Електрическото поле

1. Електрически заряд и електрически ток

1.1 Зареждане

1.1.1 Статично електричество

1. Още в древността е било известно, че кехлибарът, разтрит със суха кърпа, образува малки, леки тела, напр. направени от вълна. Този ефект може да се постигне и с втрити пластмасови фолиа, пластмасови пръчки, стъклени пръчки и други подобни. показват, че напр. Затегнете парченцата хартия.

При тези явления се наблюдават ефекти на сили, които не са от механичен произход. За да се опишат тези явления, се въвежда ново физическо свойство, наречено електрически заряд. Q се използва като символ за това количество; мерната единица е [Q] = 1 C (Кулон - по Чарлз Августин Кулон, 1736 - 1806). За разтрит предмет, който упражнява електрически сили, се казва, че е електрически зареден. Обект, който няма електрически ефект, се нарича незареден или неутрален.

2. Можете бързо да изградите просто устройство за откриване на електрически заряд сами:

Ако доближите електрически зареден обект към този индикатор за зареждане, показалецът на хартията се обръща към него.

Ако замените хартиената лента с лента от пластмасово фолио и я разтриете, могат да се направят допълнителни наблюдения:

втрит пластмасов филм отблъсква индикатора за зареждане,

втрит стъклен прът привлича индикатора за зареждане.

3. Друго устройство за откриване на електрически заряд е светещата лампа:

Ако такава нажежаема лампа се държи срещу заредено тяло, един от електродите светва.

1.1.2 Такса за изолатори и метали

1. Метални предмети ли са, напр. Ако се търка изолирана метална топка, върху нея не може да се открие електрически заряд нито с индикатора за зареждане, нито с нажежена лампа. Ако обаче от металната топка се отстрани втрит пластмасов филм, може да се наблюдава сила, упражнявана от топката върху индикатора за зареждане. Нажежена лампа, задържана срещу заредената метална топка, също светва и по този начин доказва заряда.

Това означава, че металните предмети също могат да се зареждат, макар и не чрез триене.

Въпреки това може да се наблюдава разлика в заредените пластмасови фолиа:

Нажежена лампа свети няколко пъти и на различни места върху зареден филм;

Лампата с подгряване светва само веднъж върху зареден метален предмет.

От това може да се направи заключението: Електрическият заряд е подвижен върху метални тела; следователно те се наричат и електрически проводници. Непроводящи обекти, напр. Пластмасовите пръти и филми, стъклените пръчки и др. Се наричат изолатори.

2. Генераторът на ленти е устройство, при което изолаторът се зарежда чрез триене и зарядът се прехвърля върху метално тяло. Безкрайно гумено одеяло преминава върху пластмасова ролка и метална ролка и се зарежда в процеса. Назъбен метален гребен, който е свързан с метална кошница, е разположен точно над гуменото одеяло. Зарядът се прехвърля в металната кошница чрез металния гребен.

Други видове генератори на ленти използват метална топка на мястото на металната кошница; функционалният принцип обаче винаги е един и същ.

1.1.3 Два вида електрически заряд

Следните наблюдения могат да бъдат направени с нажежена лампа:

върху втрит пластмасов филм, светва страната на светещата лампа, която е върху филма;

На втрит стъклен прът светва страната на нажежаемата лампа, която е на противоположната страна на пръта.

Очевидно има два вида електрически заряд. По исторически причини те се наричат положителни и отрицателни електрически заряди. Натърканата пластмасова пръчка е отрицателна, натритата стъклена пръчка е заредена положително.

Лампа за нажежаване, която се държи срещу заредената метална кошница на ремъчен генератор, светва от страната срещу коша и по този начин показва, че металната кошница е заредена положително.

1.1.4 Силови ефекти

1. Силовите ефекти на електрическите заряди вече са описани по-горе. Сега това трябва да бъде разширено.

1) Ако две пластмасови фолиа, които са били заредени отрицателно чрез триене и окачване вертикално, се доближат едно до друго, може да се наблюдава отблъскване на двете фолиа.

2) Графитът се държи като метал по отношение на електрическата проводимост. Топка за тенис на маса, покрита с графитен слой, е окачена на изолационна нишка. Ако топката е заредена положително при генератора на колана, тя ще бъде отблъсната от генератора на колана.

3) Отрицателно зареденият пластмасов филм се доближава до положително заредения ремъчен генератор. Може да се наблюдава привличане на фолиото.

4) Малка алуминиева плоча, окачена изолирано, се зарежда положително върху ремъчния генератор. Отрицателно зареденият пластмасов филм привлича плочата.

Така че може да се заяви:

Обвинения със същото име се отблъскват взаимно; различните заряди се привличат (закон за електрическата сила).

2. Електроскопът е ранно използвано устройство за откриване на електрически заряд. Лек метален показалец, монтиран с възможност за въртене, е прикрепен към неподвижен метален прът. Ако зареждате електроскопа, напр. Ако от него се отстрани отрицателно зареден филм, зарядът се разпределя в стика и показалеца. Тъй като те вече са заредени със същото име, въртящият се показалец се отблъсква.

Ако зареждате положително електроскопа, пръчката и показалеца отново се зареждат със същото име и се отблъскват. Видът на заряда не може да бъде определен само с електроскопа.

1.1.5 Заредени и неутрални тела

Експеримент 1: Така наречената чаша Фарадей е прикрепена към електроскоп. Когато в тази чаша се постави зареден обект, показалецът на електроскопа се отклонява.

Сега пластмасова пръчка и стъклена пръчка се търкат заедно. Пластмасовата пръчка се зарежда отрицателно, а стъклената пръчка положително. Както е описано, електроскопът може да се използва, за да покаже, че прътите са заредени. Но ако и двете пръчки бъдат въведени в бехеровата чаша Фарадей едновременно, електроскопът не показва отклонение.

Това означава: положителните и отрицателните заряди се балансират помежду си по своя ефект.

Ако положителните и отрицателните заряди с еднакъв размер се съберат, техните ефекти се анулират. Този процес се нарича неутрализация .

Експеримент 2: Две незаредени (неутрални) метални топки, прикрепени към изолационни опори, са поставени така, че да се допират. Отрицателно зареден пластмасов филм се доближава до двете топки, без да ги докосва. След това двете топки се отделят една от друга. Електроскоп може да се използва, за да се докаже, че и двете сфери са електрически заредени след разделяне. Също така може да се определи, че топките се зареждат по различен начин: Ако първо заредите електроскопа, като докоснете една топка и след това донесете втората топка до електроскопа, нейното отклонение намалява. Така че има неутрализация.

От това може да се заключи: Металните топки вече съдържат заряд. Тъй като първоначално бяха неутрални, всеки от тях трябва да има толкова положителен, колкото отрицателен заряд. Зареденото фолио е отделило тези заряди, тъй като отрицателният му заряд отблъсква отрицателните заряди в металните топки. Това причинява излишък на отрицателен заряд върху една сфера, който по този начин изглежда отрицателно зареден. Липсва отрицателен заряд в другата сфера, така че положителният заряд, съдържащ се в сферата, преобладава и сферата изглежда положително заредена.

Като цяло се прилага следното: Електрическият заряд не се „генерира“. В неутрално тяло има положителни и отрицателни заряди в равни количества. Заредените тела възникват чрез разделяне на заряда, напр. чрез триене или под действието на външни електрически сили.

1.1.6 Влияние, поляризация

1. Ако към електроскоп се приближи заредено тяло, електроскопът показва обрив, дори ако зареденото тяло не докосва електроскопа. Когато се отстрани зареденото тяло, обривът на електроскопа отново намалява.

Този процес е известен като влияние:

Ако заредено тяло се донесе в близост до незаредено метално тяло, в метала се появяват измествания на заряда, т.е. положителните и отрицателните заряди се разделят. Ако зареденото тяло се отстрани, първоначалното разпределение на заряда се възстановява в метала.

2. Неутралните, неметални тела (изолатори) могат да бъдат повлияни от заредени тела:

Остатъци от хартия се привличат към заредени тела,

малък куб стиропор се привлича към натоварения ремъчен генератор,

балон, зареден с триене, привлича лист хартия,

струя вода може да се отклони със заредено фолио,

и т.н. Този ефект се нарича поляризация:

В изолатора, под въздействието на външни електрически сили, възникват измествания на заряда, така че изолаторът изглежда зареден.

1.1.7 Светещият електрически ефект; Електрони

1. При нормални условия газовете са електрически изолатори. Ако обаче увеличите напрежението, могат да възникнат електрически сривове, т.е.токов поток във въздуха. Такива пробиви вече могат да бъдат генерирани с натоварен лентов генератор.

2. През 19 век интензивно се изучава проводимостта на електричество в газове и във вакуум. Използвани са пълни с газ стъклени тръби, в които са били стопени метални електроди. Пример за това е тръбата на Едисон: евакуирана стъклена крушка съдържа нажежаема жичка (катод) и събирателна плоча (анод).

Експеримент: Анодът на тръба на Едисон е свързан с електроскоп. Електроскопът се зарежда положително или отрицателно.

Положително зареден електроскоп: Когато нажежаемата жичка свети, деформацията на електроскопа намалява.

Отрицателно зареден електроскоп: Деформацията на електроскопа остава дори ако нажежаемата жичка свети.

Тези наблюдения могат да се интерпретират по такъв начин, че отрицателният заряд да излиза от светещата нишка, да се придвижва към анодната плоча и оттам към електроскопа. Ако това е положително заредено, то се неутрализира от входящия отрицателен заряд. Ако е заредена отрицателно, тя отблъсква отрицателния заряд от нажежаемата жичка, така че нейното отклонение да не се променя.

3. В такива и многобройни други експерименти вече е доказано през 19 век, че отрицателният заряд, излизащ от нишката, не е свързан с химически откриваеми вещества. Терминът електрони е въведен за това „чисто електричество“.

Английският физик Джоузеф Джон Томсън (1856 - 1940) предлага първи модел на атома през 1904 г., с който трябва да се опише появата на електрическия заряд в атомите. Атомите трябва да се състоят от хомогенна топка от положително заредена материя, в която електроните се съхраняват в определени равновесни позиции като стафиди в кекса. В този модел електроните могат да бъдат освободени от атома, така че да остане положителен атомен остатък, наречен йон. Процесът на освобождаване на един или повече електрони от атома се нарича йонизация.

Провеждането на електричество в газове - напр. пробивът във въздуха - може да се разбере по следния начин:

Ако газът е в електрическо поле, това поле упражнява електрически сили върху зарядите в газовите атоми или молекули.

Ако тези електрически сили са достатъчно големи, електроните се откъсват от атомите.

Тогава свободните електрони и положителните йони могат да се движат в електрическото поле.

Тъй като електроните се ускоряват в електрическото поле, те от своя страна могат да йонизират други атоми или молекули (ударна йонизация). Това създава цяла лавина от електрони и йони.

1.1.8 Атомичен модел на заряда

1. Получени са много знания за структурата на атомите за повече от 100 години физически изследвания. Следният опростен модел се използва като основа за изследване и описание на електрическите явления.

Носителите на електрически заряд са атомите, които изграждат всяко тяло. Атомът се състои от атомно ядро и атомна обвивка. В атомното ядро има положително заредени частици, така наречените протони (и електрически неутрални частици, неутроните). Черупката е съставена от отрицателно заредени частици, наречени електрони. Броят на електроните в атома е равен на атомния номер на химичния елемент в периодичната система, към която принадлежи. Пример: Медта (Cu) има атомно число 29; атом Cu има 29 електрона.