Електричне поле
1. Електричний заряд та електричний струм
1.1 Заряд
1.1.1 Статична електрика
1. Вже в давнину було відомо, що бурштин, натираний сухою тканиною, може залучати невеликі легкі тіла, наприклад, виготовлені з вовни. Цього ефекту також можна досягти за допомогою натираних пластикових фольг, пластикових стрижнів, склопакетів тощо. показати, що, наприклад, приваблюють клаптики паперу.
У цих явищах спостерігається вплив сил, які не мають механічного походження. Для опису цих явищ вводиться нова фізична властивість, яка називається електричним зарядом. Q використовується як символ для цієї величини; одиниця виміру становить [Q] = 1 С (Кулон - за Шарлем Огюстен Кулоном, 1736 - 1806). Про тертий предмет, який надає електричні сили, кажуть, що він електрично заряджений. Об'єкт, який не має електричного впливу, називається незарядженим або нейтральним.
2. Ви можете швидко побудувати простий пристрій для виявлення електричного заряду самостійно:
Якщо до цього індикатора заряду підійти електрично заряджений об'єкт, вказівник паперу повертається до нього.
Якщо замінити паперову смужку смужкою з поліетиленової плівки і потерти її, можна зробити подальші спостереження:
протерта пластмасова плівка відштовхує індикатор заряду,
натертий скляний стрижень привертає індикатор заряду.
3. Іншим пристроєм для виявлення електричного заряду є лампа розжарювання:
Якщо таку лампу розжарювання утримувати проти зарядженого тіла, загоряється один з електродів.
1.1.2 Плата за ізолятори та метали
1. Якщо натирати металеві предмети, наприклад, ізольовану металеву кульку, для виявлення електричного заряду на кулі не можна використовувати ні індикатор заряду, ні лампу розжарювання. Однак, якщо з металевої кульки видалити натерту пластмасову плівку, можна спостерігати силу, що діє кулькою на індикатор заряду. Лампа розжарювання, притиснута до зарядженого металевого кулі, також загоряється і, таким чином, доводить заряд.
Це означає, що металеві предмети також можуть заряджатися, хоча і не через тертя.
Однак можна спостерігати різницю до зарядженої пластикової фольги:
На зарядженій плівці світиться лампа розжарювання кілька разів і в різних місцях;
Лампа світіння світиться лише раз на зарядженому металевому предметі.
Звідси можна зробити висновок: Електричний заряд рухливий на металевих тілах; тому їх також називають електричними провідниками. Непровідні об'єкти, такі як пластикові стержні та плівки, скляні стержні тощо, називаються ізоляторами.
2. Смуговий генератор - це пристрій, в якому ізолятор заряджається тертям, а заряд передається металевому корпусу. Нескінченна гумова ковдра проходить через пластиковий валик і металевий валик і заряджається в процесі. Зубчаста металева гребінець, яка з'єднана з металевим кошиком, знаходиться безпосередньо над гумовою ковдрою. Заряд передається в металевий кошик через металеву гребінку.
Інші типи генераторів стрічок використовують металеву кульку замість металевої кошики; однак функціональний принцип завжди однаковий.
1.1.3 Два типи електричного заряду
Наступні спостереження можна зробити за допомогою лампи розжарювання:
на натертій поліетиленовій плівці загоряється сторона лампи розжарювання, яка знаходиться на плівці;
На натертому скляному стержні загоряється сторона лампи розжарювання, яка знаходиться на протилежній стороні стержня.
Очевидно, існує два типи електричного заряду. З історичних причин їх називають позитивними та негативними електричними зарядами. Натерта пластикова паличка є негативною, натерта скляна паличка заряджена позитивно.
Лампа розжарювання, яка тримається проти зарядженого металевого кошика ремінного генератора, загоряється з боку, протилежного кошику, і таким чином вказує на те, що металевий кошик позитивно заряджений.
1.1.4 Силові ефекти
1. Силові ефекти електричних зарядів вже були описані вище. Тепер це слід розширити.
1) Якщо дві пластикові фольги, які були негативно заряджені натиранням і звисанням вертикально, наближаються одна до одної, дві фольги відштовхуються.
2) Графіт поводиться як метал з точки зору електропровідності. М’яч для настільного тенісу, покритий шаром графіту, підвішений до ізолюючої нитки. Якщо кулька позитивно заряджена на генераторі стрічки, вона буде відштовхуватися генератором стрічки.
3) Негативно заряджена пластикова плівка наближається до позитивно зарядженого ремінного генератора. Можна спостерігати притягання фольги.
4) Маленька алюмінієва пластина, підвішена ізольовано, позитивно заряджена на ремінному генераторі. Негативно заряджена пластикова плівка притягує пластину.
Тож можна сказати:
Одноіменні звинувачення відбивають одне одного; притягуються різнорідні заряди (закон електричної сили).
2. Електроскоп був рано використовуваним пристроєм для виявлення електричного заряду. Легкий металевий вказівник, що обертається, прикріплений до нерухомого металевого стрижня. Якщо ви заряджаєте електроскоп, наприклад, видаляючи з нього негативно заряджену плівку, заряд розподіляється в паличці та вказівнику. Оскільки тепер вони завантажені з тим самим іменем, обертовий покажчик відбивається.
Якщо ви зарядите електроскоп позитивно, палиця та вказівник знову заряджаються однойменною назвою і відштовхують один одного. Тип заряду неможливо визначити лише за допомогою електроскопа.
1.1.5 Заряджені та нейтральні тіла
Експеримент 1: Так звана чашка Фарадея прикріплена до електроскопа. Коли в цю чашку поміщають заряджений предмет, вказівник електроскопа відхиляється.
Тепер пластиковий стрижень і скляний стрижень натираються між собою. Пластиковий стрижень заряджений негативно, а скляний стрижень - позитивно. Як описано, електроскоп може бути використаний, щоб продемонструвати, що бруски заряджені. Але якщо обидва стержня ввести одночасно в мензурку Фарадея, електроскоп не демонструє прогину.
Це означає: позитивні та негативні заряди врівноважують один одного за своїм ефектом.
Якщо позитивні та негативні заряди однакового розміру поєднуються, їх наслідки анулюють один одного. Цей процес називається нейтралізацією .
Експеримент 2: Дві незаряджені (нейтральні) металеві кульки, прикріплені до ізоляційних опор, встановлені так, щоб вони стикалися. Негативно заряджену пластикову плівку наближають до двох куль, не торкаючись куль. Потім дві кульки відокремлюють одна від одної. Електроскоп може бути використаний, щоб довести, що обидві сфери мають електричний заряд після поділу. Також слід зазначити, що кульки заряджаються по-різному: якщо спочатку зарядити електроскоп, торкнувшись однієї кульки, а потім піднести другу кульку до електроскопа, його прогин зменшується. Отже, відбулася нейтралізація.
З цього можна зробити висновок: металеві кульки вже містили заряд. Оскільки вони спочатку були нейтральними, кожен з них повинен мати стільки позитивного, скільки і негативного заряду. Заряджена фольга розділила ці заряди, оскільки її негативний заряд відбиває негативні заряди в металевих кульках. Це спричиняє надлишок негативного заряду на одній сфері, який, таким чином, здається негативно зарядженим. На іншій кулі бракує негативного заряду, так що позитивний заряд, що міститься в кулі, переважає, і сфера здається позитивно зарядженою.
Загалом застосовується таке: Електричний заряд не «генерується». У нейтральному тілі є позитивні та негативні заряди в однакових кількостях. Заряджені тіла виникають через поділ заряду, наприклад, через тертя або під впливом зовнішніх електричних сил.
1.1.6 Вплив, поляризація
1. Якщо до зарядженого тіла підійти до електроскопа, на електроскопі вже видно висип, навіть якщо заряджене тіло не торкається електроскопа. Коли знімається заряджене тіло, висип електроскопа знову зменшується.
Цей процес відомий як вплив:
Якщо ви заносите заряджене тіло поблизу незарядженого металевого тіла, в металі відбуваються зсуви заряду, тобто позитивні та негативні заряди розділяються. Якщо заряджене тіло видалити, початковий розподіл заряду відновлюється в металі.
2. На нейтральні, неметалеві тіла (ізолятори) можуть впливати заряджені тіла:
Обрізки паперу притягуються до заряджених тіл,
невеликий кубик пінополістиролу притягується до навантаженого ремінного генератора,
повітряна куля, заряджена натиранням, притягує аркуш паперу,
струмінь води можна відхилити зарядженою фольгою,
і т. д. Цей ефект називається поляризацією:
В ізоляторі під впливом зовнішніх електричних сил відбуваються зсуви заряду, так що ізолятор здається зарядженим.
1.1.7 Сяючий електричний ефект; Електрони
1. Гази в звичайних умовах є електричними ізоляторами. Однак, якщо збільшити напругу, можуть статися електричні поломки, тобто протікання струму в повітрі. Такі прориви вже можна створити за допомогою завантаженого стрічкового генератора.
2. У 19 столітті інтенсивно вивчалася провідність електрики в газах та у вакуумі. Використовували газонаповнені скляні трубки, в які розплавляли металеві електроди. Прикладом цього є трубка Едісона: евакуйована скляна колба містить розжарений дріт (катод) і збиральну пластинку (анод).
Експеримент: анод трубки Едісона підключений до електроскопа. Електроскоп заряджений позитивно чи негативно.
Позитивно заряджений електроскоп: Коли нитка розжарюється, відхилення електроскопа зменшується.
Негативно заряджений електроскоп: відхилення електроскопа залишається, навіть якщо нитка розжарювання світиться.
Ці спостереження можна інтерпретувати таким чином, що негативний заряд виходить із світиться нитки, переміщується до анодної пластини, а звідти - до електроскопа. Якщо це позитивно заряджено, воно нейтралізується вхідним негативним зарядом. Якщо він заряджений негативно, він відштовхує негативний заряд від нитки розжарення, щоб його прогин не змінювався.
3. У таких та численних інших експериментах вже в 19 столітті було доведено, що негативний заряд, що виходить з нитки розжарювання, не пов'язаний з хімічно виявленими речовинами. Термін електрони був введений для цієї "чистої електрики".
Англійський фізик Джозеф Джон Томсон (1856 - 1940) запропонував першу модель атома в 1904 р., За допомогою якої слід описати появу електричного заряду в атомах. Атоми повинні складатися з однорідної кульки позитивно зарядженої речовини, в якій електрони зберігаються в певних положеннях рівноваги, як родзинки в коржі. У цій моделі електрони можуть вимиватися з атома, так що залишається позитивний атомний залишок, званий іоном. Процес вивільнення одного або декількох електронів з атома називається іонізацією.
Провідність електрики в газах - наприклад, пробою в повітрі - можна розуміти так:
Якщо газ знаходиться в електричному полі, це поле надає електричні сили на заряди в атомах або молекулах газу.
Якщо ці електричні сили досить великі, електрони відриваються від атомів.
Потім вільні електрони та позитивні іони можуть рухатися в електричному полі.
Оскільки електрони прискорюються в електричному полі, вони, в свою чергу, можуть іонізувати інші атоми або молекули (ударна іонізація). Таким чином створюється ціла лавина електронів та іонів.
1.1.8 Атомістична модель заряду
1. За понад 100 років фізичних досліджень було отримано багато знань про будову атомів. Наступна спрощена модель використана як основа для дослідження та опису електричних явищ.
Носіями електричного заряду є атоми, з яких складається кожне тіло. Атом складається з атомного ядра та атомної оболонки. В атомному ядрі є позитивно заряджені частинки, так звані протони (і електрично нейтральні частинки, нейтрони). Оболонка складається з негативно заряджених частинок, званих електронами. Кількість електронів в атомі дорівнює атомному номеру хімічного елемента в періодичній системі, до якої він належить. Приклад: Мідь (Cu) має атомний номер 29; атом Cu має 29 електронів.