§ 84. Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряда
Вначале рассмотрим наиболее простой случай, когда электрически заряженные тела находятся в покое.
Вспомните из курса физики основной школы определение электрического заряда.
Со словами электричество, электрический заряд, электрический ток вы встречались много раз и успели к ним привыкнуть. Но попробуйте ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» Само понятие заряд — это основное, первичное понятие, которое не сводится на современном уровне развития наших знаний к каким-либо более простым, элементарным понятиям.
Попытаемся сначала выяснить, что понимают под утверждением: «Данное тело или частица имеет электрический заряд».
Элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу согласно закону всемирного тяготения. С увеличением расстояния между частицами сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату этого расстояния. Большинство элементарных частиц, хотя и не все, кроме того, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая также убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила во много раз превосходит силу тяготения.
Так, в атоме водорода, изображённом схематически на рисунке 14.1, электрон притягивается к ядру (протону) с силой, в 10 39 раз превышающей силу гравитационного притяжения.
Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.
Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий.
Электрический заряд элементарной частицы — это не особый механизм в частице, который можно было бы снять с неё, разложить на составные части и снова собрать. Наличие электрического заряда у электрона и других частиц означает лишь существование определённых силовых взаимодействий между ними.
Два знака электрических зарядов. Все тела обладают массой и поэтому притягиваются друг к другу. Заряженные же тела могут как притягивать, так и отталкивать друг друга. Этот важнейший факт, знакомый вам, означает, что
Заряд элементарных частиц — протонов, входящих в состав всех атомных ядер, называют положительным, а заряд электронов — отрицательным. Между положительными и отрицательными зарядами внутренних различий нет. Если бы знаки зарядов частиц поменялись местами, то от этого характер электромагнитных взаимодействий нисколько бы не изменился.
Элементарный заряд. Кроме электронов и протонов, есть ещё несколько типов заряженных элементарных частиц. Но только электроны и протоны могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Остальные же заряженные частицы живут менее миллионных долей секунды. Они рождаются при столкновениях быстрых элементарных частиц и, просуществовав ничтожно малое время, распадаются, превращаясь в другие частицы. С этими частицами вы познакомитесь в 11 классе.
К частицам, не имеющим электрического заряда, относится нейтрон. Его масса лишь незначительно превышает массу протона. Нейтроны вместе с протонами входят в состав атомного ядра. Если элементарная частица имеет заряд, то его значение строго определено.
Заряженные тела. Электромагнитные силы в природе играют огромную роль благодаря тому, что в состав всех тел входят электрически заряженные частицы. Составные части атомов — ядра и электроны — обладают электрическим зарядом.
Читайте также: Ткани для одежды для тильд
Атом любого вещества нейтрален, так как число электронов в нём равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.
Макроскопическое тело заряжено электрически в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с каким-либо одним знаком заряда. Так, отрицательный заряд тела обусловлен избытком числа электронов по сравнению с числом протонов, а положительный — недостатком электронов.
Это можно сделать с помощью трения. Если провести расчёской по сухим волосам, то небольшая часть самых подвижных заряженных частиц — электронов перейдёт с волос на расчёску и зарядит её отрицательно, а волосы зарядятся положительно.
Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряда
Заряженные тела
Электромагнитные силы в природе играют огромную роль благодаря тому, что в состав всех тел входят электрически заряженные частицы. Составные части атомов — ядра и электроны — обладают электрическим зарядом.
Атом любого вещества нейтрален, так как число электронов в нём равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.
Макроскопическое тело заряжено электрически в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с каким-либо одним знаком заряда. Так, отрицательный заряд тела обусловлен избытком числа электронов по сравнению с числом протонов, а положительный — недостатком электронов.
Это можно сделать с помощью трения. Если провести расчёской по сухим волосам, то небольшая часть самых подвижных заряженных частиц — электронов перейдёт с волос на расчёску и зарядит её отрицательно, а волосы зарядятся положительно.
Равенство зарядов при электризации
Возьмём электрометр, на стержне которого укреплена металлическая сфера с отверстием, и две пластины на длинных рукоятках: одна из эбонита, а другая из плексигласа. При трении друг о друга пластины электризуются.
Внесём одну из пластин внутрь сферы, не касаясь её стенок. Если пластина заряжена положительно, то часть электронов со стрелки и стержня электрометра притянется к пластине и соберётся на внутренней поверхности сферы. Стрелка при этом зарядится положительно и оттолкнётся от стержня электрометра (рис. 14.2, а).
Если внести внутрь сферы другую пластину, вынув предварительно первую, то электроны сферы и стержня будут отталкиваться от пластины и соберутся в избытке на стрелке. Это вызовет отклонение стрелки от стержня, причём на тот же угол, что и в первом опыте.
Опустив обе пластины внутрь сферы, мы вообще не обнаружим отклонения стрелки (рис. 14.2, б). Это доказывает, что заряды пластин равны по модулю и противоположны по знаку.
Электризация тел и её проявления
Значительная электризация происходит при трении синтетических тканей. Снимая с себя рубашку из синтетического материала в сухом воздухе, можно слышать характерное потрескивание. Между заряженными участками трущихся поверхностей проскакивают маленькие искорки.
С явлением электризации приходится считаться на производстве. Так, нити пряжи на текстильных фабриках электризуются за счёт трения, притягиваются к веретёнам и роликам и рвутся. Пряжа притягивает пыль и загрязняется.
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.
Читайте также: Натуральные ткани интересные факты
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.
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.
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.
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.
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.
Читайте также: Гладкая мышечная ткань укажите что характерно для этой ткани
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.
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.
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).
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.
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.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом