Câmpul electric
1. Sarcină electrică și curent electric
1.1 Încărcare
1.1.1 Electricitate statică
1. Se știa deja în cele mai vechi timpuri că chihlimbarul, care era frecat cu o cârpă uscată, forma corpuri mici și ușoare de ex. din lână. Acest efect poate fi realizat și cu folii de plastic frecate, tije din plastic, tije din sticlă și altele asemenea. arată că de ex. Strângeți bucăți de hârtie.
În aceste fenomene, se observă efecte ale forțelor care nu sunt de origine mecanică. Pentru a descrie aceste fenomene, este introdusă o nouă proprietate fizică numită sarcină electrică. Q este folosit ca simbol pentru această cantitate; unitatea de măsură este [Q] = 1 C (Coulomb - după Charles Augustin Coulomb, 1736 - 1806). Se spune că un obiect frecat care exercită forțe electrice este încărcat electric. Un obiect care nu are efect electric se numește neîncărcat sau neutru.
2. Puteți construi rapid un dispozitiv simplu pentru detectarea sarcinii electrice:
Dacă vă apropiați de un obiect încărcat electric, acest indicator de încărcare, indicatorul de hârtie se întoarce spre el.
Dacă înlocuiți banda de hârtie cu o bandă de folie de plastic și o frecați, se pot face observații suplimentare:
un film de plastic frecat respinge indicatorul de încărcare,
o tijă de sticlă frecată atrage indicatorul de încărcare.
3. Un alt dispozitiv pentru detectarea sarcinii electrice este lampa de strălucire:
Dacă o astfel de lampă de strălucire este ținută de un corp încărcat, unul dintre electrozi se aprinde.
1.1.2 Încărcare pe izolatori și metale
1. Sunt obiecte metalice, de ex. Dacă se freacă o bilă metalică izolată, nu poate fi detectată nicio sarcină electrică pe bilă, fie cu indicatorul de încărcare, fie cu o lampă de strălucire. Dacă, totuși, o peliculă de plastic frecată este îndepărtată din bila de metal, se poate observa o forță exercitată de bilă pe indicatorul de încărcare. O lampă strălucitoare ținută de bila de metal încărcată se aprinde și, astfel, dovedește încărcarea.
Aceasta înseamnă că obiectele metalice pot fi, de asemenea, încărcate, deși nu prin frecare.
Cu toate acestea, se poate observa o diferență față de foliile de plastic încărcate:
O lampă strălucitoare se aprinde de mai multe ori și în locuri diferite pe un film încărcat;
Lampa de strălucire se aprinde o singură dată pe un obiect metalic încărcat.
Din aceasta se poate trage concluzia: pe corpurile metalice sarcina electrică este mobilă; de aceea sunt denumiți și conductori electrici. Obiecte neconductoare, de ex. Tijele și filmele din plastic, tijele din sticlă etc. se numesc izolatori.
2. Un generator de benzi este un dispozitiv în care un izolator este încărcat prin frecare și sarcina este transferată către un corp metalic. O pătură de cauciuc fără sfârșit trece peste o rolă de plastic și o rolă de metal și este încărcată în acest proces. Un pieptene metalic zimțat, care este conectat la un coș metalic, este situat chiar deasupra păturii de cauciuc. Încărcarea este transferată în coșul metalic prin pieptene metalice.
Alte tipuri de generatoare de benzi folosesc o bilă de metal în locul coșului de metal; cu toate acestea, principiul funcțional este întotdeauna același.
1.1.3 Două tipuri de încărcare electrică
Următoarele observații pot fi făcute cu o lampă strălucitoare:
pe un film de plastic frecat, se aprinde partea laterală a lămpii de strălucire care se află pe film;
Pe o tijă de sticlă frecată, se aprinde latura lămpii de strălucire care se află pe partea opusă a tijei.
Există, evident, două tipuri de încărcare electrică. Din motive istorice, acestea sunt denumite sarcini electrice pozitive și negative. Un baston de plastic frecat este negativ, un baston de sticlă frecat este încărcat pozitiv.
O lampă de strălucire, care este ținută până la coșul metalic încărcat al unui generator de curea, se aprinde pe partea opusă coșului, indicând astfel că coșul metalic este încărcat pozitiv.
1.1.4 Efecte de forță
1. Efectele forței încărcărilor electrice au fost deja descrise mai sus. Acest lucru ar trebui acum extins.
1) Dacă vă apropiați de două folii de plastic care au fost încărcate negativ prin frecare și atârnă vertical, se poate observa o respingere a celor două folii.
2) Grafitul se comportă ca un metal în ceea ce privește conductivitatea electrică. O minge de tenis de masă acoperită cu un strat de grafit este suspendată de un fir izolator. Dacă bila este încărcată pozitiv la generatorul de curea, aceasta va fi respinsă de generatorul de curea.
3) O peliculă din plastic încărcată negativ este adusă mai aproape de generatorul de curea încărcat pozitiv. Se poate observa o atracție a foliei.
4) O mică placă de aluminiu suspendată izolat este încărcată pozitiv pe generatorul de curea. Un film din plastic încărcat negativ atrage placa.
Deci se poate afirma:
Taxele cu același nume se resping reciproc; atrag sarcini diferite (legea forței electrice).
2. Electroscopul a fost un dispozitiv folosit timpuriu pentru detectarea sarcinii electrice. Un indicator metalic ușor montat rotativ este atașat la o tijă metalică fixă. Dacă încărcați electroscopul, de ex. Dacă un film încărcat negativ este îndepărtat din acesta, încărcătura este distribuită în stick și indicator. Deoarece acestea sunt acum încărcate cu același nume, indicatorul rotativ este respins.
Dacă încărcați electroscopul pozitiv, stick-ul și indicatorul sunt încărcate din nou cu același nume și se resping reciproc. Tipul de încărcare nu poate fi determinat doar cu electroscopul.
1.1.5 Corpuri încărcate și neutre
Experimentul 1: O așa-numită cupă Faraday este atașată la un electroscop. Când un obiect încărcat este plasat în această cupă, indicatorul electroscopului deviază.
Acum, o tijă de plastic și o tijă de sticlă sunt frecate împreună. Tija din plastic este încărcată negativ, iar tija din sticlă pozitiv. Așa cum s-a descris, electroscopul poate fi folosit pentru a demonstra că barele sunt încărcate. Cu toate acestea, dacă ambele tije sunt plasate în paharul Faraday în același timp, electroscopul nu prezintă nici o deformare.
Asta înseamnă: taxele pozitive și negative se echilibrează reciproc în efectul lor.
Dacă sarcinile pozitive și negative de aceeași dimensiune se reunesc, efectele lor se anulează reciproc. Acest proces se numește neutralizare .
Experimentul 2: Două bile metalice neîncărcate (neutre) atașate la suporturile izolante sunt montate astfel încât să se atingă. O peliculă din plastic încărcată negativ este apropiată de cele două bile fără a atinge bilele. Apoi cele două bile sunt separate una de cealaltă. Un electroscop poate fi folosit pentru a demonstra că ambele sfere sunt încărcate electric după separare. De asemenea, trebuie remarcat faptul că bilele sunt încărcate diferit: Dacă încărcați mai întâi electroscopul atingând o bilă și apoi aduceți a doua bilă la electroscop, devierea acestuia scade. Deci a existat o neutralizare.
Din aceasta se poate concluziona: bilele metalice conțineau deja sarcină. Întrucât au fost inițial neutri, fiecare trebuie să aibă sarcini atât pozitive cât și negative. Folia încărcată a separat aceste sarcini, deoarece sarcina sa negativă respinge sarcinile negative din bilele metalice. Acest lucru provoacă un exces de sarcină negativă pe o sferă, care apare astfel încărcată negativ. Există o lipsă de sarcină negativă pe cealaltă sferă, astfel încât sarcina pozitivă conținută în sferă predomină și sfera pare încărcată pozitiv.
În general, se aplică următoarele: Încărcarea electrică nu este „generată”. Într-un corp neutru există sarcini pozitive și negative în cantități egale. Corpurile încărcate apar prin separarea sarcinii, de ex. prin frecare sau sub acțiunea forțelor electrice externe.
1.1.6 Influență, polarizare
1. Dacă un corp încărcat este apropiat de un electroscop, electroscopul arată deja o erupție cutanată, chiar dacă corpul încărcat nu atinge electroscopul. Când corpul încărcat este îndepărtat, erupția electroscopului scade din nou.
Acest proces este cunoscut sub numele de influență:
Dacă un corp încărcat este adus în vecinătatea unui corp metalic neîncărcat, apar schimbări de încărcare în metal, adică sarcinile pozitive și negative sunt separate. Dacă corpul încărcat este îndepărtat, distribuția inițială a sarcinii este restabilită în metal.
2. Corpurile neutre, nemetalice (izolatoare) pot fi influențate de corpurile încărcate:
Resturile de hârtie sunt atrase de corpurile încărcate,
un mic cub de polistiren este atras de generatorul de curea încărcat,
un balon încărcat prin frecare atrage o foaie de hârtie,
un jet de apă poate fi deviat cu o folie încărcată,
etc. Acest efect se numește polarizare:
Într-un izolator, sub efectul forțelor electrice externe, apar schimbări de încărcare, astfel încât izolatorul să pară încărcat.
1.1.7 Efectul electric strălucitor; Electroni
1. Gazele sunt izolatoare electrice în condiții normale. Cu toate acestea, dacă creșteți tensiunea, pot apărea defecțiuni electrice, adică un curent de curent în aer. Astfel de descoperiri pot fi deja generate cu un generator de bandă încărcat.
2. În secolul al XIX-lea a fost intens studiată conducerea electricității în gaze și în vid. Au fost utilizate tuburi de sticlă umplute cu gaz în care s-au topit electrozi metalici. Un exemplu în acest sens este tubul Edison: un bec de sticlă evacuat conține un fir strălucitor (catod) și o placă colectoare (anod).
Experiment: Anodul unui tub Edison este conectat la un electroscop. Electroscopul este încărcat pozitiv sau negativ.
Electroscop încărcat pozitiv: Când filamentul luminează, devierea electroscopului scade.
Electroscop încărcat negativ: devierea electroscopului rămâne chiar dacă filamentul luminează.
Aceste observații pot fi interpretate în așa fel încât sarcina negativă să iasă din filamentul strălucitor, să se deplaseze către placa anodică și de acolo la electroscop. Dacă aceasta este încărcată pozitiv, este neutralizată de sarcina negativă de intrare. Dacă este încărcat negativ, respinge sarcina negativă din filament, astfel încât deformarea acestuia să nu se schimbe.
3. În asemenea și numeroase alte experimente s-a dovedit deja în secolul al XIX-lea că sarcina negativă care iese din firul de strălucire nu este legată de substanțe detectabile chimic. Termenul de electroni a fost introdus pentru această „electricitate pură”.
Fizicianul englez Joseph John Thomson (1856 - 1940) a propus un prim model al atomului în 1904, cu care ar trebui descrisă apariția sarcinii electrice în atomi. Atomii ar trebui să fie compuși dintr-o bilă omogenă de materie încărcată pozitiv în care electronii sunt depozitați în anumite poziții de echilibru, cum ar fi stafidele într-un tort. În acest model, electronii pot fi levigați din atom, astfel încât să rămână un reziduu atomic pozitiv, numit ion. Procesul de eliberare a unuia sau mai multor electroni din atom se numește ionizare.
Conducerea electricității în gaze - de ex. descoperirea în aer - poate fi înțeleasă după cum urmează:
Dacă gazul se află într-un câmp electric, acest câmp exercită forțe electrice asupra sarcinilor din atomii sau moleculele de gaz.
Dacă aceste forțe electrice sunt suficient de mari, electronii sunt rupți din atomi.
Electronii liberi și ionii pozitivi se pot deplasa apoi în câmpul electric.
Deoarece electronii sunt accelerați în câmpul electric, aceștia la rândul lor pot ioniza alți atomi sau molecule (ionizare de impact). În acest fel se creează o întreagă avalanșă de electroni și ioni.
1.1.8 Model atomic al sarcinii
1. S-au dobândit multe cunoștințe despre structura atomilor în mai mult de 100 de ani de cercetare fizică. Următorul model simplificat este utilizat ca bază pentru investigarea și descrierea fenomenelor electrice.
Purtătorii de sarcină electrică sunt atomii care alcătuiesc fiecare corp. Un atom constă dintr-un nucleu atomic și o coajă atomică. În nucleul atomic există particule încărcate pozitiv, așa-numiții protoni (și particule neutre din punct de vedere electric, neutronii). Coaja este compusă din particule încărcate negativ numite electroni. Numărul de electroni dintr-un atom este egal cu numărul atomic al elementului chimic din tabelul periodic căruia îi aparține. Exemplu: Cuprul (Cu) are numărul atomic 29; un atom de Cu are 29 de electroni.