Elektrifizierung von Körpern, Wechselwirkung von Ladungen

In diesem Artikel werden wir versuchen, eine ziemlich allgemeine Vorstellung davon zu vermitteln, was die Elektrifizierung von Körpern ist, und wir werden auch auf das Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung eingehen.

Unabhängig davon, ob diese oder jene elektrische Energiequelle nach dem Prinzip funktioniert, findet bei jedem von ihnen eine Elektrifizierung physikalischer Körper statt, also die Trennung der in der elektrischen Energiequelle vorhandenen elektrischen Ladungen und deren Konzentration an bestimmten Orten, zum Beispiel an den Elektroden oder Anschlüssen der Quelle. Als Ergebnis dieses Prozesses entsteht an einem Anschluss der elektrischen Energiequelle (Kathode) ein Überschuss an negativen Ladungen (Elektronen) und am anderen Anschluss (Anode) ein Mangel an Elektronen, d. h. Der erste von ihnen ist mit negativer Elektrizität aufgeladen, der zweite mit positiver Elektrizität.

Nach der Entdeckung des Elektrons, dem Elementarteilchen mit minimaler Ladung, und nachdem die Struktur des Atoms endlich aufgeklärt war, wurden auch die meisten physikalischen Phänomene im Zusammenhang mit Elektrizität erklärbar.

Die materielle Materie, aus der die Körper bestehen, gilt im Allgemeinen als elektrisch neutral, da die Moleküle und Atome, aus denen die Körper bestehen, unter normalen Bedingungen neutral sind und die Körper daher keine Ladung haben. Wenn aber ein solcher neutraler Körper an einem anderen Körper reibt, verlassen einige der Elektronen ihre Atome und gelangen von einem Körper zum anderen. Die Länge der von diesen Elektronen bei dieser Bewegung zurückgelegten Wege beträgt nicht mehr als der Abstand zwischen benachbarten Atomen.

Wenn sich die Körper jedoch nach der Reibung trennen und auseinanderbewegen, werden beide Körper aufgeladen. Der Körper, zu dem die Elektronen gelangt sind, wird negativ geladen, und der Körper, der diese Elektronen gespendet hat, wird eine positive Ladung erhalten, wird positiv geladen. Das ist Elektrifizierung.

Nehmen wir an, dass es in einem physischen Körper, zum Beispiel in Glas, möglich wäre, einer beträchtlichen Anzahl von Atomen einen Teil ihrer Elektronen zu entziehen. Das bedeutet, dass das Glas, das einen Teil seiner Elektronen verloren hat, mit positiver Elektrizität aufgeladen wird, weil darin die positiven Ladungen gegenüber den negativen im Vorteil sind.

Die aus dem Glas entfernten Elektronen können nicht verschwinden und müssen irgendwo abgelegt werden. Nehmen Sie an, dass die Elektronen, nachdem sie aus dem Glas entfernt wurden, auf einer Metallkugel platziert werden. Es ist dann offensichtlich, dass die Metallkugel, die zusätzliche Elektronen aufnimmt, mit negativer Elektrizität geladen ist, da in ihr negative Ladungen Vorrang vor positiven haben.

Den physischen Körper elektrisieren bedeutet, in ihm einen Überschuss oder Mangel an Elektronen zu erzeugen, d. h. stören das Gleichgewicht zweier darin enthaltener Gegensätze, nämlich positiver und negativer Ladungen.

Zwei physische Körper gleichzeitig und zusammen mit unterschiedlichen elektrischen Ladungen zu elektrisieren bedeutet, einem Körper Elektronen zu entziehen und auf einen anderen Körper zu übertragen.

Wenn sich irgendwo in der Natur eine positive elektrische Ladung gebildet hat, muss gleichzeitig zwangsläufig eine negative Ladung mit dem gleichen Absolutwert entstehen, da jeder Überschuss an Elektronen in einem physischen Körper durch deren Mangel in einem anderen physischen Körper entsteht.

Die verschiedenen elektrischen Ladungen erscheinen in elektrischen Phänomenen als stets begleitende Gegensätze, deren Einheit und Wechselwirkung den inneren Inhalt elektrischer Phänomene in Substanzen ausmachen.

Neutrale Körper werden elektrisiert, wenn sie Elektronen abgeben oder aufnehmen. In beiden Fällen erhalten sie eine elektrische Ladung und sind nicht mehr neutral. Hier entstehen die elektrischen Ladungen nicht aus dem Nichts, die Ladungen werden nur getrennt, weil die Elektronen bereits in den Körpern waren und einfach ihren Ort wechselten, die Elektronen wandern von einem elektrifizierten Körper zu einem anderen elektrifizierten Körper.

Das Vorzeichen der durch die Reibung von Körpern entstehenden elektrischen Ladung hängt von der Beschaffenheit dieser Körper, von der Beschaffenheit ihrer Oberflächen und einer Reihe anderer Gründe ab. Daher ist die Möglichkeit nicht ausgeschlossen, dass derselbe physische Körper in einem Fall mit positiver und in einem anderen Fall mit negativer Elektrizität aufgeladen wird, beispielsweise werden Metalle beim Reiben an Glas und Wolle negativ elektrisiert und beim Reiben dagegen Gummi – positiv.

Eine passende Frage wäre: Warum fließt elektrische Ladung nicht durch Dielektrika, sondern durch Metalle? Der Punkt ist, dass in Dielektrika alle Elektronen an die Kerne ihrer Atome gebunden sind, sie nur nicht die Fähigkeit haben, sich frei im Körper zu bewegen.

Bei Metallen ist die Situation jedoch anders. Elektronenbindungen in Metallatomen sind viel schwächer als in Dielektrika, und einige Elektronen verlassen leicht ihre Atome und bewegen sich frei im Körper. Dies sind die sogenannten freien Elektronen, die für die Ladungsübertragung in Drähten sorgen.

Die Ladungstrennung erfolgt sowohl bei der Reibung metallischer Körper als auch bei der Reibung von Dielektrika. Bei Demonstrationen werden jedoch Dielektrika verwendet: Ebonit, Bernstein, Glas. Dies geschieht aus dem einfachen Grund: Da sich die Ladungen in Dielektrika nicht durch das Volumen bewegen, bleiben sie an den gleichen Stellen auf der Oberfläche der Körper, aus denen sie entstanden sind.

Und wenn durch Reibung, beispielsweise am Fell, ein Stück Metall elektrisiert wird, dann fließt die Ladung, die nur Zeit hat, an seine Oberfläche zu gelangen, sofort auf den Körper des Experimentators ab und führt beispielsweise zu einer Demonstration Dielektrika funktionieren nicht. Wenn jedoch ein Metallstück aus den Händen des Experimentators gelöst wird, bleibt es auf dem Metall.

Wenn die Ladung der Körper erst bei der Elektrifizierung freigesetzt wird, wie verhält sich dann ihre Gesamtladung? Eine Antwort auf diese Frage liefern einfache Experimente. Nehmen Sie ein Elektrometer, an dessen Stab eine Metallscheibe befestigt ist, und legen Sie ein Stück Wolltuch in der Größe dieser Scheibe über die Scheibe. Auf die Gewebescheibe wird eine weitere leitfähige Scheibe gelegt, genau wie auf dem Elektrometerstab, jedoch mit einem dielektrischen Griff ausgestattet.

Der Experimentator hält den Griff fest, bewegt die obere Scheibe mehrmals, reibt sie an der auf der Scheibe des Elektrometerstabs liegenden Gewebescheibe und bewegt sie dann vom Elektrometer weg. Die Nadel des Elektrometers wird beim Entfernen der Scheibe ausgelenkt und bleibt in dieser Position. Dies weist darauf hin, dass sich auf dem Wollstoff und auf der am Elektrometerstab befestigten Scheibe eine elektrische Ladung entwickelt hat.

Die Scheibe mit dem Griff wird dann mit dem zweiten Elektrometer in Kontakt gebracht, jedoch ohne daran befestigte Scheibe, und es wird beobachtet, dass ihre Nadel um fast denselben Winkel abgelenkt wird wie die Nadel des ersten Elektrometers.

Das Experiment zeigt, dass beide Scheiben während der Elektrifizierung Ladungen des gleichen Moduls erhielten. Doch was sind die Anzeichen für diese Anschuldigungen? Um diese Frage zu beantworten, werden Elektrometer durch einen Draht verbunden. Die Nadeln des Elektrometers kehren sofort in die Nullposition zurück, in der sie sich vor Beginn des Experiments befanden. Die Ladung wurde neutralisiert, was bedeutet, dass die Ladungen auf den Scheiben gleich groß waren, aber ein entgegengesetztes Vorzeichen hatten und insgesamt Null ergaben, wie vor Beginn des Experiments.

Ähnliche Experimente zeigen, dass während der Elektrifizierung die Gesamtladung von Körpern erhalten bleibt, das heißt, wenn die Gesamtmenge vor der Elektrifizierung Null war, wird die Gesamtmenge nach der Elektrifizierung Null sein... Aber warum passiert das? Wenn man einen Ebenholzstab über ein Tuch reibt, wird dieser negativ und das Tuch positiv aufgeladen, und das ist eine wohlbekannte Tatsache. Beim Reiben auf Wolle entsteht auf Ebonit ein Elektronenüberschuss, auf Stoff ein entsprechendes Defizit.

Die Ladungen werden im Modul gleich sein, denn wie viele Elektronen sind vom Stoff zum Ebonit übergegangen, der Ebonit hat eine solche negative Ladung erhalten, und auf dem Stoff hat sich die gleiche Menge positiver Ladung gebildet, weil die Elektronen, die das Ebonit verlassen haben Stoff sind die positive Ladung auf dem Stoff. Und der Elektronenüberschuss auf dem Ebonit entspricht genau dem Elektronenmangel auf dem Stoff. Die Ladungen haben entgegengesetztes Vorzeichen, sind aber gleich groß. Offensichtlich bleibt die volle Ladung während der Elektrifizierung erhalten; es ist insgesamt gleich Null.

Selbst wenn die Ladungen beider Körper vor der Elektrifizierung ungleich Null waren, ist die Gesamtladung immer noch dieselbe wie vor der Elektrifizierung. Bezeichnet man die Ladungen der Körper vor ihrer Wechselwirkung mit q1 und q2 und die Ladungen nach der Wechselwirkung mit q1' und q2', dann gilt folgende Gleichung:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

Dies bedeutet, dass bei jeder Wechselwirkung von Körpern die Gesamtladung immer erhalten bleibt. Dies ist eines der Grundgesetze der Natur, das Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung. Benjamin Franklin entdeckte es 1750 und führte die Konzepte „positive Ladung“ und „negative Ladung“ ein. Franklin und schlug vor, entgegengesetzte Ladungen mit den Zeichen „-“ und „+“ anzuzeigen.

In der Elektronik Kirchhoffs Regeln denn Ströme folgen direkt aus dem Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung. Die Kombination aus Leitungen und elektronischen Bauteilen wird als offenes System dargestellt. Der gesamte Ladungszufluss in ein bestimmtes System ist gleich dem gesamten Ladungsabfluss aus diesem System. Kirchhoffs Regeln gehen davon aus, dass ein elektronisches System seine Gesamtladung nicht wesentlich ändern kann.

Der Fairness halber stellen wir fest, dass der beste experimentelle Test des Gesetzes zur Erhaltung der elektrischen Ladung die Suche nach solchen Zerfällen von Elementarteilchen ist, die im Fall einer nicht strikten Ladungserhaltung zulässig wären. Solche Zerfälle wurden in der Praxis noch nie beobachtet.

Andere Möglichkeiten, physische Körper zu elektrisieren:

1. Wenn die Zinkplatte in eine Schwefelsäurelösung H2SO4 eingetaucht wird, löst sie sich darin teilweise auf. Einige der Atome auf der Zinkplatte hinterlassen zwei ihrer Elektronen auf der Zinkplatte und gehen mit einer Reihe von Säuren in Form von doppelt geladenen positiven Zinkionen in Lösung. Dadurch wird die Zinkplatte mit negativer Elektrizität (Überschuss an Elektronen) und die Schwefelsäurelösung mit positiver Elektrizität (Überschuss an positiven Zinkionen) aufgeladen. Diese Eigenschaft wird genutzt, um Zink in Schwefelsäurelösung zu elektrisieren in einer galvanischen Zelle als Hauptprozess der Entstehung elektrischer Energie.

2. Wenn Lichtstrahlen auf die Oberfläche von Metallen wie Zink, Cäsium und einigen anderen fallen, werden von diesen Oberflächen freie Elektronen an die Umgebung abgegeben. Dadurch wird das Metall mit positiver Elektrizität aufgeladen und der Raum um es herum wird mit negativer Elektrizität aufgeladen. Die Emission von Elektronen aus beleuchteten Oberflächen bestimmter Metalle wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet, der in Photovoltaikzellen Anwendung gefunden hat.

3. Wird der Metallkörper bis zur Weißglut erhitzt, fliegen die freien Elektronen von seiner Oberfläche in den umgebenden Raum.Dadurch wird das Metall, das Elektronen verloren hat, mit positiver Elektrizität und die Umgebung mit negativer Elektrizität aufgeladen.

4. Wenn Sie die Enden zweier verschiedener Drähte, zum Beispiel Wismut und Kupfer, verlöten und ihre Verbindung erhitzen, gelangen die freien Elektronen teilweise vom Kupferdraht zum Wismut. Dadurch wird der Kupferdraht mit positiver Elektrizität aufgeladen, während der Wismutdraht mit negativer Elektrizität aufgeladen wird. Das Phänomen der Elektrifizierung zweier physikalischer Körper, wenn sie Wärmeenergie absorbieren Wird in Thermoelementen verwendet.

Die mit der Wechselwirkung elektrifizierter Körper verbundenen Phänomene werden elektrische Phänomene genannt.

Die Wechselwirkung zwischen elektrifizierten Körpern wird durch das sogenannte bestimmt Elektrische Kräfte, die sich von Kräften anderer Natur dadurch unterscheiden, dass sie dazu führen, dass geladene Körper sich gegenseitig abstoßen und anziehen, unabhängig von der Geschwindigkeit ihrer Bewegung.

Auf diese Weise unterscheidet sich die Wechselwirkung zwischen geladenen Körpern beispielsweise von der Gravitationswechselwirkung, die nur durch die Anziehung von Körpern gekennzeichnet ist, oder von den Kräften magnetischen Ursprungs, die von der relativen Bewegungsgeschwindigkeit der Ladungen abhängen und magnetische Wirkungen hervorrufen Phänomene.

Die Elektrotechnik untersucht hauptsächlich die Gesetze der äußeren Manifestation der Eigenschaften elektrifizierter Körper – die Gesetze elektromagnetischer Felder.

Wir hoffen, dass Ihnen dieser kurze Artikel eine allgemeine Vorstellung davon vermittelt hat, was die Elektrifizierung von Körpern ist, und dass Sie nun wissen, wie Sie das Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung mithilfe eines einfachen Experiments experimentell überprüfen können.