Изоляторы и проводники.

Предположим, что вы натираете мехом один конец стержня из янтаря, при этом стараясь не дотронуться до другого конца. В результате этого часть стержня, о которую терли мех, становится заряженной, а другой конец остается нейтральным. В частности, отрицательный заряд, переданный на конец стержня, о который терли мех, остается на месте, а не передвигается к другому концу. Материалы, подобные янтарю, в которых заряды не способны свободно двигаться, называются изоляторами. Большинство изоляторов – это неметаллические предметы, и большинство из них также являются хорошими теплоизоляционными материалами.

Напротив, большинство металлов являются хорошими проводниками электричества, в том смысле, что они позволяют зарядам передвигаться более или менее свободно. Например, предположим, что незаряженный металлический шар помещается на изоляционную основу. Если заряженный стержень приводится в контакт с шаром, как показано на рисунке 19-6 (а), то некоторый заряд будет передан к сфере в точке контакта. Однако, заряд не остаётся на месте. Поскольку металл является хорошим проводником электричества, то заряды могут свободно перемещаться по сфере, благодаря их взаимному отталкиванию. В результате заряд равномерно распределяется по поверхности сферы, как показано на рисунке 19-6 (б). Обратите внимание, что изоляционное основание предотвращает стекание заряда со сферы на землю.

На микроскопическом уровне, разница между проводниками и диэлектриками заключается в том, что атомы в проводниках позволяют одному или нескольким своим внешним электронам отделиться. Эти отдельные электроны, часто называемые "электронами проводимости", могут свободно перемещаться по всему проводнику. В некотором смысле, электроны проводимости ведут себя почти как молекулы газа, перемещающиеся в баллоне. Изоляторы, напротив, имеют очень мало свободных электронов, если таковые вообще имеются; электроны связаны со своими атомами и не могут передвигаться внутри материала.

Некоторые материалы имеют свойства, являющиеся промежуточными между хорошим проводником и хорошим изолятором. Эти материалы, называемые полупроводники, могут быть доработаны, чтобы отобразить практически любую желаемую степень проводимости путем контроля концентрации различных компонентов, из которых они сделаны. Большая универсальность полупроводников является одной из причин, благодаря которой они нашли такую широкую область применения в электронике и компьютера.

C помощью воздействия света иногда можно определить, является ли данный материал изолятором или проводником. Примером такого фотопроводящего материала является селен, который проводит электричество, когда освещается светом, но является изолятором в темноте. В связи с этим особым свойством, селен играет ключевую роль в производстве фотокопий. Прежде всего отметим, что сердцем каждого ксерокса является алюминиевый барабан, покрытый селеном. Изначально, селен имеет положительный заряд и находится в темноте, в следствии чего сохраняет свой заряд. Когда вспышка лампы освещает документ, который будет копироваться, изображение документа попадает на барабан. В той части, где документ светлый, селен освещается и становится проводником, и положительные заряды перетекают в алюминиевый барабан, оставляя селен незаряженным. В тех местах, где документ темный, селен не освещается, оставаясь изолятором, и его заряд остается на месте. Далее отрицательно заряженные частицы "тонера" ​​просыпаются через барабан и удерживаются только на положительно заряженных частях барабана, которые не были освещены. Затем барабан соприкасается с бумагой, перенося тонер на неё. Наконец, с помощью высокой температуры, тонер расплавляется на волокнах бумаги, барабан очищается от избыточного тонера, и цикл повторяется. Таким образом, небольшое изменение электрических свойств из-за освещения лежит в основе всей технологии.

Работа лазерного принтера в основном такая же, как и ксерокса, с той лишь разницей, что в лазерном принтере барабан, покрытый селеном, освещается с помощью лазерного луча, управляемого компьютером. Так как лазер охватывает всю поверхность селена, то компьютер включает и выключает луч, чтобы сделать области, в которых будут печататься светлые или темные участки соответственно.

Закон Кулона

Мы уже говорили о том, что электрические заряды оказывают воздействие друг на друга. Точный закон, описывающий эти силы, впервые определил Кулон в конце 1780-х. Его результат на удивление прост. Предположим, например, что идеально точечный заряд q1, находится на расстоянии r от другого точечного заряда q2. Оба заряда находятся в покое, то есть система электростатическая. В соответствии с законом Кулона, величина электростатической силы между этими зарядами пропорциональна произведению величины зарядов, | q1 | | q2 |, и обратно пропорциональна квадрату расстояния, r2, между ними:

Закон Кулона для величины электростатической силы между точечными зарядами

F = А * | q1 | | q2 | / r2

Единица СИ: Ньютон, Н

В этом выражении коэффициент пропорциональности К имеет значение К = 8,89 * 10 ^ 9 Н * м2 / Кл2

Обратите внимание, что единица К требуется лишь для того, чтобы сила F имела размерность ньютон.

В законе Кулона сила направлена вдоль линии, соединяющей два заряда. Кроме того, из наблюдений, описанных в разделе 19-1 нам известно, что заряды одного знака отталкиваются, а заряды противоположного знака притягиваются. Эти свойства показаны на рисунке 19-7, где вектора сил указаны для зарядов различных знаков. Таким образом, при применении закона Кулона, мы сначала вычисляем величину силы, используя уравнение 19-5, а затем определяем ее направление по правилу «Одноименности отталкиваются, противоположности притягиваются»

Наконец обратите внимание, как третий закон Ньютона применяется к каждому из случаев, показанных на рисунке 19-7. Например, сила F12, создаваемая зарядом 2 на заряд 1, всегда равна по величине и противоположна по направлению силе F21, создаваемой зарядом 1 на заряд 2, то есть, F21 = - F12.

Где они сталкиваются?

Электрон и протон, изначально находящиеся на расстояние R, теряют покой одновременно. Две частицы могут свободно перемещаться. Когда они сталкиваются? (а) в середине своего первоначального расстояния, (б) ближе к начальному положению протона, или (в) ближе к начальному положению электрона?

ОБСУЖДЕНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ

Согласно третьему закону Ньютона, силы, действующие на электрон и протон равны по величине и противоположны по направлению. По этой причине, может показаться, что частицы встречаются в середине. Масса частиц, однако, различна. На самом деле, как уже упоминалось в разделе 19-1, масса протона примерно в 2000 раз больше массы электрона, поэтому ускорение протона (a – Н/м) в 2000 раз меньше, чем ускорение электрона. В результате, частицы сталкиваются около начального положения протона. Точнее, они сталкиваются в месте расположения центра масс системы, которая остается в состоянии покоя на протяжении всего процесса.

ОТВЕТ: (Б) частицы сталкиваются около начального положения протона.

Интересно отметить, сходства и различия между законом Кулона, F = А * | q1 | | q2 | / r2, и законом всемирного тяготения Ньютона, F = Gm1m2/r2. В обоих случаях сила уменьшается пропорционально квадрату расстояния между двумя объектами. Кроме того, обе силы зависят и от собственной величины: в случае электростатической силы – это величина заряда, в случае гравитации это масса.

Однако различия не менее важны. В частности, сила тяжести всегда притягивает, в то время как электростатическая сила может и притягивать и отталкивать. В результате, суммарная электростатическая сила между нейтральными объектами, такими как Земля и Луна, практически равно нулю, поскольку силы притяжения и отталкивания взаимно уничтожаются. Несмотря на то, что гравитация всегда притягивает, суммарная сила гравитации между Землей и Луной не равна нулю. Таким образом, в астрономии сила гравитации основополагающая, а электрические силы играют едва ли какую-либо роль.

В атомных системах всё наоборот. Чтобы убедиться в этом, давайте сравним электрические и гравитационные силы между протоном и электроном в атоме водорода. Принимая расстояние между двумя частицами равным радиусу водорода, г = 5,29 х 10 ^ -11 м, получаем, что гравитационная сила имеет величину 3,63 * 10 ^ -47 Н.
А величина электрической силы между электроном и протоном 8.22* 10-8 Н.
Учитывая это соотношение, получаем, что электрическая сила больше гравитационной силы в 2,26 х 10 ^ 39 раза

Это огромное различие, и поэтому маленький кусочек янтаря может поднять бумажки с земли, несмотря на то что огромная масса земли тянет бумажку вниз.

Поэтому ясно, что сила тяжести не играет по существу никакой роли в атомных системах. Причиной, по которой гравитация доминирует в астрономии является то, что, несмотря на то что сила невероятно мала, она всегда притягивает к себе, давая большую результирующую силу большему астрономическому телу. С другой стороны, электрическая сила очень велика, но она отсутствует у электрически нейтральных объектов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: