物体の帯電、電荷の相互作用
この記事では、物体の帯電とは何かについてかなり一般的な考え方を提示し、電荷保存則についても触れます。
この電気エネルギー源またはあの電気エネルギー源が原理的に機能するかどうかに関係なく、それぞれの物理的な体の帯電が発生します。つまり、電気エネルギー源に存在する電荷の分離と、それらの特定の場所への集中が発生します。ソースの電極または端子に。このプロセスの結果、電気エネルギー源の一方の端子 (カソード) では過剰な負電荷 (電子) が得られ、もう一方の端子 (アノード) では電子が不足します。それらの最初のものはマイナスの電気で帯電し、2番目のものはプラスの電気で帯電します。
極小の電荷をもつ素粒子である電子が発見され、原子の構造がついに説明できるようになり、電気に関係する物理現象のほとんどが説明できるようになりました。
物体を構成する分子や原子は通常の状態では中性であり、したがって物体は電荷を持たないため、物体を構成する物質は一般に電気的に中性であることがわかります。しかし、そのような中性の物体が別の物体とこすれると、電子の一部がその原子を離れ、ある物体から別の物体へと移動します。このような移動中にこれらの電子が通過する経路の長さは、隣接する原子間の距離を超えません。
ただし、摩擦後に物体が分離したり、離れたりすると、両方の物体が帯電します。電子が渡された物体はマイナスに帯電し、電子を与えた物体はプラスの電荷を獲得し、プラスに帯電します。これが電化です。
ある物理体、たとえばガラス中で、かなりの数の原子から電子の一部を除去することができたと仮定します。これは、電子の一部を失ったガラスはプラスの電気で帯電することを意味します。ガラス内では、プラスの電荷がマイナスの電荷よりも有利になるためです。
ガラスから取り出された電子は消えることはなく、どこかに保管しなければなりません。電子がガラスから取り出された後、金属球の上に置かれると仮定します。その場合、追加の電子を受け取った金属球はマイナスの電気で帯電することが明らかです。なぜなら、その中ではマイナスの電荷がプラスの電荷よりも優先されるからです。
肉体を帯電させる — 肉体の中に電子の過剰または不足を作り出すことを意味します。その中の2つの反対の電荷、つまりプラスとマイナスの電荷のバランスを乱します。
2 つの物体を同時に異なる電荷で帯電させることは、一方の物体から電子を引き出し、別の物体に電子を転送することを意味します。
自然界のどこかで正の電荷が形成されている場合、同じ絶対値の負の電荷が必然的に同時に発生するはずです。なぜなら、いかなる物体における電子の過剰も、他の物体における電子の不足によって生じるからです。
電気現象においては、さまざまな電荷が常に対立物を伴うものとして現れ、その統一性と相互作用が物質の電気現象の内部内容を構成する。
中性体は電子を授受するときに帯電しますが、いずれの場合も電荷を獲得して中性ではなくなります。ここで、電荷はどこからともなく発生するのではなく、電子はすでに物体の中にあり、単にその位置を変えただけであり、電子はある帯電した物体から別の帯電した物体に移動するため、電荷は分離されるだけです。
物体の摩擦によって生じる電荷の符号は、物体の性質、表面の状態、その他多くの理由によって異なります。したがって、同じ物体がある場合にはプラスに帯電し、別の場合にはマイナスに帯電する可能性が排除されません。たとえば、金属をガラスや羊毛にこするとマイナスに帯電し、金属をこするとマイナスに帯電します。 ゴム — 積極的に。
適切な質問は次のとおりです。なぜ電荷は誘電体ではなく金属を通って流れるのでしょうか?重要なのは、誘電体ではすべての電子が原子核に結合しており、体中を自由に移動する能力がないということです。
しかし、金属では状況が異なります。金属原子内の電子結合は誘電体よりもはるかに弱く、一部の電子は容易に原子を離れて体中を自由に移動します。これらは、ワイヤー内で電荷移動を提供するいわゆる自由電子です。
電荷の分離は、金属体の摩擦中と誘電体の摩擦中に発生します。しかし、デモンストレーションでは、エボナイト、琥珀、ガラスなどの誘電体が使用されます。これは、電荷が誘電体内の体積中を移動しないため、電荷が発生した物体の表面上の同じ場所に留まるという単純な理由から行われます。
そして、摩擦によって、たとえば毛皮の場合、金属片が帯電すると、その表面に移動する時間しかない電荷は即座に実験者の体に流れ込み、たとえば次のようなデモンストレーションが行われます。誘電体では機能しません。しかし、金属片が実験者の手から離れた場合、金属片は金属上に残ります。
物体の電荷が帯電の過程でのみ解放される場合、その総電荷はどのように振る舞うでしょうか?簡単な実験でこの質問に対する答えが得られます。ロッドに金属ディスクが取り付けられた電位計を用意し、ディスク上にそのディスクと同じサイズの毛糸の布を置きます。組織ディスクの上には、電位計ロッドと同じ、誘電ハンドルを備えた別の導電ディスクが配置されます。
ハンドルを持ち、実験者は上部ディスクを数回動かし、電位計ロッドのディスク上にある前記組織ディスクにこすりつけ、次いでそれを電位計から遠ざける。ディスクを取り外すと電位計の針が曲がり、その位置に留まります。これは、毛織物と電位計のロッドに取り付けられたディスクに電荷が発生したことを示しています。
次に、ハンドル付きのディスクを 2 番目の電位計に接触させますが、ディスクは取り付けられていません。その針が 1 番目の電位計の針とほぼ同じ角度だけたわむのが観察されます。
実験では、両方のディスクが通電中に同じモジュールの電荷を受け取ったことが示されています。しかし、これらの告発の兆候は何でしょうか？この質問に答えるために、電位計はワイヤーで接続されています。電位計の針はすぐに実験開始前のゼロ位置に戻ります。電荷は中和されました。これは、円盤上の電荷の大きさは等しいが符号が反対であり、実験開始前と同様に全体的にゼロになったことを意味します。
同様の実験では、帯電中、物体の総電荷は保存されることが示されています。つまり、帯電前に総電荷がゼロであった場合、帯電後は総電荷がゼロになります... しかし、なぜこれが起こるのでしょうか?黒檀の棒を布の上でこすると、黒檀の棒はマイナスに帯電し、布はプラスに帯電することはよく知られています。ウールをこするとエボナイトに過剰な電子が形成され、布地ではそれに対応して電子が不足します。
布からエボナイトに何個の電子が通過し、エボナイトは負の電荷を受け取り、同じ量の正の電荷がキャンバス上に形成されるため、電荷の弾性率は等しくなります。布は布にプラスの電荷を帯びています。そして、エボナイト上の電子の過剰は、布上の電子の不足とまったく同じです。電荷は符号が反対ですが、大きさは等しいです。明らかに、フル充電は通電中に維持されます。合計はゼロに等しい。
また、通電前に両方の体の電荷がゼロでなかったとしても、合計の電荷は通電前と同じです。相互作用前の物体の電荷を q1 および q2 として、相互作用後の電荷を q1' および q2' として表すと、次の等式が成り立ちます。
q1 + q2 = q1 ' + q2'
これは、物体の相互作用では総電荷が常に保存されることを意味します。これは自然界の基本法則の 1 つである電荷保存則です。ベンジャミン フランクリンは 1750 年にそれを発見し、「正電荷」と「負電荷」の概念を導入しました。フランクリンは、反対の電荷を«-»と«+»記号で示すことを提案しました。
エレクトロニクス分野 キルヒホッフの法則 なぜなら、電流は電荷保存則に直接従うからです。ワイヤーと電子コンポーネントの組み合わせは、オープン システムとして表現されます。特定のシステムへの電荷の総流入量は、そのシステムからの電荷の総流出量に等しい。キルヒホッフの規則は、電子システムがその合計料金を大幅に変更できないことを前提としています。
公平を期すために、電荷保存則の最良の実験的テストは、非厳密な電荷保存の場合に許容される素粒子の崩壊を探索することであることに注意してください。このような崩壊は実際には観察されたことがありません。
肉体を帯電させる他の方法:
1. 亜鉛板を硫酸 H2SO4 溶液に浸漬すると、部分的に溶解します。亜鉛板上の原子の一部は、亜鉛板上に電子を 2 つ残し、二重荷電の正の亜鉛イオンの形で一連の酸とともに溶液に入ります。その結果、亜鉛板はマイナスの電気（電子の過剰）に帯電し、硫酸溶液はプラス（亜鉛のプラスイオンの過剰）に帯電します。この性質を利用して硫酸溶液中で亜鉛を帯電させます。 ガルバニ電池内で 電気エネルギーの出現の主なプロセスとして。
2. 光線が亜鉛、セシウム、その他の金属の表面に当たると、自由電子がこれらの表面から環境中に放出されます。その結果、金属はプラスの電気を帯び、その周囲の空間はマイナスの電気を帯びます。特定の金属の照射された表面からの電子の放出は光電効果と呼ばれ、太陽電池に応用されています。
3. 金属体が白熱状態になるまで加熱されると、自由電子がその表面から周囲の空間に飛び散ります。その結果、電子を失った金属はプラスの電気を帯び、周囲はマイナスの電気を帯びることになります。
4. 2 つの異なるワイヤ (たとえば、ビスマスと銅) の端をはんだ付けし、その接合部を加熱すると、自由電子の一部が銅ワイヤからビスマスに移動します。その結果、銅線にはプラスの電気が帯電し、ビスマス線にはマイナスの電気が帯電します。 2 つの物体が熱エネルギーを吸収すると帯電する現象 熱電対に使用される.
帯電した物体の相互作用に関連する現象は電気現象と呼ばれます。
帯電した物体間の相互作用は、いわゆる電気力は、運動の速度に関係なく、帯電した物体を反発させたり引き付けたりするという点で、別の性質の力とは異なります。
このように、帯電した物体間の相互作用は、例えば、物体の引力だけを特徴とする重力の相互作用や、電荷の移動の相対速度に依存する磁気起源の力とは異なり、磁気を引き起こします。現象。
電気工学では主に、帯電した物体の特性が外部に現れる法則、つまり電磁場の法則を研究します。
この短い記事で物体の帯電とは何かについての一般的なアイデアが得られ、簡単な実験を使用して電荷保存則を実験的に検証する方法がわかったと思います。