Elektrické pole
1. Elektrický náboj a elektrický prúd
1.1 Poplatok
1.1.1 Statická elektrina
1. Už v staroveku sa vedelo, že jantár, ktorý sa trie suchou látkou, môže priťahovať malé ľahké telá, napríklad z vlny. Tento efekt je možné dosiahnuť aj pomocou trecích plastových fólií, plastových tyčí, sklenených tyčiniek a podobne. ukážte, že napr. prilákajte zvyšky papiera.
V týchto javoch sa pozorujú účinky síl, ktoré nie sú mechanického pôvodu. Na opísanie týchto javov je uvedená nová fyzikálna vlastnosť nazývaná elektrický náboj. Q sa používa ako symbol pre toto množstvo; jednotka merania je [Q] = 1 C (Coulomb - po Charlesovi Augustinovi Coulombovi, 1736 - 1806). O trený predmet vyvíjajúci elektrické sily sa hovorí, že je elektricky nabitý. Objekt, ktorý nemá elektrický efekt, sa nazýva nenabitý alebo neutrálny.
2. Jednoduché zariadenie na zisťovanie elektrického náboja si môžete rýchlo zostaviť sami:
Ak sa k elektricky nabitému predmetu priblížite k tomuto indikátoru nabitia, ukazovateľ papiera sa otočí smerom k nemu.
Ak nahradíte papierový prúžok prúžkom plastovej fólie a potriete ho, môžete urobiť ďalšie pozorovania:
odretá plastová fólia odpudzuje indikátor nabitia,
indikátor zo stavu nabitia priťahuje tyčinka zo skleneného skla.
3. Ďalším zariadením na zisťovanie elektrického náboja je žiarovka:
Ak je takáto žiarovka držaná proti nabitému telu, jedna z elektród sa rozsvieti.
1.1.2 Poplatky za izolátory a kovy
1. Ak sú kovové predmety, napr. Izolovaná kovová guľa, trením, indikátor stavu nabitia ani žiarovka nedokážu zistiť elektrický náboj na guľke. Ak sa však z kovovej gule odstráni odretá plastová fólia, je možné pozorovať silu vyvíjanú guľou na indikátor nabitia. Žiarovka držaná proti nabitej kovovej guli sa tiež rozsvieti a preukáže tak nabitie.
To znamená, že môžu byť tiež nabité kovové predmety, aj keď nie trením.
Možno však pozorovať rozdiel oproti nabitým plastovým fóliám:
Žiarovka sa na nabitom filme niekoľkokrát rozsvieti a na rôznych miestach;
Žiarovka sa na nabitom kovovom predmete rozsvieti iba raz.
Z toho možno vyvodiť záver: Elektrický náboj je pohyblivý na kovových telách; označujú sa preto aj ako elektrické vodiče. Nevodivé predmety, ako napríklad plastové tyčinky a filmy, sklenené tyčinky atď., Sa nazývajú izolátory.
2. Pásový generátor je zariadenie, v ktorom sa izolátor nabíja trením a náboj sa prenáša do kovového telesa. Nekonečná gumová prikrývka prechádza cez plastový valec a kovový valec a je pri tom nabíjaná. Hneď nad gumovou prikrývkou je zubatý kovový hrebeň, ktorý je spojený s kovovým košom. Náplň sa prenáša do kovového koša pomocou kovového hrebeňa.
Iné typy generátorov pásov používajú namiesto kovového koša kovovú guľu; funkčný princíp je však vždy rovnaký.
1.1.3 Dva typy elektrického náboja
Nasledujúce pozorovania možno vykonať pomocou žiarovky:
na trenej plastovej fólii sa rozsvieti strana žiarovky, ktorá je na fólii;
Na tyči zo stieraného skla sa rozsvieti strana žiarovky, ktorá je na opačnej strane tyče.
Existujú samozrejme dva typy elektrického náboja. Z historických dôvodov sa tieto označujú ako kladné a záporné elektrické náboje. Natretá plastová tyčinka je záporná, zatretá sklenená tyčinka je pozitívne nabitá.
Žhaviaca žiarovka, ktorá je držaná až po nabitý kovový kôš generátora pásu, sa rozsvieti na strane oproti košu, čo naznačuje, že kovový kôš je pozitívne nabitý.
1.1.4 Účinky sily
1. Silové účinky elektrických nábojov už boli opísané vyššie. Toto by sa teraz malo rozšíriť.
1) Ak sa dve plastové fólie, ktoré boli negatívne nabité trením a vertikálnym zavesením nadol, priblížia k sebe, je možné pozorovať odpudenie týchto dvoch fólií.
2) Grafit sa z hľadiska elektrickej vodivosti chová ako kov. Lopta na stolný tenis pokrytá grafitovou vrstvou je zavesená na izolačnom vlákne. Ak je guľa v generátore pásu pozitívne nabitá, generátor pásu ju odrazí.
3) Negatívne nabitá plastová fólia sa privedie bližšie k kladne nabitému generátoru pásu. Je možné pozorovať príťažlivosť fólie.
4) Malá hliníková doska zavesená izolovane je kladne nabitá na generátore pásu. Negatívne nabitá plastová fólia priťahuje doštičku.
Možno teda konštatovať:
Poplatky s rovnakým menom sa navzájom odpudzujú; priťahujú odlišné náboje (zákon o elektrickej sile).
2. Elektroskop bol prvou používanou pomôckou na zisťovanie elektrického náboja. Ukazovateľ z ľahkého kovu otočne namontovaný je pripevnený k pevnej kovovej tyči. Ak nabíjate elektroskop, napríklad odstránením negatívne nabitého filmu, náboj sa distribuuje v tyčinke a ukazovateli. Pretože tieto sú teraz načítané s rovnakým názvom, otočný ukazovateľ je odrazený.
Ak nabijete elektroskop kladne, palica a ukazovateľ sa znovu nabijú rovnakým menom a navzájom sa odpudzujú. Typ náboja nie je možné určiť iba pomocou elektroskopu.
1.1.5 Nabité a neutrálne orgány
Pokus 1: K elektroskopu je pripevnený takzvaný Faradayov pohár. Keď sa do tohto pohára vloží nabitý predmet, ukazovateľ elektroskopu sa vychýli.
Teraz sa plastová tyč a sklenená tyč navzájom vtierajú. Plastová tyč je nabitá záporne a sklenená tyč je kladne nabitá. Ako je opísané, elektroskop je možné použiť na preukázanie toho, že tyčinky sú nabité. Ale ak sú obidve tyčinky zavedené do Faradayovej kadičky súčasne, elektroskop nevykazuje žiadne vychýlenie.
To znamená: kladné a záporné náboje sa navzájom vyrovnávajú.
Ak sa spoja kladné a záporné náboje rovnakej veľkosti, ich účinky sa vzájomne rušia. Tento proces sa nazýva neutralizácia .
Pokus 2: Dve nenabité (neutrálne) kovové guľky pripevnené k izolačným podperám sú nastavené tak, aby sa navzájom dotýkali. Negatívne nabitá plastová fólia sa priblíži k dvom guľkám bez toho, aby sa guľôčok dotkla. Potom sú dve gule oddelené od seba. Na preukázanie toho, že obe gule sú po oddelení elektricky nabité, je možné použiť elektroskop. Je tiež potrebné poznamenať, že guľky sa nabíjajú odlišne: Ak najskôr nabijete elektroskop dotykom na jednu guľku a potom privediete druhú guľku k elektroskopu, jeho vychýlenie sa zníži. Došlo teda k neutralizácii.
Z toho možno vyvodiť záver: Kovové guľky už obsahovali náboj. Pretože boli pôvodne neutrálne, musia mať každý rovnako kladný ako záporný náboj. Nabitá fólia tieto náboje oddelila, pretože jej záporný náboj odpudzuje záporné náboje v kovových guľkách. To spôsobuje prebytok záporného náboja na jednej sfére, ktorá sa tak javí ako záporne nabitá. Na druhej sfére chýba negatívny náboj, takže prevláda pozitívny náboj obsiahnutý vo sfére a guľa sa javí ako kladne nabitá.
Vo všeobecnosti platí toto: Elektrický náboj sa „negeneruje“. V neutrálnom tele sú kladné a záporné náboje v rovnakom množstve. Nabité telesá vznikajú oddelením nábojov, napríklad trením alebo pôsobením vonkajších elektrických síl.
1.1.6 Vplyv, polarizácia
1. Ak sa k nabitému telu priblíži k elektroskopu, na elektroskope sa objaví vyrážka, aj keď sa nabitý objekt nedotkne elektroskopu. Po odstránení nabitého tela sa vyrážka na elektroskope opäť zmenší.
Tento proces je známy ako vplyv:
Ak prinesiete nabité telo do blízkosti nenabitého kovového tela, dôjde k posunom náboja v kovu, to znamená, že sú oddelené kladné a záporné náboje. Ak sa nabité teleso odstráni, pôvodné rozloženie náboja sa v kovu obnoví.
2. Neutrálne nekovové telesá (izolátory) môžu byť ovplyvnené nabitými telesami:
Útržky papiera sú priťahované k nabitým telám,
na naložený generátor pásu priláka malú kocku polystyrénu,
balón nabitý trením priťahuje list papiera,
vodný lúč je možné odvrátiť nabitou fóliou,
Tento efekt sa nazýva polarizácia:
V izolátore vedie vplyv vonkajších elektrických síl k posunom nabíjania, takže sa izolátor javí ako nabitý.
1.1.7 žeravý elektrický efekt; Elektróny
1. Plyny sú za normálnych podmienok elektrické izolátory. Ak však napätie zvýšite, môže dôjsť k elektrickým poruchám, to znamená k prúdeniu vzduchu. Takéto objavy je možné už generovať pomocou načítaného generátora pásky.
2. V 19. storočí sa intenzívne študovalo vedenie elektriny v plynoch a vo vákuu. Použili sa sklenené trubice plnené plynom, do ktorých sa natavovali kovové elektródy. Príkladom toho je Edisonova trubica: evakuovaná sklenená žiarovka obsahuje žeravý drôt (katóda) a zbernú dosku (anóda).
Pokus: Anóda Edisonovej trubice je pripojená k elektroskopu. Elektroskop je nabitý kladne alebo záporne.
Kladne nabitý elektroskop: Keď žiarovka svieti, výchylka elektroskopu sa zmenšuje.
Negatívne nabitý elektroskop: Vychýlenie elektroskopu zostáva, aj keď vlákno svieti.
Tieto pozorovania možno interpretovať tak, že záporný náboj vychádza zo žeravého vlákna, pohybuje sa na anódovú dosku a odtiaľ sa dostane k elektroskopu. Ak je to kladne nabité, neutralizuje to prichádzajúci záporný náboj. Ak je negatívne nabitý, odpudzuje negatívny náboj od vlákna, takže sa jeho priehyb nemení.
3. V takýchto a mnohých ďalších experimentoch sa už v 19. storočí dokázalo, že negatívny náboj vychádzajúci zo žeravého drôtu nie je viazaný na chemicky zistiteľné látky. Pre túto „čistú elektrinu“ bol zavedený termín elektróny.
V roku 1904 anglický fyzik Joseph John Thomson (1856 - 1940) navrhol prvý model atómu, pomocou ktorého mal byť popísaný výskyt elektrického náboja v atómoch. Atómy by mali pozostávať z homogénnej gule kladne nabitej hmoty, v ktorej sú elektróny uložené v určitých rovnovážnych polohách ako hrozienka v koláči. V tomto modeli môžu byť elektróny vylúhované z atómu, takže zostáva pozitívny atómový zvyšok nazývaný ión. Proces uvoľňovania jedného alebo viacerých elektrónov z atómu sa nazýva ionizácia.
Vedenie elektriny v plynoch - napríklad rozpad vo vzduchu - možno chápať takto:
Ak je plyn v elektrickom poli, toto pole vyvíja elektrické sily na náboje v atómoch alebo molekulách plynu.
Ak sú tieto elektrické sily dostatočne veľké, elektróny sa vytrhávajú z atómov.
Voľné elektróny a kladné ióny sa potom môžu pohybovať v elektrickom poli.
Pretože elektróny sú urýchľované v elektrickom poli, môžu zase ionizovať ďalšie atómy alebo molekuly (nárazová ionizácia). Tak vznikne celá lavína elektrónov a iónov.
1.1.8 Atomistický model náboja
1. Za viac ako 100 rokov fyzikálneho výskumu sa získalo veľa poznatkov o štruktúre atómov. Nasledujúci zjednodušený model slúži ako základ pre vyšetrovanie a popis elektrických javov.
Nositeľmi elektrického náboja sú atómy, ktoré tvoria každé telo. Atóm sa skladá z atómového jadra a atómového obalu. V atómovom jadre sú kladne nabité častice, takzvané protóny (a elektricky neutrálne častice, neutróny). Škrupina sa skladá z negatívne nabitých častíc nazývaných elektróny. Počet elektrónov v atóme sa rovná atómovému číslu chemického prvku v periodickej tabuľke, ku ktorej patrí. Príklad: Meď (Cu) má atómové číslo 29; atóm Cu má 29 elektrónov.