Vysvětlení jevu elektrifikace je založeno na elektronické teorii. Teorie vysvětluje elektrické vlastnosti těles přítomností elektronů v nich a jejich pohybem. Předpokládá se, že důvodem takového jevu, jako je „elektrifikace třením“, je to, že když se dvě různá těla dostanou do kontaktu, některé elektrony přejdou z jednoho těla do druhého. V důsledku toho se na povrchu jednoho tělesa objeví kladný náboj (přebytek elektronů) a na povrchu druhého záporný náboj (nedostatek elektronů).
Co je známo o fenoménu elektrifikace třením?
Pokud o sebe třete dvě různé hmoty – skleněnou tyčinku o hedvábí – získají různý náboj. Totéž se stane, pokud pečetní vosk potřete kožešinou.
K oddělení náboje dochází bez tření. Položíte-li parafínovou kuličku na izolovanou rukojeť do sklenice s destilovanou vodou, dojde k oddělení nábojů. Voda a parafínová koule budou mít opačný náboj.
K oddělení náboje dochází v libovolných dvou různých tělesech: dielektrika nebo vodiče, pevné látky, kapaliny nebo plyny.
Náboje získané elektrifikací třením lze přenést na jiné předměty.
Když je látka vystavena světlu, stává se kladně nabitá.
Uveďme argumenty proti elektronové teorii.
Za prvé, látky nemohou mít volné elektrony. Při interakci protonu a elektronu se vždy uvolní foton vazebné energie. Vazebná energie drží proton a elektron pevně pohromadě i v jednoduchých látkách. A v chemických sloučeninách, které jsou v podstatě dielektriky, je tato vazba ještě silnější. Experimenty se studiem fotoelektrického jevu ukazují, že k odtržení elektronu od protonu je nutné vynaložit foton rovný vazební energii mezi nimi.
Za druhé, elektrony nemohou jednoduše přejít z jednoho atomu na druhý. K tomu musí mít přijímající látka protony, ke kterým tyto elektrony musí jít. A elektron darující látky musí být schopen opustit svůj proton.
Za třetí, jeden proton může být spojen pouze s jedním elektronem.
Za čtvrté, pokud je z chemické sloučeniny odstraněn elektron, tato chemická sloučenina se zhroutí.
Proč vzniká potenciální rozdíl, když se o sebe třeme?
K vysvětlení tohoto jevu mi pomůže koncept uvedený v článku „Energie“ o kvantové energetické povaze protonu a elektronu.
V článku „Energie“ bylo ukázáno, že svět se skládá ze dvou druhů energie – magnetické (protonové) a elektronické. Proton a pozitron jsou stabilní kvanta magnetické (protonové) energie a antiproton a elektron jsou stabilní kvanta elektronické energie (článek „Energie“).
Protony a elektrony mohou ztrácet energii úbytkem hmotnosti. A pokud je nedostatek hmoty, vezměte energii svého typu tam, kde je jí více.
Jak naznačil Benjamin Franklin, elektrická energie je reprezentována jako „elektrická tekutina“, která je obsažena v samotné látce. Různé úrovně „elektrické tekutiny“ v různých látkách vytvářejí rozdíly v energii těchto látek. Podle jeho předpokladů vede pohyb této „elektrické tekutiny“ mezi látkami k různým elektrickým jevům.
Jak se tento rozdíl v hladině „elektrické tekutiny“ vytváří v látce?
Přítomnost stabilních kvant magnetických (protonových) a elektronových (elektronových) typů energie vytváří podmínky pro výměnu energie mezi atomy různých látek. Rozdílné vazebné energie protonů a elektronů v atomových jádrech různých chemických prvků a chemických látek vytvářejí rozdíl v úrovni magnetické (protonové) energie („elektrické tekutiny“) v látce.
Benjamin Franklin souhlasil s tím, že nadbytek „elektrické tekutiny“ bude považovat za plus a její nedostatek za mínus. Budeme se držet stejné konvence: kde je přebytek magnetické (protonové) energie – plus, a kde je nedostatek magnetické (protonové) energie – mínus. Právě tento rozdíl v energii protonů v atomových jádrech různých chemických prvků určuje pohyb právě této energie ve hmotě. Elektrony vytvářejí tento rozdíl v energii pouze svým spojením s protony.
Proč jsou protony nositeli elektrického náboje?
Na jedné straně jsou protony 1836krát těžší než elektrony a jsou vhodnější jako zásobník energie. Na druhou stranu jsou protony v atomovém jádře v těsném kontaktu, na rozdíl od elektronů, které jsou v atomu odděleny a každý elektron je na své kvantové úrovni s protonem odpovídajícím vazebné energii, která jim nedává možnost vzájemné výměny energie.
Molekulární sloučeniny zahrnují atomy různých chemických prvků, které mají různé vazebné energie s elektrony, a tedy různé energie atomového jádra na proton. To je důležitá okolnost, která ovlivňuje výměnu energie mezi atomy.
Obrázek 1 ukazuje dva podmiňovací způsob jednoprotonové atomy s různou vazebnou energií proton-elektron. Přítomnost neutronu v atomovém jádru nutí elektron obsadit vyšší energetickou hladinu v atomu. Proto jednoprotonové atomy s různým počtem neutronů mají různé vazebné energie mezi elektrony a protony. Protože se neutrony nepodílejí na výměně energie, a aby nebyl obrázek zahlcen zbytečnými detaily, nejsou na obrázku znázorněny.
Proton si lze představit jako nádobu s kapalinou. Velikost elementární částice je určena její vnitřní kvantovou úrovní. Čím silnější je vazba mezi protonem a elektronem, tím menší je jejich hmotnost a větší velikost a tím nižší je energetická hladina (náboj) Ep1 – nádoba 1 s nižší hladinou. A čím menší je spojení mezi protonem a elektronem, tím je energie (hmotnost) Ep2 více protonů – nádoba 2.
Každý jednoprotonový atom má po spojení volného protonu s volným elektronem neutrální status. Ale vzhledem k sobě mají atomy s různými vazebnými energiemi různé energetické potenciály, a tedy různé energetické (elektrické) náboje.
Jak je znázorněno na obrázku 2, když se dva atomy s různými energetickými potenciály k sobě přiblíží, podle zákona o komunikujících nádobách energie protonu s nižší vazebnou energií s jeho elektronem proudí k protonu s vyšší vazebnou energií s jeho elektronem. . Úroveň magnetické (protonové) energie v atomu1 a atomu2 se vyrovnala. Vzájemně tyto dva atomy získaly neutrální náboj. Ale zároveň má atom1 více magnetické (protonové) energie, než by měl mít po spojení volného protonu s volným elektronem, což znamená, že se nabil kladně, a atom2 má méně magnetické (protonové) energie, než by měl. mají, když volný proton kombinuje proton s volným elektronem, což znamená, že je záporně nabitý.
Když jsou atom1 a atom2 odděleny vzdáleností, zachovávají si energetický stav získaný při vzájemném kontaktu (obrázek 3). Atom 1 zůstal kladně nabitý – s přebytečným magnetickým (protonovým) nábojem a atom 2 byl nabitý záporně – s nedostatečným magnetickým (protonovým) nábojem.
Elektrický náboj je rozdíl v úrovni magnetické (protonové) energie mezi atomy.
Obrázek 4 ukazuje interakci látek s různou vazebnou energií a různým počtem protonů v atomovém jádře.
K nejbližšímu kontaktu mezi protony dochází v atomovém jádře. A proto i přes různé vazebné energie protonů s elektrony v atomu je hmotnost protonů v atomovém jádře stejná. To se děje proto, že protony v atomovém jádře mají nejtěsnější kontakt a mohou si volně vyměňovat energii. Pro elektrony tato okolnost nic nemění, protože energie kvantové hladiny, na které se elektron nachází, se nemění a energie (hmotnost) protonu je určena nejvzdálenější vnitřní kvantovou hladinou (článek „Energie“). .
Při takové výměně energie nastává kuriózní situace. Když jsou hmotnosti protonů v atomovém jádře stejné, vezmeme-li v úvahu vazebnou energii elektronů s protony, jeden proton se stane lehčím (záporně nabitým), než by měl být, když je vázán ke svému elektronu, a druhý proton se stane těžším (kladně nabitý). ), než by měl být, když je vázán svým elektronem. Atomové jádro zůstává normální (neutrální), což odpovídá vazebné energii všech protonů s jejich elektrony.
Atomová jádra mají také stejnou vlastnost jako protony – vyměňovat energii. Různé chemické prvky mají různou průměrnou hmotnost (energii) na proton atomových jader.
Když jsou dvě látky v těsném kontaktu, látka, jejíž vazebná energie je větší, a tedy i průměrná energie atomového jádra na jeden proton menší, odebírá část magnetické (protonové) energie atomovému jádru látky, která má průměrnou energii atomového jádra o jeden proton více (obr. 5). Energie atomových jader na jeden proton různých látek se vyrovná a stanou se vzájemně neutrálními, ale zároveň nedochází k výměně energie mezi atomy, ale mezi protony atomových jader. Když jsou tyto dvě látky odděleny, atomová jádra si zachovávají energetický stav, který vznikl při těsném kontaktu (obr. 6).
Atom2, který má hmotnostní deficit v atomovém jádru, se stává „záporně nabitým“. Počet elektronů v atomu2 zůstává nezměněn. Atom1, který má v atomovém jádře přebytečnou hmotnost, se stává „kladně nabitým“. Počet elektronů v něm také zůstává nezměněn.
Aby se atom1 vrátil do normálního (neutrálního) stavu, musí odevzdat přebytečnou energii a k tomu se potřebuje dostat do těsného kontaktu s látkou, jejíž atomové jádro má průměrnou energii o jeden proton méně. A naopak, atom2 musí vrátit chybějící energii atomovému jádru, zatímco se potřebuje dostat do těsného kontaktu s látkou, jejíž průměrná energie v atomovém jádru na proton je větší.
Chemické sloučeniny mají velmi vysokou vazebnou energii mezi elektrony a protony jader chemických prvků. Přítomnost různých jader s různou energií v chemických sloučeninách vede k obtížnému přenosu magnetické (protonové) energie z jedné látky na druhou. Z tohoto důvodu je získaný energetický náboj uložen v elektrifikované oblasti dielektrika.
Uvažujme elektrifikaci pod vlivem světla.
Pokud vezmete dostatečně citlivý elektroskop a osvítíte nenabitou zinkovou desku světlem obloukového výboje, pak se pod vlivem světla kladně nabije.
Jev spočívá v tom, že působením fotonu se proton a s ním spojený elektron redukují. A elektrický náboj souvisí s energií protonu.
Obrázek 8 ukazuje, co se stane s atomem v elektroskopickém experimentu zobrazeném na (Obrázek 7) na atomové úrovni.
Za normálních podmínek je atom neutrálně nabitý (obr. 8a).
Při interakci atomu s fotonem dochází k úplné nebo částečné redukci protonu a elektronu. Obnova elektronu nijak neovlivňuje náboj systému, protože není s ním spojen žádný elektrický náboj. A úplná nebo částečná redukce protonu a zvýšení jeho energie vede k získání kladného náboje proton-elektronového systému (obr. 8b). I když se vlivem fotonu elektron přesune na vyšší úroveň protonu, ale neopustí ji, povede to také ke zvýšení elektrického náboje atomu. Proton je zobrazen jako kladně nabitý, je to jen proto, že se v elektrickém poli chová jako nabitá částice. Volný proton nemůže vyměňovat magnetickou (protonovou) energii, protože je to stabilní kvantum magnetické (protonové) energie. Protože uvolněný elektron nemá kinetickou energii, zůstává blízko volného protonu. Volný proton se pak opět spojí s volným elektronem a vytvoří vazebný foton (obrázek 8c). Systém proton-elektron získává neutrální náboj. S fotoelektrickým jevem nemůže elektroskop akumulovat velký náboj, protože excitované atomy se znovu spojí se svým elektronem a obnoví svůj neutrální stav.
Pokud je elektroskop (obr. 7) zelektrizován a následně osvětlen, pak se vlivem světla vybije. Tento jev na atomové úrovni lze vysvětlit následovně.
Neutrální atom (obr. 9a) je nabíjen externím zdrojem magnetické (protonové) energie (obr. 9b). Proton v atomu získává přebytečnou magnetickou (protonovou) energii, ale energetický stav elektronu se nemění. Pokud nyní foton narazí na takto excitovaný atom, elektron se vrátí do volného stavu a přebytečná magnetická (protonová) energie se přenese na uvolněný elektron ve formě kinetické energie. Elektron opustí atom (obr. 9c). Volný elektron se ale nebude moci vzdálit. Elektron předá výslednou kinetickou magnetickou (protonovou) energii nějaké látce a poté se vrátí ke svému protonu s menší kinetickou energií. Když se spojí volný proton a elektron, uvolní se foton vazebné energie.
Pro různé chemické prvky je tzv. funkce práce elektronů odlišná: cesium – 1,94 eV, infračervené záření stačí pro výstup elektronů a rtuť – 4,52 eV, pro výstup elektronů je potřeba ultrafialové záření.
zajímalo, co se děje s tělem, když na něm vytváříme elektrické náboje. Nyní se na to podíváme podrobněji.
Nejprve si ukážeme, že při elektrifikaci jsou obě tělesa nabitá. K tomu připevníme na dobře izolující rukojeti dvě desky: ebonitovou a dřevěnou, potaženou látkou. Pro přesnější úsudek o náboji destiček se jimi jednoduše nedotkneme tyče elektroskopu, ale nejprve na elektroskop připevníme kovové sklo (obr. 9). V § 31 uvidíme, že přivedeme-li nabité těleso do uzavřené vodivé dutiny, aniž bychom se tělesem ani dotkli jejích stěn, objeví se na vnějším povrchu dutiny náboj přesně stejný jako vnesené těleso.
Obr. 9. ) Ve skle elektroskopu je umístěna ebonitová deska 1 a dřevěnou deskou potaženou látkou 2, opačně nabitý; elektroskop nevykazuje žádnou odchylku, b) Při sejmutí jedné z destiček jsou listy elektroskopu vychýleny.
nabít uvnitř. To bude přibližně platit pro dutinu s malým otvorem, například pro vysokou úzkou sklenici.
Každý z plátů vložte do sklenice. Elektroskop nevykazuje odchylky plechů; to dokazuje, že obě desky nejsou zpočátku nabité. Poté pláty o sebe potřeme a opět samostatně vložíme do sklenice. Když je každá deska zasunuta, elektroskop detekuje velké vychýlení listů, což naznačuje, že ebonit i látka byly nabity během tření.
Do skla elektroskopu vložíme současně obě o sebe třené destičky. Elektroskop neukáže žádnou odchylku listů. Pokud je však jedna z desek odstraněna a druhá ponechána uvnitř skla, elektroskop ukáže velkou výchylku, což ukazuje, že každá z desek je stále vysoce nabitá. Skutečnost, že když jsou obě nabité desky umístěny ve skle, elektroskop nedetekuje náboj, znamená to, že náboje desek jsou přesně stejné velikosti, ale opačného znaménka, takže součet nábojů obou desek i po elektrifikaci je nulový.
Tento důležitý experiment naznačuje, že ani kladné ani záporné náboje nevznikly třením; byly na každé z našich destiček již před experimentem, ale ve stejném množství, a proto je nebylo možné detekovat. Elektrifikace spočívá v tom, že kladné a záporné náboje jsou nějakým způsobem odděleny, takže na jedné desce (látce) je přebytek kladných nábojů a na druhé (ebonit) je stejný přebytek záporných nábojů. Proto, i když je každá z desek nabitá, celkový součet kladných a záporných nábojů je stále nulový.
V následujících kapitolách ukážeme, že myšlenka elektrifikace jako oddělení nábojů je skutečně správná. To uvidíme negativní náboj je spojen s drobnými částicemi hmoty tzv elektrony. Náboje všech elektronů jsou shodné a modulově shodné s tzv elementární náboj e – nejmenší v přírodě existující náboj 1). Hmotnost elektronu je velmi malá a je přibližně 1/2000 hmotnosti atomu vodíku. Proto je možné přidat nebo odebrat tělesu velmi velké množství elektronů, aniž by se znatelně změnila jeho hmotnost.
Nyní je také známo, že každý atom obsahuje určitý počet elektronů. Takový atom ve svém přirozeném stavu není nabitý, protože
Rýže. 10. Podmíněný diagram: ) neutrální atom; b) kladný iont; c) záporný iont
uvnitř je také kladně nabitá část – atomové jádro, které představuje základ každého atomu. V tomto případě je součet záporných nábojů všech elektronů v modulu přesně roven kladnému náboji jádra (obr. 10, ).
Jestliže však tím či oním způsobem odstraníme jeden nebo více elektronů z atomu, bude mít atom přebytek kladného náboje; jinými slovy, bude kladně nabitý. Atom v tomto stavu se nazývá kladný iont (obr. 10, b). Podobně, pokud se k atomu přidají přebytečné elektrony, získáme záporně nabitý atom resp záporný iont (obr. 10, PROTI). Proces elektrifikace je přenos elektronů nebo iontů z jednoho tělesa do druhého. Je jasné, že když je jakékoli těleso zelektrizováno, musí vždy vzniknout náboj na jiném tělese, který je svou velikostí stejný a má opačné znaménko než náboj vznikající na prvním tělese. To je přesně to, co jsme pozorovali v popsaných experimentech.
§ 6. Elektronická teorie. Teorie, která vysvětluje elektrické vlastnosti těles přítomností elektronů v nich a jejich pohybem, se nazývá elektronické teorie. Tato teorie vysvětluje mnoho elektrických jevů velmi jednoduše a jasně; a proto je při studiu elektřiny vhodné hned od začátku zavádět elektronické pojmy. Podívejme se z tohoto pohledu na některé z výše popsaných experimentů.
V § 2 jsme viděli, že kovy a jinými vodiči mohou náboje snadno přecházet z jednoho tělesa do druhého. To znamená, že elektrické částice se mohou volně pohybovat ve vodičích. A naopak: každé těleso, ve kterém se mohou snadno pohybovat elektrické částice, se musí ukázat jako dobrý vodič. Naopak ze skutečnosti, že sklo je špatným vodičem elektřiny, můžeme usoudit, že uvnitř skla (a dalších dielektrik) je pohyb elektrických částic z jednoho místa na druhé velmi obtížný. Ve vysoce vodivých roztocích, jako jsou roztoky stolní soli, se kladné i záporné ionty snadno pohybují. V kovech se ionty nemohou pohybovat a jedinými nosiči náboje v kovech jsou elektrony. Tyto elektrony pohybující se volně kovem se nazývají volné elektrony nebo vodivostní elektrony.
Když nabijeme těleso, vytvoříme na něm buď nedostatek nebo nadbytek elektronů oproti jejich normálnímu počtu, při kterém se těleso nenabíjí. Zároveň elektrony jsou vypůjčeny na nějakém jiném těle nebo smazáno z těla, ale vůbec nejsou zničeny ani znovu vytvořeny. Fenomén nabíjení a vybíjení těles tedy spočívá v redistribuci elektronů beze změny jejich celkového počtu.
Víme, že když se nabitý vodič spojí s nenabitým, náboj se rozloží mezi obě tělesa. Z elektronického hlediska se to děje následovně. Pokud je první těleso záporně nabité, pak se elektrony pod vlivem vzájemného odpuzování přesunou do druhého tělesa. Pokud je první těleso kladně nabité, pak přitahuje elektrony druhého tělesa. V obou případech bude náboj na prvním tělese klesat a na druhém narůstat, dokud nebude opět dosaženo rovnováhy.
Nakonec jsme viděli (§ 4), že kladné a záporné náboje se vzájemně kompenzují, takže kombinací opačných nábojů stejné velikosti získáme
nedostatek náboje. Z elektronického hlediska je to zřejmé: spojením dvou vodičů, z nichž jednomu chybí tolik elektronů, co druhý obsahuje nadbytek, dostaneme normální počet elektronů v každém z vodičů, tj. každý z vodičů bude nenabitý. Vznik kladných a záporných nábojů při elektrifikaci těles třením je složitější proces, dosud ne zcela do detailu pochopený; ale i v tomto případě jde o to divize poplatků, a nikoli k jejich vzniku.
Rýže. 11. Vzhled dvojité elektrické vrstvy v těsném kontaktu dvou různých těles
§ 7. Elektrifikace třením. Hlavním důvodem jevu, který nazýváme „elektrifikace třením“, je to, že když se dvě různá tělesa dostanou do těsného kontaktu, některé elektrony přejdou z jednoho tělesa na druhé (obr. 11). V důsledku toho se na povrchu prvního tělesa objeví kladný náboj (nedostatek elektronů) a na povrchu druhého tělesa záporný náboj (přebytek elektronů).
