Электризация тел. Проводники и изоляторы
Электризацию трением можно объяснить тем, что в различных веществах ядра удерживают электроны с различной силой. Когда эбонитовая палочка, которую натирают шерстяной тканью, приобретает отрицательный заряд, это означает, что электроны в ткани удерживаются слабее, чем в эбоните, и часть их переходит с ткани на палочку. Положительный заряд ткани равен по величине отрицательному заряду, приобретенному палочкой.
Обычно предметы, наэлектризованные трением, в конце концов возвращаются в электрически нейтральное состояние. Куда исчезает заряд? Он «стекает» на содержащиеся в воздухе молекулы воды. Дело в том, что молекулы воды полярны: хотя в целом они электрически нейтральны, заряд в них распределен неоднородно. Поэтому лишние электроны с наэлектризованной эбонитовой палочки или другого отрицательно заряженного тела будут «стекать» в воздух, притягиваясь к положительно заряженной области молекулы воды. С другой стороны, положительно заряженные тела будут захватывать электроны, которые слабо удерживаются молекулами воды в воздухе, и таким образом нейтрализоваться. В сухую погоду влияние статического электричества гораздо заметнее: в воздухе содержится меньше молекул воды, и заряд стекает не так быстро.
Некоторые тела являются хорошими проводниками электричества. К ним относятся все металлы. Если соединить таким проводником два металлических шара, один из которых сильно заряжен, а другой электрически нейтрален, то незаряженный шар очень быстро приобретет электрический заряд. Электропроводность металлов объясняется тем, что часть электронов внутри металла находится в почти свободном состоянии, то есть может перемещаться внутри металла под действием очень малой силы. Большинство других веществ являются изоляторами. Если же мы одновременно коснемся обоих шаров пластмассовой палочкой или куском резины, то шар, не имевший заряда, останется незаряженным.
Свободные электроны довольно легко перемещаются внутри металла, однако обычно нелегко покидают его. Действительно, натирая металлический предмет, редко удается получить статический заряд, как в случае изоляторов типа стекла или пластмассы.
Кроме электризации трением возможна электризация через влияние. Приблизим положительно заряженное тело к нейтральному металлическому стержню так, чтобы они не соприкасались. Хотя электроны не покинут металлического стержня, они, тем не менее, переместятся в направлении заряженного предмета; на противоположном конце стержня возникнет положительный заряд (Рис. 3 .3). В таком случае говорят, что на концах металлического стержня индуцируется (или наводится) заряд. Никаких новых зарядов при этом не возникает – происходит просто разделение зарядов, в целом же стержень остается электрически нейтральным. Однако, если теперь разрезать стержень посредине, то получим два заряженных тела – одно с отрицательным зарядом, другое – с положительным.
Рис. 3.3 Электризация через влияние
Сообщить металлическому предмету заряд можно также, соединив его проводом с землей (или, например, с водопроводной трубой, уходящей в землю) в присутствии заряженного тела, как показано на Рис. 3 .4. Благодаря своим огромным размерам земля принимает и отдает электроны; она действует как резервуар заряда. Если поднести близко к металлу заряженный положительно предмет, то свободные электроны металла будут притягиваться и часть электронов перейдет с земли на тело, скомпенсировав заряд правой части тела (Рис. 3 .4). Тело окажется заряженным отрицательно. Если теперь в присутствии заряженного тела отсоединить провод, на металле останется отрицательный наведенный заряд.
Рис. 3.4 Индуцированный заряд
на предмете, соединенном с землей
Зарядить металлический предмет можно от другого заряженного металлического предмета. При соприкосновении этих тел свободные электроны нейтрального предмета притянутся к положительно заряженному, и часть их перейдет на него, поэтому ранее нейтральный предмет окажется положительно заряженным. Если заряженное тело имело отрицательный заряд, то часть избыточных электронов этого тела перейдет на нейтральный предмет и зарядит его отрицательно. Такой процесс называется электризацией за счет электропроводности.