицательность элементов определяли многие ученые: Полинг, Олред и Рохов. Они пришли к выводу, что электроотрицательность элементов в периодах увеличивается, а в группах уменьшается подобно ионизационным потенциалам. Чем меньше значение ионизационного потенциала, тем больше вероятность потери электрона и превращения в положительный ион или положительно заряженного тела, если тело однородное.

Таблица 2. Относительная электроотрицательность (ЭО) элементов первого, второго и третьего периодов.

Учитель: Из всего этого можно сделать следующий вывод: если взаимодействуют два однородных элемента из одинакового периода, то заранее можно сказать, который из них окажется заряженным положительно, а который отрицательно.

Вещество, атом которого имеет большую валентность (больше номер группы) по отношению к атому другого вещества, окажется заряженным отрицательно, а второе вещество положительно.

Если взаимодействуют однородные вещества с одной группы, то вещество с меньшим номером периода или ряда окажется заряженным отрицательно, а второе взаимодействующее тело – положительно.

Учитель: На этом уроке мы попытались раскрыть механизм электризации тел. Мы выяснили, по какой причине тело после электризации получает заряд того или иного знака, т.е. ответили на главный вопрос – почему? (как, например, раздел механики “Динамика” отвечает на вопрос: почему?)

Теперь перечислим положительные и отрицательные значения электризации тел.

Ученик: Статическое электричество может иметь негативное влияние:

— отталкивание волос друг от друга, подобно заряженному султанчику;

— прилипание к одежде различных мелких предметов;

— на ткацких фабриках прилипание нитей к бобинам, что ведет к частым обрывам.

Накопленные заряды могут вызвать электрические разряды, которые могут иметь различные последствия:

— разряд в бензовозе приведет к взрыву;

— при заправке горючей смесью любой разряд может привести к взрыву.

Чтобы снять статическое электричество, заземляют все устройства и оборудование и даже бензовоз. Используют специальное вещество антистатик.

Ученик: Статическое электричество может принести пользу:

— при окраске мелких деталей краскораспылителем, краску и тело заряжают противоположными зарядами, что приводит к большой экономии краски;

— в лечебных целях используют статический душ;

— для очистки воздуха от пыли, сажи, кислотных и щелочных паров используются электростатические фильтры;

— для копчения рыбы в специальных электромерах (рыба заряжается положительно, а электроды отрицательно, копчение в электрическом поле происходит в десятки раз быстрее).

Подведение итогов занятия.

Учитель: Давайте вспомним цель нашего занятия и сделаем краткие выводы.

• Что на уроке было новым?
• Что было интересным?
• Что на уроке было важным?

Выводы учащихся:

1. Явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела, называют электризацией.
2. Электризация может происходить соприкосновением, через влияние, при облучении светом.
3. Вещества бывают: электроотрицательные и электроположительные.
4. Зная принадлежность веществ, можно предугадать какие заряды получат взаимодействующие тела.
5. Трение лишь увеличивает площадь соприкосновения.
6. Вещества бывают проводниками и непроводниками электричества.
7. Изоляторы накапливают заряды там, где они образовались (в местах соприкосновения).
8. В проводниках заряды распределяются равномерно по всему объему.

Обсуждение и выставление оценок участникам урока.

Литература.

1. Г.С.Ландсберг. Элементарный учебник физики. Т.2. – М., 1973.
2. Н.Ф.Стась. Справочник по общей и неорганической химии.
3. И.Г.Кириллова. Книга для чтения по физике. М., 1986.

Объясните электризацию тел при соприкосновении

Проверено экспертом

nastine971

• Комментарии
• Отметить нарушение

Электризация – это явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела; в электризации всегда участвуют два тела. При этом электризуются оба тела. Электризация происходит при соприкосновении.
Электрические явления изучаются издавна. До XVII века существовали лишь примитивные представления. Знания об электрических явлениях получены усилиями учёных разных стран.
Одинаковые ли заряды имеют разные тела?

Опыт. Наэлектризовать гильзу. Попеременно подносить наэлектризованную стеклянную и эбонитовую палочки.

Вы видите, что в одном случае гильза оттолкнулась, а в другом – притянулась.

Существуют два рода электрических зарядов — положитель­ные и отрицательные.
Тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, вза­имно отталкиваются, а тела, имеющие заряды противополож­ного знака, взаимно притягиваются.
Заряд наэлектризованной стеклянной палочки условно назва­ли положительным, а эбонитовой (янтарной) — отрицательным.

Явление электризации

Скачать
презентацию

Сумма положительных и отрицательных элементарных частиц >>

В чем состоит явление электризации, объясните это явление с точки зрения электронной теории? Электризация — это нарушение электрической нейтральности тела для электризации тела необходимо, чтобы на нем был создан избыток или недостаток электронов или ионов одного знака. С точки зрения электронной теории: небольшая часть электронов переходит с одного вещества, у которого связь электронов с телом относительно слаба, на другое.

Слайд 9 из презентации «Физика «Электростатика»» к урокам физики на тему «Электростатика»

Размеры: 960 х 720 пикселей, формат: jpg. Чтобы бесплатно скачать слайд для использования на уроке физики, щёлкните на изображении правой кнопкой мышки и нажмите «Сохранить изображение как. ». Скачать всю презентацию «Физика «Электростатика».ppt» можно в zip-архиве размером 742 КБ.

Электростатика

«Электризация» — Обкладки плоского конденсатора. Объясни поподробнее. Правая пластина заряжается отрицательно, а левая- положительно. Что такое молния? Ручки из изолятора. Как взаимодействуют тела, заряженные одноименно? Часть А заряжается положительно, часть В –отрицательно. Почему притягиваются мелкие бумажки, мелкие кусочки фольги к наэлектризованной палочке?

«Электростатическое поле» — Электризация соприкосновением с заряженным телом. Создаем ли мы заряды при электризации тел? Какие виды материи вы знаете? Энергетическая характеристика электрического поля. Электростатика. Напряженность электрического поля. Закон Кулона. Способы электризации тел. Силовые линии электрического поля. Может ли заряд существовать независимо от частицы?

«Физика «Электростатика»» — Вычисления. Векторная сумма сил. Можно ли электрический заряд делить бесконечно. Отрицательный заряд. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Закон сохранения электрического заряда. Кулон. Сумма положительных и отрицательных элементарных частиц. Явление электризации. Элементарные заряды.

«Статическое электричество» — Ковровые покрытия. Накопление статического электричества. Результаты заземления. В наши дни большинство людей практически лишены возможности «сбросить» лишнее электричество. Железобетонные стены. На протяжении тысячелетий наши предки ходили по земле босиком, заземляясь естественным путем. Лишнее электричество обязательно должно выводиться из организма способом заземления.

«Электроскоп» — Сила. Электроскоп. Вид материи. Действие. Заряженная пылинка. Проводники и диэлектрики. Эбонитовые палочки. Стержень электроскопа. Электрический заряд. Познакомиться с устройством электроскопа. Тела. Вопрос. Палочки из резины. Взаимодействие зарядов. Два типа зарядов.

«Элементарные частицы» — Электромагнитное поле. Определение электростатики. Электрический заряд. Основной закон электростатики — Закон Кулона! Электродинамика — раздел физики, изучающий взаимодействие электрических зарядов. Схема опыта Кулона. Положительный и отрицательный заряд тел. При электризации тел вещества, из которых состоят электризующиеся тела, в другие вещества не превращаются.

Всего в теме «Электростатика» 14 презентаций

Что такое электризация тел и как она происходит

Определение

Электризацией называется процесс разделения электрических зарядов и накопление их в определенных местах предметов и тел. Явление происходит в результате трения, соприкосновения тел или в результате электростатической индукции. Простыми словами, когда рядом расположен какой-то предмет, обладающий электрическим полем.

Напомним: в физике выделяют два рода зарядов – положительные и отрицательные, или протоны и электроны. Между ними возникает электрическое поле. Одноименные заряды притягиваются, а разноименные отталкиваются.

Явление наблюдается на источниках питания и не только. На диэлектриках накапливаются заряды, все видели это в опытах, иллюстрирующих явление с эбонитовыми и стеклянными палочками, которые демонстрировали на уроках физики в школе.

Изначально все атомы, из них состоит всё что нас окружает, электрически нейтральны. В результате явления электризации на поверхности предметов появляются положительные или отрицательные заряды. Напомним школьный опыт: если потереть эбонитовую палочку шерстяной тканью, после прекращения трения палочка останется заряженной. Тогда говорят, что тело электризовано.

Таким образом, во время трения электроны переходили с одного предмета на другой. В результате, после прекращения трения избыточные электроны остались «не на своих» телах и получился избыточный заряд, и оно перестало быть нейтральным. В результате трения палочки о шерсть или мех на её поверхности образовался отрицательный заряд.

Условия возникновения явления и способы передачи зарядов

Мы рассказали, как объясняется это явление в природе, а теперь давайте рассмотрим, как можно наэлектризовать тела. Сразу отметим, что выполнение всех условий необязательно – электризация может происходить по тем или иным причинам, разделим их на две основных группы:

Первая — это механическое взаимодействие. При трении расстояние между предметами сопоставимо расстоянию между молекулами в нём. Так как электроны в одном из тел слабее связаны с ядром – они переходят «вырываются» на другое тело. Другими способами электризации являются удар и соприкосновение.

Вторая группа — электризация влиянием, то есть явление наблюдается при воздействии на тело внешних сил, среди которых:

• Электрическое поле. В результате воздействия поля на проводник на его поверхности появляются заряды, причем чем меньше радиус изгиба поверхности – тем больше зарядов здесь скопится. Так на острие будет больше всего зарядов, подробнее этот вопрос мы рассматривали в статье https://samelectrik.ru/kak-raspredelyayutsya-zaryady-v-provodnike-pri-protekanii-toka.html и здесь https://samelectrik.ru/chto-takoe-provodniki-poluprovodniki-i-dielektriki.html

• Воздействие светом. Открыто профессором А.Г. Столетовым в 1888 году, заключается в том, что при воздействии светом на цинк, алюминий, цезий, натрий, свинец, калий и другие металлы они теряют электроны и становятся заряженными положительно.
• Теплом. При нагревании металла электронам сообщается энергия достаточная для того чтобы покинуть пределы металла, в результате он приобретает положительный заряд.
• Химическая реакция. При наличии двух электродов из разных металлов происходят окислительно-восстановительные реакции, в результате один из них становится заряженным положительно, а второй – отрицательно. Подробнее мы это рассматривали в статье про анод и катод.
• Под давлением. В пьезоэлектриках (кварц, сегнетовая соль, фосфат аммония), при механическом воздействии (сжатии или растяжении), на гранях образуются положительные и отрицательные заряды.

Это и есть основные виды электризации.

Какие законы физики связаны с электризацией

Явление электризации связано с такими физическими законами как:

• Закон Кулона. Описывает силу, с которой взаимодействуют заряды. Таким образом можно определить, как сильно наэлектризованные тела притягиваются друг к другу.
• Закон сохранения заряда. В нём сказано, что алгебраическая сумма зарядов в замкнутой системе неизменна. Это говорит о том, что избыточные заряды на электризованных предметах не появляются из ниоткуда, а переходят с тела на тело.

Мы уже рассматривали эти законы, вы можете ознакомиться подробнее в соответствующих статьях, на которые мы сослались.

Применение на практике

Явление электризации имеет как положительные и отрицательные проявления. Примеры положительного применения:

1. Использование электростатических фильтров пыли для очистки воздуха в системах вентиляции на производстве и в быту. Особенно актуально, если в процессе производства возникает много пыли.
2. Окраска автомобилей и других металлических изделий. С помощью электростатических распылителей удаётся зарядить краску отрицательно, кузов автомобиля заземляется. В результате частицы краски притягиваются к кузовным деталям авто. Качество покраски улучшается, а расход краски уменьшается.
3. Электростатическое копчение мяса и рыбы, позволяет значительно ускорить процесс копчения.
4. Создание искусственного меха или декоративных ворсистых покрытий. Мелкий ворс пропускают через сетку, из-за взаимодействия с электрическим полем ворс падает ровным слоем перпендикулярно покрываемой поверхности, предварительно обработанной клеевым составом.

Также есть ряд применений для очистки, сортировки, фильтрации, а также в медицине для ускорения лечения.

Отрицательное влияние электризации может привести к фатальным последствиям:

1. Возникновение искр при соприкосновении заряженных предметов. К таким случаям можно отнести искры в быту, которые проскакивают, когда вы снимаете свитер, когда вас бьёт током при выходе из машины. Например, самолёт в полёте электризуется и при подведении к нему трапа могут проскочить искры, а из-за этого возможно воспламенение, поэтому сначала снимают заряд с самолёта. Также известны случаи воспламенения нефтяных танкеров из-за электризации.
2. Явление приводит к появлению больших электрических зарядов, они могут привести к выходу из строя электронных компонентов в технике, как при производстве техники, так и в процессе эксплуатации или ремонта. Это происходит в результате разрядки инструмента на печатную плату. Поэтому мастера по ремонту электроники должны работать в заземленных электрических браслетах и заземленными паяльниками и прочим. В современной элементной базе есть ряд технических решений по минимизации влияния электризации на их работу. Например, установка диодов Зенера параллельно цепи ЗАТВОР-ИСТОК полевых транзисторов.

Интересно! Известен случай, когда при покрытии лаком печатных плат после монтажа электронных компонентов, наблюдалась большая отбраковка, при том, что все изделия проходили проверку до покрытия лаком. Возник вопрос: как избавиться от проблемы электризации? Проблема решилась заземлением краскопульта.

Для закрепления материала рекомендуем также просмотреть полезные видео по теме:

Мы кратко объяснили явление электризации тел и рассказали, при каких условиях происходят процессы появления зарядов на предметах. Электризация важна в производстве и она нашла массу полезных применений. К сожалению, если не предусмотреть способы решения отрицательных проявлений, предотвратить ненужные искры в местах с вероятностью взрывов – оно приведет к серьезным проблемам.

Объяснение электризации

В § 8-а мы рассмотрели строение атома (положительно заряженное ядро и электронные оболочки) и строение металлов (положительно заряженные ионы и электронный газ). Это позволит нам объяснить явление электризации. Сделаем это.

При трении тел друг о друга «трутся» именно электронные оболочки атомов, из которых тела состоят. А так как электроны слабо связаны с ядрами атомов, то электроны могут отделяться от «своих» атомов и переходить на другое тело. В результате на нём возникает избыток электронов (отрицательный заряд), а на первом теле – недостаток электронов (положительный заряд).

Итак, электризация трением объясняется переходом части электронов от одного тела к другому, в результате чего тела заряжаются разноимённо. Поэтому тела, наэлектризованные трением друг о друга, всегда притягиваются (см. § 8-б). Но, кроме электризации трением, существует электризация индукцией (лат. «индукцио» – наведение). Рассмотрим её на опыте:

В начале опыта имеются два металлических шара, которые касаются друг друга (а). К одному из них подносят, не касаясь его, заряженную стеклянную палочку (б), после чего второй шар отодвигают (в). Теперь палочку можно убрать, – шары будут разноимённо заряжены (г).

Объясним этот опыт с точки зрения электронно-ионной теории.

Сначала металлические шары не были заряжены. Это значит, что электронный газ присутствовал в шарах в равных количествах (а). Поскольку палочка стеклянная, мы считаем её заряд положительным (см. § 8-б). Она притягивает отрицательно заряженные частицы – электроны. В результате электронный газ «перетекает» в левую часть левого шара, и в этом месте образуется избыток отрицательного заряда (б).

Все положительные ионы металла прочно связаны друг с другом (они и есть металл), поэтому никуда не «перетекают». Значит, во всех остальных частях шаров возникает недостаток электронов, то есть положительный заряд. И если в этот момент, не убирая палочку, раздвинуть шары (в) и лишь затем убрать её, шары останутся разноимённо заряженными (г).

Итак, электризация индукцией объясняется перераспределением электронного газа между телами (или частями тела), в результате чего тела (или части тела) заряжаются разноимённо. Однако возникает вопрос: все ли тела поддаются электризации индукцией? Можно проделать опыты и убедиться, что пластмассовые, деревянные или резиновые шары можно легко наэлектризовать трением, но невозможно индукцией. Объясним это.

Электроны в резине, древесине и во всех пластмассах не являются свободными, то есть не образуют электронного газа, который может перетекать в другие тела. Поэтому для электризации тел из этих веществ необходимо прибегнуть к их трению, способствующему отделению электронов от «своих» атомов и переходу на другое тело.

Итак, по электрическим свойствам все вещества можно разделить на две группы. Диэлектрики – вещества, не имеющие свободных заряженных частиц и потому не проводящие заряд от одного тела к другому. Проводники – вещества со свободными заряженными частицами, которые могут перемещаться, перенося заряд в другие части тела или к другим телам. Это иллюстрирует рисунок с электроскопами, пластмассовой линейкой и металлической проволокой (см. выше).

Объяснение электрических явлений (Гребенюк Ю.В.)

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

Рис. 1. Уильям Гильберт (1544–1603)

Однако объяснить эти явления ученые смогли только спустя несколько веков. После открытия электрона физики выяснили, что часть электронов может сравнительно легко отрываться от атома, превращая его в положительно или отрицательно заряженный ион (рис. 2). Каким же способом могут электризоваться тела? Рассмотрим эти способы.

Рис. 2. Положительно и отрицательно заряженный ион

Электризация трением

С электризацией трением мы встречались, когда электризовали эбонитовую палочку кусочком шерсти. Возьмем эбонитовую палочку и потрем ее шерстяной тканью – в этом случае палочка приобретет отрицательный заряд. Выясним, что вызвало возникновение этого заряда. Оказывается, что в случае тесного контакта двух тел, изготовленных из разных материалов, часть электронов переходит из одного тела на другое (рис. 3).

Рис. 3. Переход части электронов с одного тела на другое

Расстояние, на которое при этом перемещаются электроны, не превышает межатомных расстояний. Если тела после контакта разъединить, то они окажутся заряженными: тело, отдавшее часть своих электронов, будет заряжено положительно (шерсть), а тело, получившее их, – отрицательно (эбонитовая палочка). Шерсть удерживает электроны слабее, чем эбонит, поэтому при контакте электроны в основном переходят с шерстяной ткани на эбонитовую палочку, а не наоборот.

Аналогичного результата можно добиться, если расчесывать сухие волосы расческой. Отметим, что общепринятое название «электризация трением» не совсем корректная, правильно говорить «электризация прикосновением», ведь трение необходимо только для того, чтобы увеличить количество участков тесного контакта при соприкосновении тел.

Если до начала опыта шерстяная ткань и эбонитовая палочка не были заряженными, то после проведения опыта они приобретут некоторый заряд, причем их заряд будет равен по модулю, но противоположен по знаку. Это означает, что до и после проведения опыта суммарный заряд палочки и ткани будет равен 0 (рис. 4).

Рис. 4. Суммарный заряд палочки и ткани до и после проведения опыта равен нулю

В результате проведения многих опытов физики установили, что при электризации происходит не создание новых зарядов, а их перераспределение. Таким образом, выполняется закон сохранения заряда.

Закон сохранения электрического заряда

Закон сохранения электрического заряда: полный заряд замкнутой системы тел или частиц остается неизменным при любых взаимодействиях, происходящих в этой системе (рис. 5):

,

где – заряды тел или частиц, образующих замкнутую систему (n – количество таких тел или частиц).

Рис. 5. Закон сохранения электрического заряда

Под замкнутой системой подразумевают такую систему тел или частиц, которые взаимодействуют только друг с другом, то есть не взаимодействуют с другими телами и частицами.

Решение различных задач

Рассмотрим примеры решения нескольких важных задач, связанных с различными электрическими явлениями.

Задача 1. Два одинаковых проводящих заряженных шарика соприкоснулись и сразу же разошлись. Вычислите заряд каждого шарика после соприкосновения, если до него заряд первого шарика был равен Решение данной задачи основывается на законе сохранения электрического заряда: сумма зарядов шариков до и после соприкосновения не может измениться (так как в данном случае они образуют замкнутую систему). Кроме того, поскольку шарики одинаковые, то перетекание заряда с одного шарика на другой будет происходить до тех пор, пока их заряды не уравняются (в качестве аналогии можно рассмотреть тепловой баланс в системе из двух одинаковых тел с разными температурами, который установится только тогда, когда уравняются температуры тел). Значит, после соприкосновения заряд каждого из шариков станет равным

Рис. 6. Заряды после соприкосновения шариков

Задача 2. Два заряженных шарика подвешены на шелковых нитях. К ним подносят положительно заряженный лист оргстекла, и угол между нитями увеличивается. Каков знак зарядов шариков? Ответ обоснуйте.

До поднесения оргстекла силы, действующие на каждый из шариков, уравновешены (сила тяжести, сила натяжения нити и сила электрического взаимодействия шариков) (рис. 7). Мы видим, что при поднесении положительно заряженного оргстекла шарики «поднимаются» относительно первоначального положения. Значит, возникла сила, которая направлена вверх. Это, конечно же, сила электрического взаимодействия шарика и пластинки. Значит, шарик и пластинка отталкиваются (в противном случае сила их взаимодействия «тянула» бы шарик вниз). Из этого можно сделать вывод, что шарики заряжены так же по знаку, как и пластинка, то есть положительно (рис. 8).

Рис. 7. Силы, действующие на шарики до поднесения оргстекла

Рис. 8. Движение шариков вверх

Задача 3. Как передать электроскопу заряд, который в несколько раз больше, чем заряд наэлектризованной стеклянной палочки? У вас, кроме заряженной палочки и электроскопа, есть небольшой металлический шарик на изолирующей ручке.

Будем использовать электризацию через влияние. Поднесем шарик к палочке (не касаясь) и, дотронувшись до шарика пальцем, зарядим его. После этого поднесем шарик к шару электроскопа и коснемся его с внутренней стороны. Заряд распределится по поверхности шара электроскопа. Повторяя операцию много раз, мы можем сообщить электроскопу достаточно большой заряд.

В этом можно убедиться с помощью наглядной демонстрации (рис. 9).

Рис. 9. Сообщение электроскопу большого заряда многократной передачей

Заземление. Проводники и диэлектрики

Если взять металлический стержень и, удерживая его в руке, попробовать наэлектризовать, окажется, что это невозможно. Дело в том, что металлы – это вещества, имеющие множество так называемых свободных электронов (рис. 10), которые легко перемещаются по всему объему металла.

Рис. 10. Металлы – это вещества, имеющие множество свободных электронов

Подобные вещества принято называть проводниками. Попытка наэлектризовать металлический стержень, удерживая его в руке, приведет к тому, что избыточные электроны очень быстро убегут со стержня, и он останется незаряженным. «Дорогой для бегства» электронов служит сам исследователь, поскольку тело человека – это проводник. Именно поэтому опыты с электричеством могут быть опасными для их участников!

Рис. 11. «Дорога для бегства» электронов

Обычно «конечный пункт» для электронов – земля, которая тоже является проводником. Ее размеры огромны, поэтому любое заряженное тело, если его соединить проводником с землей, спустя некоторое время станет практически электронейтральным (незаряженным): тела, заряженные положительно, получат от земли некоторое количество электронов, а с тел, заряженных отрицательно, избыточное количество электронов уйдет в землю (см. рис. 12).

Рис. 12. Земля – «конечный пункт» для электронов

Технический прием, позволяющий разрядить любое заряженное тело путем соединения этого тела проводником с землей, называют заземлением.

Рис. 13. Обозначение заземления на схеме

В некоторых случаях, например чтобы зарядить проводник или сохранить на нем заряд, заземления следует избегать. Для этого используют тела, изготовленные из диэлектриков. В диэлектриках (их еще называют изоляторами) свободные электроны практически отсутствуют. Поэтому если между землей и заряженным телом поставить барьер в виде изолятора, то свободные электроны не смогут покинуть проводник (или попасть на него) и проводник останется заряженным (рис. 14). Стекло, оргстекло, эбонит, янтарь, резина, бумага – диэлектрики, поэтому в опытах по электростатике их легко наэлектризовать – заряд с них не стекает.

Рис. 14. Если между землей и заряженным телом поставить барьер в виде изолятора, то свободные электроны не смогут покинуть проводник (или попасть на него)

Электризация через влияние, или электростатическая индукция

Проведем следующий опыт: возьмем эбонитовую палочку и зарядим ее с помощью электризации трением. Поднесем палочку к шару электрометра, коснемся на некоторое время шара электрометра пальцем и уберем палочку, мы видим, что стрелка электрометра отклонилась (рис. 15).

Рис. 15. Показание электрометра

Таким образом, шар приобрел электрический заряд, хотя мы его не касались эбонитовой палочкой. Почему же это произошло? Знак шара является противоположным знаку заряду палочки.

Так как контакта между заряженным и незаряженным телами не было, описанный процесс называется электризацией через влияние (или электростатической индукцией). Под действием электрического поля отрицательно заряженной палочки свободные электроны перераспределяются по поверхности металлической сферы (рис. 16).

Рис. 16. Перераспределение электронов

Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому они отталкиваются от отрицательно заряженной эбонитовой палочки. В результате количество электронов станет избыточным на удаленной от палочки части сферы и недостаточным на ближней. Если коснуться сферы пальцем, то некоторое количество свободных электронов перейдет из сферы на тело исследователя (рис. 17).

Рис. 17. Переход части электронов на тело исследователя

В итоге на сфере возникнет недостаток электронов и она станет положительно заряженной. Выяснив механизм электризации через влияние, вам не составит труда объяснить, почему незаряженные металлические тела притягиваются к заряженным телам.

Поляризация диэлектрика

Сложнее объяснить, почему к наэлектризованной палочке притягиваются кусочки бумаги, ведь бумага – диэлектрик, а значит, практически не содержит свободных электронов. Дело в том, что электрическое поле заряженной палочки действует на связанные электроны атомов, из которых состоит бумага, вследствие чего изменяется форма электронного облака – оно становится вытянутым. В результате на ближних к палочке кусочках бумаги образуется заряд, противоположный по знаку заряду палочки (рис. 18), и поэтому бумага начинает притягиваться к палочке – это явление называется поляризацией диэлектрика.

Рис. 18. Поляризация диэлектрика

Польза и вред электризации

Применение электризации и наэлектризованных тел.

1. Изготовление наждачной бумаги

Принцип покрытия наждачным порошком бумаги и получения искусственных ворсистых материалов можно пояснить на следующем опыте (рис. 19). Диски от раздвижного конденсатора соединяют с кондукторами электрофорной машины. На нижний диск насыпают песок или узкие полоски цветной бумаги. Поверхность верхнего диска смазывают клеем. Приведя в действие электрофорную машину, заряжают диски. При этом кусочки бумаги или песок, находящиеся на нижнем диске, получив одноименный с ним заряд, под действием сил электрического поля притягиваются к верхнему диску и оседают на нем.

Рис. 19. Изготовление наждачной бумаги

2. Метод электростатической покраски металлических изделий

Метод окраски поверхностей в электрическом поле – электроокраска – впервые разработал русский ученый А.Л. Чижевский. Суть его такова: жидкий краситель любого цвета помещают в пульверизатор – сосуд с тонко оттянутым концом (соплом) – и подводят к нему отрицательный потенциал. К металлическому трафарету подводят положительный потенциал, а перед трафаретом размещается окрашиваемая поверхность (ткань, бумага, металл и т. д.) (рис. 20).

Рис. 20. Постановка метода электростатической покраски металлических изделий

Благодаря электростатическому полю между соплом с краской и трафаретом частицы краски летят строго по направлению к металлическому трафарету (рис. 21), на окрашиваемой поверхности воспроизводится точный рисунок трафарета, при этом ни одна капля краски не падает. Регулируя расстояние между соплом и объектом окраски, можно менять скорость нанесения и толщину покровного слоя, т. е. регулировать скорость окраски.

Данный метод дает экономию красителей до 70 % по сравнению с обычным методом окраски и ускоряет примерно в три раза процесс покрытия изделия.

Рис. 21. Частицы краски летят строго по направлению к металлическому трафарету

3. Очистка воздуха от пыли и легких частиц

Так как частицы пыли способны электризоваться, то для их удаления часто применяют фильтр, внутри которого находится электрически заряженный элемент, притягивающий к себе микрочастицы. Для того чтобы сделать пылеудаление более эффективным, воздух в помещении ионизируют. Такие электрофильтры устанавливают в цехах размола цемента и фосфоритов, на химических заводах.

Рис. 22. Электростатический очиститель воздуха со снятой пылесборной пластиной

Рис. 23. Электроды внутри промышленного электростатического очистителя воздуха

Отрицательное влияние электризации трением на производстве и в быту

На одном из целлюлозно-бумажных комбинатов некоторое время не могли установить причину частых обрывов быстродвижущейся бумажной ленты. Были приглашены ученые. Они выяснили, что причина заключалась в электризации ленты при трении ее о валки.

Рис. 24. Бумагоделательная машина

При трении о воздух электризуется самолет. Поэтому после посадки к самолету нельзя сразу приставлять металлический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолет разряжают: опускают на землю металлический трос, соединенный с обшивкой самолета, и разряд происходит между землей и концом троса (рис. 25).

Рис. 25. Удаление заряда с самолета

Бывали случаи, что быстро поднимающийся в воздухе воздушный шар загорался. Воздушные шары часто наполняют водородом, который легко воспламеняется. Причиной воспламенения может быть электризация трением прорезиненной оболочки о воздух при быстром подъеме.

Рис. 26. Воздушные шары (аэростаты)

В любом процессе, где участвуют движущиеся части вещества, движется зерно или жидкость, происходит разделение зарядов. Одна из опасностей при транспортировке зерна в элеватор связана с тем, что в результате разделения зарядов в атмосфере, заполненной горячей пылью, может проскочить искра и произойти возгорание.

Рис. 27. Транспортировка зерна

В домашних условиях устранить заряды статического электричества довольно легко, повышая относительную влажность воздуха квартиры до 60–70 % (рис. 28).

Рис. 28. Гигрометр

На этом уроке мы обсудили некоторые электрические явления: в частности, поговорили об электризации двумя способами – трением и влиянием.

1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. – 2-е издание передел. – X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
2. А.В. Перышкин. Физика 8 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2013. – 237 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Почему иногда, поглаживая кошку рукой, можно увидеть небольшие искры, которые возникают между шерстью и рукой?
2. Есть рыбы, которые можно назвать «живыми электростанциями». Что это за рыбы?
3. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда.

Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.