Закон сохранения электрического заряда

Суммарный электрический заряд во вселенной является постоянной величиной. Никакой физический процесс не может привести к увеличению или уменьшению общего количества электрического заряда во вселенной.

Когда заряд передается от одного объекта к другому, это происходит, как правило, из-за движения электронов. В обычном твердом теле ядра атомов зафиксированы в определенном положении. Внешние электроны этих атомов зачастую слабо связанны и довольно легко отделяются от атома. Так как кусок меха трется об янтарь, то к примеру, некоторые из электронов, которые изначально были частью меха отделяются от атомов меха и перемещаются на янтарь. Атом, который теряет электрон, теперь является положительным ионом, а атом, который получает дополнительный электрон, становится отрицательным ионом. Это и есть распределение зарядов.

В общем случае, когда два материала трутся друг о друга, величина и знак их заряда, приобретаемый каждым материалом, зависят от того, насколько сильно материал удерживает свои электроны. Например, если шелк тереть о стекло, то стекло приобретает положительный заряд, как было сказано ранее в этом разделе. Отсюда следует, что электроны, переходя от стекла к шелку, дают шелку отрицательный заряд. Однако, если шелк потереть о янтарь, то шелк становится положительно заряженным, так как электроны в этом случае переходят от шелка к янтарю.

Эти результаты можно понять, обратившись к таблице 19-1, в которой представлены степени зарядки для различных материалов, также известные как трибоэлектрическая зарядка. Больший плюс указывает на материал, который более способен отдавать электроны и становиться положительно заряженным. По аналогии, больший минус указывает на материала, способный легко приобретать электроны. Например, нам известно, что янтарь становится отрицательно заряженным при трении о мех, но он приобретает более отрицательный заряд при трении о резину, ПВХ, или тефлон вместо меха. В общем, если два материала из таблицы 19-1 потереть вместе, то один из них, находящийся в списке выше, становится положительно заряженным, а тот, который находится ниже в списке становится отрицательно заряженным. Чем больше разница в списке, тем больше величина заряда.

Разделение зарядов происходит не только тогда, когда один объект трется о другой, но и тогда, когда объекты сталкиваются. Например, сталкивание кристаллов льда в дождевых облаках может привести к разделению зарядов, что в конечном итоге приведет к объединению зарядов вместе в ходе разряда молнии. Точно так же в кольцах Сатурна постоянно происходят столкновения частиц и в результате они становятся заряженными. В самом деле, когда космический аппарат Voyager исследовал кольца Сатурна, он запечатлил электростатические разряды, подобно молнии на Земле. Призрачные радиальные «спицы», которые простирающиеся через кольца Сатурна, которые не могут быть объяснены лишь гравитационными силами, это также результат электростатических взаимодействий.

Из того, что все электроны всегда имеют заряд -е, а протоны всегда имеют заряд + е, следует, что все объекты должны иметь суммарный заряд, который будет кратным величине е. Этот вывод был подтвержден в начале двадцатого века американским физиком Робертом А. Милликаном (1866-1953) в классической серии экспериментов. Он обнаружил, что заряд на объект может быть ± 4е, ± 2е, ± 3е, и т. д., но никогда не 1.5e или -9.3847e. Мы описываем это ограничение, говоря, что электрический заряд квантуется.

Поляризация

Известно, что заряды противоположных знаков притягиваются, но заряженный стержень также имеет возможность для притягивания мелких объектов, которые имеют нулевой заряд. Данный механизм называется поляризацией.

Чтобы увидеть, как действует поляризация, рассмотрим рисунок 19 -5. Здесь показан, положительно заряженный стержень расположенный недалеко от увеличенного изображения нейтрального объекта. Атом вблизи поверхности нейтрального объекта удлиняется, поскольку отрицательные электроны в нем притягиваются к стержню, а положительные протоны отталкиваются. В результате на поверхности около стержня возникает так называемый поляризационный заряд. Сила притяжения между стержнем и этим индуцированным зарядом поляризации приводит к силе притяжения между стержнем и нейтральным объектом.

Конечно, будет достигнут такой же результат, если представить отрицательный стержень, расположенный у нейтрального объекта, отличие лишь в том что заряд поляризации будет положительным. Таким образом, эффект поляризации это возникновение силы притяжения, независимо от знака заряжаемого объекта. Именно по этой причине и заряженный янтарь, и заряженное стекло притягивают нейтральные объекты, хотя их заряды противоположны.

Потенциальную и изначально неизвестную опасность поляризация несет в эндоскопическую хирургию в медицине. В ходе этих процедур, в тело человека вставляется трубка, имеющая небольшую видеокамеру. Изображение создается благодаря электронам, ударяющим внутреннюю поверхность экрана монитора компьютера, на которой имеются положительные заряды для притягивания электронов. Частицы в воздухе в операционной, такие как пыль, пух и клетки кожи, поляризуются положительным зарядом на экране и притягиваются к его внешней поверхности.

Проблема возникает, когда хирург касается экрана, чтобы указать другим медицинским работникам на важные элементы. Даже при малейшем прикосновение могут передаться частицы, многие из которых переносят бактерии с экрана на палец хирурга, а оттуда к пациенту. Более того, пальцы хирурга не только не должны прикасаться к экрану, но и даже приближаться к нему, поскольку и в этом случае перчатки тоже становится поляризованным, и, следовательно, могут привлечь частицы с экрана, или непосредственно из воздуха. Такие ситуации приводили к инфекциям, и хирургов в настоящее время предупреждают, чтобы они не подносили руки к видеомониторам.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: