Что такое электризация и как она проходит

Что такое электризация тел и как происходит взаимодействие зарядов?

Электризация — это явление, связанное с перемещением электрических зарядов в твердых телах, жидкостях или газах, которое приводит к образованию электрического поля и проявлению электрических свойств. При электризации происходит перераспределение электронов или ионов в веществе, что приводит к возникновению неравномерной распределения зарядов.

Электризация может происходить по разным причинам. Например, трение двух тел может вызвать электризацию, когда электроны переходят с одного тела на другое, вызывая разделение зарядов и образование электрического поля. Это может происходить, например, когда мы треться шерстяной тканью о пластиковый предмет, и они начинают притягиваться или отталкиваться друг от друга.

Также, электризация может происходить в результате воздействия электрического поля на вещество, что может вызывать перемещение зарядов и изменение его электрических свойств. Это явление наблюдается, например, при использовании электростатического генератора, где с помощью трения или индукции заряды перемещаются и создается электрическое поле.

Что такое электризация

Электризация имеет множество практических применений, от использования электростатики в электрофотографии и электрофильтрации до применения электризации в электрических генераторах для производства электроэнергии. Понимание электризации и ее эффектов играет важную роль в различных областях науки и техники, связанных с электричеством и электроникой.

Дальше подробно рассмотрим обобщенное представление о том, что же такое электризация тел, а также коснемся закона сохранения электрического заряда.

Электризация тел, явление электризации

Независимо от того, принципу работает тот или иной источник электрической энергии, в каждом из них происходит процесс электризации физических тел , т. е. разделение электрических зарядов, имеющихся в источнике электрической энергии, и сосредоточение их на определенных местах, например на электродах или зажимах источника. В результате этого процесса на одном на зажимов источника электрической энергии (катоде) получается избыток отрицательных зарядов (электронов), а на другом зажиме (аноде) — недостаток электронов, т. е. первый из них заряжается отрицательным, а второй — положительным электричеством.

После открытия электрона, элементарной частицы, обладающей минимальным зарядом, после того, как было наконец объяснено строение атома, большинство физических явлений, связанных с электричеством, также стали объяснимы.

Вещественная материя, образующая тела, в целом оказывалась электрически нейтральной, ибо составляющие тела молекулы и атомы нейтральны в обычных условиях, и тела в итоге зарядом не обладают. Но если такое нейтральное тело потереть о другое тело, то часть электронов покинет свои атомы, и перейдет с одного тела на другое. Длина путей, пройденных этими электронами при таком перемещении, не более расстояния между соседними атомами.

Однако если после трения тела разъединить, раздвинуть, то оба тела окажутся заряженными. Тело, на которое перешли электроны, станет отрицательно заряженным, а то, которое эти электроны отдало — приобретет положительный заряд, станет положительно заряженным. Это и есть электризация.

Электризация тел

Допустим что в каком-нибудь физическом теле, например в стекле, удалось изъять из значительного числа атомов часть их электронов. Это значит, что стекло, потеряв часть своих электронов, окажется заряженным положительным электричеством, так как в нем положительные заряды получили перевес над отрицательными.

Изъятые из стекла электроны исчезнуть не могут и должны быть где-то размешены. Допустим, что после того как электроны били изъяты из стекла, они оказались размещенными на металлическом шарике. Тогда очевидно, что металлический шарик, получивший лишние электроны, зарядился отрицательным электричеством, так как в нем отрицательные заряды получили перевес над положительными.

Наэлектризовать физическое тело — значит создать в нем избыток или недостаток электронов, т.е. нарушить в нем равновесие двух противоположностей, а именно положительных и отрицательных зарядов.

Наэликтризовать два физических тела одновременно и совместно разноменными электрическими зарядами — значит изьять из одного тела электроны и передать их другому телу.

Если где-либо в природе образовался положительный электрический заряд, то оновременно с ним неизбежно должен возникнуть такой же по абсолютной величине отрицательный заряд, так как всякий избыток электронов в любом физическом теле возникает за счет недостатка их в каком-нибудь другом физическом теле.

Разноименные электрические заряды выступают в электрических явлениях как неизменно сопутствующие друг другу противоположности, единство и взаимодействие которых сотавляет внутреннее содержание электрических явлений в веществах.

Что такое электризация тел

Нейтральные тела электризуются тогда, когда они отдают или принимают электроны, в любом случае они приобретают электрический заряд, и перестают быть нейтральными. Здесь не возникают ниоткуда электрические заряды, заряды только разделяются, поскольку электроны уже были в телах, и просто поменяли свое местоположение, электроны переместились с одного электризуемого тела на другое электризуемое тело.

Знак электрического заряда, получающегося при трении тел зависит от природы этих тел, от состояния их поверхностей и от ряда других причин. Поэтому не исключена возможность, что одно и то же физическое тело может в одном случае зарядиться положительным, a в другом — отрицательным электричеством, например, металлы при трении их о стекло и шерсть электризуются отрицательно, а при трении о каучук — положительно.

Уместным будет вопрос: почему через диэлектрики электрический заряд не проходит, а через металлы проходит? Все дело в том, что в диэлектриках все электроны связаны с ядрами своих атомов, они просто не имеют возможности к свободному перемещению по объему всего тела.

А вот в металлах ситуация иная. Связи электронов в атомах металлов гораздо слабее, чем в диэлектриках, и некоторые электроны легко покидают свои атомы, и свободно перемещаются по объему всего тела, это так называемые свободные электроны, которые и обеспечивают перенос заряда в проводниках.

Разделение зарядов происходит, тем не менее, и при трении металлических тел, и при трении диэлектриков. Но в демонстрациях используют именно диэлектрики: эбонит, янтарь, стекло. К этому прибегают по той простой причине, что поскольку в диэлектриках заряды по объему не перемещаются, то они и остаются на тех же местах на поверхностях тел, где и возникли.

Статическое электричество

А если трением, скажем, о мех, наэлектризовать кусок металла, то заряд лишь успев переместиться к его поверхности, мгновенно стечет на тело экспериментатора, и демонстрации, такой как с диэлектриками, не получится. Но если кусок металла будет иметь изоляцию от рук экспериментатора, то он на металле останется.

Если заряд тел в процессе электризации лишь разделяется, то как ведет себя общий их заряд? Несложные эксперименты дают ответ на этот вопрос. Взяв электрометр с укрепленным на его стержне металлическим диском, кладут на диск кусок шерстяной ткани, размером с этот диск. Сверху на диск из ткани кладут еще один такой же проводящий диск, как на стержне электрометра, но оснащенный диэлектрической рукояткой.

Держась за рукоятку, экспериментатор несколько раз двигает верхний диск, трет его об упомянутый тканевый диск, лежащий на диске стержня электрометра, затем убирает его в сторону от электрометра. Стрелка электрометра отклоняется в момент, когда диск убирают, и остается в таком положении. Это свидетельствует о том, что на шерстяной ткани и на диске, закрепленном на стержне электрометра, появился электрический заряд.

После этого диск с рукояткой приводят в соприкосновение со вторым электрометром, но без закрепленного на нем диска, и наблюдают, что его стрелка отклоняется почти на такой же угол, что и стрелка первого электрометра.

Эксперимент показывает, что оба диска при электризации получили равные по модулю заряды. Но каковы знаки этих зарядов? Чтобы ответить на данный вопрос, электрометры соединяют проводником. Стрелки электрометров тут же вернутся к нулевому положению каждая, в котором и были до начала эксперимента. Заряд нейтрализовался, а значит заряды дисков были равны по модулю, но противоположны по знаку, и в сумме дали ноль, как до начала эксперимента.

Подобные эксперименты указывают на то, что при электризации сохраняется суммарный заряд тел, то есть если в сумме был ноль до электризации, то в сумме будет ноль и после электризации . Но почему так получается? Если натереть о сукно эбонитовую палку, она зарядится отрицательно, а сукно положительно, и это известный факт. На эбоните, при трении о шерсть образуется избыток электронов, а на сукне, соответственно, недостаток.

Заряды будут равны по модулю, ведь сколько электронов перешло с сукна на эбонит, столько отрицательного заряда получил эбонит, и столько же положительного заряда образовалось на сукне, так как ушедшие с сукна электроны — это положительный заряд сукна. И избыток электронов на эбоните в точности равен недостатку электронов на сукне. Заряды противоположны по знаку, но равны по модулю. Очевидно, полный заряд при электризации сохраняется, он в сумме равен нулю.

Мало того, даже если до электризации заряды обоих тел отличались от нуля, то в сумме полный заряд все равно сохраняется тем же, что и был до электризации. Обозначив заряды тел до их взаимодействия как q1 и q2, а заряды после взаимодействия как q1′ и q2′, то справедливым будет следующее равенство:

Это говорит о том, что при любых взаимодействиях тел полный заряд неизменно сохраняется. Это один из фундаментальных законов природы, закон сохранения электрического заряда. Бенджамин Франклин открыл его в 1750 году, и ввел понятия «положительный заряд» и «отрицательный заряд». Франклин и предложил обозначать разноименные заряды знаками «-» и «+».

В электронике правила Кирхгофа для токов прямо следуют из закона сохранения электрического заряда. Объединение проводников и радиоэлектронных компонентов представляется в виде незамкнутой системы. Суммарный приток зарядов в данную систему равен суммарному выходу зарядов из этой системы. В правилах Кирхгофа предполагается, что электронная система не может значительно изменять свой суммарный заряд.

Справедливости ради отметим, что наилучшей экспериментальной проверкой закона сохранения электрического заряда является поиск таких распадов элементарных частиц, которые были бы разрешены в случае нестрогого сохранения заряда. Такие распады никогда на практике не наблюдались.

Другие способы электризации физических тел:

1. Если цинковую пластину погрузить в раствор серной кислоты H₂SO₄, то она частично в нем растворится. Часть атомов цинковой пластины, оставив по два своих электрона на цинковой пластине перейдет в раствор серией кислоты в виде двухзарядных положительных ионов цинка. В результате цинковая пластина зарядится отрицательным электричеством (избыток электронов), а раствор серной кислоты — положительным (избыток положительных ионов цинка). Это имение электризации цинка в растворе серной кислоты использовано в гальваническом элементе как основной процесс возникновении электрической энергии.

2. Если на поверхности таких металлов, как цинк, цезий и некоторые другие, падают лучи света, то с этих поверхностей выделяются свободные электроны в окружающую среду. В результате металл заряжается положительным электричеством, а окружающее его пространство — отрицательным. Испускание электронов освещенными поверхностями некоторых металлов называется фотоэффектом, нашедшим себе применение в фотоэлементах.

3. Если металлическое тело нагреть до состояния белого каления, то с его поверхности будут вылетать свободные электроны в окружающее пространство. В результате этого металл, потерявший электроны зарядится положительным электричеством, а окружающая среда — отрицательным.

4. Если спаять концы двух разнородных проволок, например висмутовой и медной, и место их спая нагреть, то свободные электроны частично перейдут из медной проволоки на висмутовую. В результате медная проволока зарядится положительным электричеством, а висмутовая — отрицательным. Явление электризации двух физических тел при поглощении ими тепловой энергии используется в термоэлементах.

Явления, связанные с взаимодействием наэлектризованных тел, называются электрическими явлениями.

Взаимодействие, между наэлектризованными телами определяется так называемыми электрическими силами, которые отличаются от сил другой природы тем, что они обусловливают взаимное отталкивание и притяжение заряженных тел независимо от скорости их движения.

Этим взаимодействие между заряженными телами отличается, например, от гравитационного, которое характеризуется только притяжением тел, или от сил магнитного происхождения, зависящих от относительной скорости движения зарядов, обусловливающих магнитные явления.

Электротехника в основном изучает законы внешнего проявления свойств наэлектризованных тел — законы электромагнитных полей.

Надеемся, что эта краткая статья дала вам общее представление о том, что такое электризация тел, и теперь вы знаете, как экспериментально проверить закон сохранения электрического заряда при помощи простого эксперимента.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Электризация тел. Виды и свойства. Применение и особенности

В обыденной жизни окружающие нас предметы электрически нейтральны, то есть со временем не накапливают на своей поверхности каких-либо зарядов. Но существуют ситуации, когда по тем или иным причинам они изменяют это состояние на противоположное. Эффект приобретения предметами определенного заряда носит название «электризация тел».

Краткая история открытия

В школьном курсе физики это явление изучается в разделе электростатики, посвященном особенностям образования неподвижных электрических частиц. Оно было открыто много веков назад в Древней Греции, где исследованиями природных эффектов занимались многие «натуралисты» и философы. При проведении опытов было отмечено, что после натирания шерстью кусочка янтаря он начинал притягивать мелкие частички ворса, ниток и пылинки.

Открытый эффект объяснялся на приемлемом для того времени уровне. Считалось, что притяжение – это следствие взаимодействия мельчайших частиц вещества, которым в Древней Греции присвоили название «электрона» (так раньше назывался янтарь). Сегодня этот опыт чаще всего проводится с эбонитовой палочкой и кусочком шерсти.

Elektrizatsiia tel 2

Электризация тел как физическое явление

В современном толковании такое явление – это процесс разделения носителей заряда, приводящее к тому, что электрически нейтральные тела превращаются в заряженные статикой. По отношению к этому эффекту действительны физические принципы, закрепленные законом Кулона и утверждениями о сохранении заряда. Первый описывает особенности взаимодействия электронных частиц и те причины, которые вызывают электризацию.

Формулируется этот закон следующим образом: сила взаимного влияния имеющихся на 2-х телах зарядов пропорциональна произведению их абсолютных величин и обратно пропорциональна квадрату удаленности. Отмечается также, что противоположно заряженные частицы притягиваются, а элементы с одинаковой полярностью – отталкиваются.

Второй закон, касающийся сохранения заряда, формулируется так: алгебраическая сумма всех накопленных на предмете зарядов разной полярности со временем сохраняется. Это означает, что если на нем появилось, например, 10 положительных зарядов, то одновременно обязательно должно образоваться и 10 отрицательных частиц. В сумме они дадут нулевой эффект.

Elektrizatsiia tel 3

Практические выводы из закона Кулона:

Электризация тел невозможна без конкретного материального носителя.
Свободные электроны накапливаются только на поверхностях предметов или в воздухе.
Тело с избытком электронов заряжается отрицательно, а с их дефицитом – положительно.

Отмечается также, что деление электрического заряда на «отрицательный» и «положительный» чисто условно. Оно выбирается в зависимости от удобства оценки степени заряженности тела.

Свойства статического электричества

Электризация тел возможна не только в случае использования твердых тел; она также проявляется в жидкостях и газах. В жидких средах, в частности, при электризации наблюдается перераспределение молекулярных частиц – ионов, образующих их суммарный заряд. Электризацией обладают вещества самого разного типа, включая полупроводники, диэлектрики и изолированные проводники.

В случае разделения предварительно наэлектризованного предмета приобретенное им свойство полностью передается его частям. При соприкосновении с электрически нейтральным предметом заряды с электризованного тела мгновенно отреагируют на это мощным разрядом.

То же самое произойдет, если приблизить друг к другу тела с противоположным знаком электризации. Именно поэтому люди, одетые в синтетику, нередко испытывают неприятный «удар током» при прикосновении к металлическим предметам или к телам, заряженным противоположно. Важно отметить, что расстояние, на котором происходит такой воздушный «пробой», зависит от степени электризации каждого из сближающихся тел.

Как можно наэлектризовать предмет

Для получения статического электричества на поверхностях различных тел используются следующие распространенные способы:

Приближение к предварительно заряженному предмету.
Разделение зарядов трением.
Нагрев или охлаждение (электризация за счет градиента температур).
Помещение в поток ионизирующего излучения.

При соприкосновении электрически нейтрального тела с электризованным предметом первое приобретает заряд того же знака. Этот эффект объясняется индукционными свойствами заряженных диполей.

При трении тел, изготовленных из различных материалов, на их поверхностях появляются противоположные электрические заряды. Причина их электризации – различие удерживающих атомы сил и подкачка тепловой энергии, повышающей степень их свободы. Проще говоря, вещество, в котором атомы связаны между собой с большей силой, начинают притягивать электроны из того материала, где эти частицы взаимодействуют слабее.

Виды зарядов, возникающие при трении различных материалов

Трение двух тел различной структуры вызывает различную электризацию каждого из них. При этом возможны следующие комбинации:

Стекло при трении о шелк электризуется положительно.
Эбонит при взаимодействии с шелком заряжается отрицательно.
При проведении пластиковым гребешком по волосам они заряжаются положительно, а сама расческа – отрицательно.

На основе многочисленных опытов установлено, что при трении 2-х материалов положительно заряжаются бумага, шерсть и стекло. В то же время отрицательный заряд приобретают силикон, пластик и резина.

Длительная электризация тел возможна лишь при отсутствии в окружающей атмосфере частиц влаги.

При высоком уровне влажности в воздухе появляются носители заряда (ионы), приводящие к постепенному стеканию зарядов с электризованных предметов. Если в помещении, где постоянно находится человек, имеется много растений и часто кипятится вода – статический заряд появляется на волосах или одежде намного реже.

Типичный пример образования мощного статического электричества – грозовые тучи, накапливающие разноименные заряды вследствие трения облаков. При достижении критической ЭДС (разницы потенциалов) между ними и землей «проскакивает» мощный разряд в виде молнии. Доказано, что «заряженные» электричеством облака за счет эффекта индукции могут вызвать электризацию предметов, находящихся на земле.

Демонстрационные опыты

Продемонстрировать эффект взаимного отталкивания заряженных тел можно с помощью обычного скотча. Для этого потребуется взять две полоски и приклеить их к столу таким образом, чтобы их небольшая часть (около 2,5 см) висела в воздухе, т. е. оставалась свободной. Затем свисающие концы закрепляются на 2-х карандашах и резко отрываются от стола.

При отрыве полосок не следует касаться их руками или другими оголенными частями тела. При выполнении этого условия полоски наэлектризуются одинаковым зарядом. Если теперь постепенно сближать их – на некотором расстоянии они начнут отталкиваться.

Для демонстрации притяжения заряженных тел одну полоску липкой ленты электризуют подобно тому, как это делалось в предыдущем опыте. После этого она кладется на стол липкой стороной вверх, а вторая полоса (ее предварительно закрепляют одним концом на карандаше) кладется на первую, а затем резко отрывается. В этом случае оба кусочка ленты электризуются противоположными зарядами. Обнаружить это можно, постепенно сближая их и отмечая, что на каком-то расстоянии они начнут притягиваться.

Чем опасна электризация тел

Заряд наэлектризованного тела, представленный в виде разницы потенциалов, может достигать несколько десятков киловольт. С учетом того, что его мощность очень мала – образующиеся при разряде токи имеют мизерную величину и не опасны для человека. Но их вполне достаточно для того, чтобы повредить микросхемы с КМОП структурой, например, или некоторые виды точных измерительных приборов.

По этой причине при производстве электронных компонентов, а также при работе с ними обязательно использование защитных колец (браслетов), обеспечивающих стекание зарядов на землю.

Электризация тел особо опасна при пайке микросхем. Для их защиты от пробоя статикой жало паяльника рекомендуется заземлять любым походящим для этого способом.

В определенных условиях накопление большого количества заряда может привести к образованию искры и возгоранию. Примером этому служат корпуса самолетов, которые электризуются в воздухе.

Вот почему перед подачей трапа с них обязательно удаляется скопившийся в полете заряд путем его отвода на землю. По той же самой причине на цистернах бензовозов крепится соприкасающаяся с дорожным покрытием цепочка. По ней заряды стекают в грунт, что исключает возможность образования искры и возгорания топлива.

Практическое применение

Электризация тел имеет и положительные стороны, благодаря которым она используется в практических целях. Наибольшее распространение этот эффект получил при электростатической окраске поверхностей и деталей. Еще одна известная область его применения – производство специальных воздухоочистительных фильтров.

Elektrizatsiia tel 4

При окрашивании металлических поверхностей в автомобилестроении, например, мелкие частички наэлектризованного красителя притягиваются и оседают на них равномерным слоем. В результате удается существенно сократить расход краски и повысить качество получаемого покрытия.

ЭСБЕ/Электризация тел

Электризация тел, т. е. возникновение в них электрического состояния происходит при чрезвычайно разнообразных процессах, совершаемых с этими телами. Почти всякое механическое действие, производимое с твердым телом, как, напр., трение об это тело или надавливание на него другого тела, скобление, раскалывание, сопровождается развитием электричества. Так же точно электризуются тела при многих химических действиях; некоторые вещества электризуются при отвердевании; некоторые соли весьма сильно электризуются при своем выкристаллизовании из растворов. Является электричество и в жидкостях при трении этих жидкостей о твердые тела и даже при трении их о некоторые другие жидкости. Наконец, даже простое соприкосновение двух каких-либо разнородных тел, все равно, будут ли эти тела твердые или жидкие, вызывает в обоих этих телах электрическое состояние. Во всех приведенных случаях причиной Э. тел является одно и то же, а именно прикосновение, контакт разнородных тел. Первый Александр Вольта своими опытами, произведенными в самые последние годы XVIII в., доказал, что при прикосновении друг с другом двух каких-либо проводящих электричество тел, но непременно отличающихся одно от другого по химическому составу, происходит Э. обоих этих тел, причем одно из них заряжается положительным электричеством, другое — отрицательным. Количества двух этих противоположных электричеств, являющихся на соприкасающихся телах, равны между собой. Вольта нашел, что металлы и другие твердые проводники, не подвергающиеся, как скажем теперь, электролизу, т. е. не разлагающиеся на химически составные части при прохождении через них электрического тока (проводники первого класса), по своей способности электризоваться при контакте могут быть расположены в известной последовательности (ряд Вольты) — так, что всякое тело при прикосновении с любым из тел, стоящих в этом ряду дальше, электризуется положительно и при прикосновении с любым из тел, ему предшествующих, электризуется отрицательно. Вольта дал следующий ряд тел:

+ цинк, свинец, олово, железо, медь, серебро, золото, уголь, графит, окись марганца.

Впоследствии, при исследовании более чистых химически металлов, их расположение оказалось несколько иным, и в настоящее время мы можем расположить металлы в такой ряд:

+ алюминий, цинк, олово, кадмий, свинец, сурьма, висмут, нейзильбер, латунь, ртуть, железо, сталь, медь, серебро, золото, угли, уран, теллур, платина, палладий.

Химически сложные жидкости и вообще проводники, разлагающиеся от действия тока (проводники второго рода), не могут быть помещены в ряд Вольты вместе с проводниками первого класса; они и отдельно от последних не составляют подобного ряда.

Если заменить выражение электрическое напряжение, употребленное Вольтой для характеристики электрического состояния, являющегося в теле, выражением потенциал, то можно следующим образом формулировать количественный закон, который был найден Вольтой и затем подтвержден многочисленными исследованиями последующих ученых. При соприкосновении двух разнородных проводящих тел на них являются различные потенциалы, неодинаковые при различных условиях, но тем не менее такие, что разность между этими потенциалами получается всегда одна и та же, если только вещества и температура двух испытуемых тел остаются без изменения. Эта разность потенциалов не зависит от формы и размеров тел, а от величины поверхности соприкосновения и от электрического состояния, в котором находятся тела. Она определяется лишь природой тел и, как было найдено позже, температурой их. Разность потенциалов, являющихся на двух каких-либо соприкасающихся друг с другом проводниках первого класса, равна сумме разностей потенциалов, возникающих при соприкосновении попарно (при той же температуре и при той же окружающей их газовой среде) всех проводников, стоящих в ряду Вольты между двумя взятыми. Из этого следует, что в цепи, составленной из произвольного числа различных металлов, имеющей повсюду одну и ту же температуру и оба конечных звена из одного и того же вещества, разность потенциалов на концах равна нулю, или, что то же, в замкнутой цепи, образованной из какого угодно числа разнородных проводников первого класса, если только все части цепи имеют одну и ту же температуру, не может существовать ток без какой-либо внешней причины (индукции). Проводники второго класса, вообще не имеющие места в ряду Вольты, не обладают и этой количественной зависимостью между разностями потенциалов при прикосновении друг с другом. Вследствие этого в цепи, состоящей из проводников первого класса и хотя бы одного проводника второго класса, на конечных звеньях, приготовленных из одного и того же вещества, получается разность потенциалов, равная сумме разностей потенциалов, соответствующих всем парам соприкасающихся разнородных частей цепи. Такую цепь и представляют собой так наз. гальванические элементы. Благодаря существованию разности потенциалов на конечных звеньях подобных цепей на полюсах элементов или полюсах батареи, составленной из последних, и возникает электрический ток, когда эти полюсы соединяются друг с другом каким-либо проводником (когда замыкается цепь). Разность потенциалов, являющаяся на полюсах элемента или батареи, когда эти полюсы не соединены друг с другом проводником, т. е. когда элемент или батарея не замкнуты, и представляет собой то, что носит название электродвижущей силы этого элемента или этой батареи. Дальнейшие исследования обнаружили, что Э. при контакте, т. е. так называемое явление Вольты, получается не только тогда, когда приводятся в прикосновение друг с другом два тела, отличающиеся одно от другого химически, но и тогда, когда эти тела только физически неоднородны. Достаточно различия в плотностях или в температурах, чтобы при соприкосновении тел получилось явление Вольты. Явление Вольты получается и при контакте разнородных непроводников, равным образом и при контакте проводника и непроводника, а также и при контакте металлов с газами. Впрочем, до сих пор существует иное воззрение на причину Э. По мнению некоторых, Э. при соприкосновении двух разнородных тел получается только тогда, когда между соприкасающимися веществами происходит химическое соединение или существует в них стремление к такому химическому действию. Если два тела не могут образовать химического соединения и тем не менее электризуются при соприкосновении, то явление это объясняют влиянием окружающей среды, влиянием кислорода воздуха, когда опыт, как это обыкновенно бывает, производится в воздухе. Говорят, что в этом случае неодинаковое химическое действие окружающей среды на то и другое из соприкасающихся тел обусловливает возникновение разности потенциалов на этих телах. По этой теории теплота, развивающаяся при химическом соединении эквивалентов двух тел, и определяет величину разности потенциалов, возникающую при соприкосновении этих тел. Хотя до настоящего времени мы не имеем ни одного вполне строгого опытного доказательства правильности идеи Вольты, что одно соприкосновение двух разнородных тел является причиной Э. этих тел, но, с другой стороны, мы не имеем также и ни одного вполне безупречного доказательства неверности этой идеи. Приводимые против мнения Вольты факты могут быть истолкованы в пользу последнего. Наконец, имеются и некоторые косвенные указания справедливости объяснения Вольты. Развивающаяся в настоящее время электронная теория (см.) в вопросе об Э. при контакте стоит на стороне учения Вольты. Было упомянуто, что наблюдается Э. и при контакте двух разнородных изоляторов. Весьма интересные опыты Хоорвега показали, что изоляторы не подчиняются ряду Вольты. Такой результат находится в соответствии с другими свойствами изоляторов. Ни один из изоляторов не представляет собой абсолютного непроводника электричества. Все изоляторы хотя слабо, но все-таки проводят ток и в этом отношении уподобляются проводникам второго класса, а следовательно, и не могут поместиться в ряду Вольты.

Возникновение Э. при трении двух разнородных тел, причем и в этом случае разнородность может быть не по существу, не химическая, а лишь физическая, обязано контакту этих тел. При трении происходит лишь непрерывное изменение места прикосновения, вследствие чего и развивается большое количество электричества. Исследуя Э., получающуюся в различных металлах при трении их о смесь серы и гуттаперчи, Гоген нашел возможным расположить металлы в ряд, причем ряд этот получился схожим с рядом Вольты. По мнению проф. П. А. Гезехуса («Журн. Русск. физ.-хим. общ.», 1901, т. XXXIII, стр. 89), «некоторые несовпадения и несоответствия в рядах соприкосновения (ряд Вольты) и трения (ряд Гогена) несущественны; они обусловливаются, главным образом, изменениями температуры при трении». Заметим, что гладкое стекло при трении о кожу, покрытую амальгамой (амальгама Киенмайера представляет собой сплав ртути, цинка и олова), электризуется всегда положительно; смола, а также роговой каучук при трении о мех или шерсть электризуются отрицательно. В следующем перечне тела распределены в таком порядке, что на каждом развивается электричество положительное при натирании его одним из последующих тел и отрицательное — при трении одним из предшествующих: мех, полированное стекло, шерстяные ткани, перья, дерево, бумага, шелк, шеллак, смола, матовое стекло.

Очевидно, что при надавливании одного тела на другое, отличное от первого, при скоблении, раскалывании, при химических реакциях, при кристаллизации, при отвердевании, наконец, при быстром обращении жидкости в пар, когда образующиеся пары, увлекающие с собой капельки жидкости, а также и твердые частички, находящиеся в жидкости, прикасаются к стенкам сосуда, в котором находится жидкость, во всех этих случаях мы имеем контакт разнородных веществ, а следовательно, имеем причину возбуждения электрического состояния в этих телах. Весьма тщательно произведенные опыты показали, что само по себе испарение или даже кипение какой-либо жидкости, если только в последнем случае удалена возможность трения увлекаемых парами капелек жидкости о твердые предметы, не сопровождается Э.

Интересные явления Э. наблюдаются в телах кристаллических. Еще в начале XVIII стол. было известно, что кристалл турмалина при нагревании или охлаждении является наэлектризованным на поверхности, причем на двух его концах наблюдается разноименное электричество. На том и другом конце турмалина знак электричества меняется в противоположный, как только вместо нагревания начинается охлаждение кристалла. В настоящее время мы знаем, что подобная Э. при изменении температуры кристалла наблюдается во всяком кристалле, имеющем оси, не тождественные одна другой, причем при повышении температуры получается Э., противоположная той, какая возникает при понижении температуры. В кристаллах, в которых обнаруживается гемиморфизм, являются при изменении температуры на обоих концах гемиморфной оси взаимно противоположные электричества. В кристаллах с одинаковым развитием обоих концов каждой оси, т. е. не показывающих гемиморфизма, наблюдается одинаковая полярность на обоих концах одной оси, места же с различными по знаку электричествами соответствуют в этих кристаллах концам различных осей. Возбуждение электричества прекращается, как только кристалл всею своею массой принимает одну и ту же температуру. Электричество, явившееся на поверхности кристалла при изменении его температуры, может вследствие дурной проводимости кристалла сохраняться на нем продолжительное время. Улучшение проводимости кристалла с увеличением температуры его дает возможность получить при нагревании этого кристалла электрический ток в проводнике, соединяющем две части поверхности кристалла. Все подобные явления носят название явлений пироэлектричества. Термин «пироэлектричество» был введен в науку Брюстером (см. Пьезо- и Пироэлектричество).

Замечено, что в некоторых кристаллах наблюдается развитие электричества не только при непосредственном нагревании или охлаждении их, но и при простом освещении лучами света, в особенности лучами большой преломляемости (цветные плавиковые шпаты). Это явление было исследовано Ганкелем и им было названо явлением фотоэлектричества. К этой же области явлений относят обыкновенно возникновение разности потенциалов на двух чистых металлических пластинках или же на пластинках, покрытых хлористыми или йодистыми соединениями их металлов, находящихся в воде или в каком-либо растворе кислоты или соли, когда одна из этих пластинок подвергается освещению лучами большой преломляемости.

В довольно близкой связи с явлениями пироэлектричества находится другая категория явлений в кристаллах, а именно явления пьезоэлектричества, т. е. возбуждение в кристаллах электричества сжатием. И в пьезоэлектрических явлениях на распределение электричества по поверхности кристалла оказывает главное влияние строение кристалла (см. Пьезо- и пироэлектричество). По всей вероятности, как пьезоэлектрические, так и пироэлектрические явления происходят от одной и той же причины. Как при сдавливании кристаллов являются натяжение и внутреннее давление в слоях их, так подобное же натяжение и давление вызываются и изменением температуры кристаллов. Вследствие возникновения упругих натяжений и к тому же неодинаковых по разным направлениям, так как кристаллы суть тела анизотропные, получается разнородность в отдельных прилегающих друг к другу слоях кристаллов, что и является причиной возбуждения электрического состояния.

Иная, по-видимому, причина Э. встречается в явлениях термоэлектричества, открытых в 1822 г. Зеебеком. Зеебек нашел, что если к двум концам какого-либо металлического стержня, проволоки или полоски припаять по проволоке какого-нибудь другого металла, то при нагревании одного из спаев или охлаждении другого, одним словом, при сообщении разности температур этим спаям обе конечные проволоки, а также и другие соединенные с ними тела являются противоположно наэлектризованными. При изменении нагреваемого спая меняется и знак Э. на той и другой проволоке. На самом деле причина термоэлектричества заключается опять-таки в возникновении явления Вольты. Но в этом случае явление Вольты получается не только в самом месте соприкосновения двух разнородных металлов, но и в слоях обоих металлов на некотором расстоянии от нагреваемого или охлаждаемого места соприкосновения их. В самом деле от места соприкосновения двух металлов, нагреваемого или охлаждаемого, температура распределяется в обоих телах или убывая в обе стороны, или возрастая в обе стороны. Таким образом, следующие друг за другом слои одного и того же металла получаются отличающимися один от другого по температуре, т. е. являются неоднородными, а следовательно, в месте соприкосновения этих слоев должно возбудиться явление Вольты. Итак, Э. концов цепи, составленной из разнородных тел, при существовании различия в температурах в местах соприкосновения этих тел, т. е. Э. вследствие явления термоэлектричества, представляет собой результат возникновения явления Вольты как в местах соприкосновения различных частей этой цепи, так и в самих этих частях. Явления термоэлектричества относятся, таким образом, к той же группе явлений, к которой принадлежат явления Э. при соприкосновении, трении, химическом действии и т. д.

Вполне отличными от всех приведенных случаев Э. представляются: 1) явления возбуждения электрического состояния в проводящих телах действием индукции в электрическом и магнитных полях и 2) явление возбуждения электрического состояния проводящего тела, металла, при освещении этого тела лучами большой преломляемости, точнее — лучами ультрафиолетовыми. Опыты показывают, что в любом проводящем теле, когда оно изолировано, являются одновременно два электричества, и положительное, и отрицательное, как только это тело вносится в электрическое поле, т. е. помещается в некотором расстоянии от другого наэлектризованного тела и отделяется от последнего непроводящей средой. Это явление Э. носит название электростатической индукции. Если данное проводящее тело не изолировано, на нем вследствие индукции получается всегда электричество, противоположное по знаку тому электричеству, которое находится на другом наэлектризованном, индуктирующем теле. Фарадей нашел, что подобное же возбуждение двух противоположных электричеств в проводящем теле получается и тогда, когда это тело находится в магнитном поле, причем напряжение этого поля в точках пространства, занимаемого телом, подвергается непрерывному изменению или само тело находится в определенном движении в этом поле. Существенная разница между этими двумя случаями индукции заключается именно в том, что в электрическом поле при полном постоянстве его напряжения и неизменности положения проводящего тела возникает и поддерживается постоянным электрическое состояние этого тела; напротив, в поле магнитном возбуждается Э. только или при изменении напряжения поля в месте, занимаемом телом, или при движении тела, соединенном с перерезыванием им магнитных силовых линий. Согласно опытам Фарадея, вполне подтвердившимся исследованиями последующих экспериментаторов, являющаяся вследствие индукции магнитного поля разность потенциалов e на концах какого-нибудь проводника, выражается числом магнитных силовых линий, перерезываемых этим проводником в единицу времени, т. е. e выражается формулой e = d n d t >> . Эта разность потенциалов, или, как она называется обыкновенно, электродвижущая сила индукции, не зависит от вещества проводника.

Возбуждение электрического состояния в металле, а именно появление на нем положительного электричества, когда этот металл подвергается освещению ультрафиолетовыми лучами, наблюдается лучше всего при чрезвычайно сильном разрежении газа, в котором находится металл. Причина этому — возникновение на поверхности металла при действии на него ультрафиолетовых лучей катодных лучей, т. е. выбрасывание при этих условиях поверхностью металла отрицательных электронов. Вообще, как впервые показал это на опыте Гальвакс, ультрафиолетовые лучи, падая на отрицательно наэлектризованный металл, вызывают исчезновение с этого металла электричества, т. е. возбуждают рассеяние отрицательного электричества в воздухе. На заряд положительный ультрафиолетовые лучи не влияют. Это явление, названное актиноэлектрическим, послужило предметом исследований А. Г. Столетова, Риги, Эльстера, Гейтеля, Томсона и др. Из опытов, произведенных в последние годы, главным образом при участии лорда Кельвина (В. Томсона), оказалось, что на двух разнородных металлах, отделенных друг от друга воздухом, возникает разность потенциалов, когда сквозь этот воздух проходят лучи Рентгена. Эта разность потенциалов одинакова с той, какая получается на этих металлах при непосредственном прикосновении их друг к другу.

Электризация. Электрический заряд

В основе объяснения явления электризации лежит электронная теория. Теория объясняет электрические свойства тел наличием в них электронов и их движением. Считается что причиной такого явления как «электризация трением» является, что при соприкосновении двух различных тел, часть электронов переходит с одного тела на другое. В результате на поверхности одного тела оказывается положительный заряд (избыток электронов), а на поверхности другого отрицательный заряд (недостаток электронов).

Что известно о таком явлении как электризация трением?

Если потереть друг о друга два разных вещества – стеклянную палочку о шёлк, то они приобретут разный заряд. То же самое произойдёт если потереть сургуч мехом.
Разделение зарядов происходит и без трения. Если в стакан с дистиллированной водой опустить парафиновый шарик на изолированной ручке, то произойдёт разделение зарядов. Вода и парафиновый шарик получат противоположные заряды.
Разделение зарядов имеет место любых двух различных тел: диэлектриков или проводников, твёрдых тел, жидкостей или газов.
Заряды, полученные электризацией трением можно перенести на другие предметы.
Под действием света происходит положительный заряд вещества.

Приведем аргументы против электронной теории.

Во-первых, в веществах не может быть свободных электронов. При взаимодействии протона и электрона всегда выделяется фотон энергии связи. Энергия связи крепко держит протон с электроном вместе даже в простых веществах. А в химических соединениях, которыми в основном и являются диэлектрики, эта связь ещё крепче. Эксперименты по исследованию фотоэффекта показывают, что для того чтобы оторвать электрон от протона нужно затратить фотон равный энергии связи между ними.

Во-вторых, электроны не могут просто взять и перейти от одного атома к другому. Для этого нужно чтобы у принимающего вещества были протоны, к которым эти электроны должны перейти. А у отдающего вещества электрон должен суметь покинуть свой протон.

В-третьих, один протон может быть связан только с одним электроном.

В-четвертых, если электрон оторвать от химического соединения, то это химическое соединение разрушится.

Почему же возникает при трении друг о друга разность потенциалов?

Для объяснения этого явления мне поможет концепция, выдвинутая в статье «Энергия» о квантовой энергетической природе протона и электрона.

В статье «Энергия» было показано, что мир состоит из двух видов энергии – магнитной (протонной) и электронной. Протон и позитрон являются стабильными квантами магнитной (протонной) энергии, а антипротон и электрон – стабильные кванты электронной энергии (статья «Энергия»).

Протоны и электроны могут терять энергию, уменьшаясь в массе. А при недостатке массы забирать энергию своего вида там, где её больше.

Как предполагал Бенджамин Франклин, электрическая энергия представляется в виде «электрической жидкости» которая заключена в самом веществе. Разный уровень «электрической жидкости» в разных веществах создают разницу в энергии этих веществ. По его предположениям движение этой «электрической жидкости» между веществами и приводит к различным электрическим явления.

Каким же образом создаётся эта разница в уровне «электрической жидкости» в веществе?

Наличие стабильных квантов магнитной (протон) и электронных (электрон) видов энергии создают условия для обмена энергией между атомами разных веществ. Разная энергия связи протонов и электронов в атомных ядрах разных химических элементов и химических веществ, создаёт разницу уровня магнитной (протонной) – энергии («электрической жидкости») в веществе.

Бенджамин Франклин условился считать избыток «электрической жидкости» считать плюсом, а её недостаток – минусом. Будем придерживаться той же условности, где имеется избыток магнитной (протонной) энергии – плюс, а там, где недостаток магнитной (протонной) энергии – минус. Именно эта разница энергии протонов в атомных ядрах разных химических элементов и определяет движение этой самой энергии в веществе. Электроны же только создают своей связью с протонами эту разницу в энергии.

Почему же именно протоны являются носителями электрического заряда?

С одной стороны, протоны тяжелее электронов в 1836 раз, и они больше подходят как резервуар энергии. С другой стороны, протоны в атомном ядре находятся в тесном контакте между собой в отличие от электронов, которые в атоме разобщены и каждый электрон находится на своём квантовом уровне у своего протона соответствующей энергии связи, что не даёт им возможности обмениваться энергией между собой.

В молекулярных соединениях участвуют атомы разных химических элементов, которые имеют разную энергию связи с электронами, а значит и разную энергию атомного ядра, приходящуюся на один протон. Это важное обстоятельство, которое влияет на обмен энергией между атомами.

На рисунке 1 представлены два условных однопротонных атома с разной энергией связи протона с электроном. Присутствие нейтрона в атомном ядре вынуждает электрон занимать более высокий энергетический уровень в атоме. Поэтому однопротонные атомы с разным количеством нейтронов имеют разную энергию связи электронов с протонами. Так как нейтроны не участвуют в обмене энергией, и чтобы не загромождать рисунок лишними деталями, они на рисунке не показаны.

Протон можно представить, как сосуд с жидкостью. Размер элементарной частицы определяется по внутреннему квантовому уровню. Чем сильнее связь протона с электроном, тем меньше их масса и больше размер и тем меньше уровень энергии (заряд) E_p1 – сосуд 1 с меньшим уровнем. И чем меньше связь протона с электроном, тем энергия (масса) E_p2 протона больше – сосуд 2.

Каждый однопротонный атом после объединения свободного протона со свободным электроном имеет нейтральный статус. Но относительно друг друга атомы с разной энергией связи имеют разный энергетический потенциал, а значит разный энергетический (электрический) заряд.

Как показано на рисунке 2, при сближении двух атомов с разным энергетическим потенциалом друг с другом, по закону сообщающихся сосудов энергия протона с меньшей энергией связи со своим электроном перетекла к протону, у которого энергия связи со своим электроном больше. Уровень магнитной (протонной) энергии в атоме1 и атоме2 выровнялся. Относительно друг друга эти два атома обрели нейтральный заряд. Но в то же время у атома1 стало больше магнитной (протонной) энергии, чем он должен иметь после соединение свободного протона со свободным электроном, а значит он зарядился положительно, а у атома2 стало меньше магнитной (протонной) энергии, чем должно быть при соединении свободного протона со свободным электроном, и значит он зарядился отрицательно.

При разведении атома1 и атома2, на расстояние, они сохраняют энергетический статус, полученный при контакте друг с другом (рисунок 3). Атом 1 остался заряженным положительно – с избыточным магнитным (протонным) зарядом, а атом 2 заряжен отрицательно – с недостаточным магнитным (протонным) зарядом.

Электрический заряд – это разница уровня магнитной (протонной) энергии между атомами.

На рисунке 4 показаны взаимодействие веществ с разной энергией связи и разным количеством протонов в атомном ядре.

Наиболее тесный контакт между протонами происходит в атомном ядре. И поэтому, несмотря на разную энергию связи протонов с электронами в атоме, масса протонов в атомном ядре одинаковая. Это происходит по той причине, что протоны в атомном ядре имеют наиболее тесный контакт и могут свободно обмениваться энергией. Для электронов это обстоятельство ничего не меняет, так как энергия квантового уровня, на котором находится электрон не изменяется, а энергия (масса) протона определяется по крайнему внутреннему квантовому уровню (статья «Энергия»).

При таком обмене энергией возникает любопытная ситуация. При равенстве масс протонов в атомном ядре, учитывая энергию связи электронов с протонами, один протон становится легче (отрицательно заряженным), чем он должен быть при связи со своим электроном, а другой протон становится тяжелее (положительно заряженным), чем он должен быть при связи со своим электроном. Атомное ядро при этом остаётся нормальным (нейтральным), соответствующим энергии связи всех протонов со своими электронами.

Таким же свойством, как и протоны – обмениваться энергией, обладают и атомные ядра. У разных химических элементов усреднённая масса (энергия) на один протон атомных ядер разная.

При тесном контакте двух веществ, то вещество, у которого энергия связи больше и, соответственно, средняя энергия атомного ядра, приходящаяся на один протон меньше, отбирает часть магнитной (протонной) энергии у атомного ядра вещества, у которого средняя энергия атомного ядра, приходящаяся на один протон больше (Рис. 5). Энергия атомных ядер, приходящаяся на один протон разных веществ, выравнивается и они становятся нейтральными друг к другу, но при этом происходит обмен энергией не между атомами, а между протонами атомных ядер. При разделении этих двух веществ, ядра атомов сохраняют то энергетическое состояние, которое образовалось при тесном контакте (Рис. 6).

Атом2, у которого появился дефицит массы в атомном ядре, становится «отрицательно заряженным». Количество электронов в атоме2 остается неизменным. Атом1, у которого появился избыток массы в атомном ядре, становится «положительно заряженным». Количество электронов в нём также остаётся неизменным.

Для того, чтобы вернуться к своему нормальному (нейтральному) состоянию, атом1 должен отдать лишнюю энергию и для этого ему необходимо войти в тесный контакт с веществом у которого в атомном ядре средняя энергия, приходящаяся на один протон меньше. И наоборот, атом2 должен вернуть недостающую энергию атомному ядру, при этом ему нужно войти в тесный контакт с веществом у которого средняя энергия в атомном ядре, приходящаяся на один протон, больше.

Химические соединения обладают очень большой энергией связи электронов с протонами ядер химических элементов. Наличие в химических соединениях разных ядер с разной энергией, приводит к затруднённой передачи магнитной (протонной) энергии от одного вещества к другому. По этой причине приобретённый заряд энергии сохраняется на наэлектризованном участке диэлектрика.

Рассмотрим электризацию под действием света.

Если взять достаточно чувствительный электроскоп и осветить не заряженную цинковую пластинку светом дугового разряда, то под действием света она зарядится положительно.

Явление заключается в том, что, под действием фотона, протон и связанный с ним электрон восстанавливаются. А электрический заряд связан с энергией протона.

На рисунке 8 показано, что происходит с атомом в опыте с электроскопом показанном на (Рис. 7) на атомном уровне.

В обычных условиях атом является нейтрально заряженным (Рис. 8а).

При взаимодействии атома с фотоном происходит полное или частичное восстановление протона и электрона. Восстановление электрона никак не влияет на заряд системы, т.к. электрический заряд с ним не связан. А полное или частичное восстановление протона и увеличение его энергии, приводит к приобретению системы протон — электрон положительного заряда (Рис. 8b). Даже если под действием фотона электрон переместится на более высокий уровень протона, но не покинет его, это так же приведёт к увеличению электрического заряда атома. Протон показан как положительно заряженный, это только потому что в электрическом поле он ведёт себя как заряженная частица. Свободный протон не может обмениваться магнитной (протонной) энергией так как он является стабильным квантом магнитной (протонной энергии). Так как освобождённый электрон не обладает кинетической энергией, он остаётся рядом со свободным протоном. Затем протон свободный протон снова соединяется со свободным электроном и образуется фотон связи (Рис. 8с). Система протон – электрон приобретает нейтральный заряд. При фотоэффекте электроскоп не может накапливать большой заряд так как возбуждённые атомы снова соединяются со своим электроном и восстанавливают нейтральный статус.

Если электроскоп (рис. 7) наэлектризовать, а затем осветить, то под действием света он разрядится. Это явление на атомном уровне можно объяснить так.

Нейтральный атом (Рис. 9а) заряжается внешним источником магнитной (протонной) энергии (Рис. 9b). У протона в атоме появляется избыточная магнитная (протонная) энергия, а энергетическое состояние электрона не меняется. Если теперь на такой возбуждённый атом попадёт фотон, то электрон восстановится до свободного состояния, а избыточная магнитная (протонная) энергия перейдёт к освободившемуся электрону в виде кинетической энергии. Электрон покинет атом (Рис. 9с). Но свободный электрон далеко не сможет удалится. Полученную кинетическую магнитную (протонную) энергию электрон перенесёт на какое-либо вещество и затем с меньшей кинетической энергией возвратится к своему протону. При соединении свободного протона и электрона выделится фотон энергии связи.

Для разных химических элементов так называемая работа выхода электронов разная: цезий – 1,94эВ для выхода электрона достаточно инфракрасного излучения, а ртуть — 4,52эВ для выхода электрона необходим ультрафиолетовый.