В процессе трения о шерсть эбонитовая палочка приобрела отрицательный заряд. Как при этом изменилось количество заряженных частиц на эбонитовой палочке и шерсти? Считать, что в процессе трения молекулы не перемещаются.
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
3) не изменилась
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
| Количество электронов |
на эбонитовой палочке
на эбонитовой палочке
на шерсти
За счёт сил трения происходит разделение зарядов. Поскольку эбонитовая палочка приобрела отрицательный заряд, количество электронов на эбонитовой палочке увеличилась. Количество протонов на эбонитовой палочке не изменилось, поскольку перенос молекул не осуществлялся. Количество электронов на шерсти уменьшилось.
Эбонит (твердая резина, греч. ebenos – черное дерево), продукт вулканизации каучуков большими количествами серы (30-50% от массы каучука), обычно черного или темно-бурого цвета. Смеси для получения эбонита содержат наполнители (например, эбонитовую или угольную пыль), ускорители и активаторы вулканизации, пластификаторы.
В отличие от мягкой резины, эбонит не проявляет высокой эластичности при обычных температурах и напоминает твёрдую пластмассу. Эбонит проявляет высокоэластичные свойства выше 55°С. Плотность 1,15-1,68 г/см³, модуль Юнга 2-3 ГПа (20•10³-30•10³ кгс/см²), напряжение растяжения = 50-70 МПа, прочность при растяжении 52-67 МН/м² (520-670 кгс/см²), удельное объёмное электрическое сопротивление 1014-1015 Ом•см.
Эбониты негигроскопичны, газонепроницаемы, стойки к алифатическим углеводородам, растительным и животным жирам, к действию растворов оснований, солей, неокисляющих кислот.
Эбониты хорошие электроизоляторы, обладают высокой адгезией к металлу, хорошо поддаются механической обработке. Эбониты разрушаются сильными окислителями, ароматическими и хлорированными углеводородами, окисляются на ярком свету, приобретая неприятный зеленоватый оттенок.
Промышленность производит эбонит-стержень и эбонит листовой (ГОСТ 2748-77), рабочий диапазон температур от -50°С до +60°С. Эбониты применялись как электроизоляторы и кислотостойкие материалы при производстве электроизоляционных деталей приборов, при гуммировании различных ёмкостей для агрессивных жидкостей, корпусов кислотных аккумуляторов и т.д.
В начале и середине XX века эбониты использовались как заменители дорогих материалов типа слоновой кости, рога или черепахового панциря для изготовления различных поделок. Из эбонитов изготавливали ручки, шахматы, гребни, мундштуки для трубок и т.п. В настоящее время эбониты практически вытеснены пластмассами, превосходящими эбониты по диэлектрическим свойствам и химической стойкости.
Еще в древности было известно свойство янтаря (окаменевшей смолы иглолистных растений, которые росли на Земле много сотен тысяч лет назад) притягивать легкие предметы, если его натереть шерстью или кожей. Поскольку греческое название янтаря – электрон, отсюда и возникло название "электричество". Про тело, которое после натирания притягивает к себе другие тела, говорят, что оно наэлектризовано.
Электризация тел происходит при соприкосновении и последующем разделении двух тел. Трут тела друг о друга лишь для того, чтобы увеличить площадь их соприкосновения. Электризоваться могут тела, сделанные из разных веществ.
Для проведения демонстрационных опытов по электростатике на уроках по физике используется комплект из эбонитовой палочки, стеклянной палочки, латунной трубки на изолирующей ручке и кусков сукна, шелка и листовой резины. Трубка латунная на изолирующей ручке выполнена в виде насаженной эбонитовой палочки на латунную трубку. Длина латунной и эбонитовой частей по 14,0 см.
По притяжению или отталкиванию заряженных тел, сделанных из различных веществ, можно сделать вывод о существовании зарядов двух видов. Обратимся к опытам. Наэлектризуем эбонитовую палочку, подвешенную на нити. Приблизим к ней другую такую же эбонитовую палочку, наэлектризованную трением о тот же кусочек меха.
Палочки оттолкнутся. Так как палочки одинаковые и наэлектризовали их трением об одно и то же тело, можно сказать, что на них были заряды одного рода. Теперь поднесем к наэлектризованной эбонитовой палочке стеклянную палочку, потертую о шелк. Мы увидим, что стеклянная и эбонитовая палочки взаимно притягиваются. Следовательно, заряд, полученный на стекляной палочке, потертой о шелк, другого рода, чем на эбонитовой палочке, потертой о мех. Значит, существует другой род зарядов.
Будем приближать к подвешенной наэлектризованной эбонитовой палочке наэлектризованные тела из различных веществ: резины, плексигласа, пластмассы, капрона. Мы увидим, что в одних случаях эбонитовая палочка отталкивается от тел, поднесенных к ней, а в других – притягивается.
Если эбонитовая палочка оттолкнулась, значит, на теле, поднесенном к ней, заряд такого же рода, что и на ней. А заряд тех тел, к которым эбонитовая палочка притянулась, сходен с зарядом, полученном на стекляной палочке, потертой о шелк. Поэтому можно считать, что существует только два рода электрических зарядов.
Электрический заряд, возникающий на стеклянной палочке (потертой о шелк) был назван положительным, а электрический заряд, возникающий на эбонитовой палочке (потертой о мех) – отрицательным. Так возникли и обозначения плюс + и минус -.
А какие изменения происходят в стекляной и эбонитовой палочках? Все предметы и вещества состоят из малых частиц, называемых атомами. В твердых веществах атомы крепко связаны между собой, а в жидких и газообразных эти связи незначительны.
Каждый атом состоит из положительного ядра, вокруг которого обращаются заряженные частицы, называемые электронами. На рисунке показан атом легкого газа гелия. В обычном состоянии число вращающихся вокруг ядра электронов равно числу положительных частиц ядра, и атом в целом электрически нейтрален.
Трением, нагреванием и т.д. с внешней орбиты атома можно отнять один или несколько электронов. В этом случае количество положительных зарядов в ядре будет преобладать, атом превратится в положительно заряженную частицу, положительный ион. Кроме потери электронов, возможно и присоединение дополнительных электронов.
Причем атом превращается в отрицательно заряженную частицу и называется отрицательным ионом. Это явление электризации – присоединения или отдачи электронов, называется ещё ионизацией. Оно не имеет ничего общего с расщеплением атома, когда изменяется строение ядра: при контактной электризации тел происходит отдача или присоединение только электронов, а положительные частицы остаются неподвижными, потому что они находятся в ядрах атомов и крепко связаны с веществом.
Еще раз вспомним наши опыты: при натирании шерстью стеклянная палочка заряжается положительно, а шерсть – отрицательно, т.к. электроны переходят со стеклянной палочки на шерсть. При натирании эбонитовой палочки электроны переходят с шерсти на палочку, поэтому эбонитовая палочка заряжается отрицательно, а лоскут шерсти – положительно.
Сам по себе электрон – малая частица с ничтожным электрическим зарядом. Однако число участвующих в различных электрических явлениях электронов огромно, и в результате эффект может быть очень значительным. Для оценки этого явления существует понятие количество электричества. Единица количества электричества называется кулон в честь французского физика Шарля Кулона (1736-1806).
Один кулон электричества равен такому огромному числу электронов: 1 кулон = 6 300 000 000 000 000 000 электронов! Натирая стеклянную или эбонитовую палочку, наэлектризовывая ее, мы отнимаем или добавляем тысячные части кулона электричества, однако, число участвующих в этом процессе электронов огромно и насчитывает сотни и тысячи миллиардов.
Вокруг каждого заряженного (наэлектризованного) тела существует электрическое поле, невидимое нашему глазу. Электрическое поле имеет такое свойство: если поместить в него другие заряженные тела, то на них начнут действовать определенные силы, т.е. электрическое поле является носителем энергии. На рисунке показано, как два разноименнозаряженных тела взаимодействуют посредством своих электрических полей. Напомним, что тела, наэлектризованные разноименными зарядами, притягиваются, а одноименными – отталкиваются.
Электрическое поле характеризуется направлением и напряженностью. Положительным направлением поля принято считать направление от положительного заряда к отрицательному. Для наглядности электрическое поле изображается т.н. электрическими силовыми линиями, которые выходят из положительно заряженного тела и входят в отрицательно заряженное.
Положительный электрический заряд, помещенный в электрическое поле между двумя разноименно заряженными металлическими пластинами, будет двигаться в направлении поля, потому что будет притягиваться отрицательной и отталкиваться положительной пластиной. В том же поле электрон с отрицательным зарядом будет отталкиваться от отрицательно заряженной пластины и притягиваться к положительно заряженной.
Это доказывает, что поле действительно является носителем энергии и при определенных условиях оно может совершать работу по переносу электрических зарядов. Для передачи электрического заряда от одного тела к другому нужно только коснуться наэлектризованным телом другого тела, и тогда часть электрического заряда перейдет на него.
Это важный момент для понимания механизма переноса электронов с эбонитовой палочки на тело человека. Данный процесс можно наблюдать с помощью электроскопа: к примеру, если прикоснуться к заряженному электроскопу рукой, оно разрядится, т.к. электрические заряды перейдут на наше тело.
Справка: электроскоп (от греч.слов электрон и скопео – наблюдать, обнаруживать) состоит из металлической оправы, с обеих сторон закрытой стеклом. В оправу вставлена пластмассовая пробка, через которую пропущен металлический стержень.
На конце стержня укреплены два листочка из тонкой бумаги. Чем больше заряд, переданный электроскопу, тем больше сила отталкивания листочков и тем на больший угол они разойдутся. По изменению угла расхождения листочков электроскопа можно судить, увеличился или уменьшился его заряд.
Эбонитовая палочка стала волшебной: в КРК "Мегаполис" Челябинска выступил финалист проекта «Минута славы» на Первом канале физик-волшебник Равиль Насыров, в прошлом – простой учитель физики из Казани. Сегодня его «фокусам» удивляется не только Россия, но и заграница. Впрочем, то, что представляет на суд зрителей Насыров, называть фокусами не совсем правильно: ведь в их основе – самая обыкновенная физика. А волшебная палочка ученого мага – эбонитовая.
– Кто знает, почему так происходит? – обращается Равиль Насыров к ребятне в то время, как по его волшебной эбонитовой палочке скачет маленькая бумажная фея. Но малыши (как и многие взрослые) лишь округляют глаза от удивления. В отличие от большинства фокусников свои секреты бывший учитель физики сразу же раскрывает.
– Я создал магнитное поле. Сейчас разноименные заряды притягиваются, – говорит Насыров, – и фея летит за жезлом. Несколько ловких манипуляций с эбонитовой палочкой, и та начинает гнать бумажную фигурку прочь. Кто-то из подростков-школьников вслух догадался, что теперь одноименные заряды отталкиваются. Несмотря на то, что моим любимым классным руководителем в школе была учительница физики, я не припомню более увлекательного урока, чем тот, что преподнес Насыров.
Равиль Насыров честно признался, что быть фокусником нравится ему гораздо больше, чем учителем. Эбонитовая палочка притянула достаточное количество денежных средств для того, чтобы он позволил себе ездить по всему миру. Сейчас Равиль Насыров работает над своим новым маленьким чудом. Он делает из тонкой блестящей бумаги объемные фигурки женщины и мужчины. Без всякой магии эбонитовая палочка заставит их исполнить танец прямо в воздухе.
Ещё в глубокой древности люди заметили, что янтарь (окаменевшая смола хвойных деревьев), потёртый о шерсть, приобретает способность притягивать к себе различные тела: соломинки, пушинки, ворсинки меха и т. д.
В дальнейшем установили, что этим свойством обладают и другие вещества: стеклянная палочка, потёртая о шёлк, палочка из органического стекла, натёртая о бумагу, эбонит (каучук с большой примесью серы), потёртый о сукно или мех.
Так, если потереть стеклянную палочку о лист бумаги, а затем поднести её к мелко нарезанным листочкам бумаги, то они начнут притягиваться к стеклянной палочке (рис. 30, а). К ней будут притягиваться и тонкие струйки воды (рис. 30, б).
Рис. 30. Электризация трением
Наблюдаемые явления в начале XVII в. были названы электрическими (от греч. электрон — янтарь). Стали говорить, что тело, получившее после натирания способность притягивать другие тела, наэлектризовано или что ему сообщён электрический заряд.
Если потереть о сухое сукно эбонитовую палочку, то не только палочка, но и сукно начнёт притягивать кусочки бумаги (рис. 30, в). Значит, при трении электризуются оба тела.
Электрический заряд может передаваться от одного тела к другому. Для этого необходимо лишь коснуться наэлектризованным телом другого тела. При этом часть электрического заряда перейдёт на второе тело. И это тело начнёт притягивать к себе мелкие листочки бумаги, пушинки и т. д.
Итак, электризация тел происходит при их соприкосновении.
На явлении электризации тел при соприкосновении основан принцип работы ксероксов. На явлении электризации основан принцип работы электрических фильтров, очищающих воздух от пыли и дыма. При окрашивании предметов применяется электризация частицы краски при её распылении, что позволяет добиться более ровного и прочного нанесения краски на предмет.
Все наэлектризованные тела обладают свойством притягивать к себе другие тела (см. рис. 30). По притяжению тел нельзя отличить электрический заряд, например, стеклянной палочки, потёртой о шёлк, от заряда эбонитовой палочки, потёртой о мех. Ведь обе наэлектризованные палочки притягивают к себе листочки бумаги.
Означает ли это, что заряды, полученные на телах из разных веществ, ничем не отличаются друг от друга?
Наэлектризуем две эбонитовые палочки трением о мех. Одну из них подвесим, как показано на рисунке 31, и поднесём к ней другую. Мы заметим, что наэлектризованные эбонитовые палочки отталкиваются.
Рис. 31. Отталкивание наэлектризованных эбонитовых палочек
Точно такой же результат получается, если вместо эбонитовых палочек взять стеклянные, потёртые о шёлк.
Теперь поднесём к наэлектризованной эбонитовой палочке стеклянную, потёртую о шёлк. Мы заметим, что эбонитовая и стеклянная палочки притягиваются друг к другу (рис. 32).
Рис. 32. Притяжение наэлектризованных палочек
Таким образом, наэлектризованные тела или притягиваются друг к другу, или отталкиваются.
Чем же может быть вызвано такое различие во взаимодействии наэлектризованных тел?
Очевидно, тем, что электрический заряд, появившийся при электризации, у эбонитовой палочки иного рода, чем у стеклянной. И действительно, тщательное изучение этих явлений подтверждает такое предположение.
Электрический заряд, полученный на стеклянной палочке, потёртой о шёлк, условились называть положительным. Заряд эбонитовой палочки, потёртой о мех, — отрицательным. Одни тела электризуются так, как стеклянная палочка, т. е. положительно. Другие, как эбонитовая палочка, — отрицательно. Положительные заряды обозначают знаком « + », отрицательные — знаком «-».
Притяжение разноимённо заряженных султанчиков
К наэлектризованной эбонитовой палочке будем подносить наэлектризованные тела из различных веществ, например из резины, пластмассы и др. В одних случаях эбонитовая палочка отталкивается от этих тел, в других — притягивается.
Если эбонитовая палочка отталкивается от поднесённого к ней наэлектризованного тела, значит, на палочке заряд такого же рода, что и на теле, т. е. отрицательный. В случае, когда эбонитовая палочка притягивается к поднесённому телу, значит, у палочки и у тела заряды разного рода. На эбонитовой палочке — отрицательный, на теле — положительный.
Поэтому можно считать, что существует только два рода электрических зарядов.
Проделанные нами опыты показывают, что тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды противоположного знака, взаимно притягиваются.