Статична електрика

This translation is provided by StudyCrumb, your go-to source for reliable academic assistance. If you're thinking, "I need someone to write my essay for me," StudyCrumb has a team of expert writers ready to deliver high-quality, custom essays tailored to your specific requirements. Our service ensures that your essays are original, well-researched, and formatted to perfection, helping you achieve the grades you deserve without the hassle.

Оригінальна стаття: https://faculty.wcas.northwestern.edu/infocom/Ideas/static.html

Електрика має дуже довгу історію. Грецького філософа Фалеса з Мілета (640–546 рр. до н. е.) іноді вважають першою людиною, яка помітила, що бурштин збирає шматочки сухої трави чи соломи, якщо його потерти тканиною. (Бурштин — це мінерал медового кольору, який насправді є скам’янілим деревним соком.) Більшість того, що ми знаємо про Фалеса, було записано Аристотелем через сотні років після його смерті, тому історія його відкриття — це, по суті, чутки. Тим не менш, це доводить, що грецькі філософи знали про привабливі властивості тертого бурштину принаймні за 600 років до нашої ери.

Електростатика в повсякденному житті

Статична електрика - це просто надлишок (або дефіцит) електронів. Коли ви говорите, що щось «заряджено» статичною електрикою, ви маєте лише на увазі, що кількість електронів, які вона містить, не дорівнює кількості протонів. Електрони мають негативний заряд і зазвичай обертаються навколо позитивно заряджених ядер в атомах. Позитивний заряд в ядрах скасовує негативні заряди електронів, і матеріал стає електрично нейтральним. Зазвичай матеріали залишаються електрично нейтральними, оскільки потрібна енергія, щоб відтягнути електрони від атома. Але для деяких матеріалів тертя їх один про одного може призвести до того, що дуже невелика кількість електронів перескакує з одного матеріалу на інший. Точна фізика того, як це відбувається, є напрочуд складною — вона включає страхітливу квантову механічну математику, що виходить за межі цієї дискусії — тому достатньо сказати, що це відбувається. Матеріали, які можуть втрачати (або отримувати) електрони таким чином, називаються трибоелектричний.

Коли трибоелектричні матеріали стираються один з одним, матеріал, з якого стрибають електрони, отримує занадто мало електронів і, отже, позитивний заряд, а матеріал, на який стрибають електрони, отримує занадто багато електронів і, отже, негативний заряд. Це те, що ми називаємо «статичною електрикою», і притягання між позитивними та негативними зарядами є саме тим, що спричиняє статичний заряд у сушарці для білизни. Якщо ви не живете в місці, де погода надзвичайно волога цілий рік, статична електрика вам набагато звичніша, ніж це було для стародавніх. Грецьким філософам доводилося шукати екзотичні матеріали, такі як скам’янілий деревний сік, щоб генерувати статичну електрику, але все, що вам потрібно зробити, це пройти по килиму. Це пояснюється тим, що складні органічні матеріали, такі як пластмаса, нейлон, гума та папір, мають тенденцію досить легко накопичувати та утримувати статичну електрику, і наші домівки наповнені ними, на відміну від будинків стародавніх греків.

Надлишок електронів, який створює статичну електрику, не пов’язаний з жодним конкретним атомним ядром. Швидше, вони чіпляються за поверхню матеріалу, як масляна плівка на поршні. Ці надлишкові електрони мають тенденцію залишатися на місці, коли вони на місці, звідки ми отримуємо термін статична (тобто незмінна) електрика. Однак статична електрика насправді не є статичною. Якщо наблизити позитивно заряджений об’єкт до негативно зарядженого, електрони почнуть текти до позитивно зарядженого об’єкта, нейтралізуючи статичний заряд. Потоки таких електронів, по суті, є мікроскопічними блискавками, і вони випромінюють світло та шум, як і їхні більші родичі. (Розберіть у темній шафі кілька тріскотливих шкарпеток, які чіпляються від статичної електрики, і ви будете вражені світлом, яке вийде.)

Статична електрика по-різному є «статичною» для ізоляторів і провідників. Ізолятори - це такі матеріали, як гума, тканина, скло, пластик або дерево, які не дозволяють електронам вільно рухатися через них. Провідники, якими практично завжди є метали, є матеріалами, які дозволяють електронам вільно рухатися. Англійський вчений Стівен Грей (1695-1736) вважається першою людиною, яка помітила цю відмінність. Ґрей дійшов висновку, що ізоляторами є такі матеріали, як шовк або скло, які можуть утримувати статичний електричний заряд, але не можуть проводити його з місця на місце, тоді як провідниками є такі матеріали, як метал або вода, які не можуть утримувати статичний заряд, але проводять його.

Ґрей частково мав рацію, але він припустився тонкої помилки. Він мав рацію, зауваживши, що ізоляційні об’єкти, такі як скляна куля, можуть утримувати статичний заряд, якщо їх просто торкнутися чимось зарядженим (оскільки електрони не можуть рухатися по скляній поверхні, коли вони на неї покладені), тоді як провідна металева кулька на столі миттєво втратить заряд. Але він був не правий, припускаючи, що провідники взагалі не можуть утримувати заряд. Якщо ви хочете помістити в провідник статичний заряд, провідник спочатку потрібно відокремити від решти світу ізолятором, наприклад гумовою прокладкою. В іншому випадку будь-який надлишок електронів, який ви помістите в провідник, миттєво потече через нього і потрапить у Землю, подібно до того, як вода протікає через сито. Шарль Дю Фе (1698-1739), працюючи в Парижі в 1734 році, був першим, хто це зауважив.

На ізольованому провіднику, де електрони зі статичним зарядом відрізані від Землі, але все ще можуть вільно рухатися, електрони миттєво кидаються по всій поверхні провідника, рівномірно покриваючи його, коли вони намагаються відійти якомога далі один від одного. Тоді вони стають статичними. У цьому немає нічого загадкового: як заряди відштовхуються, так і електрони відштовхуються один від одного. Вони відпочивають лише після того, як повністю заповнять доступний їм простір.

Ми, люди, здебільшого вода, тому ми досить добре проводимо електрику. Однак ми часто носимо взуття, яке є дуже хорошим ізолятором, і це створює електричний бар’єр між нами та Землею. Нам досить легко отримати статичний електричний заряд, точно так само, як провідна куля, поставлена ​​на ізоляційну підставку, коли ми ходимо і тремося об стільці, килими тощо. А оскільки ми є провідниками, заряд на нас може вільно рухатися, якщо ми торкнемося іншого провідника, який «заземлений» (тобто з’єднаний із Землею), і, таким чином, уся статична електрика, яку ми маємо на собі, може зникнути одним вибухом, породжуючи іскру, яка може бути справді болючою.

Такі іскри можуть бути небезпечними. Статична електрика є однією з головних причин випадкових вибухів на фабриках із виробництва феєрверків та інших місцях, де є велика кількість легкозаймистих матеріалів. Входи на такі фабрики зазвичай обладнані заземленими мідними пластинами, до яких повинен торкатися весь персонал перед входом. Це гарантує відсутність у них статичної електрики, яка може спричинити вибух.

Електростатика у великих масштабах

Починаючи з середини 1600-х років, винахідники почали конструювати електростатичні машини, які могли генерувати та утримувати набагато більші заряди, ніж можна отримати, натираючи шматок бурштину або кидаючи шкарпетки в сушарці. Перша електростатична машина, про яку ми знаємо, була побудована в 1660 році в Магдебурзі, Німеччина, Отто фон Геріке, тим самим джентльменом, який довів, що упряжки коней не можуть розібрати вакуумну кулю. Ранні електростатичні машини мали різні конструкції, але всі вони працювали за однаковим принципом. Обертове колесо або циліндр зі скла, сірки чи іншого ізоляційного матеріалу електризувалися безперервним тертям об якийсь агент, наприклад, тканину чи хутро. За допомогою цих машин можна було генерувати електростатичні іскри довжиною кілька сантиметрів.

Важлива подія відбулася в 1745 році в Лейдені, Голландія, коли Пітер ван Мусшенброх винайшов те, що стало відомим як Лейденська банка. Лейденська банка — це скляна банка, частково покрита зсередини та зовні металевою фольгою, що дозволяє їй утримувати великий статичний електричний заряд. Підключивши дві лейденські банки до електростатичної машини (одну для утримання негативного заряду, а іншу для утримання позитивного), можна накопичити дуже значну кількість статичної електрики — до точки, коли це може бути небезпечним. Мій учитель фізики в старшій школі одного разу поставив контакти для двох лейденських банок, які були частиною ручної електростатичної машини, занадто далеко один від одного, і коли 15-сантиметрова іскра нарешті вискочила з однієї з лейденських банок, вона перескочила на його руку, а не іншу лейденську банку. Минуло майже двадцять хвилин, перш ніж він знову зміг поворухнути рукою.

Створення все більш масивних електростатичних машин, щоб побачити, яку велику іскру можна створити, стало чимось на зразок примхи в середині XVIII століття. В Америці Бенджамін Франклін розважався, вбиваючи струмом індиків, прив’язаних до його обіднього столу, замість того, щоб душити їх. У 1750 році французький фізик Аббе Нолле влаштував демонстрацію для короля Парижа, під час якої більш ніж одній тисячі монахів-картузіанців було наказано взятися за руки в колі шириною 900 футів. Коли величезна лейденська банка була розряджена в монахів, Ноллет зазначив, що всі монахи підстрибнули в повітря одночасно, довівши таким чином, що швидкість електричного розряду є миттєвою або, принаймні, надзвичайно високою.

Сам Нолле в експерименті участі не брав.

Помітна схожість між розпеченими, тріскаючими іскрами електростатичної машини з одного боку та блискавками з іншого не залишилася поза увагою. У червні 1752 року американський дипломат, видавець і вчений Бенджамін Франклін вирішив безпосередньо перевірити, чи є блискавка гігантською електричною іскрою. Під час грози Франклін і його син підняли повітряного змія і зарядили лейденську банку за допомогою мотузки повітряного змія. Цей надзвичайно небезпечний експеримент довів, що грозова хмара була електрично заряджена, а отже, блискавка була електричним розрядом. Франклін запропонував захистити будівлі від ударів блискавки шляхом розміщення високих металевих стрижнів на дахах будівель, а потім з’єднання стрижнів із землею. Таке розташування нешкідливо проведе будь-яку блискавку повз будівлю.

Франклін провів багато електростатичних експериментів, але саме його теоретичні уявлення про електрику мали найбільший вплив. Саме Франкліну ми завдячуємо назвами «позитивний» і «негативний» для електричного заряду, і саме Франклін вперше провів експерименти, продемонструвавши, що кількість негативного заряду, накопиченого на натертому предметі, точно дорівнює позитивному заряду, накопиченому на предметі. тертя предмета. Іншими словами, саме Франклін першим почав бачити концепцію збереження заряду. Концепцію збереження заряду легко зрозуміти, якщо ви вірите в неподільні частинки, які несуть одиниці маси, заряду та інших величин, які неможливо скоротити. Однак за часів Франкліна — коли вважалося, що все, від електричного заряду до тепла, складається з таємничих рідин, а атоми навіть не були загальноприйнятою ідеєю — концепція про те, що позитивні та негативні заряди, які генерує електростатична машина, завжди повинні бути рівними, представляла великий прогрес.

У 1753 році Франклін був нагороджений медаллю Коплі, найбільшою науковою нагородою Англії, Лондонським королівським товариством. Через роки, під час Американської революції, саме значна слава Франкліна як вченого відкрила йому дипломатичні двері, які інакше були б закриті для неофіційного посла з неважливої ​​країни далеко від Європи.

Блискавка

Блискавка та грім створюються тими самими фізичними процесами, які змушують вашу білизну потріскувати. Лише масштаб електричного розряду відрізняє блискавку від садової статичної електрики. Під час грози циркулюючі повітряні потоки замінюють обертові колеса електростатичної машини, а крихітні крапельки льоду та води замінюють лейденську банку. Краплі води (і водяна пара) мають помітну тенденцію набувати електричного заряду, тому статична електрика набагато менш помітна у вологому кліматі: водяна пара відводить її. Під час грози краплі води та кристали льоду на нижній стороні грозової хмари постійно стають все більш негативно зарядженими, оскільки повітря циркулює, і це залишає землю безпосередньо під ними дуже позитивно зарядженою.

Повітря є дуже поганим провідником електрики, тому деякий час збираючий заряд просто продовжує накопичуватися в хмарах. Але рано чи пізно сила притягання стає надто великою, і невидимий заряджений стовп електронів починає пробиватися вниз крізь повітря, шукаючи найкоротший шлях до землі. Коли колона наближається до землі, інтенсивне накопичення статичного електричного заряду в безпосередній близькості може змусити людей, які стоять там, відчути «колючість» або «електрику в повітрі». Якщо заряд стає достатньо великим, у людей може встати дибки волосся, тому що кожна нитка стала однаково зарядженою і тому відштовхується від інших.

Згодом заряджений стовп електронів опускається настільки, щоб досягти контакту з найвищою точкою в околицях, і в результаті відбувається розрив електричної греблі. Одним титанічним ударом весь накопичений електричний заряд з гуркотом злітає по колоні, і блискавка вдаряє в землю. Блискавка просто йде шляхом найменшого опору, що означає, що вона вдарить у високі об’єкти, перш ніж вдарить у низькі, і рухатиметься через хороші провідники (наприклад, метали або щось, просочене водою), якщо це можливо.

Блискавкозахист

Якщо ви опинились на вулиці під час грози і помітили, що у вас встало дибки волосся, ви повинні негайно піти в безпечне місце. Тіло людини є досить хорошим провідником і може притягувати удари блискавки; Ще більше, на жаль, частина людського тіла, яка найкраще проводить електрику, - це нервова система. Навіть близький удар блискавки, який не призводить до смерті людини, може спричинити постійний параліч або інше неврологічне пошкодження через електрику, що проходить через нервову систему.

Щоб знайти місце, захищене від блискавки, перше правило: зайдіть всередину, якщо це можливо. Людина всередині металевого об’єкта, такого як автомобіль, повністю захищена від удару блискавки, оскільки електрика може протікати лише по зовнішньому краю провідника. Та сама сила відштовхування, яка розповсюджує статичний електричний заряд на провіднику якомога далі, також гарантує, що струм електронів завжди відштовхується від центру будь-якого провідного об’єкта.

Друге правило блискавкозахисту: тримайтеся подалі від високих предметів. Щороку на полях для гольфу трапляється трагічна кількість травм, спричинених ударами блискавки, коли люди, які потрапили під дощ, намагаються врятуватися від нього, стоячи під деревами. Це дуже погана ідея. Просочене дощем ізольоване дерево, що стоїть посеред рівного простору, такого як поле для гольфу, не більше ніж громовідвід із листям. Набагато краще промокнути, ніж стояти під деревом під час грози.

Сліпучий спалах блискавки створюється потоком електронів високої енергії під час зіткнення з атомами в атмосфері. Оскільки ми вже сказали, що повітря є хорошим ізолятором, а це означає, що воно не проводить електрони, ви можете задатися питанням, як взагалі потік електронів може рухатися в повітрі.

Відповідь полягає в тому, що повітря, як і всі ізолятори, може зупиняти рух електронів лише до певної точки. Якщо електрична сила на ізоляторі стає достатньо великою, тоді вона може перевищити силу, яка зв’язує електрони з їхніми відповідними молекулами, і молекули буквально розриваються на частини, коли їхні ядра рухаються в одному напрямку, а деякі електрони — в іншому. Це відоме як руйнування ізолятора, і це відбувається щоразу, коли потік електронів розриває провідний шлях через ізолятор. Легко побачити руйнівний вплив електричного розряду на ізолятор, якщо у вас є електростатична машина. Просто потримайте аркуш паперу між електродами, поки ви генеруєте кілька іскор, а потім піднесіть папір до світла. Ви побачите, що тепер він перфорований крихітними дірочками - по одному на кожну іскру.

Інтенсивний спалах світла, створюваний блискавкою, спричинений тим, що електрони та розірвані молекули повітря неодноразово роз’єднуються та рекомбінуються. (Чому це створює світло, буде розглянуто пізніше в курсі.) Перегріте повітря, що виривається назовні з внутрішньої розпеченої зони блискавки, створює гуркіт грому - або, в меншому масштабі, тріск у вашій пральні.

Закон Кулона

Перше кількісне дослідження електростатичної сили було проведено в 1785 році Чарльзом Кулоном (1726 - 1806) в Парижі, Франція. Кулон винайшов крутильні ваги, основною особливістю яких був тонкий стрижень, що несе однакову масу на обох кінцях і врівноважений тонким дротом. Якби на стрижень було прикладено найменшу обертальну силу, він обертався б до тих пір, поки кручення в звивистому дроті не врівноважить силу обертання. Вимірявши кут повороту, Кулон міг потім точно виміряти обертальну силу. Кулон помістив свої крутильні ваги в скляну камеру, щоб запобігти потокам повітря, а також помістив у камеру нерухому кулю. Поклавши електричні заряди на нерухому кулю та кульку на стрижень балансу, а потім вимірявши, наскільки сильно закрутився стрижень балансу, Кулон зміг продемонструвати, що електричні заряди підкоряються закону сили:

F = kq 1 q 2 / r2(закон Кулона)

де: k (електростатична константа) = 8,99 X 10 9 Н м 2 / C 2 , q 1 і q 2 два заряди, r = відстань між зарядами.

Заряд у метричній системі вимірюється в кулонах і має абревіатуру C — не плутати з °C для градусів Цельсія! Кулон заряду пов’язаний із зарядом електрона (або протона) за формулою: e (заряд електрона) = 1,60 X 10 -19 кулон , що означає, що 1 кулон = заряд 6,24 X 10 18 електронів (або протони).

Подібність між законом Кулона і законом тяжіння Ньютона очевидна. Обидва зменшуються з відстанню як r 2 , і обидва безпосередньо залежать від заряду (або маси) двох об’єктів, що діють один на одного. Гравітаційна стала G просто замінена електростатичною постійною k. Ця подібність частково пояснюється тим, що геометричні аргументи, наведені на сторінці Ісаака Ньютона для гравітації, також застосовуються до закону Кулона. Тобто можна вважати електричну силу «випромінюванням» точкового заряду приблизно так само, як світло випромінює лампочка.

Зарахувати надлишок на аркуші паперу

Електростатична сила між електронами та протонами значно більша, ніж сила тяжіння між ними. Це означає, що для створення статичної електрики потрібен напрочуд невеликий надлишковий заряд, або, кажучи більш математично, відносна кількість електронів, які рухаються між електростатично зарядженими об’єктами, надзвичайно мала порівняно із загальною кількістю електронів, які вони містять. Ми можемо побачити це, оцінивши, скільки надлишкового заряду має бути передано 1-грамовому шматку паперу від пластикової гребінця, щоб гребінець підняв папір електростатично.

Гравітаційна сила, яка тягне папір, дорівнює: F = mg = (0,001 кг)(9,8 м/с 2 ) = 9,8 X 10 -3 Н.

Електростатична сила між гребінцем і шматочком паперу має принаймні дорівнювати силі тяжіння, отже:

F = mg = 9,8 X 10 -3 N = kq 1 q 2 / r 2 , де k = 9 X 10 9 Н м 2 /C 2

Зі збереження заряду ми знаємо, що негативний заряд, переданий паперу, повинен дорівнювати позитивному заряду, який залишився на гребінці, тому ми знаємо q 1 = q 2 , що означає q 1 q 2 = q 2 , де q — це невідомий заряд, який ми шукаємо.

Строго кажучи, відстань r у електростатичній формулі дійсна, лише якщо заряди є точковими. Однак для оцінки ми можемо приблизно визначити r, припустивши, що це відстань між центрами двох об’єктів. У цьому випадку припущення r = 1 см буде достатнім для наших цілей.

Підставляючи в числа, маємо: 9,8 X 10 -3 N = (9 X 10 9 Н м 2 /C 2 ) q 2 / (0,01 м) 2 ,

або q = [(0,01 м) 2 X (9,8 X 10 -3 Н) / (9 X 10 9 Н м 2 /C 2 )] 1/2 = 1 X 10 -8 C

Заряд одного електрона становить 1,6 X 10 -19 Кл, тому загальна кількість переданих електронів становить: (1 X 10 -8 Кл) / (1,6 X 10 -19 Кл) = 6,3 X 10 10 переданих електронів.

Це може здатися величезною кількістю, але подумайте, скільки електронів міститься в аркуші паперу вагою 1 грам. Грубо кажучи, звичайна речовина складається з � протонів і � нейтронів. (Ми можемо знехтувати масою електронів.) Отже, загальна кількість протонів у аркуші паперу вагою 1 грам приблизно дорівнює:

кількість протонів = ½ (0,001 кг)/(маса протона) = (5 X 10 - 4 кг)/(1,7 X 10 -27 кг) = 3 X 10 23

Кількість електронів в електрично нейтральній речовині має дорівнювати кількості протонів, тому дробова кількість електронів, які були передані нашому аркушу паперу як статична електрика, становить: 6,3 X 10 10 / 3 X 10 23 = 2 X 10 -13 .

Ця частка неймовірно мала. Це приблизно те ж саме, що порівнювати один долар із цілою економікою США. І все ж цієї незначної частки надлишкового електричного заряду більш ніж достатньо, щоб підняти папірець проти сили тяжіння всієї Землі.

Напруга та сила струму

Електричний струм — це просто потік електронів, а електрична іскра — це просто дуже короткий (часто досить непостійний) електричний струм. Сила електричного струму характеризується двома величинами, з якими ви, можливо, вже знайомі: напругою та силою струму. Візуалізація електричного струму як (дуже швидко рухомого) потоку електронів — хороший спосіб побачити, що він схожий на воду, що тече в трубі. Напруга аналогічна тиску води, а сила струму аналогічна кількості води, що тече. Щоб дати вам уявлення про типові значення для цих величин, побутовий струм у США працює при напрузі 120 вольт, а досить важкий прилад, такий як обігрівач, може споживати до 15 ампер. Потужність електричного струму визначається простою формулою: електрична потужність = вольт X ампер, або P = VI. (Фізики завжди використовують I для електричного струму.

Для того, щоб іскра подолала один сантиметр повітря, потрібно вражаючих 30 000 вольт електричного «тиску» — це міра сили, яка потрібна, щоб розірвати молекули повітря, щоб вони проводили електрику. Таким чином, ви можете побачити, що навіть скромні іскри від електростатичної машини можуть легко перевищити 100 000 вольт. Однак такі іскри мають надзвичайно низьку силу струму, тому, хоча вони можуть бути болючими, якщо вдарити палець, вони не є особливо небезпечними, оскільки їх потужність дуже низька.

З іншого боку, блискавка може нести до 20 000 ампер при мільярді вольт. Саме величезна напруга блискавки дає їй здатність розколювати дерева, сплавляти пісок у скло та розбивати камінь. Тільки той факт, що блискавки дуже короткі (і тому не передають свою приголомшливу силу дуже довго), дозволяє людям іноді виживати при прямих попаданнях.

Ми можемо легко підключити макроскопічні одиниці ампер і вольт до мікроскопічного світу рухомих зарядів. Один ампер струму визначається як потік електронів в один кулон за секунду, тобто один ампер дорівнює 6,24 X 10 18 електронів, що проходять через точку за секунду. З формули P = VI ми бачимо, що вольт дорівнює ват/ампер, або: 1 вольт = (Джоуль/сек) / (кулон/сек) = Дж/К = 1,6 X 10-19 Дж / електрон.

Іншими словами, напруга є мірою середньої кінетичної енергії на електрон у струмі. (У цьому сенсі напруга відіграє приблизно таку ж роль для електронів, яку відіграє температура для атомів ідеального газу.) Як простий приклад, якщо ми візьмемо звичайний побутовий струм, що працює при напрузі 120 вольт, то кінетична енергія електрона в струм дорівнює лише:

120 вольт X один електрон = 120 X (1,6 X 10 -19 Дж/е) X один електрон = 1,92 X 10 -17 джоулів

Кількість енергії 1,6 X 10 -19Фізики J називають електрон-вольт (скорочено еВ), тому що він дорівнює кінетичній енергії одного електрона, який був прискорений електричним полем в один вольт. Ця крихітна одиниця енергії зараз не є для нас такою корисною, але стане дуже корисною, коли ми почнемо досліджувати фізику атома.