Объясните электризацию тел при соприкосновении кратко

Обновлено: 04.07.2024

Электрический заряд является величиной, определяющей способность тела к электрическому взаимодействию и интенсивность этого взаимодействия.

Заряд обозначают латинской буквой q и измеряют в кулонах (Кл).

Два вида электрических зарядов

В природе существуют два вида электрических зарядов, которые условно названы положительным и отрицательным. Носителем положительного заряда является протон, а отрицательного — электрон. Обычно атомы находится в равновесном состоянии благодаря одинаковому числу входящих в них положительных и отрицательных частиц.

Электрический заряд электрона отрицателен и равен - 1 , 6 · 10 - 19 К л , заряд протона положителен и по модулю равен заряду электрона.

Электроны и протоны взаимодействуют по определенным законам:

одноименные заряды взаимно отталкиваются;
разноименные заряды взаимно притягиваются.

Определить заряжено ли тело и величину его заряда можно с помощью электроскопа и электрометра.

Электроскоп — устройство, определяющее наличие электрического заряда. Простейший электроскоп можно собрать из подручных материалов: банки, металлической проволоки, алюминиевой фольги и картона. Если поднести к электроскопу электрически заряженный предмет, то его лепестки раздвинутся.

Электрометр работает по такому же принципу, но дополнительно имеет шкалу. Степень отклонения стрелки электрометра от стержня позволяет измерить заряд.

Явление электризации тел

Электризация — процесс перераспределения зарядов, при котором электроны от одного тела переходят к другому и электрически нейтральные тела становятся заряженными.

Электроны могут перемещаться от одного атома к другому. При этом они формируют положительные (где отсутствует электрон) или отрицательные (одиночный электрон или атом с дополнительным электроном) ионы. Если электроны переходят к нейтрально заряженному телу, то в этой области их количество становится большим, чем количество положительных протонов.

Таким образом появляется некомпенсированный отрицательный заряд. И наоборот, в области, откуда они уходят, появляется нехватка отрицательных зарядов, необходимых для компенсации положительных, и область заряжается положительно.

электризация происходит при взаимодействии;
в электризации участвуют два тела или более;
электризуются оба тела.

Условие возникновения электризации тел

Электризация нейтральных тел, состоящих из разных веществ, возможна, если в атомах одного из них есть электроны со слабой связью с ядром, а у другого, наоборот присутствуют очень сильные связи. Электроны, которые вращаются на удаленных орбитах, слабо взаимодействуют с ядрами, и часть таких электронов легко теряет свои связи с ними.

Поэтому, при тесном контакте с веществами, имеющими более сильные электронные связи с ядрами, происходит окончательный разрыв слабой связи и перемещение свободных электронов.

Главным условием электризации тел является наличие слабых и сильных электронных связей.

Способы электризации

Существующие способы электризации можно разделить на две группы:

Электризация с помощью механического воздействия

Электризация трением

При трении тела тесно контактируют друг с другом, и часть электронов с поверхности одного переходит на поверхность второго. Если стеклянную палочку натереть о бумагу, то палочка получит положительный заряд, а бумага — отрицательный.

При трении о мех или шерстяную ткань эбонит приобретает отрицательный заряд, а мех и шерсть — положительный.

В результате трения при контакте воздуха с твердыми или жидкими веществами, например, водной поверхностью, воздух электризуется, и происходят разряды молний.

Электризация при соприкосновении или ударе

Электризация трением возможна, даже если тела имели нейтральный заряд. Для электризации соприкосновением или ударом необходимо, чтобы хотя бы одно из тел имело отличный от нуля заряд, так как кратковременного взаимодействия недостаточно для электризации незаряженных тел. Соприкасаясь с нейтральным предметом, заряженное тело передает ему часть своего заряда.

Электризация под влиянием внешних сил

Электризация индукцией (наведением)

Электризация наведением схематически показана на изображении.

Если к двум соприкасающимся незаряженным электрометрам (рис. а) поднести положительно заряженную стеклянную палочку, то электроны, притягиваясь к предмету с положительным зарядом, сосредоточатся в ближайшем к стеклянной палочке электрометре и на нем образуется отрицательный заряд (рис. б). Если в этот момент разделить электрометры (рис. в) и затем убрать стеклянную палочку, то они так и останутся разноименно заряженными (рис. г).

Другие способы электризации:

воздействие света (фотоэффект);
влияние тепла (термопары);
химические реакции;
давление (пьезоэффект).

Распределение заряда

При электризации тела с ровной поверхностью заряд равномерно распределится по ней. Если предмет неправильной формы, заряд распределится неравномерно. Наибольшая концентрация электронов будет на выпуклых частях, меньшая — на впадинах.

Законы Кулона и сохранения заряда

Закон Кулона

Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Сила направлена по прямой, соединяющей эти заряды.

F 12 = k q 1 · q 2 r 2

где F — сила Кулона между телами с зарядами q 1 и q 2 (точечными зарядами),

q 1 и q 2 — заряды взаимодействующих тел,

r — расстояние между зарядами,

k — коэффициент, постоянная величина.

Коэффициент k равен силе взаимодействия двух точечных зарядов по 1 Кл на расстоянии 1 м. Его значение зависит от выбранной системы измерений и свойств среды.

В СИ k = 9 · 10 9 Н · м 2 К л 2 .

Сила Кулона имеет обратно пропорциональную зависимость от квадрата расстояния между зарядами, и поэтому ее проявление можно наблюдать только на очень небольших расстояниях — на уровне атомных измерений. Для того чтобы произошло перераспределение электрических зарядов, нужно, чтобы тела максимально сблизились, то есть соприкоснулись.

Тогда под действием кулоновских сил часть заряженных частиц переместится с поверхности одного предмета на поверхность другого. Избыток электронов образует определенный отрицательный заряд. На поверхности предмета, потерявшего часть электронов и имеющего поэтому избыток положительно заряженных ионов, создается положительный заряд. При этом модули величин зарядов на каждой из поверхностей равны, но знаки их противоположны.

Закон сохранения заряда

В изолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной при любых взаимодействиях зарядов внутри этой системы.

q 1 + q 2 + q 3 + . . . + q n = c o n s t

Изолированная или замкнутая система — это система тел, в которой заряды не уходят и не приходят извне.

Свойства статического электричества

Статическое электричество — это комплекс явлений, связанных с электризацией тел.

Основные причины появления статического электричества

Контакт между двумя телами и их разделение (включая трение, намотку/размотку и пр.).
Быстрый температурный перепад (например, в момент помещения материала в духовой шкаф).
Радиация с высокими значениями энергии, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские X-лучи, сильные электрические поля.
Резательные операции, то есть трение (например, на раскроечных станках или бумагорезальных машинах).
Индукция (статический заряд вызывает возникновение электрического поля).

Контакт между предметами с последующим отделением их друг от друга является самой распространенной причиной возникновения статического электричества на производствах. Статический заряд генерируется при разматывании или наматывании рулонных материалов, при перемещении относительно друг друга их слоев. В быту также наиболее частые причины появления статического электричества — трение и наведение.

Явления, связанные с электричеством, довольно распространены в природе. Одним из самых наблюдаемых явлений является электризация тел. Так или иначе с электризацией приходилось сталкиваться каждому человеку. Иногда мы не замечаем статического электричества вокруг нас, а иногда его проявление ярко выражено и довольно ощутимо.

Определение

В физике электризацией называют процесс, при котором происходит перераспределения зарядов, на поверхностях разнородных тел. При этом на телах скапливаются заряженные частицы противоположных знаков. Наэлектризованные тела могут передавать часть накопленных заряженных частиц другим предметам или окружающей среде, контактирующей с ними.

Заряженное тело передаёт заряды при непосредственном контакте с ним нейтральных или противоположно заряженных предметов, либо через проводник. По мере перераспределения взаимодействие электрических зарядов уравновешивается, и процесс перетекания прекращается.

Важно помнить, что при электризации тел новые электрические частицы не возникают, а лишь перераспределяются уже существующие. При электризации действует закон сохранения заряда, согласно которому алгебраическая сумма отрицательных и положительных зарядов всегда равна нулю. Другими словами – количество отрицательных зарядов переданных другому телу при электризации равняется количеству оставшихся заряженных протонов противоположного знака.

Известно, что носителем элементарного отрицательного заряда является электрон. Протоны же обладают положительными знаками, но эти частицы прочно связаны ядерными силами и не могут свободно перемещаться при электризации (за исключением кратковременного высвобождения протонов в процессе разрушения атомных ядер, например, в различных ускорителях). В целом атом, обычно, электрически нейтрален. Его нейтральность может нарушить электризация.

Однако, отдельные электроны из облака, окружающего многопротонные ядра, могут покидать свои отдалённые орбиты и свободно перемещаться между атомов. В таких случаях образуются ионы (иногда называемые дырками), имеющие положительные заряды. См. схему на рис. 1.

Рис. 1. Два рода зарядов

В твёрдых телах ионы связаны атомными силами и, в отличие от электронов, не могут изменить своё расположение. Поэтому только электроны являются переносчиками заряда в твёрдых телах. Для наглядности мы будем считать ионы просто заряженными частицами (абстрактными точечными зарядами), которые ведут себя так же, как и частицы с противоположным знаком – электроны.

Рис. 2. Модель атома

Физические тела в естественных условиях электрически нейтральные. Это значит, что их взаимодействия уравновешены, то есть, количество ионов заряженных положительно равно количеству отрицательно заряженных частиц. Однако, электризация тела нарушает это равновесие. В таких случаях электризация является причиной изменения баланса кулоновских сил.

Условия возникновения электризации тел

Прежде чем перейти к определению условий электризации тел, заострим ваше внимание на взаимодействии точечных зарядов. На рисунке 3 изображена схема такого взаимодействия.

Рис. 3. Взаимодействие заряженных частиц

На рисунке видно, что одноимённые точечные заряды отталкиваются, тогда как разноимённые – притягиваются. В 1785 г. силы этих взаимодействий исследовал французский физик О. Кулон. Знаменитый закон Кулона гласит: два неподвижных точечных заряда q₁ и q₂, расстояние между которыми равно r, действуют друг на друга с силой:

Коэффициент k зависит от выбора системы измерений и свойств среды.

Исходя из того, что на точечные заряды действуют кулоновские силы, имеющие обратно пропорциональную зависимость от квадрата расстояния между ними, проявление этих сил может наблюдаться только на очень небольших расстояниях. Практически, эти взаимодействия проявляются на уровне атомных измерений.

Таким образом, для того чтобы электризация тела произошла, необходимо максимально приблизить его к другому заряженному телу, то есть, прикоснуться к нему. Тогда под действием кулоновских сил часть заряженных частиц переместится на поверхность заряжаемого предмета.

Строго говоря, при электризации перемещаются только электроны, которые распределяются по поверхности заряжаемого тела. Избыток электронов образует определённый отрицательный заряд. Создание положительного заряда на поверхности реципиента, электроны с которого перетекли на заряжаемый объект, возложено на ионы. При этом модули величин зарядов на каждой из поверхностей равны, но знаки их противоположны.

Электризация нейтральных тел из разнородных веществ возможна только в том случае, если у одного из них электронные связи с ядром очень слабые, а у другого, наоборот – очень сильные. На практике это означает, что в веществах, у которых электроны вращаются на удалённых орбитах, часть электронов теряют свои связи с ядрами и слабо взаимодействуют с атомами. Поэтому, при электризации (тесном контакте с веществами), у которых проявляются более сильные электронные связи с ядрами, происходит перетекание свободных электронов. Таким образом, наличие слабых и сильных электронных связей является главным условием электризации тел.

Поскольку в кислотных и щелочных электролитах могут перемещаться и ионы, то электризация жидкости возможна путём перераспределения собственных ионов, как это имеет место при электролизе.

Способы электризации тел

Существует несколько способов электризации, которые условно можно разделить на две группы:

Механическое воздействие:
- электризация соприкосновением;
- электризация трением;
- электризация при ударе.
Влияние внешних сил:
- электрическое поле;
- воздействие света (фотоэффект);
- влияние тепла (термопары);
- химические реакции;
- давление (пьезоэффект).

Наиболее распространённым способом электризации тел в природе является трение. Чаще всего происходит трение воздуха при контакте его с твёрдыми или жидкими веществами. В частности, в результате такой электризации происходят грозовые разряды.

Электризация трением нам известна ещё со школьной скамьи. Мы могли наблюдать наэлектризованные трением небольшие эбонитовые палочки. Отрицательный заряд потёртых об шерсть палочек определяется избытком электронов. Шерстяная ткань при этом заряжается положительным электричеством.

Подобный опыт можно провести со стеклянными палочками, но натирать их необходимо шёлком или синтетическими тканями. При этом, в результате трения стеклянные наэлектризованные палочки заряжаются положительно, а ткань – отрицательно. В остальном между стеклянным электричеством и зарядом эбонита различий нет.

Чтобы наэлектризовать проводник (например, металлический стержень), необходимо:

Изолировать металлический предмет.
Прикоснуться к нему положительно заряженным телом, например стеклянной палочкой.
Отвести часть заряда на землю (кратковременно заземлить один конец стержня).
Убрать заряженную палочку.

При этом заряд на стержне равномерно распределится по его поверхности. Если металлический предмет неправильной формы, заряды распределятся неравномерно – концентрация электронов будет больше на выпуклостях и меньше на впадинах. При разделении тел происходит перераспределение заряженных частиц.

Свойства наэлектризованных тел

Притягивание (отталкивание) мелких предметов – признак наэлектризованности. Два тела, заряженных одноимённо, противодействуют (отталкиваются), а разнознаковые – притягиваются. На этом принципе основана работа электроскопа – прибора для измерения величины заряда (см. рис. 5).

Избыток зарядов нарушает равновесие во взаимодействии элементарных частиц. Поэтому каждое заряженное тело стремится избавиться от своего заряда. Часто такое избавление сопровождается молниеносным разрядом.

Применение на практике

очистка воздуха с помощью электростатических фильтров;
электростатическая окраска металлических поверхностей;
производство синтетического меха, путём притягивания наэлектризованного ворса к тканевой основе, и др.

Вредное воздействие:

влияние статических разрядов на чувствительные электронные изделия;
воспламенение паров ГСМ от разрядов статического электричества.

Способы борьбы: заземление ёмкостей с горючим, работа в антистатической одежде, заземление инструментов и т.п.

В обычных условиях большинство предметов электронейтральны. Но иногда на их поверхности или в объеме может накопиться электрический заряд — положительный или отрицательный. Это явление называют электризацией тел. Оно изучается в электростатике — разделе физики, который рассматривает неподвижные электрические заряды.

Электризация в физике
Как наэлектризовать предмет
Примеры явления
Показательные опыты
Опасность процесса
Практическое применение

Электризация в физике

Электризация — процесс разделения зарядов, при котором электрически нейтральные тела становятся заряженными. Ее можно описать с помощью таких законов физики, как закон Кулона и закон сохранения заряда.

Законы Кулона и сохранения заряда

Закон Кулона описывает, как заряды действуют друг на друга. Сила их взаимодействия (притяжения или отталкивания) прямо пропорциональна произведению их величин и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Противоположные заряды притягиваются, одинаковые — отталкиваются.

Закон сохранения утверждает, что алгебраическая сумма зарядов сохраняется. Если, как в определении явления, на одном предмете возник положительный заряд, на другом должен появиться такой же по величине отрицательный.

Электрический заряд не может существовать без носителя. Значит, на телах накапливаются носители — электроны. Тело с их избытком заряжается отрицательно, а с недостатком — положительно.

Свойства статического электричества

Наэлектризоваться могут не только твердые тела, но и жидкости и газы. В них происходит перераспределение ионов. Электризуются вещества разных классов: диэлектрики, полупроводники, изолированные проводники.

При разделении наэлектризованных предметов заряд на них сохраняется. Чем больше будут удалены тела друг от друга, тем больше будет разность потенциалов на них.

Как наэлектризовать предмет

Создать статическое электричество на поверхности тела можно разными способами:

взаимодействием с заряженным предметом,
трением,
при резком перепаде температуры,
воздействием ионизирующего излучения.

При соприкосновении электрически незаряженного тела с заряженным предмет электризуется с тем же знаком.

При трении предметов из различных видов материалов на их поверхностях возникают разноименные электрические заряды. Причина явления — различие сил, с которыми взаимодействуют атомы или молекулы. Кратко можно сказать, что вещество, в котором атомы или молекулы связаны друг с другом сильнее, притягивает к себе электроны из другого, где частицы взаимодействуют с меньшей силой.

Примеры явления

Положительно электризуется стекло при трении о шелк, отрицательно — эбонит при трении о шерсть. Все знают примеры электризации в быту, например, положительно заряжаются волосы, когда расчесываются пластиковой расческой, а сама расческа электризуется отрицательно. Заряжаются положительно стекло, бумага, шерсть, отрицательно — резина, силикон, пластик.

Статическое электричество дольше всего сохраняется на предметах, если воздух сухой. Влажный воздух проводит электричество, и предметы быстро перестают быть наэлектризованными. В присутствии комнатных растений, кипящего чайника, которые повышают влажность, статика на одежде и волосах появляется реже.

Известный пример электролизации — молния. Это электрический разряд, проскакивающий между разноименно заряженными облаками или между облаком и землей. Заряженные грозовые тучи могут вызывать электризацию различных предметов на земле из-за перераспределения зарядов на них.

Показательные опыты

Показать взаимодействие одинаково или противоположно заряженных тел можно при помощи обычного скотча. Для этого необходимо две полоски клейкой ленты по 12,5 см.

Чтобы продемонстрировать отталкивание, полоски приклеивают к столу так, чтобы кусочек длиной 2,5 см остался свободным. Эти свисающие концы закрепляют на двух карандашах. Если резко оторвать скотч от стола, не касаясь его руками, полоски наэлектризуются одинаково. Теперь их нужно развести на некоторое расстояние и постепенно сближать. На определенном расстоянии будет заметно отталкивание полосок.

Чтобы продемонстрировать притяжение разноименно заряженных тел, одну полоску скотча электризуют, как в предыдущем опыте, а затем кладут на стол липкой стороной вверх. Другую полоску, предварительно закрепленную на карандаше, кладут на первую, а затем отрывают. Тогда полоски будут заряжены противоположно. Как и в предыдущем опыте, на определенном расстоянии можно заметить притягивание полосок.

Опасность процесса

Заряд на наэлектризованном предмете может быть довольно большим, и напряжение может достигать десятков киловольт, но из-за очень маленьких значений силы тока оно для человека неопасно.

Однако такие небольшие разряды могут оказать отрицательное влияние на точную электронику, например, микропроцессоры, поэтому при работе с электронными компонентами: при их производстве, ремонте или использовании особое внимание уделяют предотвращению электронизации.

При некоторых условиях релаксация большого накопленного заряда может привести к возгоранию. Самолеты электризуются в полете, поэтому может произойти разряд, когда подводят трап. Чтобы избежать этого, с самолета снимают статическое электричество, отводя его в землю. По этой же причине на бензовозы всегда прикрепляют цепочку, соприкасающуюся с землей. Так предупреждают возгорание топлива.

Практическое применение

Накопление статического электричества на предметах может быть опасно, но у этого явления есть и положительные стороны. Электризация тел применяется на практике в различных областях:

Электростатические фильтры для очистки воздуха от загрязнений, главным образом от пыли используют в быту и в промышленности.
Электростатическая окраска поверхностей, например, автомобилей. Частицы наэлектризованной краски притягиваются к окрашиваемой поверхности, в результате расходуется меньше краски.
Производство искусственного меха. Готовый ворс пропускают сквозь сетку, он приобретает заряд и падает перпендикулярно покрытой клеем основе.
Копчение продуктов питания с помощью электростатики.

Также это явление используется для сортировки, фильтрации, очищения. Электростатика используется и в медицине.

Электризация связана с возникновением избытка или недостатка электронов на поверхности или внутри предметов. Создать их можно разными способами, например, трением или прикосновением к заряженном предмету. Электризация имеет практическое применение, но в некоторых случаях может быть опасной.

Когда стеклянную палочку трут о шелк, она заряжается положительно, а шелк при этом — отрицательно. Это объясняется тем, что при трении электроны с палочки переходят на шелк, т. е. с того вещества, в котором силы притяжения к ядру атома меньше, на то вещество, в котором эти силы больше, в результате в стеклянной палочке будет недостаток электронов, а в шелке — избыток.

2. Почему при электризации трением на телах появляются равные по абсолютному значению, но противоположные по знаку заряды?

Заряды шерсти и эбонитовой палочки равны по абсолютному значению, ведь сколько электронов ушло с шерсти, столько же их прибавилось на эбоните, как в замкнутой системе.

3. Как передаётся гильзе заряд с тела, наэлектризованного отрицательно; положительно?

Пусть подвешена нейтральная гильза, и к ней подносят отрицательно заряженную палочку. В гильзе свободные электроны, попав в электрическое поле, переместятся в дальнюю от палочки сторону, после прикосновения электроны с палочки перейдут на гильзу, нейтрализовав, часть положительного заряда, в результате в целом гильза станет отрицательно заряженной. Если палочку подносят с положительным зарядом, то, наоборот, электроны с гильзы перетекут на палочку.

4. От чего зависит заряд, переходящий на ненаэлектризованное тело при соприкосновении его с наэлектризованным телом?

Когда заряд передается от заряженного тела к незаряженному, то величина переданного заряда зависит от соотношения величин этих тел. Чем больше незаряженное тело, тем больший заряд перетечет на него.

5. Почему при заземлении почти весь заряд тела уходит в землю?

Заземление основано на том, что огромная Земля перетягивает на себя практически весь заряд с наэлектризованного тела, поскольку ее величина несравнимо больше любого предмета на ней.

Читайте также: