Электризация тел. Виды и свойства. Применение и особенности

В обыденной жизни окружающие нас предметы электрически нейтральны, то есть со временем не накапливают на своей поверхности каких-либо зарядов. Но существуют ситуации, когда по тем или иным причинам они изменяют это состояние на противоположное. Эффект приобретения предметами определенного заряда носит название «электризация тел».

Краткая история открытия

В школьном курсе физики это явление изучается в разделе электростатики, посвященном особенностям образования неподвижных электрических частиц. Оно было открыто много веков назад в Древней Греции, где исследованиями природных эффектов занимались многие «натуралисты» и философы. При проведении опытов было отмечено, что после натирания шерстью кусочка янтаря он начинал притягивать мелкие частички ворса, ниток и пылинки.

Открытый эффект объяснялся на приемлемом для того времени уровне. Считалось, что притяжение – это следствие взаимодействия мельчайших частиц вещества, которым в Древней Греции присвоили название «электрона» (так раньше назывался янтарь). Сегодня этот опыт чаще всего проводится с эбонитовой палочкой и кусочком шерсти.

Elektrizatsiia tel 2

Электризация тел как физическое явление

В современном толковании такое явление – это процесс разделения носителей заряда, приводящее к тому, что электрически нейтральные тела превращаются в заряженные статикой. По отношению к этому эффекту действительны физические принципы, закрепленные законом Кулона и утверждениями о сохранении заряда. Первый описывает особенности взаимодействия электронных частиц и те причины, которые вызывают электризацию.

Формулируется этот закон следующим образом: сила взаимного влияния имеющихся на 2-х телах зарядов пропорциональна произведению их абсолютных величин и обратно пропорциональна квадрату удаленности. Отмечается также, что противоположно заряженные частицы притягиваются, а элементы с одинаковой полярностью – отталкиваются.

Второй закон, касающийся сохранения заряда, формулируется так: алгебраическая сумма всех накопленных на предмете зарядов разной полярности со временем сохраняется. Это означает, что если на нем появилось, например, 10 положительных зарядов, то одновременно обязательно должно образоваться и 10 отрицательных частиц. В сумме они дадут нулевой эффект.

Elektrizatsiia tel 3

Практические выводы из закона Кулона:

Электризация тел невозможна без конкретного материального носителя.
Свободные электроны накапливаются только на поверхностях предметов или в воздухе.
Тело с избытком электронов заряжается отрицательно, а с их дефицитом – положительно.

Отмечается также, что деление электрического заряда на «отрицательный» и «положительный» чисто условно. Оно выбирается в зависимости от удобства оценки степени заряженности тела.

Свойства статического электричества

Электризация тел возможна не только в случае использования твердых тел; она также проявляется в жидкостях и газах. В жидких средах, в частности, при электризации наблюдается перераспределение молекулярных частиц – ионов, образующих их суммарный заряд. Электризацией обладают вещества самого разного типа, включая полупроводники, диэлектрики и изолированные проводники.

В случае разделения предварительно наэлектризованного предмета приобретенное им свойство полностью передается его частям. При соприкосновении с электрически нейтральным предметом заряды с электризованного тела мгновенно отреагируют на это мощным разрядом.

То же самое произойдет, если приблизить друг к другу тела с противоположным знаком электризации. Именно поэтому люди, одетые в синтетику, нередко испытывают неприятный «удар током» при прикосновении к металлическим предметам или к телам, заряженным противоположно. Важно отметить, что расстояние, на котором происходит такой воздушный «пробой», зависит от степени электризации каждого из сближающихся тел.

Как можно наэлектризовать предмет

Для получения статического электричества на поверхностях различных тел используются следующие распространенные способы:

Приближение к предварительно заряженному предмету.
Разделение зарядов трением.
Нагрев или охлаждение (электризация за счет градиента температур).
Помещение в поток ионизирующего излучения.

При соприкосновении электрически нейтрального тела с электризованным предметом первое приобретает заряд того же знака. Этот эффект объясняется индукционными свойствами заряженных диполей.

При трении тел, изготовленных из различных материалов, на их поверхностях появляются противоположные электрические заряды. Причина их электризации – различие удерживающих атомы сил и подкачка тепловой энергии, повышающей степень их свободы. Проще говоря, вещество, в котором атомы связаны между собой с большей силой, начинают притягивать электроны из того материала, где эти частицы взаимодействуют слабее.

Виды зарядов, возникающие при трении различных материалов

Трение двух тел различной структуры вызывает различную электризацию каждого из них. При этом возможны следующие комбинации:

Стекло при трении о шелк электризуется положительно.
Эбонит при взаимодействии с шелком заряжается отрицательно.
При проведении пластиковым гребешком по волосам они заряжаются положительно, а сама расческа – отрицательно.

На основе многочисленных опытов установлено, что при трении 2-х материалов положительно заряжаются бумага, шерсть и стекло. В то же время отрицательный заряд приобретают силикон, пластик и резина.

Длительная электризация тел возможна лишь при отсутствии в окружающей атмосфере частиц влаги.

При высоком уровне влажности в воздухе появляются носители заряда (ионы), приводящие к постепенному стеканию зарядов с электризованных предметов. Если в помещении, где постоянно находится человек, имеется много растений и часто кипятится вода – статический заряд появляется на волосах или одежде намного реже.

Типичный пример образования мощного статического электричества – грозовые тучи, накапливающие разноименные заряды вследствие трения облаков. При достижении критической ЭДС (разницы потенциалов) между ними и землей «проскакивает» мощный разряд в виде молнии. Доказано, что «заряженные» электричеством облака за счет эффекта индукции могут вызвать электризацию предметов, находящихся на земле.

Демонстрационные опыты

Продемонстрировать эффект взаимного отталкивания заряженных тел можно с помощью обычного скотча. Для этого потребуется взять две полоски и приклеить их к столу таким образом, чтобы их небольшая часть (около 2,5 см) висела в воздухе, т. е. оставалась свободной. Затем свисающие концы закрепляются на 2-х карандашах и резко отрываются от стола.

При отрыве полосок не следует касаться их руками или другими оголенными частями тела. При выполнении этого условия полоски наэлектризуются одинаковым зарядом. Если теперь постепенно сближать их – на некотором расстоянии они начнут отталкиваться.

Для демонстрации притяжения заряженных тел одну полоску липкой ленты электризуют подобно тому, как это делалось в предыдущем опыте. После этого она кладется на стол липкой стороной вверх, а вторая полоса (ее предварительно закрепляют одним концом на карандаше) кладется на первую, а затем резко отрывается. В этом случае оба кусочка ленты электризуются противоположными зарядами. Обнаружить это можно, постепенно сближая их и отмечая, что на каком-то расстоянии они начнут притягиваться.

Чем опасна электризация тел

Заряд наэлектризованного тела, представленный в виде разницы потенциалов, может достигать несколько десятков киловольт. С учетом того, что его мощность очень мала – образующиеся при разряде токи имеют мизерную величину и не опасны для человека. Но их вполне достаточно для того, чтобы повредить микросхемы с КМОП структурой, например, или некоторые виды точных измерительных приборов.

По этой причине при производстве электронных компонентов, а также при работе с ними обязательно использование защитных колец (браслетов), обеспечивающих стекание зарядов на землю.

Электризация тел особо опасна при пайке микросхем. Для их защиты от пробоя статикой жало паяльника рекомендуется заземлять любым походящим для этого способом.

В определенных условиях накопление большого количества заряда может привести к образованию искры и возгоранию. Примером этому служат корпуса самолетов, которые электризуются в воздухе.

Вот почему перед подачей трапа с них обязательно удаляется скопившийся в полете заряд путем его отвода на землю. По той же самой причине на цистернах бензовозов крепится соприкасающаяся с дорожным покрытием цепочка. По ней заряды стекают в грунт, что исключает возможность образования искры и возгорания топлива.

Практическое применение

Электризация тел имеет и положительные стороны, благодаря которым она используется в практических целях. Наибольшее распространение этот эффект получил при электростатической окраске поверхностей и деталей. Еще одна известная область его применения – производство специальных воздухоочистительных фильтров.

Elektrizatsiia tel 4

При окрашивании металлических поверхностей в автомобилестроении, например, мелкие частички наэлектризованного красителя притягиваются и оседают на них равномерным слоем. В результате удается существенно сократить расход краски и повысить качество получаемого покрытия.