Kar je drugačno pri interakciji, se ne prenaša po zraku. Električna interakcija

Na svileno nit obesimo lahkotno utež, na primer papirnati tulec. S stekleno palico podrgnemo po svilenem materialu in jo obtežimo. Videli bomo, da bo tulec najprej pritegnil palico, nato pa se bo po stiku s steklom od njega odbil (slika 1). Z isto podrgnjeno palico se zdaj dotaknemo drugega podobnega tulca, odstranimo steklo in približamo tulce drug drugemu. Odrivali se bodo drug od drugega (slika 2).

riž. 1. Papirnat tulec odbija steklena paličica, ki ga je napolnila.

riž. 2. Dva papirna tulca, obešena na svilene niti, nabite na stekleni palici, se odbijata: – sila težnosti, ki deluje na tulec, – električna sila, – sila, ki uravnava napetost niti.

Preden so se obešene uteži dotaknile drgnjene steklene palice, so se pod vplivom gravitacije in natezne sile niti znašle v ravnotežju v navpičnem položaju. Zdaj je njihov ravnotežni položaj drugačen. Posledično poleg že omenjenih sil na uteži delujejo še nekatere druge sile. Te sile se razlikujejo od sil gravitacije, od sil, ki nastanejo pri deformaciji teles, od sil trenja in drugih sil, ki smo jih preučevali pri mehaniki. V pravkar opisanih preprostih poskusih se srečamo z manifestacijo sil, ki jih imenujemo električne.

Telesa, ki delujejo na okoliške predmete z električnimi silami, imenujemo naelektrena ali naelektrena in pravimo, da imajo ta telesa električni naboj.

Pri opisanih poskusih smo steklo naelektrili s trenjem s svilo. Lahko pa bi namesto stekla izbrali pečatni vosek, ebonit, pleksi steklo, jantar in svilo zamenjali z usnjem, gumo in drugimi predmeti. Izkušnje kažejo, da lahko vsako telo naelektrimo s trenjem.

Naprava elektroskopa, naprave za zaznavanje električnih nabojev, temelji na pojavu električnega odbijanja naelektrenih teles. Sestavljen je iz kovinske palice, na katero je obešen zelo tanek aluminijasti ali papirni list ali dva lista (slika 3a). Palica je v steklenem kozarcu ojačana z zamaškom iz ebonita ali jantarja, ki ščiti liste pred gibanjem zraka. Na sl. Na sliki 3b je prikazana običajna slika elektroskopa, ki ga bomo uporabljali v prihodnje.

riž. 3. Preprost elektroskop: a) splošni pogled; b) običajna slika

Palice elektroskopa se dotaknimo z naelektrenim telesom, na primer drgnjeno stekleno palico. Listi se bodo odrinili od palice in se odmaknili pod določenim kotom. Če zdaj odstranimo palico, bodo plošče ostale ukrivljene, kar pomeni, da se ob stiku z naelektrenim telesom nekaj naboja prenese na palico in plošče elektroskopa.

S stekleno paličico napolnimo elektroskop, opazimo upogibanje lističev, se ponovno dotaknemo elektrskopa z drugim mestom na naelektrenem steklu in paličico ponovno odstranimo. Odstopanje listov se bo povečalo. Po tretjem dotiku bo še večji itd. To vidimo električne sile, ki povzroča odstopanje plošč, je lahko večji ali manjši, zato je lahko naboj na elektroskopu večji ali manjši. Tako lahko govorimo o naboju, ki se nahaja na določenem telesu, v našem primeru na elektroskopu, kot o določeni kvantitativni meri, ki označuje določene naravne pojave.

Študij električni pojavi začel v Antična grčija iz opazovanja, iz katerega je kasneje nastala beseda elektrika. Opazili so, da če jantar podrgnemo z volno, začne privlačiti majhne predmete- na primer puh in perje. Jantar je v grščini elektron, zato se ta vrsta interakcije imenuje električna.

Danes lahko vsakdo ponovi ta slavni starogrški poskus tudi brez jantarja.

Dajmo izkušnje

Suhe lase počešite s plastičnim glavnikom in jih približajte majhnim koščkom papirja, ne da bi se jih dotikali. Koščke papirja bo glavnik privlačil (slika 49.1).

Električne interakcije so posledica prisotnosti električnih nabojev v telesih.

Telo, ki ima električni naboj, imenujemo električno naelektreno (ali preprosto naelektreno), predajanje električnega naboja telesom pa naelektrenje.

Drgnjen jantar pridobi sposobnost električne interakcije zaradi dejstva, da se ob drgnjenju naelektri. Pozneje se je izkazalo, da jantar ni nobena izjema: mnoga telesa so elektrificirana zaradi trenja. Verjetno ste tudi sami že večkrat občutili »električni udar«, ko ste se po slečenju ali oblačenju volnenih oblačil dotaknili druge osebe. Tudi to je posledica naelektrenja med trenjem.

Poskusi z naelektrenimi telesi – na primer podrgnjenimi z jantarjem ali glavnikom – kažejo, da naelektrena telesa privlačijo nenaelektrene predmete. Spodaj bomo videli, da je ta privlačnost tudi posledica interakcije električnih nabojev.

1. Mnoge gospodinje, ki poskušajo čim bolj temeljito obrisati prah s pohištva, površino pohištva dolgo časa drgnejo s suho krpo. Ampak, žal, bolj ko se trudijo, prej se prah spet usede na "dobro obrisane" površine. Enako se zgodi, ko monitor računalnika ali prenosnika skrbno obrišete s suho krpo. Kako to razložiti?

Za pridobitev naelektrenih teles v šolske izkušnje Električno običajno podrgnejo ebonitno palico z volno ali stekleno palico s svilo. (Ebonit - trdnačrna, sestavljena iz žvepla in gume.) Zaradi tega pridobijo palice električni naboj.

Dajmo izkušnje

Naelektrimo en lahek kovinski tulec (kovinski valj) tako, da se ga dotaknemo, ko je napolnjen. stekleno palico, drugi tulec pa tako, da se ga dotaknemo z naelektreno ebonitno palico. Videli bomo, da se bodo rokavi začeli privlačiti (slika 49.2, a).
Toda dve kartuši, elektrificirani s pomočjo iste palice, se bosta vedno odbijali - ne glede na to, s katero palico smo elektrificirali kartuše (slika 49.2, b, c).

Ta poskus kaže, da obstajata dve vrsti električnih nabojev: naboji iste vrste odbijajo in naboji različne vrste se privlačijo. Pogosteje ne govorijo o vrstah, temveč o znakih nabojev, ki jih imenujejo pozitivne in negativne. Dejstvo je, da se lahko naboji nasprotnih predznakov med seboj izničijo (tako kot vsota pozitivnih in negativna števila Mogoče enako nič). Torej,

Električni naboj ima dva predznaka - pozitiven in negativen.

Naboj steklene palice, podrgnjene s svilo, velja za pozitiven, naboj ebonitne pile, podrgnjene s krznom ali volno, pa za negativnega.
Telesa, ki imajo naboj enakega predznaka, imenujemo naelektrena z enakim predznakom, telesa, ki imajo naboje različnih predznakov, pa nasprotno naelektrena.

Zgoraj opisana izkušnja je to pokazala

Verjetno naelektrena telesa se odbijajo, nasprotno naelektrena telesa pa privlačijo..

2. a) Ali so lahko naboji treh kroglic takšni, da se katerikoli par kroglic odbija? medsebojno privlačita?
b) Ali je mogoče brez uporabe drugih teles ali instrumentov ugotoviti, kakšen je predznak naboja posamezne krogle? Ali imajo vse kroglice enak naboj?
c) Opišite poskus, s katerim lahko določite predznak naboja vsake kroglice.

Telesa, ki nimajo električnega naboja, imenujemo nenaelektrena ali električno nevtralna. Skoraj vsa telesa okoli nas so nevtralna. Vendar to ne pomeni, da nimajo električnega naboja!

Nasprotno, vsako telo vsebuje ogromno število pozitivno in negativno nabitih delcev, skupaj pozitivni naboj, skupni negativni naboj teh delcev pa je ogromen (to bomo kmalu videli). Toda ti pozitivni in negativni naboji se kompenzirajo z zelo veliko natančnostjo.

2. Nosilci električnega naboja

Električni naboj prenašajo samo nabiti delci. Električni naboj ne obstaja brez delcev.

Naelektrene delce imenujemo nosilci električnega naboja. Če se lahko premikajo v snovi, jih imenujemo prosti nosilci električnega naboja ali preprosto prosti naboji.

Pogosteje kot drugi v vlogi brezplačni stroški nastanejo elektroni. Kot že veste iz srednješolskega tečaja fizike, se ti zelo lahki negativno nabiti delci gibljejo okoli masivnega (v primerjavi z elektroni) pozitivno nabitega atomskega jedra. Prav elektroni so prosti nosilci naboja v kovinah.

Ioni, atomi, ki so izgubili ali pridobili enega ali več elektronov, lahko nosijo tudi električni naboj. (Iz grškega "ion" - potepuh.) Atom, ki je izgubil elektrone, postane pozitivno nabit ion, atom s presežkom elektronov pa postane negativno nabit ion.

Na primer v raztopini namizna sol(NaCl) prosti naboji so pozitivno nabiti natrijevi ioni in negativno nabiti klorovi ioni.

3. V kakšen ion (pozitivno ali negativno nabit) se spremeni atom, ki izgubi elektron?

4. Kako se spremeni masa atoma, ko postane: pozitivni ion? negativni ion?

Elektroni, ki so najbolj oddaljeni od jedra, so šibkeje vezani na jedro. Zato se lahko elektroni, ko sta dve telesi v tesnem stiku, premikajo iz enega telesa v drugo (slika 49.3). To pojasnjuje, zakaj se telesa med trenjem pogosto naelektrijo.

Zaradi elektrifikacije se v enem telesu pojavi presežek elektronov in zato dobi negativen električni naboj, v drugem telesu pa pride do pomanjkanja elektronov, zaradi česar dobi pozitiven naboj.

3. Prevodniki in dielektriki

Snovi, ki vsebujejo proste nosilce električnega naboja, imenujemo prevodniki.

Vse kovine so dobri prevodniki. Raztopine soli in kislin so tudi prevodniki – takšne tekočine imenujemo elektroliti. (Iz grškega »litos« - razgradljiv, topen.) Elektroliti so npr. morska voda in kri.

V kovinah so prosti naboji elektroni, v elektrolitih pa ioni.

Snovi, v katerih ni prostih nosilcev električnega naboja, imenujemo dielektriki.

Dielektriki so številne plastike in tkanine, suh les, guma, steklo, pa tudi številne tekočine - na primer kerozin in kemično čista (destilirana) voda. Tudi plini, vključno z zrakom, so dielektriki.

Čeprav v dielektrikih ni prostih nabojev, to ne pomeni, da ne sodelujejo pri električnih pojavih. Dejstvo je, da so v dielektrikih vezani naboji - to so elektroni, ki se ne morejo premikati po celotnem vzorcu snovi, lahko pa se premikajo znotraj enega atoma ali molekule.

Kot bomo videli spodaj, to vodi v dejstvo, da dielektriki pomembno vplivajo na interakcijo nabitih teles: na primer, lahko jo oslabijo desetkrat.

Nenaelektrena dielektrična telesa (na primer kosi papirja) privlačijo naelektrena telesa zaradi premika vezanih nabojev. Spodaj si bomo to podrobneje ogledali.

4. Elektrifikacija skozi vpliv

Zaradi dejstva, da so v prevodnikih prosti naboji, lahko vodnike naelektrimo, ne da bi se jih sploh dotaknili z naelektrenimi telesi. V tem primeru so telesa naelektrena z naboji nasprotnih predznakov.

Dajmo izkušnje

Povežimo z vodnikom dva kovinska tulca 1 in 2, ki ležita na leseni mizi. Nato, ne da bi odstranili prevodnik, prinesemo 1 pozitivno nabito palico na tulec, ne da bi se z njo dotaknili tulca (slika 49.4, a). Del prostih elektronov, ki jih pritegne nabita palica, se bo premaknil iz tulca 2 v tulec 1. Posledično bo tulec 2 postal pozitivno nabit, tulec 1 pa negativno.

Ne da bi odstranili napolnjeno palico, odstranimo prevodnik, ki povezuje tulke (slika 49.4, b). Ostali bodo nabiti in njihovi naboji bodo enaki po velikosti, a nasprotnega predznaka.

Zdaj lahko odstranite naloženo palico: za razliko od nabojev bo ostalo na kartušah.

Ta način elektrifikacije teles imenujemo elektrifikacija z vplivom.

Upoštevajte: elektrifikacija z vplivom je posledica prerazporeditve stroškov. Algebraična vsota naboj teles ostane enak nič: telesa pridobijo naboje, enake velikosti in nasprotnega predznaka.

5. Natančneje povejte, kako in zakaj bi se rezultat opisanega poskusa spremenil, če bi najprej odstranili naelektreno paličico, nato pa še vodnik, ki povezuje tulke. Svojo zgodbo ilustrirajte s shematskimi risbami.

6. Pojasnite, zakaj v zgoraj opisanem poskusu oseba drži kovinsko palico, ki povezuje tulec, z lesenim ročajem. Opišite, kaj bi se zgodilo, če bi oseba med tem poskusom z roko držala kovinsko palico. Prosimo, da to upoštevate Človeško telo je dirigent.

5. Zakaj nenaelektrena telesa privlačijo naelektrena?

Ugotovimo zdaj zakaj nenaelektrena telesa jih privlačijo nabiti.

Dajmo izkušnje

Pozitivno nabito palico približamo nenaelektrenemu kovinskemu tulcu (slika 49.5). Prosti elektroni tulke bo pozitivno nabita palica privlačila, zato se bo na delu tulca, ki je najbližje palici, pojavil negativni električni naboj, na oddaljenem delu pa se bo zaradi pomanjkanja elektronov pojavil pozitiven naboj.

Posledično bo tulec pritegnil palico, ker so negativni naboji na tulcu bližje palici.

7. Pojasnite, zakaj nenaelektren kovinski tulec privlači tudi negativno nabita palica.

Torej, nenaelektreni prevodnik privlači naelektreno telo, ki ima naboj katerega koli predznaka, zaradi prerazporeditve prostih nabojev v nenaelektrenem prevodniku.

8. Slika 49.6 prikazuje medsebojno delovanje tulcev A in B ter tulcev B in C. Znano je, da je tulec A pozitivno nabit.
a) Ali lahko rečemo, da je kartuša B napolnjena? Če da, kakšen je predznak njegovega naboja?

c) Ali je mogoče predvideti, kako bosta rokava A in C medsebojno delovala?

Nenaelektren dielektrik privlači tudi telo, ki ima naboj poljubnega predznaka. To je razloženo s premikom vezanih nabojev v dielektriku: na površini dielektrika se pojavijo naboji različnih znakov, naboji nasprotnega znaka pa so bližje naelektrenemu telesu. To vodi do privlačnosti.

Spodaj bomo podrobneje obravnavali premik vezanih nabojev v dielektriku.

6. Vloga električnih interakcij

Sam obstoj atomov je posledica električne interakcije pozitivno nabitih jeder in negativno nabitih elektronov.

Interakcija atomov in molekul je tudi električne narave: zahvaljujoč njej se atomi združijo v molekule, iz atomov in molekul pa nastanejo tekočine in trdne snovi. Električna interakcija pojasnjeni nevtralni atomi in molekule neenakomerna porazdelitev električni naboj v njih.

Električne interakcije so odgovorne tudi za številne procese v živem organizmu. Zlasti narava impulzov v živčne celice, tudi v možganskih celicah.

Električne interakcije so mnogokrat intenzivnejše od gravitacijskih interakcij. Na primer, sila električnega odboja med dvema elektronoma presega njuno silo gravitacijska privlačnost približno 4 * 10 42-krat. V primerjavi s tem ogromno število Tudi Avogadrova konstanta se zdi majhna! V § 50 bomo preverili to primerjalno oceno sil električne in gravitacijske interakcije.

Če pa je električna interakcija tako močna, zakaj jo tako redko opazimo okoli sebe?

Dejstvo je, da so skoraj vsa telesa okoli nas električno nevtralna: ogromen skupni pozitivni električni naboj atomska jedra z zelo visoko natančnostjo se kompenzira s skupnim modulom, ki mu je enak negativni naboj elektroni.

Samo zaradi te kompenzacije ne opazimo, kako velike sile električnega medsebojnega delovanja se »skrivajo« v snovi.

Ta medsebojna kompenzacija nabojev v telesih okoli nas pa ne pomeni, da se električne sile nikakor ne manifestirajo, npr. mehanski pojavi. Pravzaprav smo te sile implicitno upoštevali pri preučevanju mehanike.

Kot se spomnite, v mehaniki obravnavamo tri vrste sil - gravitacijske sile, elastične sile in sile trenja. Dve od teh sil – elastična sila in sila trenja – nastaneta zaradi medsebojnega delovanja atomov in molekul, ki sestavljajo telesa, medsebojno delovanje atomov in molekul pa je, kot že vemo, električne narave.

Dodatna vprašanja in naloge

9. Dva enaka tulca visita drug poleg drugega na enako dolgih nitih. Na rdečo nit visi nabit naboj, na modro nit pa nenabita. Katera nit je bolj odklonjena od navpičnice?

10. Dva kovinska tulca, ki drug ob drugem visita na nitih, se odbijata. Kako bodo ti vložki delovali, če se enega od njih dotaknete z roko?
11. Slika 49.7 prikazuje medsebojno delovanje tulcev A in B ter tulcev B in C.
a) Kaj lahko rečemo o naboju v primeru B?
b) Kaj lahko rečemo o naboju v primeru C?

12. Lahka kovinska kroglica je obešena med dvema navpičnima kovinskima ploščama, katerih naboji imajo nasprotna znaka (slika 49.8). Opišite, kaj se bo zgodilo, ko se bo žoga dotaknila ene od plošč.

O tem nas prepričajo poskusi, ki omogočajo zaznavanje privlačnosti ali odbijanja naelektrenih teles električni naboji medsebojno delujejo na daljavo. Poleg tega čim bližje so naelektreni telesi drug drugemu, tem močnejša je interakcija med njimi;

Pri preučevanju mehanike smo videli, da se delovanje enega telesa na drugo pojavi neposredno med njunim medsebojnim delovanjem. Kako razložiti medsebojno delovanje naelektrenih teles? V naših poskusih so bila elektrificirana telesa na določeni razdalji drug od drugega. Morda se učinek enega naelektrenega telesa na drugo prenaša po zraku med telesi? Vendar pa naelektrena telesa medsebojno delujejo brezzračni prostor. Če postavimo naelektreni elektroskop pod zvon zračne črpalke, se listi elektroskopa še vedno odbijajo (slika 36). (Zrak je bil izčrpan izpod zvona.) Angleška fizika Michael Faraday in James Maxwell sta preučevala interakcijo električnih nabojev.

riž. 36. Naelektreni elektroskop pod zvonom zračne črpalke

Kot rezultat dolgega preučevanja električnih pojavov je bilo ugotovljeno, da je vsako naelektreno telo obdano z električno polje.

Električno polje je posebna vrsta materija, drugačna od materije.

Naša čutila ne zaznavajo električnega polja. Polje je mogoče zaznati zaradi dejstva, da deluje na kateri koli naboj v njem. Prav to pojasnjuje interakcijo naelektrenih teles. Električno polje, ki obdaja enega od nabojev, z določeno silo deluje na drug naboj, ki je v polju prvega naboja. Nasprotno pa električno polje drugega naboja deluje na prvega.

Sila, s katero električno polje deluje na električni naboj, ki je vanj vnesen, se imenuje električna sila.

Ko smo nabito palico približali nabitemu tulcu, smo opazovali, kako se tulec odbija. Tako smo zaznali električno polje palice z njegovim vplivom na naboj, ki se nahaja na tulcu. Toda tulec je vplival tudi na ebonitno palico. torej pri naelektrenih telesih opazimo interakcijo.

To nam omogočajo številni poskusi v bližini naelektrenega telesa je učinek polja močnejši, ko se oddaljite od njega pa učinek polja slabi.

Torej, prinesimo palico z nabojem v tulec nasprotno znamenje. Ko se palica približuje tulcu, se bo kot odklona tulca povečal (slika 37). Posledično, bližje kot so naelektrena telesa, močnejši je učinek polja.

riž. 37. Odvisnost delovanja električnega polja od razdalje do naboja

Ker na vsak naboj v električnem polju deluje sila, to pomeni, da se delo opravi, ko se naboj premakne s poljem. In če je polje sposobno opravljati delo, potem ima energijo.

Vprašanja

1. Opišite poskus, ki dokazuje, da se električna interakcija ne prenaša po zraku.
2. V čem se prostor, ki obdaja naelektreno telo, razlikuje od prostora, ki obdaja neelektrično telo?
3. Kako lahko zaznamo električno polje?
4. Kako se spreminja sila, ki deluje na naelektreni vložek, ko se oddaljuje od naelektrenega telesa? Kako je to mogoče eksperimentalno dokazati?

telovadba

1. Kam se bodo premaknili negativno nabiti puhci, ko jih ujame električno polje ebonitne palice, podrgnjene s krznom?
2. K nabitemu tulcu so prinesli palico z nabojem nasprotnega predznaka. Kako se bo spreminjal odklon tulca, ko se palica približuje? Zakaj?

Naelektrena telesa, kot kažejo poskusi, delujejo med seboj - privlačijo in odbijajo. Razmislimo zdaj, kako se prenaša učinek enega naelektrenega telesa na drugega. Mogoče se prenaša po zraku? Ugotovimo to z izkušnjami. Pod zvon zračne črpalke postavimo naelektreni elektroskop in izpod zvona izčrpamo zrak (slika 217). Izkušnje kažejo, da se tudi v brezzračnem prostoru listi elektroskopa še vedno odbijajo. To pomeni, da se električna interakcija ne prenaša po zraku. Toda iz tega poskusa še vedno ni mogoče ugotoviti, ali električni naboji delujejo drug na drugega na daljavo oz med njima je nekaj materialnega, česar ne čutimo skozi da se to dejanje prenaša. To vprašanje ni preprosto, znanstveniki iz mnogih držav ga preučujejo že vrsto let. Odgovor na to sta v svojih delih podala angleška fizika Faraday in Maxwell.

Po naukih Faradaya in Maxwella se prostor, ki obkroža naelektreno telo, razlikuje od prostora okoli neelektričnih teles. V prostoru, kjer se nahaja električni naboj, je električno polje. Električno polje je vrsta snovi, ki se razlikuje od snovi. Električnega polja ne moremo neposredno zaznati s pomočjo čutil. Obstoj električnega polja lahko presojamo le po njegovem delovanju. Električno polje naboja deluje z določeno silo na kateri koli drug naboj, ki je v polju danega naboja.

Sila, s katero električno polje deluje na električni naboj, ki je vanj vnesen, se imenuje električna sila.

Pri poskusih ne le naelektrena palica s svojim električnim poljem deluje na nabito tulko, le-ta pa deluje na palico s svojim električnim poljem. Posledično, kot vedno, obstaja interakcija med telesi.

Obesimo nabito tulco na nit. Približajmo palico, nabito z nasprotnimi naboji, kot je prikazano na sliki 218. Nato bomo stojalo s tulcem približali nabiti palici. Na podlagi kota odklona navoja ugotavljamo, da bližje kot je tulec palici, bolj večja moč nanjo deluje električno polje naelektrene palice. Posledično je v bližini nabitih teles učinek polja močnejši, pri odmiku od njih pa polje oslabi.

Vprašanja. 1. Opišite poskus, ki dokazuje, da se električna interakcija ne prenaša po zraku. 2. Kakšna je razlika med prostorom, ki obdaja elektrificiran telesa, iz prostora okolice elektrificirano telo? 3. Kako lahko zaznamo električno polje? 4. Kako se spreminja sila, ki deluje na naelektreni vložek, ko se oddaljuje od naelektrenega telesa?

Električna interakcija

Mehanika uči, da enostranska privlačnost - in na splošno enostransko delovanje - ne more obstajati: vsako dejanje je interakcija. Če naelektrena palica privlači razne predmete, potem naj bi jih pritegnila tudi sama. Če želite to preveriti, morate le glavniku ali palici dati mobilnost, na primer tako, da jo obesite na zanko niti (bolje, če je nit svilena). Potem je enostavno odkriti, da vsak nenaelektren predmet - tudi vaša roka - privlači glavnik, ga prisili, da se obrača itd. To, ponavljamo, običajno pravo narave. Manifestira se vedno in povsod: vsako dejanje je interakcija dveh teles, ki delujeta drug na drugega v nasprotni smeri.