Почему электронейтральный проводник заряжается при контакте с заряженным проводником

§ 5. Что происходит при электризации? До сих пор мы не

интересовались тем, что происходит с телом, когда мы создаем на нем электрические заряды. Сейчас мы рассмотрим это подробнее.

Прежде всего покажем, что при электризации заряжаются оба тела. Для этого укрепим на хорошо изолирующих ручках две пластинки: эбонитовую и деревянную, покрытую сукном. Для более точного суждения о заряде пластинок мы будем не просто касаться ими стержня электроскопа, а предварительно укрепим на электроскопе металлический стакан (рис. 9). В § 31 мы увидим, что если внести заряженное тело внутрь замкнутой проводящей полости, даже не касаясь телом ее стенок, то на внешней поверхности полости появляется заряд, в точности равный внесенному

Рис. 9. а) В стакан электроскопа внесены эбонитовая пластинка 1 и покрытая сукном деревянная пластинка 2, заряженные противоположно; электроскоп не показывает никакого отклонения, б) При удалении одной из пластинок листки электроскопа отклоняются

внутрь заряду. Приближенно это будет верно и для полости с небольшим отверстием, например для узкого высокого стакана.

Поместим каждую из пластинок в стакан. Электроскоп не показывает отклонения листков; это доказывает, что обе пластинки вначале не заряжены. Затем потрем пластинки друг о друга и будем снова вносить их порознь в стакан. При внесении каждой пластинки электроскоп обнаружит большое отклонение листков, указывающее, что при трении зарядились как эбонит, так и сукно.

Внесем обе потертые друг о друга пластинки в стакан электроскопа одновременно. Электроскоп не будет показывать никакого отклонения листков. Если, однако, удалить какую-либо из пластинок, оставив вторую внутри стакана, электроскоп покажет большое отклонение, указывающее, что каждая из пластинок по-прежнему сильно заряжена. То обстоятельство, что при помещении в стакан обеих заряженных пластинок электроскоп не обнаруживает заряда, означает, что заряды пластинок в точности равны по модулю, но противоположны по знаку, так что сумма зарядов обеих пластинок и после электризации равна нулю.

Этот важный опыт наводит на мысль, что ни положительные, ни отрицательные заряды не создавались при трении; они были в каждой из наших пластинок уже до опыта, но в равных количествах и поэтому не могли быть обнаружены. Электризация сводится к тому, что положительные и отрицательные заряды каким-то образом разделяются, так что на одной пластинке (сукно) оказывается избыток положительных зарядов, а на другой (эбонит) — такой же избыток отрицательных зарядов. Поэтому, хотя каждая из пластинок заряжена, общая сумма положительных и отрицательных зарядов по-прежнему равна нулю.

В дальнейших главах мы покажем, что представление об электризации как о разделении зарядов действительно правильно. Мы увидим, что отрицательный заряд связан с мельчайшими частицами вещества, называемыми электронами. Заряды всех электронов одинаковы и равны по модулю так называемому элементарному заряду е — наименьшему заряду, существующему в природе 1 ). Масса электрона очень мала и составляет приблизительно 1/2000 долю массы водородного атома. Поэтому можно придать телу или отнять от него очень большое число электронов без заметного изменения его массы.

В настоящее время также известно, что в состав любого атома входит определенное число электронов. Такой атом в естественном состоянии не является заряженным, так как

Рис. 10. Условная схема: а) нейтрального атома; б) положительного иона; в) отрицательного иона

внутри него имеется еще и положительно заряженная часть — атомное ядро, представляющее основу всякого атома. При этом сумма отрицательных зарядов всех электронов по модулю в точности равна положительному заряду ядра (рис. 10, а).

Если, однако, тем или иным способом мы удалим из атома один или несколько электронов, то у атома окажется избыток положительного заряда; другими словами, он будет заряжен положительно. Атом в таком состоянии называется положительным ионом (рис. 10, б). Точно так же, если к атому присоединятся избыточные электроны, мы получим отрицательно заряженный атом или отрицательный ион (рис. 10, в). Процесс электризации представляет собой перенесение с одного тела на другое электронов или ионов. Ясно, что при электризации любого тела на другом теле должен всегда возникнуть заряд, равный по модулю и противоположный по знаку заряду, возникшему на первом теле. Именно это мы и наблюдали в описанных опытах.

§ 6. Электронная теория. 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.

Рис. 11. Возникновение двойного электрического слоя при тесном соприкосновении двух различных тел

§ 7. Электризация трением. Основной причиной явления, которое мы называем «электризация трением», является то, что при тесном соприкосновении двух различных тел часть электронов переходит с одного тела на другое (рис. 11). В результате этого на поверхности первого тела оказывается положительный заряд (недостаток электронов), а на поверхности второго тела — отрицательный заряд (избыток

§ 21. Механизм электризации. Электроскоп

Считается, что систематическое изучение электромагнитных явлений первым начал английский ученый У. Гильберт (рис. 21.1). Однако объяснить электризацию тел смогли лишь три столетия спустя. После открытия электрона физики выяснили, что часть электронов может отрываться от атома или присоединяться к нему, превращая нейтральный атом в заряженную частицу — ион. А как происходит электризация макроскопических тел?

Рассматриваем электризацию трением

Вооружившись знаниями о строении атома, рассмотрим процесс электризации трением. Потрем эбонитовую палочку о шерстяную ткань, — как вы уже знаете, палочка приобретет отрицательный заряд. Выясним, почему возникает этот заряд.

Перед трением палочка и шерсть были электрически нейтральными (незаряженными). Однако в случае плотного контакта двух тел, изготовленных из разных материалов, часть электронов переходит с одного тела на другое (расстояния, на которые при этом перемещаются электроны, не превышают межатомных расстояний). Если теперь тела разъединить, то они окажутся заряженными: тело, которое отдало часть своих электронов, будет заряжено положительно, а тело, которое

их получило, — отрицательно. Шерсть удерживает свои электроны слабее, чем эбонит, поэтому при контакте электроны в основном переходят с шерстяной ткани на эбонитовую палочку, а не наоборот. В результате палочка оказывается заряженной отрицательно, а шерсть — положительно. Аналогичного результата можно достичь, если расчесать сухие волосы пластмассовой расческой (рис. 21.2).

Следует отметить, что общепринятое выражение «электризация трением» является не совсем точным, правильнее было бы говорить об электризации касанием, ведь трение нужно лишь для того, чтобы увеличить количество участков плотного контакта тел.

Формулируем закон сохранения электрического заряда

Если перед опытом, описанным в пункте 1, палочка и шерстяная ткань были не заряжены, то после контакта они окажутся заряженными, причем их заряды будут равны по модулю и противоположны по знаку. То есть их суммарный заряд, как и перед опытом, будет равен нулю.

Экспериментально было установлено, что при электризации происходит перераспределение имеющихся электрических зарядов, а не создание новых, то есть выполняется закон сохранения электрического заряда:

Полный заряд электрически замкнутой системы тел остается неизменным при любых взаимодействиях, происходящих в этой системе:

где ^₁, q₂, . q_n — заряды тел, образующих электрически замкнутую систему (n — количество таких тел).

Под электрически замкнутой системой тел понимают такую систему, в которую не проникают заряженные частицы извне и которая не теряет «собственные» заряженные частицы.

Заземляем приборы и устройства. Различаем проводники и диэлектрики

Если попробовать наэлектризовать трением металлический стержень, удерживая его в руке, то окажется, что это невозможно. Дело в том, что металлы — это вещества со множеством так называемых свободных электронов, которые легко перемещаются по всему объему металлического тела. Такие вещества называют проводниками. Попытка наэлектризовать металлический стержень, держа его в руке, приведет к тому, что избыточные электроны

очень быстро «убегут» со стержня и он останется незаряженным. «Дорогой для бегства» электронов является сам исследователь, ведь тело человека — это проводник 11 .

Обычно «конечный пункт» для электронов — Земля, которая также является проводником. Размеры ее огромны, и если заряженное тело соединить проводником с землей, оно станет практически электронейтральным. Ведь тела, заряженные положительно, получат «недостающие» электроны от земли, а с тел, заряженных отрицательно, «избыточные» электроны уйдут в землю.

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

В некоторых случаях, например чтобы передать заряд проводящему телу или сохранить на нем заряд, заземления следует избегать. Для этого используют диэлектрики. В диэлектриках — их еще называют изоляторами — свободные заряженные частицы практически отсутствуют. Поэтому если между землей и заряженным телом поставить барьер в виде изолятора, свободные заряженные частицы не смогут ни покинуть тело, ни попасть на него и тело останется заряженным.

Стекло, оргстекло, эбонит, янтарь, резина, бумага — диэлектрики, поэтому в опытах по электростатике их легко наэлектризовать — заряд с них не стекает.

Узнаём об электризации через влияние

Проведем опыт. Приблизим (не касаясь) отрицательно заряженную эбонитовую палочку к незаряженной металлической сфере, расположенной на изолированной подставке. На миг прикоснемся рукой к части сферы, удаленной от заряженного тела (рис. 21.3, а), а затем уберем заряженную палочку. Отклонение положительно заряженного легкого шарика покажет, что сфера получила положительный заряд (рис. 21.3, б).

Обратите внимание: знак заряда сферы является противоположным знаку заряда эбонитовой палочки.

Поскольку в данном случае непосредственного контакта между заряженным и незаряженным телами не было, описанный процесс называют электризацией через влияние или электростатической индукцией.

Объясняется этот вид электризации так. В результате воздействия электрического поля заряженной палочки свободные электроны перераспределяются по поверхности металлической сферы. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому они отталкиваются от отрицательно заряженной палочки. В результате число электронов станет избыточным на удаленной от палочки части сферы и недостаточным — на ближней (рис. 21.4). Если коснуться сферы рукой, часть свободных электронов перейдет со сферы на тело исследователя, — на сфере возникнет недостаток электронов, и она станет положительно заряженной.

Выяснив механизм электризации через влияние, объясните, почему незаряженное металлическое тело всегда притягивается к телу, имеющему электрический заряд. Например, почему гильза из металлической фольги притягивается как к стеклянной палочке, имеющей положительный заряд (рис. 21.5, а), так и к эбонитовой палочке, заряд которой отрицателен (рис. 21.5, б)? Что произойдет, если гильза прикоснется к палочке?

Сложнее объяснить притяжение к наэлектризованной палочке кусочков бумаги, ведь известно, что бумага — диэлектрик, поэтому практически

не имеет 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 (рис. 21.6). В результате на ближней к палочке поверхности бумаги образуется заряд, противоположный по знаку заряду палочки, и поэтому бумага начинает притягиваться к палочке. Описанный процесс называют поляризацией диэлектрика.

Конструируем электроскоп и знакомимся с электрометром

До сих пор для изучения электрических явлений вы использовали подручные средства. Однако ваших знаний уже достаточно, чтобы понять принцип действия приборов, позволяющих изучать заряды тел.

Издавна, чтобы выявить наличие у тела электрического заряда, определить знак заряда тела и оценить значение заряда, используют электроскоп (рис. 21.7). Рассмотрим его устройство.

Любые электрические явления неразрывно связаны с электрическим полем. Вы уже знаете, что наличие электрического поля можно обнаружить по отклонению легкого заряженного шарика. Но шарик — это не очень удобный индикатор, лучше использовать две полоски тонкой бумаги (1). После передачи полоскам одноименного заряда они начнут отталкиваться и их свободные концы разойдутся.

Чтобы сделать прибор как можно более чувствительным, для индикатора (полосок) следует взять очень тонкую бумагу, но тогда на работу прибора могут повлиять сквозняки или даже дыхание наблюдателя. Поэтому полоски помещают в корпус (2) с прозрачными боковыми стенками.

А вот чтобы донести к индикатору заряд, используют проводник — металлический стержень (3). Электрический заряд не должен стекать со стержня на корпус, поэтому в месте их соединения устанавливают барьер из диэлектрика (4).

Наконец, последний элемент конструкции электроскопа — кондуктор (5) — металлический

полый шар, прикрепленный к верхнему концу стержня.

Если к кондуктору электроскопа прикоснуться исследуемым заряженным телом, то часть заряда этого тела попадет на бумажные полоски и они разойдутся (рис. 21.8). Обратите внимание: угол между полосками зависит от значения полученного ими заряда. Этот угол тем больше, чем больше полученный заряд.

Для выявления и оценки значения электрического заряда используют также электрометр (рис. 21.9). В отличие от электроскопа электрометр обязательно имеет металлический корпус, шкалу, благодаря которой можно точнее оценить значение переданного на электрометр заряда, и легкую металлическую стрелку (вместо бумажных полосок).

Если электронейтральное (то есть не имеющее заряда) тело отдает часть своих электронов, оно становится заряженным положительно, а если получает электроны, то становится заряженным отрицательно.

При электризации тел происходит перераспределение имеющихся в них электрических зарядов, а не создание новых. Для изолированной системы тел выполняется закон сохранения электрического заряда: полный заряд электрически замкнутой системы тел остается неизменным при любых взаимодействиях, происходящих в этой системе.

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

В результате действия электрического поля на проводник происходит процесс перераспределения зарядов внутри проводника — электростатическая индукция. При действии электрического поля на диэлектрик происходит поляризация диэлектрика.

Электроскоп — прибор для выявления электрического заряда.

1. Что происходит при тесном контакте двух тел, изготовленных из разных материалов? 2. Почему при трении эбонитовой палочки о шерстяную ткань электризуются оба тела? 3. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда. 4. В чем отличие проводников и диэлектриков? 5. Что называют заземлением? 6. Как с помощью отрицательно заряженного тела зарядить другое тело положительно? 7. Объясните, почему любое незаряженное тело всегда притягивается к телу, имеющему электрический заряд. 8. Для чего используют электроскоп? Расскажите о его устройстве и принципе действия. 9. Чем электрометр отличается от электроскопа?

1. Отличается ли масса незаряженной стеклянной палочки от массы той же палочки, заряженной положительно? Если отличается, то как?

2. Может ли быть так, что после касания кондуктора заряженного электроскопа каким-либо телом электроскоп окажется незаряженным? Поясните свой ответ.

3. Электроскопу передали положительный заряд (рис. 1, а), а затем приблизили другую заряженную палочку (рис. 1, б).

Определите знак заряда этой палочки.

4. Два одинаковых проводящих заряженных шарика коснулись друг друга и сразу же разошлись. Вычислите заряд каждого шарика после соприкосновения, если перед соприкосновением заряд первого шарика был равен -3 · 10 -9 Кл, заряд второго шарика был равен 9 · 10 -9 Кл.

5. Как с помощью отрицательно заряженного металлического шарика, не уменьшая его заряда, отрицательно зарядить точно такой же, но незаряженный шарик?

6. Воспользовавшись дополнительными источниками информации, узнайте, для чего используют антистатик и как он «работает».

1. Из стеклянной банки с капроновой крышкой изготовьте электроскоп (рис. 2). В качестве стержня используйте металлическую спицу. Испытайте электроскоп.

2. Изготовьте из бумаги маленькие легкие кораблики и опустите их на воду. С помощью наэлектризованной расчески заставьте вашу «флотилию» двигаться.

Видеоопыт. Посмотрите видеоролик и объясните наблюдаемые явления.

Физика и техника в Украине

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» (КПИ) — крупнейшее высшее учебное заведение страны — был создан в конце XIX в. Тогда на четырех отделениях института обучалось всего 360 студентов. Сегодня КПИ, которому в 1995 г. был присвоен статус Национального технического, а в 2007 г. — статус исследовательского университета, насчитывает свыше 40 тыс. студентов, обучающихся на 19 факультетах. В XX в. с институтом были тесно связаны жизнь и деятельность всемирно известных ученых и инженеров: Д. и. Менделеева, Н. Е. Жуковского, К. А. Тимирязева, И. И. Сикорского, С. П. Королева, С. П. Тимошенко, Е. О. Патона, Б. Е. Патона и многих других. С 1992 г. ректор университета — академик НАН Украины Михаил Захарович Згуровский.

1. Почему электронейтральный проводник заряжается при соприкосновении с заряженным проводником?

1. Электронейтральный проводник заряжается при соприкосновении с заряженным, потому что с одного проводника на другой перетекают свободные заряды (обычно электроны).

Решебник по физике за 10 класс (В.А.Касьянов, 2009 год),
задача №1
к главе «14. Энергия электромагнитного взаимодействия неподвижных зарядов. §87. Распределение зарядов по поверхности проводника. Ответы на вопросы».

Почему электронейтральный проводник заряжается при контакте с заряженным проводником

1. Почему электронейтральный проводник заряжается при соприкосновении с заряженным проводником?

§ 8. Электризация через влияние.

«Электризация трением» не является единственным способом отделения электронов от положительных ионов. Мы рассмотрим в этом и следующем параграфах два других метода разделения зарядов и получения на телах заряда того или иного знака.

Повторим снова опыт зарядки электроскопа, описанный в § 1, и будем внимательно следить за тем, в какой именно момент листки электроскопа начинают расходиться. Мы увидим, что это происходит еще до того, как заряженное тело коснется стержня прибора. Это показывает, что проводник заряжается не только при контакте с заряженным телом, но и в том случае, когда оно находится на некотором расстоянии. Исследуем подробнее это явление.

Подвесим на изолированном проводнике легкие листки бумаги (рис. 14). Если вначале проводник не заряжен, листки будут в неотклоненном положении. Приблизим теперь к проводнику изолированный металлический шар, сильно заряженный, например, при помощи стеклянной палочки. Мы увидим, что листки, подвешенные у концов тела, в точках и , отклоняются, хотя заряженное тело и не касается проводника. Проводник зарядился через влияние, отчего и само явление получило название «электризация через влияние» или «электрическая индукция». Заряды, полученные посредством электрической индукции, называют наведенными или индуцированными. Листки, подвешенные у середины тела, в точках и , не отклоняются. Значит, индуцированные заряды возникают только на концах тела, а середина его остается нейтральной, или незаряженной. Поднося к листкам, подвешенным в точках и , наэлектризованную стеклянную палочку, легко убедиться, что листки в точке от нее отталкиваются, а листки в точке притягиваются. Это значит, что на удаленном конце проводника возникает заряд того же знака, что и на шаре, а на близлежащих частях возникают заряды другого знака. Удалив заряженный шар, мы увидим, что листки опустятся. Явление протекает совершенно аналогичным образом, если повторить опыт, зарядив шар отрицательно (например, при помощи сургуча).

Рис. 14. При приближении заряженного шара листки в точках и отклоняются, что указывает на появление зарядов в этих точках проводника. Листки в точках и не отклоняются, следовательно, заряда в этих точках нет

С точки зрения электронной теории эти явления легко объясняются существованием в проводнике свободных электронов. При поднесении к проводнику положительного заряда электроны к нему притягиваются и накапливаются на ближайшем конце проводника. На нем оказывается некоторое число «избыточных» электронов, и эта часть проводника заряжается отрицательно. На удаленном конце образуется недостаток электронов и, следовательно, избыток положительных ионов: здесь появляется положительный заряд.

При поднесении к проводнику отрицательно заряженного тела электроны накапливаются на удаленном конце, а на ближнем конце получается избыток положительных ионов. После удаления заряда, вызывающего перемещение электронов, они вновь распределяются по проводнику, так что все участки его оказываются по-прежнему незаряженными.

Перемещение зарядов по проводнику и их накопление на концах его будут продолжаться до тех пор, пока воздействие избыточных зарядов, образовавшихся на концах проводника, не уравновесит те исходящие из шара электрические силы, под влиянием которых происходит перераспределение электронов. Отсутствие заряда у середины тела показывает, что здесь уравновешены силы, исходящие из шара, и силы, с которыми действуют на свободные электроны избыточные заряды, накопившиеся у концов проводника.

Индуцированные заряды можно обособить на соответствующих частях проводника, если в присутствии заряженного тела разделить проводник на части. Такой опыт изображен на рис. 15. В этом случае сместившиеся электроны уже не могут вернуться обратно после удаления заряженного шара, так как между обеими частями проводника находится диэлектрик (воздух). Избыточные электроны распределяются по всей левой части; недостаток электронов в точке частично пополняется из области точки , так что каждая часть проводника оказывается заряженной: левая – зарядом, по знаку противоположным заряду шара, правая – зарядом, одноименным с зарядом шара. Расходятся не только листки в точках и , но и остававшиеся прежде неподвижными листки в точках и .

Рис. 15. Листки в точках остаются отклоненными и после удаления заряженного шара

Этим обстоятельством часто пользуются на практике для зарядки проводников. Для того чтобы этим способом зарядить электроскоп, мы можем приблизить к нему заряженную палочку сургуча (несущую отрицательный заряд) и коснуться стержня электроскопа пальцем. При этом некоторое число электронов под влиянием отталкивания от сургуча уйдет через наше тело в землю, а на стержне и на листках электроскопа образуется некоторый недостаток электронов. Если теперь, предварительно отняв палец, убрать сургучную палочку, электроскоп окажется заряженным и притом положительным зарядом (рис. 16). В этом опыте роль второй части проводника играет наше тело, соединенное с землей.

Рис. 16. Различные стадии зарядки тела через влияние: а) приближая к шарику электроскопа отрицательно заряженный сургуч, мы вызываем на стержне электроскопа положительный заряд, а на его листках – отрицательный заряд; б) не убирая сургуча с отрицательным зарядом, прикасаемся рукой к шарику электроскопа и отводим часть отрицательного заряда электроскопа через свое тело в землю; листки электроскопа спадают; в) убрав палец, а затем убрав сургуч, мы оставляем на электроскопе только положительный заряд, который распределяется между шариком и листками электроскопа

Отметим, что, пользуясь явлением индукции, можно определить знак заряда электроскопа. Приблизим к электроскопу тело с зарядом известного знака, например стеклянную палочку. Нетрудно сообразить, каков знак заряда электроскопа, наблюдая, увеличивается или уменьшается при этом отклонение листков (рис. 17).

Рис. 17. Определение знака неизвестного заряда. При приближении одноименного заряда листки электроскопа отклоняются еще более; при приближении разноименного заряда они спадают

8.1. Объясните способ определения знака заряда электроскопа, изображенный на рис. 17.

8.2. Электроскоп заряжается через влияние при помощи стеклянной палочки. Как будут перемещаться при этом электроны?

8.3. К шарику заряженного электроскопа подносят, не касаясь его, незаряженное металлическое тело. Как изменится отклонение листков? Объясните это явление.

8.4. К положительно заряженному электроскопу подносят тело, заряженное отрицательно. По мере приближения тела отклонение листков электроскопа постепенно уменьшается и спадает до нуля. При дальнейшем приближении тела, однако, отклонение вновь появляется. Что при этом происходит?

8.5. При поднесении руки к заряженному грузику, подвешенному на шелковой нити, он притягивается к руке. Почему это происходит?

§ 5. Что происходит при электризации? До сих пор мы не

Рис. 10. Условная схема: а) нейтрального атома; б) положительного иона; в) отрицательного иона

Рис. 11. Возникновение двойного электрического слоя при тесном соприкосновении двух различных тел

Ещё раз о том, что собою представляет электрический ток.

Многие прежние представления учёных оказывались ошибочными после того, как открывались новые подробности устройства механизма Природы. Например, вплоть до середины 19 века в науке доминировало представление о двух видах «электрического флюида», создающего в телах электрические заряды противоположного знака — положительные и отрицательные.

Именно через «конфликт» между двумя разными «электрическими флюидами», который, как предполагалось, возникает при их встречном движении по проводнику, при замыкании положительного и отрицательного выводов «Вольтова столба», датский учёный Ганс Эрстед описал в 1820 году своё эпохальное открытие влияния электрического тока на магнитную стрелку.

Это влияние электрического тока на магнитную стрелку, как подметил Эрстед, обусловлено образованием вихревого движения особой материи вокруг провода, по которому протекает электрический ток.

Впоследствии английский физик Майкл Фарадей, заменивший в этом опыте Эрстеда магнитную стрелку на железные опилки, назвал наблюдаемое с их помощью явление «магнитным полем», имеющим вихревой характер.

Когда были открыты электроны, субатомные частицы, обычно движущиеся по своим орбиталям вокруг ядер атомов вещества, но способные также легко уходить в «свободные полёт», учёным стало ясно, что электрический ток в проводниках создают именно «свободные электроны», когда они упорядоченно движутся под действием внешней силы.

Соответственно, с открытием в 1897 году английским физиком Джозефом Томсоном свободных электронов стало окончательно ясно, что такие явления электростатики как заряжание тел положительным электричеством или заряжание тел отрицательным электричеством, происходят в тех случаях, когда с поверхности электрически нейтральных тел каким-либо путём снимаются свободные электроны или наоборот они переносятся на их поверхность.

Примеры образования разноимённых электростатических зарядов в телах с помощью трения.

Примеры образования разноимённых электростатических зарядов в телах с помощью трения.

При внешнем фотоэффекте, открытом в 1887 году немецким физиком Генрихом Герцем и детально изученном русским физиком Александром Столетовым в 1888-1889 годах, происходит выбивание свободных электронов с поверхности этих тел падающим на эти тела светом высоких энергий (ультрафиолетом, рентгеновскими лучами, гамма-излучением). Тела, теряющие таким образом свободные электроны, одновременно с этим теряют свой электрический заряд, становясь электрически нейтральными или даже положительно заряженными.

Все эти эффекты говорят нам о том, что сами по себе свободные электроны не могут покидать тела, даже если они являются электрически заряженными.

Чтобы свободный электрон ушёл за пределы поверхности того или иного тела, он должен получить определённой величины энергетический импульс, сообщающий ему дополнительную энергию, достаточную для отрыва от поверхности тела. Такую энергию выхода за пределы вещества свободные электроны получают не только при фотоэффекте и электризации тел механическим путём, но также и при сильном нагревании тел.

Однако, если нет ни того, ни другого, ни третьего, свободные электроны не покидают тел. В этой связи возникает закономерный вопрос: как ведут себя свободные электроны в тех или иных телах, когда никакие внешние силы на них не действуют?

Простейшие опыты по электростатике показывают, что заряженные тела одного знака, отталкиваются друг от друга, а разноимённые — притягиваются.

На этих рисунках представлены электрические заряды и силовых линии электрических полей.

На этих рисунках представлены электрические заряды и силовых линии электрических полей.

Свободные электроны — это заряды одного знака. Соответственно, они всегда стремятся держаться подальше от других свободных электронов, находящихся внутри тех же тел.

А если таких свободных электронов в теле миллиарды штук, и за пределы этих тел, (даже находясь на их поверхности!) они выйти не могут, как газ не может выйти из закупоренной ёмкости, что тогда?

Кстати, среднее значение концентрации электронов в каждом кубическом сантиметре металла составляет примерно 10 в 23 степени.

Надо думать, что столь огромное количество свободных электронов подобно молекулам воздуха создаёт в проводниках своего рода «электронный газ», который может находиться как в состоянии давления, так и в состоянии разрежения, а также в состоянии равновесия с положительным зарядом атомных ядер вещества. В последнем случае тело является электрически нейтральным.

Средневековые учёные интуитивно так и понимали природу электричества, связывая его с представлением об «электрическом флюиде». Вот только они не могли догадаться, что тело приобретает положительный заряд при снижении внутреннего давления в «электронном газе», за счёт снятия с поверхности тела части свободных электронов, а отрицательный заряд тело приобретает, когда происходит повышение давления «электронного газа», за счёт переноса на поверхность тела дополнительных свободных электронов. Таким образом оба знака заряда (плюс и минус) создаёт в телах «электронный газ», находящийся в состоянии повышенного или пониженного давления.

Соответственно, чтобы нейтрализовать электрический заряд, находящийся на поверхности тела, необходимо сделать так, чтобы электроны могли перейти оттуда, где есть их переизбыток, туда, где имеется их дефицит.

То обстоятельство, что электростатические заряды, находящиеся на поверхности заряженных тел (электростатика), а также электрический ток, протекающий по проводникам (электродинамика), создают эффекты, выходящие далеко за пределы этих тел, дало учёным повод предположить существование материальных полей взаимодействия — электрического и магнитного.

На этом рисунке электрическое поле представлено сиреневым цветом, а вихревое магнитное поле — синим. Провод, по которому проходит электрический ток, и с которым связаны эти явления, здесь не показан, но его наличие надо обязательно иметь ввиду, так как без участия и упорядоченного движения свободных электронов существование электрического и магнитного полей невозможно, кто бы и что бы ни говорил. (Подробно я поясню это позже).

Со временем учёным стало понятно, что силовое электрическое поле, через которое со скоростью света передаётся силовое взаимодействие между электронами, представляет собой особый, отличный от вещества вид материи, способный заполнять собой в веществе всё межатомное и внутриатомное пространство. Поэтому объяснение сущности электрического, магнитного и суммарного электромагнитного поля в учебниках физики не обходится без упоминания «особой формы материи».

Пример: «Электрическое ( электростатическое) поле — особая форма материи, передающее воздействие одного электрического заряда на другой электрический заряд в соответствии с законом Кулона». (Справочник по физике, автор Хорошавин С.Г.).

Скорость передачи силового взаимодействия между электронами и другими субатомными частицами, ограниченная скоростью

300 тысяч км/сек, по всей видимости, определяется исключительно электромеханической упругостью и плотностью этого межатомного и внутриатомного материального «наполнителя».

Причём самим электронам свойственно двигаться внутри электропроводящих тел под воздействием внешней силы со скоростью всего несколько миллиметров в секунду.

Как согласуется между собой крайне медленная скорость упорядоченного движения электронов в проводе с очень быстрой скоростью распространения по проводу силового электрического поля?

Зная о том, что свободные электроны образуют в металлах «электронный газ», и о том, что пространство между электронами плотно заполнено «особой материей, отличной от вещества», из которой формируются электрическое и магнитное поля, мы можем движение электрического тока по проводам уподобить потоку жидкости в гидравлической системе.

В обоих системах (электрической и гидравлической) с наивысшей скоростью передаётся по замкнутой цепи давление воды и напряжение электрического поля. Для воды эта скорость равна

1500 м/сек, для электрического поля она равна

300 тыс. км/сек. Если отследить в воде, которая под давлением движется по трубе, скорость отдельных капель или молекул, то окажется, что её величина составляет лишь единицы метров в секунду. Аналогично обстоит дело и с движущимися в потоке свободными электронами, который мы называем электрическим током. Электроны движутся в потоке ещё медленнее, чем молекулы воды, зато электрическое напряжение (аналог давления в воде) распространяется по проводам с гигантской скоростью.

Теперь, когда мы имеем некоторое представление о процессах, протекающих в электрических проводах, мы можем более детально представить, что такое электрический ток.

Когда в обмотке электрического генератора, вырабатывающего электроэнергию, свободные электроны сдвигаются с места под воздействием магнитного поля изменяющейся силы и перемещаются в ту или иную сторону вдоль провода, пусть даже и на микроскопическое расстояние.

. они толкают и деформируют своими электрическими полями электрические поля соседних электронов, те также сдвигаются со своего места на микроскопическую величину в направлении действия силы и в свою очередь своими электрическими полями толкают и деформируют электрические поля других соседних электронов. Так происходит движение вширь и вдоль провода объёмной упругой волны электрического поля, которая за счёт свойств «особой материи», отличной от вещества, распространяется со скоростью света.

Напомню читателю на всякий случай: «Электрическое (электростатическое) поле — особая форма материи, передающее воздействие одного электрического заряда на другой электрический заряд в соответствии с законом Кулона». (Справочник по физике, автор Хорошавин С.Г.).

Учитывая то, что свободные электроны своей совокупностью образуют в телах «электронный газ», не покидающий пределы наружной поверхности проводника, то упругая объёмная волна напряжения (давления) электрического поля, передающая силовое взаимодейстсвие между электронами, распространяется по проводнику (внутри «электронного газа») как по трубчатому волноводу, и за его пределы она не выходит.

Движение по проводу этой упругой волны электрического напряжения (электродвижущей силы, ЭДС) лучше всего объясняет рисунок американского инженера Николы Тесла, с помощью которого он также объяснил, как можно передавать электрическую энергию на любые расстояния всего по одному проводнику, нагруженному на свободном конце электростатической ёмкостью.

Обратите внимание на то, как работает на конце проводника электростатическая ёмкость в виде токопроводящей сферы, на наружной поверхности которой плотность электрических зарядов может то увеличиваться, то уменьшаться. Её аналогом в гидравлической системе является эластичная (резиновая) ёмкость, наружный размер которой может то увеличиваться, то уменьшаться.

За счёт нагнетания на поверхность уединённой электростатической ёмкости электрических зарядов или за счёт снятия с её поверхности электрических зарядов и возможно организовать передачу электроэнергии по одиночному проводнику.

Этот же принцип и этот же эффект «эластичной ёмкости», возникающий при движении электрических зарядов по поверхности проводников под действием Кулоновских сил, используется в радиотехнике для возбуждения в пространстве, окружающем проводник, радиоизлучений.

Ниже патент, выданный инженеру Н.Тесла в США 20 марта 1900 года, на систему для передачи электрической энергии без проводов, причём это дополнение к его раннему патенту от 1897 года:

Слева передающая установка, справа приёмная установка, использующие электростатические ёмкости на свободных концах проводников, излучающих электрическую энергию в пространство и принимающих её из пространства. Правда, сам Тесла, придумал эти установки для передачи электрической энергии не через пространство, а через землю. В этом случае, говорил он, можно передавать энергию на любые расстояния с весьма малыми потерями.

Что касается так называемого «магнитного поля», которое всегда является вихревым по характеру, то учёным было изначально ясно, что оно образуется только при движении электрического тока.

В любой современной энциклопедии можно прочесть следующее утверждение: «Магнитное поле — это поле, действующее как на движущиеся электрические заряды, так и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения. Магнитное поле можно назвать особым видом материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом. Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле». Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитное_поле

Как видим, и в случае с магнитным полем мы тоже имеем дело с материей, отличной от вещества. Только, если в случае с электрическим полем мы имеем в телах «электронный газ», находящийся под давлением (когда тела заряжены отрицательно) или в состоянии разрежения (когда тела заряжены положительно), то в случае с магнитным полем мы имеем вихревое движение этой же тончайшей материи, отличной от вещества, причём это вихревое движение тончайшей материи может охватывать области, простирающиеся на некоторое расстояние за пределы проводника.

То обстоятельство, что неподвижные электростатические заряды не создают магнитные поля, их создают только движущиеся упорядоченно электрические заряды, указывает нам направление поиска первопричины возникновения магнитных полей вокруг проводов с током.

В любой энциклопедии можно прочесть следующую информацию: «Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времени электрическим полем, или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам)».

Поскольку всё большое состоит из малого, нам нетрудно понять, что большие магнитные поля образуются из слияния малых вихревых магнитных полей, постоянно присутствующих вокруг электронов по причине того, что они обладают собственными магнитными моментами.

Картина суммарного магнитного поля, возникающего вокруг многовитковой проволочной катушки при протекании по ней тока:

Справка из энциклопедического словаря: «Магнитный момент элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и других частиц), как показала квантовая механика, обусловлен существованием у них собственного механического момента — спина. Спин (от англ. spin, буквально — вращение, вращать(-ся)) — собственный момент импульса элементарных частиц)».

Таким образом мы приходим к пониманию, что магнитное поле как микрообъект существует вокруг электронов всегда, по причине того, что они обладают вращением, спином.

Как макрообъект магнитное поле возникает вокруг тел только тогда, когда большое количество электронов под действием внешней силы (ЭДС) приходит в упорядоченное поступательное движение, при этом их оси вращения (магнитные полюса электронов) занимают в пространстве одинаковое положение. В этом случае и происходит слияние миниатюрных вихрей каждого отдельно взятого электрона в один большой вихрь, окружающий тело, по котором течёт электрический ток.

Если всё это понятно, и ничто не вызывает возражений, то можно перейти к подведению некоторых итогов.

Первый и главный вывод: ни электрическое поле, ни вихревое магнитное поле не может существовать в отрыве от электрических зарядов.

ЭПИЛОГ

Как я написал в самом начале этой статьи, многие прежние представления учёных оказывались ошибочными после того, как открывались новые подробности устройства механизма Природы.

Когда английский учёный Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, это случилось 29 августа 1831 года, он просто увидел, что электродвижущая сила (ЭДС), возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Причём величина ЭДС не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле.

Спустя почти 30 лет, в 1860-х годах, шотландский учёный Джеймс Максвелл, который разумеется не знал и даже не догадывался о существовании электронов, они были открыты только в 1897 году, высказал смелую гипотезу об электромагнитной природе света. Впоследствии подтвердилось, что свет и все другие излучения (инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское) действительно порождаются движением электронов, вот только не факт, что свет распространяющийся в физическом вакууме (в безвоздушном пространстве) имеет электромагнитную природу!

Возможно, что в случае со светом, радиоволнами и прочими излучениями, порождаемыми движением электронов в вакуумных приборах или на поверхности проводников, мы имеем дело с иными формами материи, нежели изученные нами электрические и магнитные поля.

Иллюстрация ниже показывает устройство и принцип работы рентгеновской трубки, в которой жёсткое рентгеновское излучение порождается за счёт резкого торможения свободных электронов, предварительно ускоренных в сильном электрическом поле. Причём сами свободные электроны, при резком торможении которых рождаются рентгеновские лучи, за пределы рентгеновской трубки не вылетают.

Почему я так обозначил проблему современной физики?

Смотрите как подаётся история, связанная с Д.К.Максвеллом и с его «Электромагнитной теорией света» полуторавековой давности:

«. Оказалось, что не только ток, но и изменяющееся со временем электрическое поле порождает магнитное поле. В свою очередь, в силу закона Фарадея, изменяющееся магнитное поле снова порождает электрическое. В результате, в пустом пространстве может распространяться электромагнитная волна. Из уравнений Максвелла следовало, что её скорость равна скорости света, поэтому Максвелл сделал вывод об электромагнитной природе света. »

Максвеллу было простительно сделать в 1860-х годах предположение о том, что не только магнитное поле является вихревым, но и электрическое поле тоже может быть вихревым, и что оба они могут существовать в отрыве от электронов, он ведь ничего не знал об электронах и даже не подозревал об их существовании.

Но мы то уже знаем и про электроны, и про свойства создаваемых ими полей, и мы понимаем, что существование электрического и магнитного полей в отрыве электронов невозможно!

Давайте рассмотрим случай, представленный на рисунке ниже. Так в учебниках современной физики рассказывается об образовании внутри замкнутого металлического кольца вихревого электрического поля.

В показанном на этом рисунке случае, изменяемый рукой оператора магнитный поток, пронизывая замкнутое металлическое кольцо, непосредственно воздействует на свободные электроны, и строго по закону электромагнитной индукции, вызывает их сдвиг в направлении, указанном тонкой стрелкой синего цвета.

В замкнутом металлическом кольце под воздействием изменяющегося магнитного потока свободные электроны сдвигаются фактически все одновременно, следовательно имеющиеся расстояния между ними, обусловленные действием Кулоновских сил не меняются. А значит, электродвижущая сила (ЭДС) в этом случае не возникает! Еинд = О. То есть, вихревого электрического поля, которое должно характеризоваться величиной напряжённости, нет! А вот если бы металлическое кольцо не было замкнутым, то под воздействием изменяющегося магнитного поля мы бы имели скопление свободных электронов на одном его конце, недостаток свободных электронов на другом его конце, и в дополнение к этому мы бы имели некоторую напряжённость электрического поля между наведёнными зарядами.

К сожалению, несмотря на такие очевидные вещи, современная мировая наука отказывается признавать ошибочность теории Д.К.Максвелла, построенной на предположении, что электрические и магнитные поля могут существовать в отрыве от электрических зарядов. До сих пор заявляется, что оба эти поля могут существовать даже в вакууме, в котором отсутствуют малейшие признаки какого-либо вещества.

В школах и ВУЗах учителя до сих пор преподают учащимся, что для образования вихревого электрического поля «проводник вообще не нужен! Проводник является всего лишь индикатором того, что здесь есть электрическое поле! Если убрать проводник и оставить меняющееся магнитное поле, то электрическое поле всё-равно возникает в пространстве. Причём линии этого поля, силовые линии, направлены вот так, они замкнуты. Такое поле, линии которого замкнуты, называется вихревым.

Когда оно появляется? При изменении магнитного поля. Итак, пишем вывод: При изменении магнитного поля в пространстве, в нём возникает вихревое электрическое поле. Проводник при этом не нужен! Без всякого проводника. В пустоте, в вакууме возникает вихревое электрическое поле. » Источник: https://youtu.be/FAqvdIPttjo

Я же хочу сказать следующее:

То обстоятельство, что скорость распространения электрического поля в проводах равна скорости света в вакууме, позволяет высказать предположение, что и в проводах, и в вакууме (безвоздушном пространстве) имеет место распространение упругих волн в одной и той же тончайшей среде, которая отлична от вещества.

Причём, если электрическое поле распространяется в проводах со скоростью света как упругая продольная волна, то и в вакууме (безвоздушном пространстве) волна света тоже представляет собой упругую продольную волну, движущуюся наступательно.

При этом в реальной волне света равно как и в радиоволне нет места как вихревому магнитному полю, так и вихревому электрическому полю!

Пытаться объяснять явление поляризации света (равно как и явление поляризации радиоволн) с помощью поперечных колебаний магнитного и электрического полей, якобы существующих в отрыве от свободных электронов, было большой ошибкой учёных 19 века.

Создание в ХХ веке квантовой физики дало подсказку, но ею никто из академиков не спешит воспользоваться, что явление поляризации света можно легко объяснить вращением частиц света («фотонов») вокруг своей оси.

Обычный свет после прохождения через поляризатор становится поляризованным, и это обстоятельство заставило учёных придумать поперечные электромагнитные волны.

Хотя, казалось бы, что может быть проще и яснее?! При пропускании неполяризованного света через поляризатор тормозятся все фотоны, оси которых не совпадают с главной осью поляризатора, но те фотоны, у которых оси совпадают с главной осью поляризатора, проходят сквозь него свободно. Так из неполяризованного света получается поляризованный свет. Это исчерпывающее объяснение. И не надо никому рассказывать волшебные сказки про «поперечные колебания вихревых полей, электрического и магнитного в абсолютной пустоте»!

Фотоны — это возбужденные частицы всё той же материи, отличной от вещества, в которой возникают хорошо известные нам электрические и магнитные поля.

Причём гипотетические «поперечные колебания вихревых полей», о которых рассказывает современная физика, нельзя ни нарисовать, ни представить в здравом воображении! А то, что подаётся в учебниках физики под видом радиоволны, является несуразицей, в которой отсутствует даже намёк на то, что поля, электрическое и магнитное, колеблющиеся поперёк направления распространения радиоволны в пространстве, являются вихревыми, как того требует «Электромагнитная теория света» Д.К.Максвелла:

Где здесь хоть намёк на то, что в радиоволне имеет место движение/колебание именно вихревого магнитного поля и именно вихревого электрического поля?!

Реальная картина радиоволны, имеющей продольную компоненту и состоящей из «фотонов», может быть, например, такой:

Если я достаточно ясно всё объяснил, мне остаётся лишь надеется, что процесс ревизии мировой физической науки и переписывания учебников физики первыми начнут российские учёные.

Почему электронейтральный проводник заряжается при контакте с заряженным проводником

§ 5. Что происходит при электризации? До сих пор мы не

§ 21. Механизм электризации. Электроскоп

1. Почему электронейтральный проводник заряжается при соприкосновении с заряженным проводником?

Почему электронейтральный проводник заряжается при контакте с заряженным проводником

1. Почему электронейтральный проводник заряжается при соприкосновении с заряженным проводником?

§ 8. Электризация через влияние.

§ 5. Что происходит при электризации? До сих пор мы не

Ещё раз о том, что собою представляет электрический ток.

Добавить комментарий Отменить ответ