Статическое электричество: как трение материалов генерирует заряд

Долго до современной физики учёные замечали, что некоторые материалы притягиваются после трения. Например, трение шёлка о стекло заставляет обе поверхности прилипать, и притяжение сохраняется даже при разделении предметов.

Стекло и шёлк не единственные материалы с таким поведением. Любой, кто надувал латексный шар и трил его о волосы, знает, как шар прилипает к волосам. Ранние экспериментаторы также отмечали, что трение парафинового воска шерстью даёт похожее притяжение.

Явление стало ещё более интригующим, когда исследователи обнаружили: идентичные материалы, после трения их собственными тканями, всегда отталкиваются друг от друга.

Кроме того, кусок стекла, натертый шёлком, притягивал кусок воска, натертый шерстью.

Все материалы, показывавшие притяжение или отталкивание, можно было разделить на две категории: те, что притягивались к стеклу и отталкивались от воска, и те, что отталкивались от стекла и притягивались к воску. Никакой материал не был найден, который притягивался бы к обоим или отталкивался от обоих.

Внимание сместилось на ткани, используемые для трения. Трение двух стеклянных кусков двумя шёлковыми тканями заставляло и стекло, и ткани отталкиваться друг от друга. Тот же паттерн появлялся при трении шерстью воска.

Что удивительно — ни один из этих объектов не показывал видимых изменений после трения, но их взаимодействия кардинально менялись. Базовое изменение было невидимым.

Ранние ученые спекулировали, что невидимая «жидкость» передавалась при трении, оказывающая силу на расстоянии. Шарль Дюфэ был среди первых, кто показал, что трение порождает два различных эффекта — притяжение и отталкивание — ведущие к концепции заряда.

Бенджамин Франклин предположил, что единая «жидкость» обменивается между натертыми объектами, а два наблюдаемых заряда — это просто избыток или дефицит этой жидкости. Опыты с воском и шерстью sugerировали, что шерсть удаляет жидкость из воска, оставляя шерсть с избытком, а воск — с дефицитом, тем самым создавая притяжение, пока жидкость пытается перебалансироваться.

Гипотеза Франклина объясняла, почему все натертые материалы попадали в одну из двух противоположных категорий и почему они всегда притягивались друг к другу. Он также назвал заряд воска «отрицательным» (дефицит), а шерсти — «положительным» (избыток), терминологию, используемую до сих пор.

В 1780-х французский физик Шарль Кулон квантифицировал электрический заряд с помощью кручильного баланса, установив единицу «кулон». Два точечных заряда 1 Кл на 1 м действуют силой ~9×10⁹ Н (≈2×10⁹ фунт). Один кулон равен примерно 6,25×10¹⁸ электронам, делая элементарный заряд ≈1,60×10⁻¹⁹ Кл.

Поздние исследования показали, что эта «жидкость» — на самом деле электроны — крошечные частицы, названные по греческому слову для янтаря, материала, тоже показывающего заряд при трении.

Строение атома

Все объекты состоят из атомов, которые в свою очередь состоят из протонов, нейтронов и электронов. Большинство атомов содержат все три частицы, но некоторые, как протий (¹H¹), имеют только один протон и электрон. Хоть невидимы, атомы можно представить как плотное ядро, окружённое разреженными электронами.

Между ядром и электронами лежит большое пустое пространство. Ядро — из тесно связанных протонов и нейтронов — определяет идентичность элемента: изменение числа протонов меняет элемент, как алхимики когда-то надеялись превратить свинец в золото.

Нейтроны влияют на массу и могут сделать элемент радиоактивным, но не затрагивают химическое поведение. Электроны же могут быть легко удалены или добавлены с относительно малой энергией. Когда электроны уходят или приходят в атом, баланс положительных (протоны) и отрицательных (электроны) зарядов смещается, давая атому общий заряд.

В атоме протоны и электроны притягиваются на расстоянии, а идентичные заряды отталкиваются. Сильное ядерное взаимодействие связывает протоны и нейтроны в ядре на экстремально малых расстояниях. Поскольку электроны несут отрицательный заряд, а протоны — положительный, равное число каждого даёт нейтральный атом. Лишние или недостающие электроны создают чистый заряд, заставляя атом взаимодействовать с другими заряженными частицами.

Когда два материала трут друг о друга, электроны переносятся от одного к другому — именно та «жидкость», которую описал Бенджамин Франклин.

Что такое статическое электричество?

Статическое электричество возникает, когда электроны неравномерно распределены между объектами. Термин «статическое» отражает, что смещённые электроны остаются в основном неподвижными на изоляторах. Например, эксперименты показали, что электроны движутся от шерсти к воску, вопреки исходному предположению Франклина. Получившиеся обозначения зарядов — отрицательный для избытка электронов, положительный для дефицита — всё ещё в использовании.

В 1832 году Майкл Фарадей показал, что статическое электричество по сути то же, что электричество от батарей или генераторов. Хотя часто считается неприятностью, статическое электричество может повреждать полупроводниковые схемы и поджигать легковоспламеняющиеся порошки. Тем не менее, у него есть практические применения в ксерографии, электростатической фильтрации воздуха и генераторах Ван де Граафа.

ОБЗОР:

• Все материалы состоят из атомов.
• Атомы содержат протоны, нейтроны и электроны, кроме изотопа водорода-1.
• Электроны несут отрицательный заряд; протоны — положительный; нейтроны нейтральны.
• Электроны можно удалять или добавлять легче, чем протоны или нейтроны.
• Число протонов определяет идентичность элемента.

СВЯЗАННЫЕ ЛИСТЫ РАБОТЫ:

• Лист работы по статическому электричеству
• Лист работы по структуре атома