Методы электризации: контакт, трение и индукция
На этом уроке мы рассмотрим три метода электризации: контакт, трение и индукция. Вводится атомная структура вещества, с различием между проводниками и изоляторами. Описывается, как тела приобретают или теряют электрический заряд при использовании этих методов, подчеркивая, что индукция не требует прямого контакта между задействованными объектами.
Цели обучения:
К концу урока учащийся сможет:
- Перечислить субатомные частицы и их соответствующие заряды и массы.
- Объяснить, почему при трении определенных материалов они приобретают электрический заряд.
- Описать связь между наблюдениями древних греков (заряженный янтарь) и современной концепцией электричества.
- Различать нейтральные атомы, катионы и анионы.
- Использовать закон знаков для прогнозирования взаимодействия между электрическими зарядами.
Содержание
Проводники и изоляторы
Электризация
Электризация через контакт
Электризация через трение
Электризация через индукцию
Проводники и изоляторы
Атомы, составляющие внутреннюю структуру вещества, состоят из трех типов частиц: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны образуют атомное ядро и называются нуклонами, в то время как электроны располагаются на внешних слоях в виде «орбитальных облаков». Нуклоны удерживаются вместе за счет ядерных сил и, за исключением очень массивных атомов, которые могут распадаться через радиоактивные процессы, не теряются и не приобретаются легко. Напротив, электроны внешних слоев, в зависимости от электронной конфигурации атома, могут обладать большей или меньшей свободой движения.
Основываясь на этом, мы можем классифицировать физические объекты на два противоположных типа: проводники и изоляторы. Проводники — это материалы, способные легко приобретать и терять электроны, тогда как изоляторы препятствуют обмену своими электронами.
Хотя проводники и изоляторы могут терять или приобретать электроны, основное различие заключается в подвижности электронов, когда они захватываются атомами материала. Например, в большинстве металлов электроны обладают свободой движения, что позволяет формировать «электрические токи». В отличие от них, в таких материалах, как резина, хотя они могут приобретать электрический заряд, перемещение зарядов из одной точки в другую затруднено.
Электризация
Электризация относится к явлению приобретения или потери электрического заряда. Ниже описаны процессы, с помощью которых происходит это явление.
Электризация через контакт
Электризация через контакт подразумевает зарядку тела при его контакте с другим, уже заряженным телом. При этом электроны перераспределяются между обоими телами до достижения равновесия в их зарядах. Для того чтобы этот процесс имел место, важно, чтобы оба тела были проводниками; в противном случае заряды не будут свободно перераспределяться, и электризация не произойдет.
Ниже представлена таблица, которая подытоживает ключевые аспекты электризации через контакт.
| Начальное состояние зарядов | Процесс контакта | Конечное состояние зарядов | Наблюдение | ||
| (+) | Нейтрально | \left. \right> | (+) | (+) | Положительный заряд распределяется между двумя телами. |
| (+) | (-) | \left. \right> | (+) | (+) | Заряды уравновешиваются, и остается доминирующий заряд. |
| (+) | (-) | \left. \right> | Нейтрально | Нейтрально | Равные и противоположные заряды аннигилируют друг друга. |
| (-) | (+) | \left. \right> | (-) | (-) | Заряды уравновешиваются, и остается доминирующий заряд. |
| (-) | Нейтрально | \left. \right> | (-) | (-) | Отрицательный заряд распределяется между двумя телами. |
Электризация через трение
При трении одного тела о другое, происходит небольшое повышение температуры. Это связано с тем, что во время трения энергия передается между телами. Часть этой энергии может переместить электроны с одного объекта на другой. Когда это происходит, мы говорим, что тела приобрели заряд через трение. В отличие от электризации через контакт, при трении два нейтральных тела получают заряды одинаковой величины, но противоположного знака.
Ниже представлена таблица, которая подытоживает основные аспекты электризации через трение.
| Начальное состояние зарядов | Процесс трения | Конечное состояние зарядов | Наблюдение | ||
| Нейтрально | Нейтрально | \left. \right> | (+) | (-) | Одно тело отдает свои электроны другому, в результате чего одно становится положительно заряженным, а другое отрицательно заряженным. |
Электризация через индукцию
Среди методов электризации, которые мы анализировали, индукция выделяется как единственный метод, не требующий прямого контакта между задействованными объектами. В этом методе используется эффект, который электрическое поле заряженного объекта оказывает на электроны нейтрального тела. Чтобы понять этот механизм, важно знать, что электроны, обладающие отрицательным зарядом, могут быть притянуты или оттолкнуты в присутствии другого заряженного объекта. Также важно понимать, что заземление действует как источник или резервуар электронов, в зависимости от ситуации.
Индукция от нейтрального к отрицательному
Индукция от нейтрального к положительному
