Статическое электричество

Столетия назад было обнаружено, что определенные типы материалов загадочным образом притягиваются друг к другу после того, как их натерли друг на друга. Например, если натереть кусок шелка о кусок стекла, шелк и стекло будут иметь тенденцию слипаться. Действительно, сила притяжения могла быть продемонстрирована даже тогда, когда два материала были разделены:

Стекло и шелк - не единственные материалы, которые, как известно, ведут себя подобным образом. Любой, кто когда-либо касался латексного шара только для того, чтобы обнаружить, что он пытается прилипнуть к нему, испытал то же самое явление. Парафин и шерстяная ткань - еще одна пара материалов, которые первые экспериментаторы признали проявляющими силу притяжения после трения друг о друга:

Это явление стало еще более интересным, когда было обнаружено, что идентичные материалы после протирания соответствующей тканью всегда отталкиваются друг от друга:

Также было отмечено, что когда кусок стекла, натертый шелком, подвергается воздействию кусочка воска, натертого шерстью, два материала будут притягиваться друг к другу:

Кроме того, было обнаружено, что любой материал, демонстрирующий свойства притяжения или отталкивания после трения, можно отнести к одной из двух различных категорий:притягиваемый к стеклу и отталкиваемый воском или отталкиваемый стеклом и притягивающийся к воску. Было либо одно, либо другое:не было обнаружено материалов, которые могли бы притягиваться или отталкиваться как стеклом, так и воском, или которые реагировали бы на одно, не реагируя на другое.

Больше внимания было обращено на куски ткани, которые использовались для растирания. Было обнаружено, что после протирания двух кусков стекла двумя кусками шелковой ткани не только кусочки стекла отталкивались друг от друга, но и ткани. То же самое произошло и с кусочками шерсти, которыми натирали воск:

Это было действительно странно наблюдать. В конце концов, ни один из этих предметов не претерпел видимых изменений в результате трения, но они определенно вели себя иначе, чем до того, как их натерли. Какое бы изменение ни произошло, заставив эти материалы притягивать или отталкивать друг друга, было незаметно.

Некоторые экспериментаторы предполагали, что невидимые «жидкости» переходили от одного объекта к другому в процессе трения, и что эти «жидкости» были способны воздействовать на физическую силу на расстоянии. Чарльз Дюфай был одним из первых экспериментаторов, которые продемонстрировали, что существует определенно два разных типа изменений, вызванных трением определенных пар предметов друг о друга. Тот факт, что в этих материалах проявилось более одного типа изменений, был очевиден тем фактом, что были созданы два типа сил: притяжение и отталкивание . Гипотетический перенос жидкости стал известен как заряд . .

Один исследователь-новатор, Бенджамин Франклин, пришел к выводу, что между натертыми предметами обменивалась только одна жидкость, и что два разных «заряда» были не чем иным, как избытком или недостатком этой жидкости. После экспериментов с воском и шерстью Франклин предположил, что грубая шерсть удаляет часть этой невидимой жидкости из гладкого воска, вызывая избыток жидкости на шерсти и недостаток жидкости на воске. Возникающее в результате несоответствие содержания жидкости между шерстью и воском могло вызвать силу притяжения, поскольку жидкость пыталась восстановить прежний баланс между двумя материалами.

Постулирование существования единой «жидкости», которая была получена или потеряна в результате трения, лучше всего объясняет наблюдаемое поведение:все эти материалы аккуратно попадают в одну из двух категорий при трении, и, что наиболее важно, что два активных материала трутся друг о друга. другие всегда попадали в противоположные категории о чем свидетельствует их неизменное влечение друг к другу. Другими словами, никогда не было времени, чтобы два материала трулись друг о друга оба стал либо положительным, либо отрицательным.

После предположения Франклина о том, что шерсть натирает что-то с воска, тип заряда, который был связан с натертым воском, стал известен как «отрицательный» (поскольку предполагалось, что он имеет дефицит жидкости), в то время как тип заряда, связанный с трением шерсть стала известна как «положительная» (потому что в ней должен был быть избыток жидкости). Он и не подозревал, что его невинное предположение в будущем вызовет много путаницы у изучающих электричество!

Точные измерения электрического заряда были выполнены французским физиком Шарлем Кулоном в 1780-х годах с помощью устройства, называемого крутильными весами . измерение силы, возникающей между двумя электрически заряженными объектами. Результаты работы Кулона привели к разработке единицы электрического заряда, названной в его честь, кулон . . Если бы два «точечных» объекта (гипотетические объекты, не имеющие заметной площади поверхности) были бы одинаково заряжены с точностью до 1 кулон и поместили их на расстоянии 1 метра (примерно 1 ярд) друг от друга, то они генерировали бы силу около 9 миллиардов ньютонов (примерно 2 миллиарда фунтов), либо притягивая, либо отталкивая в зависимости от типа задействованных зарядов. Рабочее определение кулона как единицы электрического заряда (в терминах силы, генерируемой между точечными зарядами) оказалось равным избытку или недостатку примерно в 6 250 000 000 000 000 000 электронов. Или, выражаясь обратным образом, один электрон имеет заряд около 0,00000000000000000016 кулонов. Поскольку один электрон является наименьшим из известных носителей электрического заряда, последняя величина заряда электрона определяется как элементарный заряд . .

Много позже было обнаружено, что эта «жидкость» на самом деле состоит из очень маленьких кусочков материи, называемых электронами . , названный так в честь древнегреческого слова, обозначающего янтарь:еще один материал, проявляющий заряженные свойства при трении тканью.

Состав атома

С тех пор эксперименты показали, что все объекты состоят из очень маленьких «строительных блоков», известных как атомы . и что эти атомы, в свою очередь, состоят из более мелких компонентов, известных как частицы . Три основных частицы, составляющие большинство атомов, называются протонами . , нейтроны и электроны . Хотя большинство атомов состоит из протонов, нейтронов и электронов, не все атомы имеют нейтроны; Примером является изотоп протия (1H1) водорода (Водород-1), который является самой легкой и наиболее распространенной формой водорода, которая имеет только один протон и один электрон. Атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть, но если бы мы могли взглянуть на один, он мог бы выглядеть примерно так:

Несмотря на то, что каждый атом в куске материала имеет тенденцию держаться вместе как единое целое, на самом деле между электронами и кластером протонов и нейтронов, находящимся посередине, остается много пустого пространства.

Эта грубая модель представляет собой элемент углерода с шестью протонами, шестью нейтронами и шестью электронами. В любом атоме протоны и нейтроны очень прочно связаны друг с другом, что является важным качеством. Тесно связанный сгусток протонов и нейтронов в центре атома называется ядром . , а количество протонов в ядре атома определяет его элементарную идентичность:измените количество протонов в ядре атома, и вы измените тип атома, которым он является. Фактически, если вы удалите три протона из ядра атома свинца, вы осуществите мечту старых алхимиков о создании атома золота! Тесное связывание протонов в ядре отвечает за стабильную идентичность химических элементов и неспособность алхимиков осуществить свою мечту.

Нейтроны гораздо меньше влияют на химический характер и идентичность атома, чем протоны, хотя их так же трудно добавить к ядру или удалить из ядра, поскольку они так прочно связаны. Если нейтроны добавлены или получены, атом все равно сохранит ту же химическую идентичность, но его масса изменится незначительно, и он может стать странным ядерным . такие свойства, как радиоактивность.

Однако электроны обладают значительно большей свободой передвижения в атоме, чем протоны или нейтроны. Фактически, они могут быть выбиты из своего положения (даже полностью покинув атом!) С гораздо меньшей энергией, чем та, которая требуется для смещения частиц в ядре. Если это произойдет, атом по-прежнему сохраняет свою химическую идентичность, но возникает важный дисбаланс. Электроны и протоны уникальны тем, что они притягиваются друг к другу на расстоянии. Именно это притяжение на расстоянии вызывает притяжение между натертыми объектами, когда электроны удаляются от своих первоначальных атомов и находятся вокруг атомов другого объекта.

Электроны имеют тенденцию отталкивать другие электроны на расстоянии, как и протоны с другими протонами. Единственная причина, по которой протоны связываются вместе в ядре атома, - это гораздо более сильное взаимодействие, называемое сильным ядерным взаимодействием . который действует только на очень коротких расстояниях. Считается, что из-за такого поведения притяжения / отталкивания между отдельными частицами электроны и протоны имеют противоположные электрические заряды. То есть каждый электрон имеет отрицательный заряд, а каждый протон - положительный. В равных количествах внутри атома они противодействуют присутствию друг друга, так что общий заряд внутри атома равен нулю. Вот почему в изображении атома углерода шесть электронов:чтобы уравновесить электрический заряд шести протонов в ядре. Если электроны уйдут или появятся дополнительные электроны, общий электрический заряд атома будет разбалансирован, в результате чего атом останется «заряженным» в целом, заставив его взаимодействовать с заряженными частицами и другими заряженными атомами поблизости. Нейтроны не притягиваются и не отталкиваются электронами, протонами или даже другими нейтронами и, следовательно, классифицируются как не имеющие никакого заряда.

Процесс прибытия или ухода электронов - это именно то, что происходит при трении определенных комбинаций материалов друг с другом:электроны от атомов одного материала вынуждаются трением покинуть свои соответствующие атомы и переходить к атомам другого материала. Другими словами, электроны составляют «жидкость», выдвинутую Бенджамином Франклином.

Что такое статическое электричество?

Результат дисбаланса этой «жидкости» (электронов) между объектами называется статическим электричеством . . Это называется «статическим», потому что смещенные электроны имеют тенденцию оставаться неподвижными после перемещения из одного изоляционного материала в другой. В случае воска и шерсти путем дальнейших экспериментов было установлено, что электроны в шерсти фактически передаются атомам воска, что прямо противоположно гипотезе Франклина! В честь того, что Франклин назвал заряд воска «отрицательным», а заряд шерсти «положительным», электроны, как говорят, обладают «отрицательным» зарядным влиянием. Таким образом, объект, атомы которого получили избыток электронов, называется отрицательно заряжен, а объект, в атомах которого отсутствуют электроны, называется положительно заряжен, как бы сбивает с толку эти обозначения. К тому времени, когда была открыта истинная природа электрического «флюида», номенклатура электрического заряда Франклина была слишком хорошо известна, чтобы ее можно было легко изменить, и остается таковой по сей день.

Майкл Фарадей доказал (1832), что статическое электричество было таким же, как у батареи или генератора. Статическое электричество по большей части доставляет неудобства. В черный порох и бездымный порох добавлен графит для предотвращения возгорания из-за статического электричества. Это вызывает повреждение чувствительной полупроводниковой схемы. Хотя можно производить двигатели с питанием от статического электричества высокого напряжения и низкого тока, это неэкономично. Немногочисленные практические применения статического электричества включают ксерографическую печать, электростатический воздушный фильтр и высоковольтный генератор Ван де Граафа.

ОБЗОР:

• Все материалы состоят из крошечных «строительных блоков», известных как атомы . .
• Все встречающиеся в природе атомы содержат частицы, называемые электронами . , протоны , и нейтроны , за исключением изотопа протия ( ₁ H ¹ ) водорода.
• Электроны имеют отрицательный (-) электрический заряд.
• Протоны имеют положительный (+) электрический заряд.
• У нейтронов нет электрического заряда.
• Электроны можно удалить из атомов намного проще, чем протоны или нейтроны.
• Количество протонов в ядре атома определяет его идентичность как уникального элемента.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Таблица статического электричества
• Рабочий лист атомарной структуры