Явление статического электричества

На дворе  — XVI век. Важная фигура медицины того времени, британский врач Уильям Гильберт, впечатленный эффектом намагниченного железа на организм при приеме оного внутрь, отложил в долгий ящик свое увлечение химией и решил усиленно приняться за изучение явления магнетизма. Как говорится: и тут понеслось…

Когда мы отдельного вели разговор об электроне в течение прошлого урока, связующего звена между средневековым «хм, некоторые предметы могут притягивать к себе прочие предметы, интересно, но не настолько, чтобы это изучать» и полной капитуляцией науки перед важностью электрических проявлений мы не ввели. Лишь упомянули, что постепенно люди науки начинали осознавать значительность электричества в природе.

Стоило ее им в полной мере осознать, как на человечество хлынул поток невероятных открытий. Это последствии привело нас к атомным электростанциям, холодильникам, электро-отверткам и поющим открыткам на день рождения.

Как начиналось изучение электростатики

Как раз таки мостиком, тем самым связующим звеном, благодаря которому электрические явления наконец начали воспринимать всерьез, и стал мистер Гильберт. До него почти никому не приходило в голову, что «эффект янтаря» имеет мало что общего с механизмом действия магнита, а является вполне себе отдельным физическим явлением.

Ну, стоит тогда раскрыть карты и про янтарь. Гильберт в ходе своих исследований не только провел водораздел между магнетизмом и электрическом, но и вообще-то именно он ввел в науку само понятие ‘electricus’ — «подобный янтарю», как более фундаментальный термин для описания всего того, что имеет отношение к янтарю с точки зрения электростатики или схоже с ним по характеру действия. Верно: слово «электричество» —дело рук Гильберта.

Единственное, в чем «прогадал» ученый, — в универсальности описываемого им «эффекта янтаря».

Опытным путем он определил ряд материалов, помимо янтаря, что так же были способны притягивать небольшие предметы при натирании. Например: стекло, алмаз, сера, сапфир и прочее. Он дал им название «электрические тела». В дополнение к этому, Гильберт постарался предоставить объяснение происходящему, введя дополнительный термин «эффлувиум» (лат. ‘effluvium’ — «отток», «утечка»).

• Трение. За счет трения с «электрических тел» удалялся этот так называемый «эффлувиум».

• Возникновение сил. Притяжение между объектами возникало из-за того, что снятый трением «эффлувиум» стремился вернуться с другого тела на поверхность первородного «электрического тела».

Так в чем же прогадал Гильберт?

В том, что «эффлувиум» (по сути в виду ученым под «эффлувиумом» имелся электрон) обитает внутри абсолютно каждого тела — не только внутри выведенных им эмпирически «электрических тел». Со временем оказалось, что «эффект янтаря» — намного более универсальное явление, которое в современной науке получило совокупное название «электростатика». Не янтарем единым. Просто не всякое тело готово легко делиться своим «эффлувиумом». Или его «впитывать».

Электрическая проводимость

Прежде, чем обсудить гильбертовский «эффлувиум» в современном прочтении, нам понадобится нижеследующее определение:

Электропроводность — способность тела пропускать через себя электрический ток. Высокая электропроводность означает, что предмет минимально препятствует прохождению через него электрического заряда.

От чего зависит проводимость?

Сравним меж собой атомы двух разных химических элементов — углерода и серебра. Осмотрите ниже в парном варианте схематичное расположение субатомных частиц и попробуйте предварительно, может, даже интуитивно ответить на вопрос: «Если отталкиваться от вышеуказанного определения электропроводности, какой из этих двух атомов будет легче пропускать через себя поток электронов?»

{"questions":[{"content":"Обоснование не требуется — оно будет далее. Ответьте, просто опираясь на изображение выше: лучше «ток» проводит серебро или углерод? [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Серебро","Углерод"],"explanations":["<i>Предположение верно. Объяснение — по тексту ниже. Но раз вам удалось правильно предположить, что серебро легче справляется с потоком электронов, подумайте самостоятельно <b>почему</b>, а после сравните свои гипотезы с теоретическим обоснованием в уроке.</i>","<i>Нет, не углерод.</i><br /><br /><i>Обратите внимание на расположение электронов вокруг ядра серебра и попробуйте выдвинуть предположение, почему углерод хуже проводит электричество. Ответ будет по тексту далее.</i>"],"answer":[0]}}}]}

Внутри атома углерода располагается шесть электронов, внутри же атома серебра находится целых сорок семь. Но дело здесь не в количестве электронов, а в качестве их расположения. Давайте вспомним, что в упрощенной модели атома считается, что электроны заполняют собой пространство электронной оболочки, образуя при этом уровни. Вообще, атомарные уровни можно представить в виде этакого браслета, на который крепятся бусинки. Бесконечно вдевать бусинки не выйдет — у браслета есть предел вместимости.

Внутри разных атомов располагаются разные количества «браслетов». У атома углерода, например, таких «браслетов» два, у серебра — пять. Еще раз внимание на изображения выше: на схематичном представлении атомов энергетические уровни изображены концентрическими окружностями.

Справка. Номер периода

Количество энергетических уровней соответствует номеру периода в периодической системе. К примеру, у атомов элементов, принадлежащих к первому периоду, один электронный уровень. У атомов элементов четвертого периода — четыре уровня, и так далее.

Перед вами — фрагмент периодической системы. Стрелка, идущая вниз, отсчитывает периоды, в порядке возрастания. Атом водорода (H) располагается в первом периоде. Атом магния (Mg) — в третьем периоде. Атом кальция (Ca) — в четвертом периоде.

{"questions":[{"content":"Вернитесь к фрагменту периодической системы в блоке «Справка» и осмотрите местоположение натрия (Na) под одиннадцатым номером. Сколько <b>энергетических уровней</b> у атома натрия? [[input-1]]","widgets":{"input-1":{"type":"input","answer":["3","три"]}}}]}

Предельное количество «бусинок», то есть электронов, которое может поместиться на «браслете» (уровне), определяется следующим соотношением:

$$e_{max} = 2n^2,$$

где $e_{max}$ — максимальное количество электронов, $n$ — номер уровня.

Раз у нас есть информация о том, сколько уровней имеет и углерод (два), и серебро (пять), мы можем на основе формулы подсчитать максимальную вместимость каждого уровня. Воспользуемся формулой и рассчитаем завершенность энергетических уровней для наших элементов.

Число максимальной вместимости не означает, что уровень обязательно завершен. К слову, на крайнем уровне атома в нейтральном состоянии редко бывает вообще больше восьми электронов, и это при огромной вместимости, к примеру, как у серебра — при пятидесяти посадочных местах на самом деле занято только одно.

Количество электронов в атоме редко бывает настолько гармонично, что каждый уровень заполняется предельным количеством электронов. Да и жить, знаете ли, было бы чересчур скучно: когда каждый атом «нафарширован» по полной, ему тяжело принимать электроны или делиться ими — все в домике и никто никуда не хочет уходить.

{"questions":[{"content":"Тантал (Ta) — элемент в периодической системе под номером 73. Он располагается в <b>6-ом</b> периоде. Установите ниже соответствия между номером энергетического уровня и гипотетической максимальной электронной вместимостью каждого. Формула $e_{max}$ в помощь!  [[matcher-1]]","widgets":{"matcher-1":{"type":"matcher","labels":["Первый уровень","Второй уровень","Третий уровень","Четвертый уровень","Пятый уровень","Шестой уровень"],"items":["2","8","18","32","50","72"]}},"hints":["Для того чтобы вычислить максимальную электронную вместимость, нужно воспользоваться формулой $e_{max}=2n^2$, где $n$ — номер уровня."]}]}

Валентные уровни

Совсем другое дело, когда энергетический уровень заполнен частично. А еще интереснее, когда такой частично заполненный уровень расположен как можно дальше от ядра.

Ядро, как мы помним, заряжено положительно за счет нахождения в нем протонов, а электроны являются носителем отрицательного заряда. Плюс на минус, — вот и выходит, что ядро электроны «держит» — притягивает к себе. Но, естественно, чем дальше от протонов «летают» электроны, тем тяжелее становится протонам удерживать их внутри оболочки.

Кстати, о крайнем энергетическом уровне. Он настолько важная составляющая атома, что за этим уровнем даже зарезервировано отдельное название — валентный (от лат. ‘valentia’ — «сила».). Ведь именно находящиеся на нем электроны летают, прилетают, перемещаются, двигаются, присоединяются и отсоединяются. Они самые подвижные и энергетически мощные «ребята», отсюда и название.

Логично будет определить электроны, обитающие на подобном уровне:

Валентные электроны — электроны, располагающиеся на внешней оболочке атома.

Справка. Номер группы

Количество валентных электронов соответствует номеру группы, в которой располагается элемент. Например, элементы первой группы имеют по одному валентному электрону на внешнем уровне; элементы второй группы имеют по два валентных электрона, элементы 13-ой группы по три, 14-ой группы — по четыре, 15-ой — по пять, и так далее.

Вновь перед вами — фрагмент периодической системы. Только на этот раз нам нужна стрелка, проведенная горизонтально, не вертикально, как это было в случае с номером периода. Отсчет также ведется в порядке возрастания — от меньшего к большему. В общем-то в переводе на язык таблиц, группы — это столбцы. Соответственно, периоды — это строки. К примеру, атом магния (Mg) располагается во второй группе: у него два валентных электрона.

⚠️ У многих в голове, скорее всего, возник естественный вопрос: куда делись группы с третьей по двенадцатую в объяснении?

К сожалению, определение валентных электронов не всегда так прозаично, например, как с магнием. Существуют еще так называемые «переходные металлы» — именно они располагаются с 3-ей по 12-ую группу. В них валентные электроны ведут себя особым образом: обо всем этом подробнее вы узнаете в курсе химии. Сейчас ваша основная задача — не столько определять количество валентных электронов, сколько понимать, что стоит за этим термином. Пример с магнием дан в ознакомительных целях.

Заполнение уровней электронами

Теперь сведем все воедино. У нас есть количество электронов для каждого элемента, информация о том, сколькими уровнями они обладают и вдобавок сколько максимально на каждом уровне разместится электронов. Для справки, в серебре — один валентный электрон. Заполнение уровней, следовательно, выглядит следующим образом:

Что мы видим интересного:

• у углерода четыре валентных электрона, располагающихся на втором энергетическом уровне;
• второй энергетический уровень, он же валентный, расположен ближе к ядру и, как следствие, электроны «удерживаются крепче»;
• для серебра валентный уровень — пятый, расстояние до ядра по атомным меркам немаленькое.
• к тому же, при вместимости пятидесяти электронов, на валентном уровне серебра располагается всего-то один электрон.

Принудительное сообщение электронов атомам

Выводы напрашиваются автоматически. Представьте, что у нас получилось дополнительно «набить» кусочек серебра группой свободных электронов. Как думаете, что произойдет с электронами, попади они в атомную структуру предмета? Немудрено: они начнут «летать» внутри него, беспрепятственно размещаясь на слабо заполненных валентных уровнях. «Посадочных мест», в конце концов, много, и все так или иначе однородно разбредутся по всей структуре вещества.

С другой стороны имеем углерод, кардинально отличающийся по формации от серебра. Если провести аналогию с транспортными средствами, серебро, выходит, — это полупустой двухэтажный огромный автобус, в то время как углерод — компактный электромобиль-купе.

Продолжим виток размышлений. Пусть нам также удалось некоторую концентрацию атомов углерода «набить» дополнительными свободными электронами. Неохотно и лениво, они «рассядутся» по свободным местам в неуютные «электромобили», на самом верху, а продвигаться глубже в структуру вещества не станут. Это же не серебро, где равномерным образом каждый атом рад и счастлив новому «пассажиру».

И да, электронам только дай повод, они с удовольствием «улетят» от углерода подальше, где «посадочных мест» будет побольше.

{"questions":[{"content":"Подытожим основные свойства <b>валентных</b> электронов, точно так же, как мы урок назад резюмировали свойства электронов в целом. Ниже представлены утверждения, <i>четыре</i> из которых описывают поведение валентных электронов. Три утверждения — лишние. Вспомните содержание раздела и разгруппируйте утверждения согласно ниже представленным категориям. <br /><br /><b>Небольшая подсказка</b>: <i>одно из утверждений упоминалось в конце раздела «Электрическая проводимость»</i>.  [[grouper-1]]","widgets":{"grouper-1":{"type":"grouper","labels":["❌ Не относится к к валентным электронам","✅ Относится к валентным электронам"],"items":[["Расположены максимально близко к ядру","Для ряда элементов определяются по номеру периода в периодической системе","Максимальное количество валентных электронов определяется порядковым номером"],["Расположены на внешней энергетической оболочке атома","Обладают большей мобильностью, чем электроны на прочих энергетических уровнях","Максимальное количество в атоме — не более восьми","Для ряда элементов определяются по номеру группы в периодической системе"]]}},"step":1,"hints":["Утверждение, что <i>номер периода</i> и количество валентных электронов связно, звучит странно...","Никто не запрещает электронам находиться близко к ядру, но насколько это имеет отношение к <i>валентным электронам</i>?","С предыдущего урока мы помним, что порядковый номер сообщает <b>общее</b> количество электронов."]}]}

Изоляторы в электростатике

Технически, при должной внимательности и понимании вышеизложенной теории электропроводимости вы могли только что самостоятельно догадаться, каким образом предположительно рождается явление статического электричества.

Вывод номер один сейчас: серебро намного лучше справится с потоком электронов, чем углерод. Следовательно, серебро обладает большей электропроводимостью.

Поэтому серебро, ровно так же, как и алюминий, медь, золото, железо, принято называть проводниками —  веществами, хорошо проводящими электрический заряд. Вещества наподобие углерода — например, сера или кислород, — называют изоляторами, поскольку последние плохо справляются с задачей проведения электрического заряда. Подробнее о том, какие существуют типы веществ и что за импликации это несет, вы узнаете чуть позже.

Пока поразительно вот что: в классической электростатической паре «янтарь—шерсть», той, с которой мы в принципе открыли раздел введения в электрические процессы, оба элемента являются… изоляторами!

Объяснение изолирующих свойств

Изолирующие свойства янтаря обуславливаются высоким содержанием в нем углерода; шерсть и волосы же состоят из кератина, который богат водородом, кислородом, серой и так же углеродом, что тоже наделяет их изолирующими свойствами. Итого, два изолятора при физическом контакте «сообщаются» — между ними происходит электронный обмен, — а переданные одним телом другому электроны «застревают» на поверхности. С другой стороны, имеем положительно заряженное тело: то, которое отдало электроны.

К сожалению, человечество пока до конца не знает, каким образом происходит «обмен» электронами при электрификации тел трением, — это одна из загадок всего раздела электричества, — но гипотетически описать происходящее мы в силах. Давайте попробуем на увиденном примере кошачьей шерсти и янтаря:

1. Поверхность янтаря находится в плотном прилегании с поверхностью шерсти котика. При трении температура обоих тел повышается, помимо этого имеет место явление микро-деформации, как при всяком трении.  
2. Деформация на пару с повышением температуры энергетически «разгоняют» электроны на поверхности.
3. В зависимости от того, какое из тел имеет «больший аппетит» к электронам, туда «потревоженные» электроны и переместятся.

Возвращаясь к разговору о паре «янтарь-шерсть», практические эксперименты показывают, что электроны при взаимодействии тел перемещаются с шерсти на янтарь — последний из-за переизбытка электронов получает отрицательный заряд; шерсть приобретает из-за недостатка электронов положительный заряд (пока что к слову «заряд» мы относимся как к концентрации атомов с переизбытком электронов — отрицательный заряд — или с недостатком электронов — положительный заряд; подробнее о зарядах вы узнаете совсем скоро).

{"questions":[{"content":"Представим, что электростатика — это тортик, который нам нужно приготовить с нуля. Какие «ингредиенты» обязательно понадобятся для этого? [[grouper-1]]","widgets":{"grouper-1":{"type":"grouper","labels":["В электростатические явления обязательно входят:","Это лишнее"],"items":[["Взаимодействие тел, веществ или материалов","Изоляторы","Перемещение электронов"],["Проводники","Источник тока"]]}}}]}

Выводы

Статическое электричество называется статическим потому, что электронный обмен между двумя телами условно ни к чему не приводит — тело, получившее заряд, мирно его хранит, как в сберегательной ячейке. Движения заряда не происходит: он статично обитает на поверхности тела, в виде избытка или недостатка электронов, До тех пор, пока не возникает возможность «обналичить капитал» электронов.

Как мы выяснили ранее, обитать статично заряд может только на поверхности тел, которые обладают низкой электропроводимостью. Говоря в целом, скопление заряда на телах с изолирующими свойствами обусловлено инертным поведением электронов в оболочках атомов. Валентные уровни изоляторов близки к ядру и к тому же хотя бы наполовину, но заполнены.

И третий важный аспект, который неизбежно связан с электростатикой, — это трение. Безусловно, трение в том виде и в той форме, что мы принимаем за точку отсчета, больше имеет отношение к физике твердых тел. Электростатические же явления более разносторонни и не ограничиваются твердыми телами, а-ля, эбонит, янтарь и тому подобное. К примеру, молния. Никаких твердых тел, а разряд — колоссальный. Поэтому электризация трением твердых тел выделяется в отдельную ветку под названием трибоэлектричество (с древнегреческого ‘τρίβω’, ‘tribo’, в переводе — «тереть»).

Однако не будем забывать, что электростатика — один из самых неизученных разделов науки, под стать квантовой механике, и это несмотря на то, что электростатические явления осязаемы и наблюдаемы, как в природе, так и в быту. Теорий много, все разные, многие друг другу противоречат, а вопросы неизбежно остаются без ответа.

Только все больше ученых на данный момент склоняются к тому, что электростатика едина, и все эти чудаковатые подразделы на трибоэлектричество, пироэлектричество и другое — одно и то же, просто разными словами.

Все-таки оставим эти бесконечно запутанные лабиринты тем, кто профильно изучает электростатику. Лично мы изучаем ее лишь для того, чтобы далее в курсе электрических процессов понять: электричество, то самое — проводное-розеточное, рукотворно и вдохновлено природой. Заряд и его движение есть природа.

А мы научились ей управлять.