Объяснение электрических явлений

В прошлых уроках мы рассмотрели электрические явления, где одним телам передавался заряд от других, как взаимодействовали друг с другом наэлектризованные тела. Также вы уже обладаете знаниями о строении атомов и существовании электрического поля.

Используя эти знания, в данном уроке мы более глубоко рассмотрим физику электрических явлений и объясним, что же в них происходит.

Электрическая нейтральность

Все тела состоят из атомов. Атомы же состоят из протонов, нейтронов и электронов. При этом большое значение для нас имеет число протонов и электронов в атоме, ведь они определяют его заряд. Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. При этом заряд одного протона численно равен заряду одного электрона.

В обычных условиях, число электронов в атоме равно числу протонов. В таком случае положительный заряд всех протонов компенсируется отрицательным зарядом всех электронов. Суммарно выходит, что такой атом будет не иметь никакого заряда — будет электрически нейтральным.

Электрически нейтральное тело — это тело, в котором сумма всех отрицательных зарядов равна по абсолютному значению сумме всех положительных зарядов, и оно в целом не имеет заряда.

{"questions":[{"content":"В электрически нейтральном атоме[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["число протонов равно числу электронов","число протонов больше числа электронов","число протонов меньше числа электронов"],"explanations":["При электрической нейтральности атом не имеет заряда: суммарный положительный заряд протонов компенсирует суммарный отрицательный заряд электронов.","Тогда атом будет иметь положительный заряд.","Тогда атом будет иметь отрицательный заряд."],"answer":[0]}}}]}

Положительно и отрицательно заряженные тела

Но некоторые тела имеют некоторый электрический заряд. В чем же суть, если изначально все атомы электрически нейтральны?

Электрически нейтральное тело получит отрицательный заряд, если получит дополнительные электроны от какого-нибудь другого тела. Тогда количество электронов в нем станет больше количества протонов.

Тело заряжено отрицательно в том случае, если оно обладает избыточным, по сравнению с нормальным, числом электронов.

Соответственно, если нейтральное тело, наоборот, теряет электроны и количество протонов в нем становится больше количества электронов, то оно обретает положительный заряд.

Тело обладает положительным зарядом, если у него недостаточно электронов.

Получается, что тела электризуются (получают электрический заряд), если они теряют или получают электроны.

Обратите внимание, что электризация происходит за счет изменения числа электронов, а не протонов. Протоны и нейтроны связаны сильнейшими взаимодействиями в ядре. Изменение числа протонов приводит к образованию атома нового химического элемента.

{"questions":[{"content":"Если изначально нейтральное тело получило дополнительные электроны при его электризации, то оно [[choice-10]]","widgets":{"choice-10":{"type":"choice","options":["осталось электрически нейтральным","обладает отрицательным зарядом","обладает положительным зарядом"],"explanations":["В таком теле после электризации число электронов стало больше числа протонов. Оно не может быть электрически нейтральным.","","Чтобы тело стало обладать положительным зарядом, оно должно потерять, а не получить электроны."],"answer":[1]}}}]}

Потеря и приобретение веществами дополнительных электронов

Рассмотрим еще раз опыт с электризацией палочек о шелк и мех (рисунок 1).

Потерев стеклянную палочку о шелк, палочка обретает положительный заряд (рисунок 1, а). Значит, она теряет электроны.

Куда они деваются? Дело в том, что при трении электроны переходят со стеклянной палочки на шелк. В итоге, шелк обладает избыточным количеством электронов. Он обретает отрицательный заряд.

Теперь возьмем изначально нейтральную эбонитовую палочку и потрем ее о мех (рисунок 1, б). Она получит отрицательный заряд, а мех — положительный.

Объясняется это так же тем, что в ходе трения электроны переходят с меха на палочку. В итоге, на эбонитовой палочке образуется избыток электронов, а на мехе — их недостаток.

Почему при трении электроны переходят со стеклянной палочки на шелк и с меха на эбонитовую палочку, а не наоборот? Дело в том, что при взаимодействии двух тел из разных веществ электроны теряет то вещество, в котором силы притяжения электронов к ядру атомов меньше. Они переходят к тому веществу, в котором эти силы больше.

{"questions":[{"content":"Если при трении стеклянной палочки о шелк палочка обретает отрицательный заряд, то это говорит нам о том, что[[choice-15]]","widgets":{"choice-15":{"type":"choice","options":["сила притяжения электронов к ядру атомов в стекле больше этой же силы в шелке","сила притяжения электронов к ядру атомов в шелке больше этой же силы в стекле","силы притяжения электронов к ядру атомов в шелке и стекле одинаковы"],"explanations":["","Если бы это было так, то тогда электроны перешли бы с палочки на шелк. Шелк бы обрел отрицательный заряд.","Тогда бы не произошло электризации."],"answer":[0]}}}]}

Закон сохранения электрического заряда

Если мы количественно определим заряды, которые в предыдущих опытах обретают мех и эбонитовая палочка (или шелк и стеклянная палочка), то увидим, что они равны. 

Это логично, ведь сколько электронов ушло с меха, столько и получила эбонитовая палочка. Получается, что заряд не создается из ничего. Он был и изначально (просто суммарно в атоме был равен нулю), а после трения — разделился другим образом между телами.

Другие эксперименты только подтверждают этот факт. Так, при электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда.

Закон сохранения электрического заряда:
алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной при любых взаимодействиях в замкнутой системе:
$q_1 + q_2 + q_3 + … + q_n = const$,
где $q$ — электрический заряд.

Обратите внимание! Этот закон выполняется только в замкнутой системе. Что это означает?

Замкнутая система — это такая система, в которую не входят извне и не выходят наружу никакие электрические заряды.

{"questions":[{"content":"Замкнутая система состоит из эбонитовой палочки и меха. После электризации этих тел путем трении палочки о ткань, суммарный заряд системы[[choice-23]]","widgets":{"choice-23":{"type":"choice","options":["сохраняется","увеличивается","уменьшается"],"explanations":["По закону сохранения электрического заряда он остается неизменным.","",""],"answer":[0]}}}]}

Свободные электроны

А какие именно электроны теряют вещества?

Снова вернемся к строению атома. В различных атомах электроны находятся на разных расстояниях от ядра. Взгляните, например на атом лития (рисунок 2).

Электроны, которые дальше находятся от ядра, слабее притягиваются к нему. Те, что находятся ближе к ядру, притягиваются сильнее. Особенно слабо удерживаются удаленные электроны в металлах.

Получается, что в металлах происходит следующее:
наиболее удаленные от ядра электроны могут покидать свое место и свободно двигаться между атомами этого вещества.

Такие электроны называют свободными. Зафиксируем это новое определение.

Свободные электроны — это электроны, которые покинули свое место в атоме, и свободно перемещаются между другими атомами вещества.

Ранее вы уже слышали о делении веществ на проводники и непроводники (диэлектрики). А сейчас мы докопались до их сути. Их природу определяет наличие или отсутствие именно свободных электронов. В проводниках они есть, а в диэлектриках — нет. Подробнее об этом мы поговорим в следующем уроке.

{"questions":[{"content":"Соотнесите тип вещества и его характеристику.[[matcher-27]]","widgets":{"matcher-27":{"type":"matcher","labels":["Проводник","Диэлектрик"],"items":["Есть свободные электроны","Нет свободных электронов","Есть свободные протоны"]}},"hints":["Ни в проводниках, ни в диэлектриках не бывает никаких \"свободных протонов\"."]}]}

Передача электрического заряда

Проверим вышесказанное о проводниках. Если в них есть свободные электроны, то они могут переносить (передавать) электрических заряд.

Проведем опыт. Возьмем два электроскопа. Одних из них оставим незаряженным, а второй зарядим отрицательно. Соединим их с помощью металлического стержня (рисунок 3). Он будет являться проводником.

Мы увидим, что второй электроскоп тоже зарядился отрицательно.

Давайте объясним, как это произошло. В стержне есть свободные электроны. Когда мы соединяем его с электроскопами, они оказываются в электрическом поле заряженного электроскопа.

В итоге, эти свободные электроны придут в движение. Они направляются в сторону незаряженного электроскопа. Почему в его сторону? Заряженный электроскоп имеет отрицательный заряд и электроны тоже. Они отталкиваются и двигаются от него в единственное противоположное направление — в сторону незаряженного электроскопа. В результате и этот электроскоп обретает отрицательный заряд.

{"questions":[{"content":"Электрический заряд переносится от одного тела к другому[[choice-31]]","widgets":{"choice-31":{"type":"choice","options":["свободными электронами","атомами вещества","протонами"],"explanations":["","При переносе заряда вещество не распадается на атомы.","Протоны остаются в ядрах атомов."],"answer":[0]}}}]}

Притяжение наэлектризованных тел к ненаэлектризованным

Объясним еще одно электрическое явление. Мы говорили о том, что электрическое поле действует только на тела, которые имеют заряд. Но, если мы поднесем заряженную стеклянную палочку к изначально нейтральной гильзе из металлической фольги, то она будет притягиваться. Почему?

Рассмотрим это явление поэтапно (рисунок 3).

Гильза сделана из металла. Это означает, что в ней есть свободные электроны. Как только гильза окажется в электрическом поле палочки, на эти электроны будет действовать электрическая сила. Они придут в движение.

Наша палочка заряжена положительно. Свободные электроны гильзы перейдут на тот ее конец, который ближе к палочке (рисунок 3, а). Теперь этот конец гильзы заряжен отрицательно.

Соответственно, на другом конце гильзы образуется недостаток электронов. Другая сторона окажется заряжена положительно.

Отрицательно заряженный край гильзы притянется к положительно заряженной палочке (разноименные заряды притягиваются). Гильза коснется палочки. При этом часть свободных электронов перейдет с нее на палочку (рисунок 3, б).

Потеряв электроны, гильза оказывается положительно заряженной (рисунок 3, в).

{"questions":[{"content":"Если к электрически нейтральному металлическому телу поднести заряженную палочку, то [[choice-43]]","widgets":{"choice-43":{"type":"choice","options":["электрическое поле палочки приведет в движение свободные электроны в теле","электрическое поле палочки никак не подействует на тело","тело оттолкнется от палочки или притянется, но его электризации не произойдет"],"answer":[0]}}}]}

Деление электрического заряда между телами

Посмотрим, как разделяется электрический заряд между двумя телами.

Проделаем простой опыт. Снова возьмем два одинаковых электроскопа. Один из них зарядим. Соединим их металлическим стержнем (рисунок 4).

После их соединения, мы увидим, что второй электроскоп зарядился. Половина заряда перешла на второй электроскоп. Первоначальный заряд поделился на две равные части.

Но что будет с зарядом, если электроскопы будут неодинаковые? Например, шар незаряженного электроскопа будет больше, чем шар первого.

Опыты показывают, что в таком случае на шар незаряженного электроскопа перейдет больше, чем половина заряда.

Чем больше тело, которому передают заряд, тем большая часть заряда на него перейдет.

Слышали о заземлении? Оно основано как раз на вышесказанном факте. Соединив заряженное тело с землей, почти весь его заряд передается земному шару. Происходит это потому, что Земля очень велика по сравнению с другими телами, находящимися на ней. Так заземленное тело практически становится электрически нейтральным.

{"questions":[{"content":"У нас есть некое заряженное тело. Если оно передаст заряд второму телу, имеющему меньшие размеры, то будет передана[[choice-46]]","widgets":{"choice-46":{"type":"choice","options":["меньшая часть заряда","большая часть заряда","половина заряда"],"explanations":["","Так будет в случае, если второе тело больше первого.","Так будет в случае, если тела одинаковы."],"answer":[0]}}}]}

Упражнения

Упражнение №1
Почему можно наэлектризовать трением эбонитовую палочку, держа ее в руке, а металлический стержень нельзя?

Эбонит считается диэлектриком, электроны притягиваются к ядрам атомов с большой силой. Получив избыточные электроны при электризации, эбонит удерживает и их.

Металлический стержень — проводник. Даже если он получит дополнительные электроны, часть их будет спокойно перемещаться и перейдет на наше тело.

Упражнение №2
При наливании бензина корпус бензовоза при помощи металлического проводника обязательно соединяют с землей. Зачем это делают?

Дело в том, что на металлическом корпусе бензовоза может скапливаться определенный заряд (статическое электричество). Он может спровоцировать появление искры, что крайне взрывоопасно в сочетании с бензином и его парами.

Соединяя корпус бензовоза с землей, его заземляют. Заряд с корпуса уходит в землю и становится электрически нейтральным, появление искры невозможно.

Упражнение №3
Пластмассовая линейка, потертая шерстяной тканью, получила отрицательный заряд. Избыток или недостаток электронов образовался на ткани?

Если линейка получила дополнительные электроны, значит, по закону сохранения заряда, эти электроны потеряла ткань. Т.е., при электризации линейки электроны с ткани перешли на нее. Получается, что на ткани образовался недостаток электронов. Ткань обрела положительный заряд.