Закон сохранения заряда. Электризация.

Как показывает опыт, электрический заряд в природе сохраняется. В 1750г. американским ученым и видным политическим деятелем Бенджамином Франклином (1706-1790 гг.) был сформулирован закон сохранения заряда.

Закон сохранения заряда — фундаментальный закон природы. Внутри изолированной системы при любых взаимодействиях алгебраическая сумма зарядов (с учетом знака заряда) остается неизменной

q₁+q₂ +...+ q_n = const

 

Закон сохранения заряда выполняется в изолированной (замкнутой) системе заряженных тел, в которую не вводятся извне и не выводятся из нее электрические заряды.

 

Из закона сохранения следует:

1. Если возникает новая заряженная частица (а это случается очень часто), то одновременно обязательно наблюдается рождение частицы, имеющей заряд противоположного знака (античастицы).

2. Аннигилируют пары противоположно заряженных частиц (при встрече частицы и античастицы) тоже одновременно.

Исследования показали, что поверхность Земли обладает отрицательным электрическим зарядом, который равен -0,6 • 10⁶ Кл. Равный ему положительный заряд находится в атмосфере, в слое воздуха, на высоте несколько тысяч километров над Землей. Так проявляется закон сохранения электрического заряда в природе.

Закон сохранения заряда выполняется при электризации макроскопических (больших) тел.

 

! Электризация — процесс сообщения заряда макроскопическому телу.

 

Макроскопическое тело состоит из электрически нейтральных молекул или атомов. Считается, что тело электрически заряжено, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц одного знака. Отрицательный заряд тела объясняется избытком электронов по сравнению с протонами, а положительный — их недостатком.

Заряд тела — произведение числа электронов (избыточных или недостающих) на элементарный заряд:

q = ±Ne

При электризации заряды перераспределяются: часть электронов с одного тела переходит на другое тело, которое становится отрицательно заряжено; тело, потерявшее часть электронов, приобретает такой же по абсолютному значению положительный заряд. Таким образом, при электризации выполняется закон сохранения заряда.

Трудно определить теперь, кто первым обратил внимание на удивительную способность янтаря, потертого о шерсть, притягивать к себе различные легкие предметы, не соприкасаясь с ними. Произошло это очень давно. По мнению древнегреческого философа Фалеса Милетского, жившего в VI в. до н. э., вероятно, это были ткачи. Позднее было обнаружено, что таким свойством обладает не только янтарь, но и стекло, эбонит и другие вещества, потертые о мех или кожу. Янтарь по-гречески — электрон, и поэтому тела, приведенные в данное состояние, стали называть наэлектризованными.

Электризация возникает:

• при трении поверхностей тел;

• под влиянием электрического поля (наведение заряда) — электростатическая индукция.

С явлением электризации мы имеем дело на каждом шагу в быту, на производстве и во время работы технических устройств. Заряды статического электричества могут накапливаться на одежде людей, особенно при пользовании обувью с синтетическими подошвами, одеждой и бельем из шерсти, шелка и искусственных волокон, при передвижении по непроводящему покрытию пола.

Электризация, возникающая в быту, чаще является безобидной: можно услышать легкое потрескивание, в темноте иногда удается увидеть маленькие искорки, неприятное ощущение в мгновение легкого электрического разряда. Неудобства, доставляемые бытовой электризацией, можно устранить, используя антистатические вещества. Электризация, возникающая в производстве, опасна с точки зрения возникновения взрыва и пожара. Поэтому необходимо предпринимать меры, направленные на снятие электрического заряда.

В производственных условиях накопление зарядов статического электричества происходит в следующих случаях: при наливе электризующихся жидкостей (этилового эфира, сероуглерода, бензола, бензина, толуола, этилового и метилового спирта) в незаземленные резервуары, цистерны и другие емкости; во время протекания жидкостей по трубам, изолированным от земли; при выходе из сопел сжиженных или сжатых газов; во время перевозки жидкостей в незаземленных цистернах и бочках; при фильтрации через пористые перегородки; при очистке тканей, загрязненных диэлектрическими жидкостями; в процессах перемешивания веществ в смесителях; от трения шлифовальной шкуркой и др.

Изучая явление электризации, ученые и конструкторы пытаются извлечь из него пользу.

Например, созданы электрокопировальные аппараты, компьютерные принтеры, фильтры для труб, в основе действия которых — электризация. Используя явление электризации, придумали способ равномерного нанесения лакокрасочных покрытий, способ быстрого копчения, например, рыбы, мяса и многое другое.

1.3. Опыт Эрстеда. Закон Ампера

Опыт Эрстеда — классический опыт, проведённый в 1820 году Эрстедом и являющийся первым экспериментальным доказательством воздействия электрических токов на магниты.

Суть опыта

Ганс Христиан Эрстед помещал над магнитной стрелкой прямолинейный металлический проводник, направленный параллельно стрелке. При пропускании через проводник электрического тока стрелка поворачивалась почти перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока стрелка разворачивалась на 180°. Аналогичный разворот наблюдался, если провод переносился на другую сторону, располагаясь не над, а под стрелкой.

Принято считать, что это открытие было совершенно случайно: профессор Эрстед демонстрировал студентам опыт по тепловому воздействию электрического тока, при этом на экспериментальном столе находилась также и магнитная стрелка. Один из студентов обратил внимание профессора на то, что в момент замыкания электрической цепи стрелка немного отклонялась. Позднее Эрстед повторил опыт с более мощными батареями, усилив тем самым эффект.

 

Закон Ампера — закон взаимодействия электрических токов. Впервые был установлен Андре Мари Ампером в 1820 году для постоянного тока. Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются. Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током. Выражение для силы , с которой магнитное поле действует на элемент объёма проводника с током плотности , находящегося в магнитном поле с индукцией .

Сила , с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна силе тока в проводнике и векторному произведению элемента длины проводника на магнитную индукцию :

 

На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, равная

F = I·L·B·sin a

I- сила тока в проводнике; B - модуль вектора индукции магнитного поля; L- длина проводника, находящегося в магнитном поле; a- угол между вектором магнитного поля инаправлением тока впроводнике.