Статическое электричество
Столетия назад было обнаружено, что определенные типы материалов после того, как их потереть друг об друга, загадочным образом начинают притягиваться друг к другу. Например, если натереть кусок шелка о кусок стекла, шелк и стекло будут, как правило, слипаться. На самом деле сила притяжения будет заметна даже при разделении этих двух материалов:
Стекло и шелк – не единственные материалы, которые ведут себя подобным образом. Такое же явление на себе испытывал любой, кто когда-либо тер воздушный шар, чтобы проверить, попытается ли тот прилипнуть к нему. Парафин и шерстяная ткань – еще одна пара материалов, о которых ранние экспериментаторы узнали, что они проявляют силу притяжения после трения друг о друга:
Это явление стало еще более интересным, когда было обнаружено, что одинаковые материалы, после того как их натерли соответствующей тканью, всегда отталкиваются друг от друга:
Также было отмечено, что когда кусок стекла, натертый шелком, подвергался воздействию куска воска, натертого шерстью, эти два материала притягивались друг к другу:
Кроме того, было обнаружено, что любой материал, демонстрирующий свойства притяжения или отталкивания после трения, может быть отнесен к одной из двух различных категорий: притягиваемый к стеклу и отталкиваемый воском или отталкиваемый стеклом и притягиваемый воском. Либо одно, либо другое: не было обнаружено материалов, которые бы притягивались или отталкивались и стеклом, и воском, или которые реагировали бы на одно, не реагируя на другое.
Больше внимания было уделено кускам ткани, которые использовались для натирания. Было обнаружено, что после натирания двух кусков стекла двумя кусками шелковой ткани друг от друга отталкивались не только кусочки стекла, но и куски ткани. То же самое происходило и с кусочками шерсти, которыми натирали воск:
Это было действительно странно наблюдать. В конце концов, ни один из этих предметов не претерпел видимых изменений в результате трения, но они определенно вели себя иначе, чем до того, как их натерли. Какое бы изменение ни произошло, заставив эти материалы притягивать или отталкивать друг друга, оно было невидимым.
Некоторые экспериментаторы предполагали, что в процессе трения от одного объекта к другому переходили невидимые «флюиды», и что эти «флюиды» могли воздействовать на физическую силу на расстоянии. Чарльз Дюфай был одним из первых экспериментаторов, продемонстрировавших, что существует определенно два разных типа изменений, вызванных трением определенных пар предметов друг о друга. Тот факт, что в этих материалах проявилось более одного типа изменений, был очевиден, поскольку были созданы два типа сил: притяжение и отталкивание. Гипотетический перенос флюидов стал известен как заряд.
Другой исследователь-первооткрыватель, Бенджамин Франклин, пришел к выводу, что между натертыми предметами происходил обмен только одним флюидом, и что два разных «заряда» были не чем иным, как избытком или недостатком этого флюида. После экспериментов с воском и шерстью Франклин предположил, что грубая шерсть удаляет часть этого невидимого флюида из гладкого воска, вызывая избыток флюида на шерсти и дефицит флюида на воске. Возникающее в результате несоответствие содержания флюида между шерстью и воском могло вызвать силу притяжения, поскольку флюид пытался восстановить прежний баланс между двумя материалами.
Постулирование существования единого «флюида», который был получен или потерян в результате трения, лучше всего объясняет наблюдаемое поведение: все эти материалы точно попадают в одну из двух категорий при трении, и, что наиболее важно, когда два активных материала трутся друг о друга, они всегда попадают в противоположные категории, о чем свидетельствовало их неизменное притяжение друг к другу. Другими словами, никогда не было случая, когда два материала, натираемые друг об друга, становились либо положительными, либо отрицательными.
После предположения Франклина о том, что шерсть стирает что-то с воска, тип заряда, который соответствовал натертому воску, стал известен как «отрицательный» (потому что предполагалось, что он имеет дефицит флюида), в то время как тип заряда, соответствующий натертой шерсти, стал известен как «положительный» (потому что в нем должен был быть избыток флюида). Он и не подозревал, что его простое предположение в будущем вызовет много путаницы у изучающих электричество!
Точные измерения электрического заряда были выполнены французским физиком Шарлем Кулоном в 1780-х годах с помощью устройства, называемого крутильными весами, для измерения силы, создаваемой между двумя электрически заряженными объектами. Результаты работы Кулона привели к разработке единицы измерения электрического заряда, названной в его честь, кулон. Если бы два «точечных» объекта (гипотетических объекта, не имеющих заметной площади поверхности) имели бы одинаковый заряд величиной в 1 кулон и были бы помещены на расстоянии 1 метр друг от друга, то они создавали бы силу около 9 миллиардов ньютонов, притягиваясь или отталкиваясь, в зависимости от типа задействованных зарядов. Рабочее определение кулона как единицы электрического заряда (относительно силы, генерируемой между точечными зарядами) оказалось равным избытку или недостатку примерно в 6 250 000 000 000 000 000 электронов. Или, выражаясь наоборот, один электрон имеет заряд около 0,00000000000000000016 кулонов. Поскольку один электрон является наименьшим известным носителем электрического заряда, эта последняя величина заряда для электрона определяется как элементарный заряд.
Гораздо позже было обнаружено, что этот «флюид» на самом деле состоит из очень маленьких кусочков материи, называемых электронами, названных так в честь древнегреческого слова, обозначавшего янтарь: еще один материал, проявляющий заряженные свойства при натирании тканью.
Состав атома
С тех пор эксперименты показали, что все объекты состоят из чрезвычайно маленьких «строительных блоков», известных как атомы, и что эти атомы, в свою очередь, состоят из более мелких компонентов, известных как частицы. Три основных частицы, составляющие большинство атомов, называются протонами, нейтронами и электронами. Хотя большинство атомов состоит из протонов, нейтронов и электронов, нейтроны есть не у всех атомов; например, изотоп протий (1H1) водорода (водород-1), который является самой легкой и наиболее распространенной формой водорода, имеющей только один протон и один электрон. Атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть, но если бы мы могли взглянуть на один, он мог бы выглядеть примерно так:
Несмотря на то, что каждый атом в куске материала, как правило, держится как единое целое, на самом деле между электронами и кластером протонов и нейтронов, находящимся в середине, остается много пустого пространства.
Грубая модель на рисунке 6 представляет собой элемент углерода с шестью протонами, шестью нейтронами и шестью электронами. В любом атоме протоны и нейтроны очень тесно связаны между собой, что является важным качеством. Плотно связанный сгусток протонов и нейтронов в центре атома называется ядром, и количество протонов в ядре атома определяет его элементарную идентичность: измените количество протонов в ядре атома, и вы измените тип того, чему принадлежит этот атом. Фактически, если бы вы могли удалить три протона из ядра атома свинца, вы осуществили бы мечту старых алхимиков о создании атома золота! Тесное связывание протонов в ядре отвечает за стабильную идентичность химических элементов и неспособность алхимиков осуществить свою мечту.
Нейтроны гораздо меньше влияют на химический характер и идентичность атома, чем протоны, хотя их так же трудно добавить в ядро или удалить из него, поскольку они очень прочно связаны. Если добавить нейтроны, атом всё равно сохранит ту же химическую идентичность, но его масса изменится незначительно, и он может приобрести странные ядерные свойства, такие как радиоактивность.
Электроны же имеют значительно большую свободу передвижения в атоме, чем протоны или нейтроны. Фактически, они могут быть выбиты из своего положения (даже полностью покинув атом!) гораздо меньшей энергией, чем та, которая требуется, чтобы выбить частицы ядра. Если это произойдет, атом по-прежнему сохранит свою химическую идентичность, но возникнет важный дисбаланс. Электроны и протоны уникальны тем, что они притягиваются друг к другу на расстоянии. Именно это притяжение на расстоянии вызывает притяжение между натертыми объектами, когда электроны удаляются от своих первоначальных атомов и располагаются вокруг атомов другого объекта.
Электроны отталкиваются от других электронов, как и протоны отталкиваются от других протонов. Единственная причина, по которой протоны связываются вместе в ядре атома, заключается в гораздо большей силе, называемой сильной ядерной силой, которая действует только на очень коротких расстояниях. Считается, что из-за этого поведения притяжения/отталкивания между отдельными частицами электроны и протоны имеют противоположные электрические заряды. То есть каждый электрон имеет отрицательный заряд, а каждый протон – положительный. В равных количествах внутри атома они противодействуют присутствию друг друга, так что общий заряд внутри атома равен нулю. Вот почему в изображении атома углерода шесть электронов: чтобы уравновесить электрический заряд шести протонов в ядре. Если электроны уйдут или появятся дополнительные электроны, общий электрический заряд атома будет разбалансирован, в результате чего атом останется «заряженным» в целом, что заставит его взаимодействовать с заряженными частицами и другими заряженными атомами поблизости. Нейтроны не притягиваются и не отталкиваются электронами, протонами или даже другими нейтронами и, следовательно, классифицируются как не имеющие заряда.
Процесс прихода или ухода электронов – это именно то, что происходит, когда определенные комбинации материалов натираются друг об друга: трение вынуждает электронов из атомов одного материала покинуть свои атомы и перейти к атомам другого материала. Другими словами, «флюид» из гипотезы Бенджамина Франклина состоит из электронов.
Что такое статическое электричество?
Результат дисбаланса этого «флюида» (электронов) между объектами называется статическим электричеством. Оно называется «статическим», потому что перемещенные электроны стремятся оставаться неподвижными после этого перемещения из одного диэлектрического материала в другой. В случае воска и шерсти путем дальнейших экспериментов было установлено, что электроны в шерсти фактически передаются атомам воска, что прямо противоположно предположению Франклина! В честь того, что Франклин назвал заряд воска «отрицательным», а заряд шерсти «положительным», электроны, как говорят, обладают «отрицательным» влиянием заряда. Таким образом, объект, атомы которого получили избыток электронов, называется отрицательно заряженным, а объект, в атомах которого есть недостаток электронов, считается положительно заряженным, как бы сбивали с толку эти обозначения. К тому времени, когда была открыта истинная природа электрического «флюида», обозначение электрического заряда Франклина уже слишком хорошо устоялось, чтобы его можно было легко изменить, и так остается по сей день.
Майкл Фарадей доказал (1832 г.), что статическое электричество – это такое же электричество, как у батареи или генератора. Статическое электричество по большей части доставляет неудобства. В черный и бездымный порох добавляется графит для предотвращения возгорания из-за статического электричества. Оно вызывает повреждение чувствительных полупроводниковых элементов. Хотя возможно производство двигателей с питанием от статического электричества с высоким напряжением и низким током, но это неэкономично. Некоторые практические применения статического электричества включают ксерографическую печать, электростатический воздушный фильтр и высоковольтный генератор Ван де Граафа.
Резюме
- Все материалы состоят из крошечных «строительных блоков», известных как атомы.
- Все природные атомы содержат частицы, называемые электронами, протонами и нейтронами, за исключением изотопа водорода протия (1H1).
- Электроны имеют отрицательный (-) электрический заряд.
- Протоны имеют положительный (+) электрический заряд.
- У нейтронов нет электрического заряда.
- Электроны удаляются из атомов намного легче, чем протоны или нейтроны.
- Количество протонов в ядре атома определяет его идентичность как уникального элемента.