חשמול של גופים, אינטראקציה של מטענים

במאמר זה ננסה להציג רעיון כללי למדי של מהי חשמול של גופים, וכן ניגע בחוק שימור המטען החשמלי.

לא משנה אם מקור אנרגיה חשמלית זה או אחר פועל לפי העיקרון, כל אחד מהם מתרחש חשמול של גופים פיזיקליים, כלומר, הפרדת המטענים החשמליים המצויים במקור האנרגיה החשמלית וריכוזם במקומות מסוימים, למשל, על האלקטרודות או המסופים של המקור. כתוצאה מתהליך זה מתקבל עודף של מטענים שליליים (אלקטרונים) במסוף אחד של מקור האנרגיה החשמלית (קתודה), ומחסור באלקטרונים במסוף השני (אנודה), כלומר. הראשון שבהם טעון בחשמל שלילי, והשני בחשמל חיובי.

לאחר גילוי האלקטרון, החלקיק היסודי בעל מטען מינימלי, לאחר שהוסבר לבסוף מבנה האטום, הפכו גם רוב התופעות הפיזיקליות הקשורות לחשמל להסבר.

החומר החומרי המרכיב את הגופים נמצא בדרך כלל נייטרלי מבחינה חשמלית, שכן המולקולות והאטומים המרכיבים את הגוף הם ניטרליים בתנאים רגילים, וכתוצאה מכך לגופים אין מטען. אבל אם גוף נייטרלי כזה מתחכך בגוף אחר, אז חלק מהאלקטרונים יעזבו את האטומים שלהם ויעברו מגוף אחד למשנהו. אורך הנתיבים שעוברים האלקטרונים הללו במהלך תנועה כזו אינו עולה על המרחק בין אטומים שכנים.

עם זאת, אם לאחר החיכוך הגופים נפרדים, מתרחקים, אז שני הגופים יחויבו. הגוף שאליו עברו האלקטרונים יהפוך למטען שלילי, ומי שתרם אלקטרונים אלה יקבל מטען חיובי, יהפוך למטען חיובי. זה חשמול.

נניח שבגוף פיזי כלשהו, ​​למשל בזכוכית, ניתן היה להסיר חלק מהאלקטרונים שלהם ממספר לא מבוטל של אטומים. המשמעות היא שהזכוכית, שאיבדה חלק מהאלקטרונים שלה, תיטען בחשמל חיובי, כי בה זכו המטענים החיוביים ליתרון על פני השליליים.

האלקטרונים שהוצאו מהזכוכית אינם יכולים להיעלם ויש לשים אותם במקום כלשהו. נניח שלאחר הוצאת האלקטרונים מהזכוכית, מניחים אותם על כדור מתכת. ברור אם כן שכדור המתכת שמקבל אלקטרונים נוספים נטען בחשמל שלילי, שכן בו ניתנים עדיפות למטענים שליליים על פני חיוביים.

לחשמל את הגוף הפיזי - פירושו ליצור בו עודף או חוסר באלקטרונים, כלומר. להפר את האיזון של שני הפכים בו, כלומר מטענים חיוביים ושליליים.

לחשמל שני גופים פיזיקליים בו זמנית וביחד עם מטענים חשמליים שונים - פירושו למשוך אלקטרונים מגוף אחד ולהעביר אותם לגוף אחר.

אם נוצר מטען חשמלי חיובי איפשהו בטבע, אזי מטען שלילי באותו ערך מוחלט חייב להיווצר בו-זמנית איתו, שכן כל עודף של אלקטרונים בכל גוף פיזי נוצר עקב היעדרם בגוף פיזי אחר כלשהו.

המטענים החשמליים השונים מופיעים בתופעות חשמליות כניגודים נלווים תמיד, שהאחדות והאינטראקציה ביניהם מהווים את התוכן הפנימי של תופעות חשמליות בחומרים.

גופים ניטרליים מתחשמלים כאשר הם נותנים או מקבלים אלקטרונים, בכל מקרה הם רוכשים מטען חשמלי ומפסיקים להיות ניטרליים. כאן המטענים החשמליים לא נובעים משום מקום, המטענים רק מופרדים, כי האלקטרונים כבר היו בגופים ופשוט שינו את מיקומם, האלקטרונים עוברים מגוף מחושמל אחד לגוף מחושמל אחר.

סימן המטען החשמלי הנובע מחיכוך הגופים תלוי באופי הגופים הללו, במצב פני השטח שלהם ובמספר סיבות נוספות. לכן, לא נשללת האפשרות שאותו גוף פיזי במקרה אחד טעון בחשמל חיובי ובמקרה אחר בחשמל שלילי, למשל, מתכות כשהן משפשפות בזכוכית ובצמר מתחשמלות לשלילה, וכאשר מתחככות בהן. גוּמִי - באופן חיובי.

שאלה מתאימה תהיה: מדוע מטען חשמלי אינו זורם דרך דיאלקטריות אלא דרך מתכות? העניין הוא שבדיאלקטריות כל האלקטרונים קשורים לגרעיני האטומים שלהם, פשוט אין להם את היכולת לנוע בחופשיות בכל הגוף.

אבל במתכות המצב שונה. קשרי אלקטרונים באטומי מתכת חלשים הרבה יותר מאשר בדיאלקטרים, וכמה אלקטרונים עוזבים בקלות את האטומים שלהם ונעים בחופשיות בכל הגוף, אלו הם מה שנקרא אלקטרונים חופשיים המספקים העברת מטען בחוטים.

הפרדת מטענים מתרחשת הן במהלך חיכוך של גופים מתכתיים והן במהלך חיכוך של דיאלקטריים. אבל בהדגמות משתמשים בדיאלקטריה: אבוניט, ענבר, זכוכית. נקטו בכך מהסיבה הפשוטה שמכיוון שהמטענים אינם נעים בנפח בדיאלקטריה, הם נשארים באותם מקומות על פני הגופים שמהם הם צמחו.

ואם על ידי חיכוך, נניח, עבור הפרווה, חתיכת מתכת מתחשמלת, אז המטען, שרק יש לו זמן לנוע אל פני השטח שלו, יתנקז מיידית אל גופו של הנסיין, והדגמה, למשל, עם דיאלקטרי, לא יעבוד. אבל אם חתיכת מתכת מבודדת מידיו של הנסיין, היא תישאר על המתכת.

אם מטען הגופות משתחרר רק בתהליך של חשמול, אז איך מתנהג המטען הכולל שלהם? ניסויים פשוטים מספקים תשובה לשאלה זו. לוקחים אלקטרומטר עם דיסק מתכת המחובר למוט שלו, הניחו פיסת בד צמר מעל הדיסק, בגודל של אותה דיסק. על גבי דיסק הרקמה מניחים דיסק מוליך נוסף, זהה למוט האלקטרומטר, אך מצויד בידית דיאלקטרית.

אוחז בידית, הנסיין מזיז את הדסקית העליונה מספר פעמים, משפשף אותה בדיסק הרקמה המונחת על הדיסק של מוט האלקטרומטר, ואז מרחיק אותה מהאלקטרומטר. המחט של האלקטרומטר מוסטת כאשר הדיסק מוסר ונשארת במצב זה. זה מצביע על כך שהתפתח מטען חשמלי על בד הצמר ועל הדיסק המחובר למוט האלקטרומטר.

לאחר מכן מביאים את הדיסק עם הידית למגע עם האלקטרומטר השני, אך ללא הדיסק המחובר אליו, ונראה שהמחט שלו מוסטת כמעט באותה זווית כמו המחט של האלקטרומטר הראשון.

הניסוי מראה ששני הדיסקים במהלך החשמול קיבלו מטענים של אותו מודול. אבל מה הם הסימנים להאשמות אלו? כדי לענות על שאלה זו, אלקטרומטרים מחוברים באמצעות חוט. המחטים של האלקטרומטר יחזרו מיד למצב האפס כל אחת בה היו לפני תחילת הניסוי. המטען נוטרל, כלומר המטענים על הדיסקים היו שווים בגודלם אך מנוגדים בסימן, ובסך הכל נתנו אפס, כמו לפני תחילת הניסוי.

ניסויים דומים מראים שבמהלך החשמול נשמר המטען הכולל של הגופים, כלומר אם הכמות הכוללת הייתה אפס לפני החשמול אז הכמות הכוללת תהיה אפס לאחר החשמול... אבל למה זה קורה? אם תשפשפו מקל הובנה על בד, הוא יהפוך למטען שלילי והבד יטען חיובי, וזו עובדה ידועה. עודף של אלקטרונים נוצר על אבוניט כאשר משפשפים אותו על צמר, וגרעון מקביל על הבד.

המטענים יהיו שווים במודולוס, כי כמה אלקטרונים עברו מהבד לאבוניט, האבוניט קיבל מטען שלילי כזה, ועל הבד נוצרה אותה כמות של מטען חיובי, כי האלקטרונים שיצאו מהבד. בד הם המטען החיובי על הבד. ועודף האלקטרונים על האבוניט שווה בדיוק לחוסר האלקטרונים על הבד. המטענים מנוגדים בסימן אך שווים בגודלם. ברור, טעינה מלאה נשמרת במהלך חשמול; זה שווה לאפס בסך הכל.

יתרה מכך, גם אם הטעינות בשני הגופים היו לא אפס לפני החשמול, הטעינה הכוללת עדיין זהה לזו שלפני החשמול. לאחר שציינו את המטענים של הגופים לפני האינטראקציה ביניהם כ-q1 ו-q2, ואת המטענים שאחרי האינטראקציה כ-q1' ו-q2', אזי השוויון הבא יהיה נכון:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

זה מרמז שלכל אינטראקציה של גופים המטען הכולל נשמר תמיד. זהו אחד מחוקי הטבע הבסיסיים, חוק שימור המטען החשמלי. בנג'מין פרנקלין גילה אותו בשנת 1750 והציג את המושגים של "מטען חיובי" ו"מטען שלילי". פרנקלין והציע לציין מטענים מנוגדים עם סימני «-» ו- «+».

בתחום האלקטרוניקה הכללים של קירכהוף כי זרמים נובעים ישירות מחוק שימור המטען החשמלי. השילוב של חוטים ורכיבים אלקטרוניים מיוצג כמערכת פתוחה. זרימת החיובים הכוללת למערכת נתונה שווה לסך ההזרמה של החיובים מאותה מערכת. הכללים של קירכהוף מניחים שמערכת אלקטרונית לא יכולה לשנות באופן משמעותי את הטעינה הכוללת שלה.

למען ההגינות, נציין שהמבחן הניסיוני הטוב ביותר של חוק שימור המטען החשמלי הוא החיפוש אחר דעיכה כזו של חלקיקים אלמנטריים שיתאפשרו במקרה של שימור מטען לא קפדני. ריקבון כזה מעולם לא נצפה בפועל.

דרכים נוספות לחשמל גופים פיזיים:

1. אם צלחת האבץ טבולה בתמיסה של חומצה גופרתית H2SO4, אז היא תתמוסס בה חלקית. חלק מהאטומים על לוח האבץ, שמותירים שניים מהאלקטרונים שלהם על לוח האבץ, ייכנסו לתמיסה עם סדרה של חומצות בצורה של יוני אבץ חיוביים טעונים כפול. כתוצאה מכך, לוחית האבץ תיטען בחשמל שלילי (עודף אלקטרונים) ותמיסת החומצה הגופרתית תיטען בחיוב (עודף יוני אבץ חיובי). תכונה זו משמשת לחשמל אבץ בתמיסת חומצה גופרתית בתא גלווני כתהליך העיקרי של הופעת אנרגיה חשמלית.

2. אם קרני אור נופלות על פני השטח של מתכות כמו אבץ, צסיום ועוד כמה, אזי אלקטרונים חופשיים משתחררים ממשטחים אלו אל הסביבה. כתוצאה מכך, המתכת נטענת בחשמל חיובי, והחלל סביבה נטען בחשמל שלילי. פליטת אלקטרונים ממשטחים מוארים של מתכות מסוימות נקראת האפקט הפוטואלקטרי, שמצא יישום בתאים פוטו-וולטאיים.

3. אם גוף המתכת מחומם למצב של חום לבן, אז האלקטרונים החופשיים יעופו מפני השטח שלו אל החלל שמסביב.כתוצאה מכך, המתכת שאיבדה אלקטרונים תיטען בחשמל חיובי, והסביבה בחשמל שלילי.

4. אם תלחמו קצוות של שני חוטים שונים, למשל ביסמוט ונחושת, ותחממו את החיבור שלהם, אז האלקטרונים החופשיים יעברו חלקית מחוט הנחושת אל הביסמוט. כתוצאה מכך, חוט הנחושת ייטען בחשמל חיובי ואילו חוט הביסמוט ייטען בחשמל שלילי. תופעת החשמול של שני גופים פיזיקליים כאשר הם סופגים אנרגיה תרמית משמש בצמדים תרמיים.

התופעות הקשורות לאינטראקציה של גופים מחושמלים נקראות תופעות חשמליות.

האינטראקציה בין גופים מחושמלים נקבעת על ידי מה שנקרא כוחות חשמליים הנבדלים מכוחות בעלי אופי אחר בכך שהם גורמים לגופים טעונים להדוף ולמשוך זה את זה, ללא קשר למהירות תנועתם.

באופן זה, האינטראקציה בין גופים טעונים שונה, למשל, מזו הכבידתית, המתאפיינת רק במשיכה של גופים, או מכוחות המקור המגנטי, התלויים במהירות התנועה היחסית של המטענים, הגורמים למגנטיות. תופעות.

הנדסת חשמל חוקרת בעיקר את חוקי הביטוי החיצוני של תכונותיהם של גופים מחושמלים - חוקי השדות האלקטרומגנטיים.

אנו מקווים שהמאמר הקצר הזה נתן לך מושג כללי על מה זה חשמול של גופים, ועכשיו אתה יודע איך לאמת בניסוי את חוק שימור המטען החשמלי באמצעות ניסוי פשוט.