Електрификација тела, интеракција наелектрисања

У овом чланку покушаћемо да представимо прилично уопштену идеју о томе шта је електрификација тела, а такође ћемо се дотакнути закона одржања електричног набоја.

Без обзира да ли овај или онај извор електричне енергије ради по принципу, сваки од њих врши наелектрисање физичких тела, односно раздвајање електричних наелектрисања присутних у извору електричне енергије и њихову концентрацију на одређеним местима, нпр. на електродама или терминалима извора. Као резултат овог процеса добија се вишак негативних наелектрисања (електрона) на једном терминалу извора електричне енергије (катода), а недостатак електрона на другом терминалу (аноди), тј. први од њих је наелектрисан негативним, а други позитивним електрицитетом.

Након открића електрона, елементарне честице са минималним наелектрисањем, након што је коначно објашњена структура атома, постала је објашњива и већина физичких појава везаних за електрицитет.

Материјална материја од које се састоје тела се генерално сматра електрично неутралном, пошто су молекули и атоми који чине тело неутрални у нормалним условима, па тела према томе немају наелектрисање. Али ако се такво неутрално тело трља о друго тело, онда ће неки од електрона напустити своје атоме и прећи са једног тела на друго. Дужина путање коју путују ови електрони током таквог кретања није већа од удаљености између суседних атома.

Међутим, ако се након трења тела раздвоје, раздвоје, онда ће оба тела бити наелектрисана. Тело на које су прешли електрони постаће негативно наелектрисано, а оно које је донирало ове електроне добиће позитивно наелектрисање, постаће позитивно наелектрисано. Ово је електрификација.

Претпоставимо да је у неком физичком телу, на пример у стаклу, било могуће уклонити неке од њихових електрона из значајног броја атома. То значи да ће стакло, које је изгубило део својих електрона, бити наелектрисано позитивним електрицитетом, јер су у њему позитивна наелектрисања добила предност у односу на негативна.

Електрони уклоњени из стакла не могу нестати и морају се негде ставити. Претпоставимо да након што се електрони уклоне из стакла, они се стављају на металну куглу. Тада је очигледно да је метална кугла која прима додатне електроне наелектрисана негативним електрицитетом, пошто у њој негативна наелектрисања имају предност над позитивнима.

Наелектрисати физичко тело — значи створити у њему вишак или недостатак електрона, тј. ремете равнотежу две супротности у њој, односно позитивног и негативног наелектрисања.

Наелектрисати два физичка тела истовремено и заједно са различитим електричним наелектрисањем — значи повући електроне из једног тела и пренети их на друго тело.

Ако се негде у природи формирало позитивно електрично наелектрисање, онда се истовремено са њим неизбежно мора појавити и негативно наелектрисање исте апсолутне вредности, јер сваки вишак електрона у било ком физичком телу настаје услед њиховог недостатка у неком другом физичком телу.

Различита електрична наелектрисања појављују се у електричним појавама као непроменљиво пратеће супротности, чије јединство и интеракција чине унутрашњи садржај електричних појава у супстанцама.

Неутрална тела постају наелектрисана када дају или примају електроне, у оба случаја добијају електрични набој и престају да буду неутрална. Овде електрична наелектрисања не настају ниоткуда, наелектрисања су само одвојена, јер су електрони већ били у телима и једноставно су променили своју локацију, електрони се крећу од једног наелектрисаног тела до другог наелектрисаног тела.

Знак електричног наелектрисања који настаје трењем тела зависи од природе ових тела, од стања њихових површина и од низа других разлога. Стога није искључена могућност да је исто физичко тело у једном случају наелектрисано позитивним, ау другом негативним електрицитетом, на пример, метали када се трљају о стакло и вуна постају негативно наелектрисани, а када се трљају о гума — позитивно.

Одговарајуће питање би било: зашто електрични набој не тече кроз диелектрике већ кроз метале? Поента је да су у диелектрицима сви електрони везани за језгра својих атома, једноставно немају способност да се слободно крећу по телу.

Али у металима је ситуација другачија. Електронске везе у атомима метала су много слабије него у диелектрицима, а неки електрони лако напуштају своје атоме и слободно се крећу по телу, то су такозвани слободни електрони који обезбеђују пренос наелектрисања у жицама.

До раздвајања наелектрисања долази и при трењу металних тела и при трењу диелектрика. Али у демонстрацијама се користе диелектрици: ебонит, ћилибар, стакло. Овоме се прибегава из простог разлога што се наелектрисања не крећу кроз запремину у диелектрицима, она остају на истим местима на површинама тела из којих су настала.

А ако трењем, рецимо, за крзно, комад метала постане наелектрисан, онда ће наелектрисање, које има времена да се помери само на своју површину, одмах исцедити на тело експериментатора, а демонстрација, на пример, са диелектрика, неће радити. Али ако се комад метала изолује из руку експериментатора, он ће остати на металу.

Ако се наелектрисање тела ослобађа само у процесу наелектрисања, како се онда понаша њихово укупно наелектрисање? Једноставни експерименти дају одговор на ово питање. Узимајући електрометар са металним диском причвршћеним за штап, ставите комад вунене тканине преко диска, величине тог диска. На врх диска ткива је постављен други проводни диск, исти као на шипки електрометра, али опремљен диелектричном ручком.

Држећи ручицу, експериментатор неколико пута помера горњи диск, трља га о наведени диск од ткива који лежи на диску штапа електрометра, а затим га удаљава од електрометра. Игла електрометра се скреће када се диск уклони и остаје у том положају. Ово указује да се на вуненој тканини и на диску причвршћеном за шипку електрометра развило електрично пуњење.

Диск са дршком се затим доводи у контакт са другим електрометром, али без диска који је причвршћен за њега, а примећује се да је његова игла уклоњена за скоро исти угао као игла првог електрометра.

Експеримент показује да су оба диска током електрификације добила наелектрисање истог модула. Али који су знаци ових оптужби? Да би се одговорило на ово питање, електрометри су повезани жицом. Игле електрометра ће се одмах вратити у нулту позицију у којој су биле пре почетка експеримента. Наелектрисање је неутрализовано, што значи да су наелектрисања на дисковима била једнака по величини, али супротног знака, и укупно је дала нулу, као и пре почетка експеримента.

Слични експерименти показују да се током наелектрисања укупно наелектрисање тела чува, односно ако је укупан износ био нула пре наелектрисања, онда ће укупан износ бити нула након наелектрисања... Али зашто се то дешава? Ако трљате штапић од ебановине о крпу, он ће постати негативно наелектрисан, а тканина позитивно, а то је добро позната чињеница. Вишак електрона се формира на ебониту када се трља о вуну, а одговарајући мањак на тканини.

Наелектрисања ће бити једнака по модулу, јер колико је електрона прешло са тканине на ебонит, ебонит је примио такво негативно наелектрисање, а иста количина позитивног наелектрисања се формирала на платну, јер су електрони који су напустили тканина су позитивно наелектрисање на тканини. А вишак електрона на ебониту је тачно једнак недостатку електрона на тканини. Наелектрисања су супротног знака, али једнака по величини. Очигледно, пуно наелектрисање је очувано током електрификације; укупно је једнако нули.

Штавише, чак и ако су наелектрисања на оба тела била различита од нуле пре електрификације, укупно наелектрисање је и даље исто као и пре електрификације. Пошто смо наелектрисања тела пре њихове интеракције означили као к1 и к2, а наелектрисања после интеракције као к1' и к2', тада ће важити следећа једнакост:

к1 + к2 = к1 ' + к2'

Ово имплицира да је за било коју интеракцију тела укупно наелектрисање увек очувано. Ово је један од основних закона природе, закон одржања електричног набоја. Бенџамин Френклин га је открио 1750. године и увео концепте „позитивног наелектрисања“ и „негативног наелектрисања“. Френклина и предложио да се супротна наелектрисања означи знаковима «-» и «+».

У електроници Кирхофова правила јер струје следе директно из закона одржања електричног наелектрисања. Комбинација жица и електронских компоненти представљена је као отворени систем. Укупан прилив наелектрисања у дати систем једнак је укупном одливу наелектрисања из тог система. Кирхофова правила претпостављају да електронски систем не може значајно да промени свој укупни набој.

Поштено ради, напомињемо да је најбољи експериментални тест закона одржања електричног наелектрисања потрага за таквим распадима елементарних честица који би били дозвољени у случају нестрогог очувања наелектрисања. Оваква пропадања никада нису примећена у пракси.

Други начини за електрификацију физичких тела:

1. Ако је цинк плоча потопљена у раствор сумпорне киселине Х2СО4, онда ће се делимично растворити у њој. Неки од атома на плочи цинка, остављајући два своја електрона на цинкованој плочи, прећи ће у раствор са низом киселина у облику двоструко наелектрисаних позитивних јона цинка. Као резултат тога, плоча цинка ће бити наелектрисана негативним електрицитетом (вишак електрона), а раствор сумпорне киселине ће бити наелектрисан позитивним (вишак позитивних јона цинка). Ово својство се користи за електрификацију цинка у раствору сумпорне киселине у галванској ћелији као главни процес појаве електричне енергије.

2. Ако светлосни зраци падају на површину метала као што су цинк, цезијум и неки други, онда се слободни електрони ослобађају са ових површина у околину. Као резултат, метал је наелектрисан позитивним електрицитетом, а простор око њега наелектрисан негативним електрицитетом. Емисија електрона са осветљених површина одређених метала назива се фотоелектрични ефекат, који је нашао примену у фотонапонским ћелијама.

3. Ако се метално тело загреје до стања беле топлоте, онда ће слободни електрони полетети са његове површине у околни простор.Као резултат, метал који је изгубио електроне биће наелектрисан позитивним електрицитетом, а околина негативним електрицитетом.

4. Ако залемите крајеве две различите жице, на пример, бизмута и бакра, и загрејете њихов спој, онда ће слободни електрони делимично прећи са бакарне жице на бизмут. Као резултат тога, бакарна жица ће бити наелектрисана позитивним електрицитетом, док ће жица од бизмута бити наелектрисана негативним електрицитетом. Феномен наелектрисања два физичка тела када апсорбују топлотну енергију користи се у термопаровима.

Појаве повезане са интеракцијом наелектрисаних тела називају се електричним појавама.

Интеракција између наелектрисаних тела одређена је тзв Електричне силе које се разликују од сила друге природе по томе што узрокују да се наелектрисана тела одбијају и привлаче, без обзира на брзину њиховог кретања.

На овај начин се интеракција између наелектрисаних тела разликује, на пример, од гравитационе, коју карактерише само привлачење тела, или од сила магнетног порекла, које зависе од релативне брзине кретања наелектрисања, изазивајући магнетно феномени.

Електротехника углавном проучава законе спољашњег испољавања својстава наелектрисаних тела — законе електромагнетних поља.

Надамо се да вам је овај кратки чланак дао општу представу о томе шта је електрификација тела, а сада знате како да експериментално проверите закон одржања електричног набоја помоћу једноставног експеримента.