Что такое электризация через влияние

Что такое электризация через влияние

Онлайн

42

Внешнее электрическое поле, проникая в тело, вызывает перемещение имеющихся в этом теле электрических зарядов. Модель демонстрирует перераспределение зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля .

Если тело поместить в электрическое поле, то поле проникает в это тело и вызывает перемещение имеющихся в этом теле электрических зарядов.
Теперь эти заряды не обязательно компенсируют друг друга, как это было до появления внешнего поля.

Перераспределение электрического заряда на поверхности или в объеме тела под действием каких-либо внешних воздействий называется заряжением или электризацией тела.
Электризация проводника в электрическом поле называется электризацией через влияние, или электростатической индукцией.

Проводник можно зарядить простым прикосновением его к заряженному телу. При таком прикосновении заряды могут переходить с одного тела на другое, если на поверхность проводника переходит некоторый заряд. Если тело заряжено положительно, то при прикосновении проводника с него уходит некоторое количество свободных электронов, если же тело заряжено отрицательно, то от тела к проводнику переходит некоторое количество электронов. На проводнике возникает избыточный, некомпенсированный заряд, и свободные заряды одного знака будут отталкиваться, пока не разойдутся на наибольшее возможное расстояние, т. е. пока не расположатся на внешней поверхности проводника.
Таким образом, весь сообщенный проводнику заряд располагается на внешней поверхности проводника так, чтобы энергия взаимодействия этих зарядов (между собой и с внешним электрическим полем) была минимальной.

Электрическое поле внутри проводника после перемещения зарядов равно нулю.

§ 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).

24.jpg

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 .

25.jpg

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.

26-1.jpg

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).

26-2.jpg

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?

Электризация под влиянием заряженного тела

Электрический заряд можно сообщить электрически нейтральному телу, даже не прикасаясь к нему, а просто располагая заряженное тело неподалеку.

Такой способ наведения заряда называется электростатической индукцией. Ее несложно продемонстрировать в проводниках.

Перегруппировка зарядов

С помощью этого способа можно сгруппировать заряды на противоположных частях проводника.

На ближайшей к заряженному телу части проводника соберутся заряды, имеющие противоположный по отношению к заряженному телу знак (рис. 1).

А на удаленной от заряженного тела части проводника, будут располагаться заряды, знак которых совпадает со знаком заряженного тела.

Если заряженное тело удалить, заряды на проводнике распределятся равномерно и проводник опять станет электрически нейтральным (рис. 2).

Суть электростатической индукции

Вокруг заряженных тел существует электрическое поле. Это поле может воздействовать на другие тела, находящиеся неподалеку. В этих телах возникает собственное электростатическое поле в ответ на воздействие поля внешнего.

Заряды, распределившиеся по частям проводника, называются индуцированными.

Электростатическая индукция – это процесс распределения зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля.

Под действием внешнего поля:

  1. в проводниках заряды перераспределяются;
  2. а в диэлектриках происходит поляризация;

Можно ли сделать так, чтобы части проводника остались заряженными после удаления заряженного тела? Да.

Как оставить на теле заряд после удаления влияющего тела

Существуют два способа добиться такого эффекта.

Первый способ:

Не удаляя заряженное тело, дать стечь отрицательному заряду с проводника (рис. 3).

Проводник в целом окажется заряженным положительно. Этот заряд останется на проводнике после того, как заряженное тело будет от него удалено.

Второй способ:

Не удаляя заряженное тело, разрезать проводник на две части – приближенную к заряженному телу и удаленную от него (рис. 4).

Эти части будут иметь противоположные и численно равные заряды. После удаления заряженного тела они останутся на половинках проводника.

Эксперимент – разделение зарядов

Опыт, описанный здесь, можно применять для демонстрации разделения зарядов в проводниках.

Для проведения эксперимента понадобятся:

  • два одинаковых электрометра;
  • проводник, которым эти электрометры можно соединить;
  • предмет из диэлектрика, например, пластиковая линейка, или кусок оргстекла, эбонита и т. п.

Чтобы разделить заряды, необходимо выполнить следующую последовательность действий.

Подготовка приборов

Расположим два незаряженных электрометра на одной прямой, на небольшом расстоянии (к примеру, 0,5 м) один от другого. Располагать их нужно так, чтобы они находились перед наблюдателями, один немного левее, а второй – правее (рис. 5).

Чаши электрометров соединим куском металлической проволоки, или металлической линейкой. Желательно, чтобы в средней части проводника был изолированный участок. Он пригодится, когда потребуется разъединить заряженные приборы.

Конструкция, состоящая из двух чаш, соединительного проводника и стержней электрометров после соединения превращается в единый проводник.

Подготовка влияющего тела

Теперь необходимо подготовить (наэлектризовать) тело, которое будет влиять на электрометры и соединяющий их проводник.

Можно взять два диэлектрика и произвести их электризацию трением (рис. 6). К примеру, линейку из оргстекла можно натереть смятым сухим тетрадным листом бумаги, либо листом формата А4.

Начинаем эксперимент

Теперь нужно поднести наэлектризованное тело к одному из электрометров (рис. 7).

На рисунке наэлектризованное тело имеет отрицательный заряд, это обозначено знаками «минус».

Свободные электроны, находящиеся в проводнике, могут передвигаться по нему. Поэтому, некоторое количество электронов из ближайшего к заряженному телу электрометра перейдет по соединительному проводнику в дальний электрометр.

По закону сохранения заряда, сколько электронов ушло из одного конца проводника, столько же перейдет в другой его конец.

Приборы разъединяем

Если, не удаляя заряженное тело, убрать проводник, соединяющий приборы, то оба электрометра останутся заряженными (рис. 8). Разъединяя приборы, проводник нужно аккуратно приподнять с помощью изолятора, например – сухой деревянной линейки.

Убираем влияющее тело

Наконец, можно удалить заряженное тело, создавшее наведенный заряд (рис. 9).

Как видно из рисунка, на приборах присутствуют противоположные заряды. Для поддержания зарядов теперь не требуется наличие поблизости тела, вызвавшего электростатическую индукцию.

Выводы

В теле, помещенном во внешнее электрическое поле, появляется собственное электростатическое поле. Такое явление называют электростатической индукцией. Во время этого процесса в проводниках перераспределяются заряды, а диэлектрики поляризуются.

Объяснение электрических явлений (Гребенюк Ю.В.)

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).

Пе­ре­ход части элек­тро­нов с од­но­го тела на дру­гое

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).

По­ка­за­ние элек­тро­мет­ра

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).

За­ря­ды па­лоч­ки и шара

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).

Пе­ре­рас­пре­де­ле­ние элек­тро­нов

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).

Пе­ре­ход части элек­тро­нов на тело ис­сле­до­ва­те­ля

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: .

После со­при­кос­но­ве­ния ша­ри­ков

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).

Силы, дей­ству­ю­щие на ша­ри­ки до под­не­се­ния орг­стек­ла

Рис. 7. Силы, дей­ству­ю­щие на ша­ри­ки до под­не­се­ния орг­стек­ла

Дви­же­ние ша­ри­ков вверх

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).

За­ря­же­ние ша­ри­ка

Рис. 9. За­ря­же­ние ша­ри­ка

Рас­пре­де­ле­ние за­ря­да по по­верх­но­сти шара элек­тро­ско­па

Рис. 10. Рас­пре­де­ле­ние за­ря­да по по­верх­но­сти шара элек­тро­ско­па

Со­об­ще­ние элек­тро­ско­пу боль­шо­го за­ря­да мно­го­крат­ной пе­ре­да­чей

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.

По­ля­ри­за­ция 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).

Метод элек­тро­ста­ти­че­ской по­крас­ки ме­тал­ли­че­ских из­де­лий

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).

Пуль­ве­ри­за­тор

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.

Ча­сти­цы крас­ки летят стро­го по на­прав­ле­нию к ме­тал­ли­че­ско­му тра­фа­ре­ту

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).

Элек­тро­филь­тры

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).

Раз­ря­же­ние са­мо­ле­та

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).

По­вы­ше­ние от­но­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *