Electrificación de cuerpos, interacción de cargas

En este artículo intentaremos presentar una idea bastante generalizada de lo que es la electrificación de los cuerpos, y también tocaremos la ley de conservación de la carga eléctrica.

Independientemente de que esta o aquella fuente de energía eléctrica funcione por principio, en cada uno de ellos se produce la electrificación de los cuerpos físicos, es decir, la separación de las cargas eléctricas presentes en la fuente de energía eléctrica y su concentración en determinados lugares, por ejemplo, en los electrodos o terminales de la fuente. Como resultado de este proceso, se obtiene un exceso de cargas negativas (electrones) en un terminal de la fuente de energía eléctrica (cátodo) y una falta de electrones en el otro terminal (ánodo), es decir el primero de ellos está cargado con electricidad negativa, y el segundo con electricidad positiva.

Después del descubrimiento del electrón, la partícula elemental con carga mínima, después de que finalmente se explicara la estructura del átomo, la mayoría de los fenómenos físicos relacionados con la electricidad también se volvieron explicables.

Generalmente se encuentra que la materia material que constituye los cuerpos es eléctricamente neutra, ya que las moléculas y los átomos que componen el cuerpo son neutros en condiciones normales y, en consecuencia, los cuerpos no tienen carga. Pero si tal cuerpo neutro se frota contra otro cuerpo, algunos de los electrones abandonarán sus átomos y pasarán de un cuerpo a otro. La longitud de los caminos recorridos por estos electrones durante dicho movimiento no es mayor que la distancia entre los átomos vecinos.

Sin embargo, si después de la fricción los cuerpos se separan, se separan, ambos cuerpos estarán cargados. El cuerpo al que han pasado los electrones quedará cargado negativamente, y el que donó estos electrones adquirirá carga positiva, quedará cargado positivamente. Esto es electrificación.

Supongamos que en algún cuerpo físico, por ejemplo en el vidrio, fuera posible sacar algunos de sus electrones de un número significativo de átomos. Esto significa que el vidrio, que ha perdido parte de sus electrones, se cargará con electricidad positiva, porque en él las cargas positivas han ganado ventaja sobre las negativas.

Los electrones extraídos del vidrio no pueden desaparecer y deben colocarse en algún lugar. Suponga que después de sacar los electrones del vidrio, se colocan en una bola de metal. Es entonces obvio que la bola de metal que recibe electrones adicionales está cargada de electricidad negativa, ya que en ella se da prioridad a las cargas negativas sobre las positivas.

Electrificar el cuerpo físico: significa crear en él un exceso o una falta de electrones, es decir, perturbe el equilibrio de dos opuestos en él, a saber, cargas positivas y negativas.

Electrificar dos cuerpos físicos simultáneamente y junto con diferentes cargas eléctricas significa retirar electrones de un cuerpo y transferirlos a otro cuerpo.

Si se ha formado una carga eléctrica positiva en algún lugar de la naturaleza, inevitablemente debe surgir simultáneamente con ella una carga negativa del mismo valor absoluto, ya que cualquier exceso de electrones en cualquier cuerpo físico surge debido a su falta en algún otro cuerpo físico.

Las diversas cargas eléctricas aparecen en los fenómenos eléctricos como opuestos invariablemente acompañantes, cuya unidad e interacción constituyen el contenido interno de los fenómenos eléctricos en las sustancias.

Los cuerpos neutros se electrifican cuando dan o reciben electrones, en cualquiera de los dos casos adquieren carga eléctrica y dejan de ser neutros. Aquí las cargas eléctricas no surgen de la nada, las cargas solo se separan, porque los electrones ya estaban en los cuerpos y simplemente cambiaron de ubicación, los electrones se mueven de un cuerpo electrificado a otro cuerpo electrificado.

El signo de la carga eléctrica que resulta de la fricción de los cuerpos depende de la naturaleza de estos cuerpos, de la condición de sus superficies y de otras muchas razones. Por lo tanto, no se excluye la posibilidad de que el mismo cuerpo físico en un caso esté cargado de electricidad positiva y en otro de electricidad negativa, por ejemplo, los metales al frotarse contra el vidrio y la lana se electrifican negativamente, y al frotarse contra goma — positivamente.

Una pregunta apropiada sería: ¿por qué la carga eléctrica no fluye a través de los dieléctricos sino a través de los metales? El punto es que en los dieléctricos todos los electrones están unidos a los núcleos de sus átomos, simplemente no tienen la capacidad de moverse libremente por todo el cuerpo.

Pero en los metales la situación es diferente. Los enlaces de electrones en los átomos metálicos son mucho más débiles que en los dieléctricos, y algunos electrones abandonan fácilmente sus átomos y se mueven libremente por todo el cuerpo, estos son los llamados electrones libres que proporcionan transferencia de carga en los cables.

La separación de cargas ocurre tanto durante la fricción de los cuerpos metálicos como durante la fricción de los dieléctricos. Pero en las demostraciones se utilizan dieléctricos: ebonita, ámbar, vidrio. Se recurre a esto por la sencilla razón de que, dado que las cargas no se mueven a través del volumen en los dieléctricos, permanecen en los mismos lugares en las superficies de los cuerpos de los que surgieron.

Y si por fricción, digamos, para la piel, una pieza de metal se electrifica, entonces la carga, que solo tiene tiempo para moverse a su superficie, se drenará instantáneamente sobre el cuerpo del experimentador, y una demostración, por ejemplo, con dieléctricos, no funcionará. Pero si se aísla una pieza de metal de las manos del experimentador, permanecerá sobre el metal.

Si la carga de los cuerpos se libera solo en el proceso de electrificación, ¿cómo se comporta su carga total? Experimentos simples proporcionan una respuesta a esta pregunta. Tomando un electrómetro con un disco de metal unido a su varilla, coloque un trozo de tela de lana sobre el disco, del tamaño de ese disco. Encima del disco de tejido se coloca otro disco conductor, igual que en la varilla del electrómetro, pero equipado con un mango dieléctrico.

Sosteniendo el mango, el experimentador mueve el disco superior varias veces, lo frota contra dicho disco de tejido que se encuentra sobre el disco de la varilla del electrómetro y luego lo aleja del electrómetro. La aguja del electrómetro se desvía cuando se quita el disco y permanece en esa posición. Esto indica que se ha desarrollado una carga eléctrica en la tela de lana y en el disco unido a la varilla del electrómetro.

El disco con el mango se pone entonces en contacto con el segundo electrómetro, pero sin el disco unido a él, y se observa que su aguja se desvía casi en el mismo ángulo que la aguja del primer electrómetro.

El experimento muestra que ambos discos durante la electrificación recibieron cargas del mismo módulo. Pero, ¿cuáles son los signos de estas acusaciones? Para responder a esta pregunta, los electrómetros están conectados por un cable. Las agujas del electrómetro volverán inmediatamente a la posición cero en la que estaban antes de que comenzara el experimento. La carga se neutralizó, lo que significa que las cargas en los discos eran iguales en magnitud pero de signo opuesto, y en general dieron cero, como antes de que comenzara el experimento.

Experimentos similares muestran que durante la electrificación, la carga total de los cuerpos se conserva, es decir, si la cantidad total era cero antes de la electrificación, entonces la cantidad total será cero después de la electrificación... Pero, ¿por qué sucede esto? Si frotas un palo de ébano sobre un paño, se cargará negativamente y el paño cargará positivamente, y esto es un hecho bien conocido. Se forma un exceso de electrones sobre la ebonita cuando se frota sobre lana, y un déficit correspondiente sobre la tela.

Las cargas serán iguales en módulo, porque cuantos electrones han pasado de la tela a la ebonita, la ebonita ha recibido tal carga negativa, y la misma cantidad de carga positiva se ha formado en el lienzo, porque los electrones que han salido del tela son la carga positiva en la tela. Y el exceso de electrones en la ebonita es exactamente igual a la falta de electrones en la tela. Las cargas son de signo opuesto pero de igual magnitud. Obviamente, la carga completa se conserva durante la electrificación; es igual a cero en total.

Además, incluso si las cargas en ambos cuerpos no fueran cero antes de la electrificación, la carga total sigue siendo la misma que antes de la electrificación. Habiendo denotado las cargas de los cuerpos antes de su interacción como q1 y q2, y las cargas después de la interacción como q1' y q2', entonces se cumplirá la siguiente igualdad:

q1 + q2 = q1 '+ q2'

Esto implica que para cualquier interacción de cuerpos la carga total siempre se conserva. Esta es una de las leyes fundamentales de la naturaleza, la ley de conservación de la carga eléctrica. Benjamin Franklin lo descubrió en 1750 e introdujo los conceptos de "carga positiva" y "carga negativa". Franklin y propuso indicar cargas opuestas con signos «-» y «+».

en electronica Las reglas de Kirchhoff porque las corrientes se derivan directamente de la ley de conservación de la carga eléctrica. La combinación de cables y componentes electrónicos se representa como un sistema abierto. La entrada total de cargas en un sistema dado es igual a la salida total de cargas de ese sistema. Las reglas de Kirchhoff asumen que un sistema electrónico no puede cambiar significativamente su carga total.

Para ser justos, observamos que la mejor prueba experimental de la ley de conservación de la carga eléctrica es la búsqueda de tales desintegraciones de partículas elementales que estarían permitidas en el caso de una conservación de carga no estricta. Tales desintegraciones nunca se han observado en la práctica.

Otras formas de electrificar los cuerpos físicos:

1. Si la placa de zinc se sumerge en una solución de ácido sulfúrico H2SO4, se disolverá parcialmente. Algunos de los átomos de la placa de zinc, dejando dos de sus electrones en la placa de zinc, se disolverán con una serie de ácidos en forma de iones de zinc positivos doblemente cargados. Como resultado, la placa de zinc se cargará con electricidad negativa (exceso de electrones) y la solución de ácido sulfúrico se cargará con electricidad positiva (exceso de iones de zinc positivos). Esta propiedad se utiliza para electrificar zinc en solución de ácido sulfúrico. en una celda galvánica como principal proceso de aparición de la energía eléctrica.

2. Si los rayos de luz caen sobre la superficie de metales como el zinc, el cesio y algunos otros, entonces se liberan electrones libres de estas superficies al medio ambiente. Como resultado, el metal se carga con electricidad positiva y el espacio que lo rodea se carga con electricidad negativa. La emisión de electrones de las superficies iluminadas de ciertos metales se denomina efecto fotoeléctrico, que ha encontrado aplicación en las células fotovoltaicas.

3. Si el cuerpo de metal se calienta hasta un estado de calor blanco, los electrones libres volarán desde su superficie hacia el espacio circundante.Como resultado, el metal que ha perdido electrones se cargará con electricidad positiva y el entorno con electricidad negativa.

4. Si suelda los extremos de dos cables diferentes, por ejemplo, bismuto y cobre, y calienta su unión, los electrones libres pasarán parcialmente del cable de cobre al bismuto. Como resultado, el alambre de cobre se cargará con electricidad positiva, mientras que el alambre de bismuto se cargará con electricidad negativa. El fenómeno de la electrificación de dos cuerpos físicos cuando absorben energía térmica. utilizado en termopares.

Los fenómenos asociados a la interacción de cuerpos electrificados se denominan fenómenos eléctricos.

La interacción entre cuerpos electrificados está determinada por los llamados Fuerzas eléctricas que se diferencian de las fuerzas de otra naturaleza en que hacen que los cuerpos cargados se repelan y se atraigan, independientemente de la velocidad de su movimiento.

De esta forma, la interacción entre cuerpos cargados se diferencia, por ejemplo, de la gravitatoria, que se caracteriza únicamente por la atracción de los cuerpos, o de las fuerzas de origen magnético, que dependen de la velocidad relativa de movimiento de las cargas, provocando magnetismo. fenómenos.

La ingeniería eléctrica estudia principalmente las leyes de la manifestación externa de las propiedades de los cuerpos electrificados: las leyes de los campos electromagnéticos.

Esperamos que este breve artículo te haya dado una idea general de lo que es la electrificación de los cuerpos, y ahora sepas cómo comprobar experimentalmente la ley de conservación de la carga eléctrica mediante un sencillo experimento.