Electrificació de cossos, interacció de càrregues

En aquest article, intentarem presentar una idea força generalitzada de què és l'electrificació dels cossos, i també tocarem la llei de conservació de la càrrega elèctrica.

Independentment de si aquesta o aquella font d'energia elèctrica funciona per al principi, cadascun d'ells té lloc l'electrificació dels cossos físics, és a dir, la separació de les càrregues elèctriques presents a la font d'energia elèctrica i la seva concentració en determinats llocs, per exemple, als elèctrodes o terminals de la font. Com a resultat d'aquest procés, s'obté un excés de càrregues negatives (electrons) en un terminal de la font d'energia elèctrica (càtode), i una manca d'electrons a l'altre terminal (ànode), és a dir. el primer d'ells està carregat amb electricitat negativa, i el segon amb electricitat positiva.

Després del descobriment de l'electró, la partícula elemental amb càrrega mínima, després que finalment es va explicar l'estructura de l'àtom, la majoria dels fenòmens físics relacionats amb l'electricitat també es van fer explicables.

En general, la matèria material que componen els cossos és elèctricament neutra, ja que les molècules i àtoms que componen el cos són neutres en condicions normals i, per tant, els cossos no tenen càrrega. Però si un cos tan neutre frega contra un altre cos, aleshores alguns dels electrons deixaran els seus àtoms i passaran d'un cos a un altre. La longitud dels camins recorreguts per aquests electrons durant aquest moviment no és més que la distància entre els àtoms veïns.

Tanmateix, si després de la fricció els cossos se separen, es separen, llavors tots dos cossos es carregaran. El cos al qual han passat els electrons es carregarà negativament, i el que els ha donat aquests electrons adquirirà una càrrega positiva, es carregarà positivament. Això és l'electrificació.

Suposem que en algun cos físic, per exemple en el vidre, era possible eliminar alguns dels seus electrons d'un nombre important d'àtoms. Això vol dir que el vidre, que ha perdut part dels seus electrons, es carregarà amb electricitat positiva, perquè en ell les càrregues positives han guanyat un avantatge sobre les negatives.

Els electrons extrets del vidre no poden desaparèixer i s'han de posar en algun lloc. Suposem que després de treure els electrons del vidre, es col·loquen sobre una bola metàl·lica. Aleshores és obvi que la bola metàl·lica que rep electrons addicionals està carregada d'electricitat negativa, ja que en ella les càrregues negatives tenen prioritat sobre les positives.

Electrificar el cos físic: significa crear-hi un excés o manca d'electrons, és a dir. alterar l'equilibri de dos oposats en ell, és a dir, les càrregues positives i negatives.

Electrificar dos cossos físics simultàniament i juntament amb diferents càrregues elèctriques, significa retirar electrons d'un cos i transferir-los a un altre cos.

Si s'ha format una càrrega elèctrica positiva en algun lloc de la natura, inevitablement ha de sorgir simultàniament una càrrega negativa del mateix valor absolut, ja que qualsevol excés d'electrons en qualsevol cos físic sorgeix a causa de la seva manca en algun altre cos físic.

Les diverses càrregues elèctriques apareixen en els fenòmens elèctrics com a oposats invariablement acompanyants, la unitat i la interacció dels quals constitueixen el contingut intern dels fenòmens elèctrics en les substàncies.

Els cossos neutres s'electritzen quan donen o reben electrons, en qualsevol cas adquireixen una càrrega elèctrica i deixen de ser neutres. Aquí les càrregues elèctriques no sorgeixen del no-res, les càrregues només estan separades, perquè els electrons ja estaven en els cossos i simplement van canviar la seva ubicació, els electrons es mouen d'un cos electrificat a un altre cos electrificat.

El signe de la càrrega elèctrica resultant de la fricció dels cossos depèn de la naturalesa d'aquests cossos, de l'estat de les seves superfícies i d'altres motius. Per tant, no s'exclou la possibilitat que el mateix cos físic en un cas estigui carregat amb electricitat positiva i en un altre amb electricitat negativa, per exemple, els metalls quan es freguen contra el vidre i la llana s'electrifiquen negativament, i quan es freguen contra goma d'esborrar - positivament.

Una pregunta adequada seria: per què la càrrega elèctrica no flueix pels dielèctrics sinó pels metalls? La qüestió és que en els dielèctrics tots els electrons estan units als nuclis dels seus àtoms, simplement no tenen la capacitat de moure's lliurement per tot el cos.

Però en els metalls la situació és diferent. Els enllaços electrònics en els àtoms metàl·lics són molt més febles que en els dielèctrics, i alguns electrons deixen fàcilment els seus àtoms i es mouen lliurement per tot el cos, aquests són els anomenats electrons lliures que proporcionen la transferència de càrrega als cables.

La separació de les càrregues es produeix tant durant la fricció dels cossos metàl·lics com durant la fricció dels dielèctrics. Però a les demostracions s'utilitzen dielèctrics: ebonita, ambre, vidre. Es recorre a això per la senzilla raó que com que les càrregues no es mouen pel volum en dielèctrics, romanen als mateixos llocs de les superfícies dels cossos d'on van sorgir.

I si per fricció, per exemple, per a la pell, una peça de metall s'electrifica, aleshores la càrrega, que només té temps per moure's a la seva superfície, s'esgotarà instantàniament al cos de l'experimentador, i una demostració, per exemple, amb dielèctrics, no funcionarà. Però si una peça de metall s'aïlla de les mans de l'experimentador, romandrà sobre el metall.

Si la càrrega dels cossos s'allibera només en el procés d'electrificació, com es comporta la seva càrrega total? Experiments senzills donen una resposta a aquesta pregunta. Prenent un electròmetre amb un disc metàl·lic unit a la seva vareta, col·loqueu un tros de tela de llana sobre el disc, de la mida d'aquest disc. A sobre del disc de teixit es col·loca un altre disc conductor, el mateix que a la vareta de l'electròmetre, però equipat amb un mànec dielèctric.

Sostenint el mànec, l'experimentador mou el disc superior diverses vegades, el frega contra aquest disc de teixit que es troba al disc de la vareta de l'electròmetre, i després l'allunya de l'electròmetre. L'agulla de l'electròmetre es desvia quan es retira el disc i es manté en aquesta posició. Això indica que s'ha desenvolupat una càrrega elèctrica a la tela de llana i al disc unit a la vareta de l'electròmetre.

Aleshores, el disc amb el mànec es posa en contacte amb el segon electròmetre, però sense que el disc estigui connectat a ell, i s'observa que la seva agulla es desvia gairebé en el mateix angle que l'agulla del primer electròmetre.

L'experiment mostra que els dos discos durant l'electrificació van rebre càrregues del mateix mòdul. Però quins són els signes d'aquestes acusacions? Per respondre a aquesta pregunta, els electròmetres estan connectats per un cable. Les agulles de l'electròmetre tornaran immediatament a la posició zero cadascuna en la qual es trobaven abans de començar l'experiment. La càrrega es va neutralitzar, el que significa que les càrregues dels discs eren iguals en magnitud però de signe oposat, i en general va donar zero, com abans de començar l'experiment.

Experiments similars mostren que durant l'electrificació es conserva la càrrega total dels cossos, és a dir, si la quantitat total era zero abans de l'electrificació, aleshores la quantitat total serà zero després de l'electrificació... Però per què passa això? Si fregueu un pal de banús sobre un drap, es carregarà negativament i el drap es carregarà positivament, i això és un fet ben conegut. Es forma un excés d'electrons a l'ebonita quan es frega amb la llana, i un dèficit corresponent a la tela.

Les càrregues seran iguals en mòdul, perquè quants electrons han passat de la tela a l'ebonita, l'ebonita ha rebut aquesta càrrega negativa i la mateixa quantitat de càrrega positiva s'ha format a la tela, perquè els electrons que han deixat el els draps són la càrrega positiva del drap. I l'excés d'electrons a l'ebonita és exactament igual a la manca d'electrons a la tela. Les càrregues són oposades en signe però iguals en magnitud. Òbviament, la càrrega completa es conserva durant l'electrificació; és igual a zero en total.

A més, encara que les càrregues d'ambdós cossos fossin diferents de zero abans de l'electrificació, la càrrega total segueix sent la mateixa que abans de l'electrificació. Després d'haver denotat les càrregues dels cossos abans de la seva interacció com a q1 i q2, i les càrregues després de la interacció com a q1' i q2', llavors la igualtat següent serà certa:

q1 + q2 = q1 '+ q2'

Això implica que per a qualsevol interacció de cossos la càrrega total sempre es conserva. Aquesta és una de les lleis fonamentals de la natura, la llei de conservació de la càrrega elèctrica. Benjamin Franklin el va descobrir l'any 1750 i va introduir els conceptes de "càrrega positiva" i "càrrega negativa". Franklin i va proposar indicar càrregues oposades amb els signes «-» i «+».

En electrònica Les regles de Kirchhoff perquè els corrents segueixen directament de la llei de conservació de la càrrega elèctrica. La combinació de cables i components electrònics es representa com un sistema obert. L'entrada total de càrregues a un sistema determinat és igual a la sortida total de càrregues d'aquest sistema. Les regles de Kirchhoff assumeixen que un sistema electrònic no pot canviar significativament la seva càrrega total.

Per ser justos, observem que la millor prova experimental de la llei de conservació de la càrrega elèctrica és la recerca d'aquestes desintegracions de partícules elementals que es permetrien en el cas d'una conservació no estricta de la càrrega. Aquests decaïments mai s'han observat a la pràctica.

Altres maneres d'electrificar els cossos físics:

1. Si la placa de zinc està submergida en una solució d'àcid sulfúric H2SO4, s'hi dissolrà parcialment. Alguns dels àtoms de la placa de zinc, deixant dos dels seus electrons a la placa de zinc, aniran en solució amb una sèrie d'àcids en forma d'ions de zinc positius doblement carregats. Com a resultat, la placa de zinc es carregarà amb electricitat negativa (excés d'electrons) i la solució d'àcid sulfúric es carregarà de positiva (excés d'ions de zinc positius). Aquesta propietat s'utilitza per electrificar zinc en solució d'àcid sulfúric en una cel·la galvànica com a principal procés d'aparició de l'energia elèctrica.

2. Si els raigs de llum cauen a la superfície de metalls com el zinc, el cesi i alguns altres, aleshores s'alliberen electrons lliures d'aquestes superfícies a l'entorn. Com a resultat, el metall es carrega amb electricitat positiva i l'espai al seu voltant es carrega amb electricitat negativa. L'emissió d'electrons de superfícies il·luminades de certs metalls s'anomena efecte fotoelèctric, que ha trobat aplicació en cèl·lules fotovoltaiques.

3. Si el cos metàl·lic s'escalfa fins a un estat de calor blanca, aleshores els electrons lliures volaran des de la seva superfície cap a l'espai circumdant.Com a resultat, el metall que ha perdut electrons es carregarà amb electricitat positiva, i l'entorn amb electricitat negativa.

4. Si soldeu els extrems de dos cables diferents, per exemple, el bismut i el coure, i escalfeu la seva unió, aleshores els electrons lliures passaran parcialment del fil de coure al bismut. Com a resultat, el cable de coure es carregarà amb electricitat positiva, mentre que el cable de bismut es carregarà amb electricitat negativa. El fenomen d'electrificació de dos cossos físics quan absorbeixen energia tèrmica utilitzat en termoparells.

Els fenòmens associats a la interacció de cossos electrificats s'anomenen fenòmens elèctrics.

La interacció entre cossos electrificats ve determinada per l'anomenat Forces elèctriques que es diferencien de les forces d'una altra naturalesa perquè fan que els cossos carregats es repel·lin i s'atraguin, independentment de la velocitat del seu moviment.

D'aquesta manera, la interacció entre cossos carregats difereix, per exemple, de la gravitatòria, que es caracteritza només per l'atracció dels cossos, o de les forces d'origen magnètic, que depenen de la velocitat relativa de moviment de les càrregues, provocant fenòmens.

L'enginyeria elèctrica estudia principalment les lleis de la manifestació externa de les propietats dels cossos electrificats: les lleis dels camps electromagnètics.

Esperem que aquest breu article us hagi donat una idea general de què és l'electrificació dels cossos, i ara ja sabeu com comprovar experimentalment la llei de conservació de la càrrega elèctrica mitjançant un experiment senzill.