Объяснение электрических явлений (Гребенюк Ю.В.)
Введение
Считается, что первым систематическое изучение электромагнитных явлений начал английский ученый Гильберт. 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. Каким же способом могут электризоваться тела? Рассмотрим эти способы.
Электризация трением
Мы с ним встречались, когда электризовали эбонитовую палочку кусочком шерсти. Возьмем эбонитовую палочку и потрем её 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 (см. рис .1).
Рис. 1. 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 проведение 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. 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: полный заряд замкнутой системы тел или частиц остается неизменным при любых взаимодействиях, происходящих в этой системе.
, где 
– заряды тел или частиц, образующих замкнутую систему (n – количество таких тел или частиц). Под замкнутой системой подразумевают такую систему тел или частиц, которые взаимодействуют только друг с другом, то есть не взаимодействуют с другими телами и частицами.
Закон сохранения электрического заряда
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, которые легко перемещаются по всему объему металла. 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!
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. Технический прием, позволяющий разрядить любое заряженное тело путем соединения этого тела проводником с землей, называют заземлением. 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. Стекло, оргстекло, эбонит, янтарь, резина, бумага – диэлектрики, поэтому в опытах по электростатике их легко наэлектризовать – заряд с них не стекает
Электризация через влияние или электростатическая индукция
Проведем следующий опыт: возьмем эбонитовую палочку и зарядим её 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 (см. рис. 2).
Рис. 2. 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 (см. рис. 3).
Рис. 3. Заряды палочки и шара
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 (см. рис. 4).
Рис. 4. 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 перейдут из сферы на тело исследователя (см. рис. 5).
Рис. 5. Переход части электронов на тело исследователя
В итоге на сфере возникает 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.
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 
, а второго - 
.
Решение
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, важно понимать, что 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 тел с разными температурами, который установится только тогда, когда уравняются температуры тел). Значит, после соприкосновения заряд каждого из шариков станет равным q (см. рис. 6). Пользуясь законом сохранения заряда, мы получаем: 
. Из этого несложно получить, что после соприкосновения заряд каждого из шариков будет равен: 
.
Рис. 6. 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.
Решение
До поднесения оргстекла силы, действующие на каждый из шариков, уравновешены (сила тяжести, сила натяжения нити и сила электрического взаимодействия шариков) (см. 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» шарик вниз). Из этого можно сделать вывод, что шарики заряжены так же по знаку, как и пластинка, то есть положительно (см. 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.
Решение
Будем использовать электризацию через влияние. Поднесём шарик к палочке (не касаясь) и, дотронувшись к шарику пальцем, зарядим его. После этого поднесём шарик к шару электроскопа и коснёмся его с внутренней стороны. Заряд распределится по поверхности шара электроскопа (см. рис. 10). Повторяя операцию много раз, мы можем сообщить электроскопу достаточно большой заряд.
В этом можно убедиться с помощью наглядного рисунка (см. рис. 11).
Рис. 9. Заряжение шарика
Рис. 10. Распределение заряда по поверхности шара электроскопа
Рис. 11. Сообщение электроскопу большого заряда многократной передачей
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 (см. рис. 12), и поэтому бумага начинает притягиваться к палочке – это явление называется поляризацией диэлектрика.
Рис. 12. Поляризация диэлектрика
Польза и вред электризации
1) Изготовление наждачной бумаги.
Принцип покрытия наждачным порошком бумаги и получения искусственных ворсистых материалов можно пояснить на следующем опыте. 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 одноимённый с ним заряд, под действием сил электрического поля притягиваются к верхнему диску и оседают на нём.
2) Метод электростатической покраски металлических изделий (см. рис. 13).
Рис. 13. 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 (см. рис. 14).
Рис. 14. Пульверизатор
К металлическому трафарету подводят положительный потенциал, а перед трафаретом размещается окрашиваемая поверхность (ткань, бумага, металл и т.д.). Благодаря электростатическому полю между соплом с краской и трафаретом частицы краски летят строго по направлению к металлическому трафарету (см. рис. 15), 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 даёт экономию красителей до 70%, по сравнению с обычным методом окраски, и ускоряет примерно в три раза процесс покрытия изделия.
Рис. 15. Частицы краски летят строго по направлению к металлическому трафарету
3) Очистка воздуха от пыли и лёгких частиц.
Так как частицы пыли способны электризоваться, то для их удаления часто применяют фильтр, внутри которого находится электрозаряженный 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 (см. рис. 16).
Рис. 16. Электрофильтры
Отрицательное влияние электризации трением на производстве и в быту
На одном из целлюлозно-бумажных комбинатов некоторое время не могли установить причину частых обрывов быстро движущейся бумажной ленты. Были приглашены учёные. Они выяснили, что причина заключалась в электризации ленты при трении её о валки.
При трении о воздух электризуется самолёт. Поэтому после посадки к самолёту нельзя сразу приставлять металлический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолёт разряжают: опускают на землю металлический трос, соединённый с обшивкой самолёта, и разряд происходит между землёй и концом троса (см. рис. 17).
Рис. 17. Разряжение 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 подъёме.
В любом процессе, где участвуют движущиеся части вещества или 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.
В домашних условиях устранить заряды статического электричества довольно легко, повышая относительную влажность воздуха квартиры до 60–70 % (см. рис. 18).
Рис. 18. Повышение относительной влажности воздуха
На этом уроке мы обсудили объяснение некоторых электрических явлений: в частности, поговорили об электризации двумя способами – электризации трением и электризации влиянием.
На этом урок окончен, спасибо за внимание.