Статическое электричество
Глава 1 - Основные понятия электричества
Много столетий назад было обнаружено, что некоторые типы материалов будут таинственно привлекать друг друга после того, как будут протерты вместе. Например: после протирки шелка на кусок стекла шелк и стекло будут склеиваться. Действительно, была привлекательная сила, которая могла быть продемонстрирована даже тогда, когда два материала были разделены:
Стекло и шелк - не единственные материалы, которые ведут себя так. Любой, кто когда-либо ходил по латексному баллону только, чтобы найти, что он пытается придерживаться их, испытал это же явление. Парафиновый воск и шерстяная ткань - еще одна пара материалов, которые ранние экспериментаторы признали проявляющими притягательными силами после протирания:
Это явление стало еще более интересным, когда было обнаружено, что идентичные материалы, будучи протертыми соответствующими тканями, всегда отталкивают друг друга:
Было также отмечено, что когда кусок стекла, протертый шелком, был подвергнут воздействию куска воска, натертого шерстью, эти два материала будут привлекать друг друга:
Кроме того, было обнаружено, что любой материал, демонстрирующий свойства притяжения или отталкивания после протирания, может быть отнесен к одной из двух различных категорий: притягивается к стеклу и отталкивается воском или отталкивается стеклом и притягивается к воску. Это было либо одно, либо другое: не было найдено материалов, которые были бы привлечены или отражены как стеклом, так и воском, или которые реагировали на одно, не реагируя на другое.
Больше внимания было уделено кускам ткани, используемым для трения. Было обнаружено, что после трения двух кусочков стекла с двумя кусками шелковой ткани не только отразились стекла, но и ткани. То же самое явление для кусков шерсти, которые использовались для втирания воска:
Теперь это было действительно странно. В конце концов, ни один из этих объектов не был заметно изменен трением, но они определенно вели себя иначе, чем до того, как они были протерты. Независимо от того, какое изменение имело место, чтобы заставить эти материалы привлекать или отталкивать друг друга, было невидимым.
Некоторые экспериментаторы предположили, что невидимые «жидкости» переносятся с одного объекта на другой в процессе трения и что эти «жидкости» способны оказывать физическую силу на расстояние. Чарльз Дюфей был одним из ранних экспериментаторов, которые продемонстрировали, что существует определенно два разных типа изменений, вызванных протиранием некоторых пар объектов. Тот факт, что в этих материалах проявлялся более чем один вид изменений, было видно из-за того, что было создано два вида сил: притяжение и отталкивание. Гипотетический перенос жидкости стал известен как заряд.
Один из новаторских исследователей Бенджамин Франклин пришел к выводу, что между потертыми предметами была только одна жидкость, и что два разных «заряда» были не более чем избытком или недостатком этой жидкости. После экспериментов с воском и шерстью Франклин предположил, что грубая шерсть удалила часть этого невидимого флюида из гладкого воска, вызывая избыток жидкости на шерсти и дефицит жидкости на воске. В результате несоответствие содержания текучей среды между шерстью и воском приведет к притягательной силе, поскольку жидкость попытается восстановить прежний баланс между этими двумя материалами.
Постулирование существования единственной «жидкости», которая была либо получена, либо потеряна за счет трения, показала лучшее для наблюдаемого поведения: все эти материалы аккуратно упали в одну из двух категорий при протирании, а самое главное, что два активных материала протирались против каждого другие всегда попадали в противоположные категории, о чем свидетельствует их неизменное притяжение друг к другу. Другими словами, никогда не было времени, когда два материала протирались друг с другом, оба были либо положительными, либо отрицательными.
Следуя предположениям Франклина о том, что шерсть протирает что-то от воска, тип заряда, связанный с потертым воском, стал известен как «отрицательный» (поскольку он должен был иметь дефицит жидкости), в то время как тип заряда, связанный с трением шерсть стала известна как «положительная» (потому что она должна была иметь избыток жидкости). Мало ли он знал, что его невинная догадка вызовет много путаницы для студентов электричества в будущем!
Точные измерения электрического заряда были выполнены французским физиком Чарльзом Куломом в 1780-х годах с использованием устройства, называемого крутильным балансом, измеряющим силу, создаваемую между двумя электрически заряженными объектами. Результаты работы Кулона привели к созданию единицы электрического заряда, названного в его честь, кулоном. Если два «точечных» объекта (гипотетические объекты, не имеющие заметной площади поверхности) были одинаково заряжены до меры 1 кулона и размещены на расстоянии 1 метр (приблизительно 1 ярд) друг от друга, они создавали бы силу около 9 миллиардов ньютонов (приблизительно 2 миллиарда фунтов), либо притягивая, либо отталкивая в зависимости от типов сборов. Было установлено, что оперативное определение кулона как единицы электрического заряда (в терминах силы, создаваемой между точечными зарядами) равно избытку или дефициту около 6 250 000 000 000 000 000 электронов. Или, в обратном порядке, один электрон имеет заряд около 0, 00000000000000000016 кулонов. Поскольку один электрон является наименьшим известным носителем электрического заряда, последний элемент заряда для электрона определяется как элементарный заряд.
Было обнаружено гораздо позже, что эта «жидкость» была фактически составлена из чрезвычайно маленьких кусочков материи, называемых электронами, названных так в честь древнегреческого слова для янтаря: другой материал, проявляющий заряженные свойства при протирании тканью. Эксперимент с тех пор показал, что все объекты состоят из чрезвычайно маленьких «строительных блоков», известных как атомы, и что эти атомы в свою очередь состоят из меньших компонентов, известных как частицы. Три фундаментальные частицы, содержащие большинство атомов, называются протонами, нейтронами и электронами. В то время как большинство атомов имеют комбинацию протонов, нейтронов и электронов, не все атомы имеют нейтроны; примером является изотоп протия (1 H 1) 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 смотреть на них, это могло бы выглядеть примерно так:
Несмотря на то, что каждый атом в куске материала имеет тенденцию удерживаться вместе как единое целое, на самом деле между электронами и кластером протонов и нейтронов, расположенных посередине, действительно много пустого пространства.
Эта грубая модель представляет собой модель элементарного углерода с шестью протонами, шестью нейтронами и шестью электронами. В любом атоме протоны и нейтроны очень тесно связаны друг с другом, что является важным качеством. Плотно связанный скопление протонов и нейтронов в центре атома называется ядром, а число протонов в ядре атома определяет его элементную идентичность: изменяйте количество протонов в ядре атома и вы меняете тип атома, который он есть. Фактически, если бы вы могли удалить три протона из ядра атома свинца, вы достигнете мечты старых алхимиков о производстве атома золота! Тесное связывание протонов в ядре отвечает за устойчивую идентичность химических элементов и провал алхимиков для достижения своей мечты.
Нейтроны гораздо менее влияют на химический характер и идентичность атома, чем протоны, хотя их так же трудно добавить или удалить из ядра, будучи настолько тесно связанными. Если нейтроны будут добавлены или получены, атом будет по-прежнему сохранять ту же химическую идентичность, но его масса немного изменится и может приобретать странные ядерные свойства, такие как радиоактивность.
Однако электроны имеют значительно большую свободу передвижения в атоме, чем протоны или нейтроны. Фактически, их можно выбить из своих позиций (даже оставляя атом целиком!) Гораздо меньше энергии, чем то, что требуется для вытеснения частиц в ядре. Если это произойдет, атом по-прежнему сохраняет свою химическую идентичность, но возникает важный дисбаланс. Электроны и протоны уникальны в том, что они притягиваются друг к другу на расстоянии. Именно это притяжение на расстоянии, которое вызывает притяжение между потертыми объектами, где электроны удаляются от их первоначальных атомов, чтобы находиться вокруг атомов другого объекта.
Электроны склонны отражать другие электроны на расстоянии, как и протоны с другими протонами. Единственная причина, по которой протоны связываются вместе в ядре атома, объясняется гораздо более сильной силой, называемой сильной ядерной силой, которая действует только на очень малых расстояниях. Из-за этого поведения притяжения / отталкивания между отдельными частицами электроны и протоны имеют противоположные электрические заряды. То есть каждый электрон имеет отрицательный заряд, а каждый протон - положительный заряд. В равных количествах внутри атома они противодействуют присутствию друг друга, так что чистый заряд внутри атома равен нулю. Вот почему картина атома углерода имела шесть электронов: сбалансировать электрический заряд шести протонов в ядре. Если электроны уйдут или придут дополнительные электроны, электрический электрический заряд атома будет неуравновешен, оставив атом «заряженным» в целом, заставляя его взаимодействовать с заряженными частицами и другими заряженными атомами поблизости. Нейтроны не привлекаются или не отталкиваются электронами, протонами или даже другими нейтронами и, следовательно, классифицируются как не имеющие никакого заряда.
Процесс поступления или выхода электронов происходит именно тогда, когда некоторые комбинации материалов протираются друг с другом: электроны из атомов одного материала вынуждены трением покидать свои соответствующие атомы и переноситься на атомы другого материала. Другими словами, электроны составляют «жидкость», предложенную Бенджамином Франклином.
Результатом дисбаланса этой «жидкости» (электронов) между объектами называется статическое электричество. Он называется «статическим», потому что смещенные электроны стремятся оставаться неподвижными после перемещения из одного изоляционного материала в другой. В случае воска и шерсти было определено путем дальнейших экспериментов, что электроны в шерсти фактически переносятся на атомы в воске, что совершенно противоположно гипотезе Франклина! В честь того, что Франклин назвал заряд воска «отрицательным», а заряд шерсти «положителен», говорят, что электроны оказывают «отрицательное» зарядное влияние. Таким образом, объект, чьи атомы получили избыток электронов, считается отрицательно заряженным, а объект, чьи атомы не имеют электронов, считается положительно заряженным, что и путано, как могут показаться эти обозначения. К тому времени, когда была обнаружена истинная природа электрической «жидкости», номенклатура электричества Франклина была слишком хорошо установлена, чтобы ее легко изменить, и поэтому она остается и по сей день.
Майкл Фарадей доказал (1832), что статическое электричество было таким же, как у батареи или генератора. Статическое электричество, по большей части, является неприятностью. Черный порошок и бездымный порошок содержат графит для предотвращения воспламенения из-за статического электричества. Это приводит к повреждению чувствительных полупроводниковых схем. Хотя можно производить двигатели с высоким напряжением и низким током, характерные для статического электричества, это неэкономично. Несколько практических применений статического электричества включают ксерографическую печать, электростатический воздушный фильтр и высоковольтный генератор Van de Graaff.
- ОБЗОР:
- Все материалы состоят из крошечных «строительных блоков», известных как атомы.
- Все природные атомы содержат частицы, называемые электронами, протонами и нейтронами, за исключением изотопа протия (1 H 1) водорода.
- Электроны имеют отрицательный (-) электрический заряд.
- Протоны имеют положительный (+) электрический заряд.
- Нейтроны не имеют электрического заряда.
- Электроны могут быть выбиты из атомов намного легче, чем протоны или нейтроны.
- Число протонов в ядре атома определяет его идентичность как уникальный элемент.