Az elektromos mező
1. Elektromos töltés és elektromos áram
1.1 Töltés
1.1.1 Statikus elektromosság
1. Az ókorban már ismert volt, hogy a borostyán, száraz ruhával dörzsölve, kicsi, könnyű testeket vonzhat, például gyapjúból. Ez a hatás dörzsölt műanyag fóliákkal, műanyag rudakkal, üvegrudakkal és hasonlókkal is elérhető. mutatják, hogy pl. vonzza a papírdarabokat.
Ezekben a jelenségekben olyan erők hatása figyelhető meg, amelyek nem mechanikai eredetűek. E jelenségek leírására egy új fizikai tulajdonságot vezetnek be, amelyet elektromos töltésnek neveznek. Q ennek a mennyiségnek a szimbólumaként szerepel; a mértékegység [Q] = 1 C (Coulomb - Charles Augustin Coulomb után, 1736 - 1806). Állítólag egy elektromos erőket kifejtő dörzsölt tárgy elektromos töltésű. Olyan tárgyat, amelynek nincs elektromos hatása, töltés nélküli vagy semlegesnek nevezzük.
2. Gyorsan felépíthet egy egyszerű eszközt az elektromos töltés detektálására:
Ha egy elektromosan töltött tárgyhoz közelít, akkor ez a töltésjelző a papírmutató felé fordul.
Ha a papírcsíkot műanyag fóliacsíkra cseréli és megdörzsöli, további megfigyelések történhetnek:
egy dörzsölt műanyag fólia taszítja a töltésjelzőt,
egy dörzsölt üvegrúd vonzza a töltésjelzőt.
3. Az elektromos töltés érzékelésének másik eszköze az izzólámpa:
Ha egy ilyen izzólámpát tartanak egy töltött testhez, akkor az egyik elektróda kigyullad.
1.1.2 A szigetelők és a fémek töltése
1. Ha fémes tárgyakat, például egy elszigetelten felállított fémgolyót dörzsölnek, sem a töltésjelző, sem az izzólámpa nem képes érzékelni a golyó elektromos töltését. Ha azonban egy dörzsölt műanyag fóliát eltávolítunk a fémgömbből, megfigyelhető a golyó által a töltésjelzőre kifejtett erő. A feltöltött fémgömbhöz tartott izzó lámpa szintén kigyullad és ez bizonyítja a töltést.
Ez azt jelenti, hogy a fémtárgyakat is fel lehet tölteni, bár nem súrlódással.
Ugyanakkor különbség figyelhető meg a töltött műanyag fóliáktól:
Izzó lámpa többször és különböző helyeken világít egy töltött filmen;
Az izzólámpa csak egyszer világít egy feltöltött fémes tárgyon.
Ebből levonható a következtetés: A fémes testeken az elektromos töltés mozgékony; ezért elektromos vezetőknek is nevezik őket. A nem vezető tárgyakat, például a műanyag rudakat és fóliákat, üvegrudakat stb., Szigetelőknek nevezzük.
2. A sávgenerátor olyan eszköz, amelyben a szigetelő súrlódással töltődik fel, és a töltet egy fém testbe kerül. Végtelen gumitakaró fut át egy műanyag hengeren és egy fém hengeren, és közben töltődik. Fűrészes fémfésű, amely egy fém kosárhoz csatlakozik, közvetlenül a gumitakaró felett helyezkedik el. A töltést a fésű a fém kosárba helyezi át.
Más típusú szalaggenerátorok fémgömböt használnak a fémkosár helyett; a funkcionális elv azonban mindig ugyanaz.
1.1.3 Kétféle elektromos töltés
Izzólámpával a következő megfigyelések tehetők:
egy dörzsölt műanyag fólián világít az izzólámpa fólián lévő oldala;
Egy dörzsölt üvegrúdon világít az izzólámpa azon oldala, amely a rúd ellentétes oldalán található.
Az elektromos töltésnek nyilvánvalóan két típusa van. Történelmi okokból ezeket pozitív és negatív elektromos töltésnek nevezzük. A dörzsölt műanyag bot negatív, a dörzsölt üveg bot pozitív töltésű.
Izzó lámpa, amelyet az övgenerátor feltöltött fém kosaráig tartanak, a kosárral szemközti oldalon kigyullad, jelezve, hogy a fém kosár pozitív töltésű.
1.1.4 Erőhatások
1. Az elektromos töltések erőhatásait már fentebb leírtuk. Ezt most ki kellene terjeszteni.
1) Ha két műanyag fóliához közeledik, amelyek dörzsöléssel negatívan töltődnek fel, és függőlegesen lógnak le, akkor a két fólia visszaverődése figyelhető meg.
2) A grafit az elektromos vezetőképesség szempontjából fémként viselkedik. A grafitréteggel borított asztalitenisz-labda egy szigetelőfonalra van felfüggesztve. Ha a labda pozitív töltésű az övgenerátoron, az övgenerátor taszítja.
3) A negatív töltésű műanyag fóliát közelebb hozzuk a pozitív töltésű övgenerátorhoz. Megfigyelhető a fólia vonzereje.
4) Egy elszigetelten felfüggesztett kis alumíniumlemez pozitívan töltődik fel az övgenerátoron. Negatív töltésű műanyag fólia vonzza a lemezt.
Tehát kijelenthető:
Az azonos nevű díjak taszítják egymást; különböző töltések vonzzák (elektromos erő törvény).
2. Az elektroszkóp korán használt eszköz volt az elektromos töltés detektálására. A forgathatóan rögzített könnyű fém mutató egy rögzített fémrúdhoz van rögzítve. Ha feltölti az elektroszkópot, például eltávolítva egy negatívan töltött filmet, a töltés eloszlik a botban és a mutatóban. Mivel ezek most ugyanazzal a névvel vannak betöltve, a forgó mutatót elutasítják.
Ha pozitívan tölti az elektroszkópot, a botot és a mutatót ugyanazzal a névvel töltik fel, és taszítják egymást. A töltés típusát egyedül az elektroszkóppal nem lehet meghatározni.
1.1.5 Töltött és semleges testek
1. kísérlet: Az úgynevezett Faraday csészét egy elektroszkóphoz rögzítik. Ha egy töltött tárgyat helyezünk ebbe a pohárba, az elektroszkóp mutatója elhajlik.
Most egy műanyag rudat és egy üveg rudat dörzsölnek össze. A műanyag rúd negatív töltéssel, az üveg rúd pedig pozitívan töltődik fel. Ahogy leírtuk, az elektroszkóp segítségével igazolható, hogy a rudak feltöltődtek. De ha mindkét rudat egyszerre helyezzük a Faraday főzőpohárba, az elektroszkóp nem mutat elhajlást.
Ez azt jelenti: a pozitív és a negatív töltések kiegyenlítik egymást hatásukban.
Ha egyforma méretű pozitív és negatív töltések jönnek össze, hatásuk kioltja egymást. Ezt a folyamatot semlegesítésnek nevezzük .
2. kísérlet: Két töltés nélküli (semleges) fémgömböt, amely a szigetelő támaszokhoz van rögzítve, úgy állítják fel, hogy összeérjenek. Negatív töltésű műanyag fóliát hozunk a két golyó közelébe anélkül, hogy a golyókat hozzáérnénk. Ezután a két golyót elválasztják egymástól. Elektroszkóppal igazolható, hogy mindkét gömb elektromos töltésű az elválasztás után. Azt is meg kell jegyezni, hogy a gömbök eltérően töltődnek: Ha először feltölti az elektroszkópot egy golyó megérintésével, majd a második gömböt az elektroszkópba viszi, akkor az elhajlása csökken. Tehát történt semlegesítés.
Ebből arra lehet következtetni: A fémgolyók már tartalmaztak töltést. Mivel kezdetben semlegesek voltak, mindegyiknek ugyanannyi pozitívnak, mint negatívnak kell lennie. A feltöltött fólia elválasztotta ezeket a töltéseket, mivel negatív töltése taszítja a fémgolyók negatív töltéseit. Ez egy negatív töltés feleslegét okozza az egyik gömbön, ami negatív töltésűnek tűnik. A másik szférában nincs negatív töltés, így a szférában lévő pozitív töltés túlsúlyban van, és a gömb pozitívan töltődik fel.
Általánosságban a következő érvényes: Az elektromos töltés nem "keletkezik". Semleges testben egyenlő mennyiségben vannak pozitív és negatív töltések. A feltöltött testek töltéselválasztással, például súrlódással vagy külső elektromos erők hatására keletkeznek.
1.1.6 Hatás, polarizáció
1. Ha egy töltött testet elektroszkóphoz közelítenek, akkor az elektroszkóp már kiütést mutat, még akkor is, ha a töltött test nem ér hozzá az elektroszkóphoz. A töltött test eltávolításakor az elektroszkóp kiütése ismét csökken.
Ez a folyamat befolyásolás néven ismert:
Ha egy töltött testet egy töltés nélküli fém test közelében hozunk, a fémben töltéseltolódások következnek be, vagyis a pozitív és a negatív töltések elválnak egymástól. Ha a töltött testet eltávolítják, az eredeti töltéseloszlás helyreáll a fémben.
2. A semleges, nemfémes testeket (szigetelőket) a töltött testek befolyásolhatják:
A papírdarabokat vonzzák a töltött testek,
egy kis kocka hungarocell vonzódik a megterhelt szalaggenerátorhoz,
dörzsöléssel feltöltött léggömb vonz egy papírlapot,
egy vízsugár letölthető fóliával terelhető,
stb. Ezt a hatást polarizációnak nevezzük:
Egy szigetelőben külső elektromos erők hatására töltéseltolódások lépnek fel, így a szigetelő feltöltöttnek tűnik.
1.1.7 az izzó elektromos hatás; Elektronok
1. A gázok normál körülmények között elektromos szigetelők. Ha azonban növeli a feszültséget, elektromos meghibásodások léphetnek fel, vagyis áram áramlik a levegőben. Ilyen áttörések már létrehozhatók egy betöltött szalaggenerátorral.
2. A 19. században intenzíven tanulmányozták a villamos energia vezetését gázokban és vákuumban. Gázzal töltött üvegcsöveket használtak, amelyekbe fémes elektródákat olvasztottak. Erre példa az Edison cső: egy ürített üveget tartalmazó izzóban izzítóhuzal (katód) és gyűjtőlemez (anód) található.
Kísérlet: Egy Edison-cső anódját összekapcsolják egy elektroszkóppal. Az elektroszkóp pozitív vagy negatív töltéssel rendelkezik.
Pozitívan töltött elektroszkóp: Amikor az izzószál izzik, az elektroszkóp elhajlása csökken.
Negatív töltésű elektroszkóp: Az elektroszkóp elhajlása akkor is megmarad, ha az izzószál izzik.
Ezeket a megfigyeléseket úgy lehet értelmezni, hogy a negatív töltés kiszabadul az izzó izzószálból, az anódlemezre, onnan pedig az elektroszkópra kerül. Ha ez pozitív töltésű, akkor azt a bejövő negatív töltés semlegesíti. Ha negatív töltésű, akkor taszítja az izzószál negatív töltését, így annak elhajlása nem változik.
3. Ilyen és számos más kísérletben már a 19. században bebizonyosodott, hogy az izzószálból előálló negatív töltés nem kötődik kémiailag kimutatható anyagokhoz. Az elektronok kifejezést erre a „tiszta elektromosságra” vezették be.
Joseph John Thomson (1856 - 1940) angol fizikus 1904-ben javasolta az atom első modelljét, amelyet az atomokban az elektromos töltés előfordulásának leírására kellett használni. Az atomoknak pozitív töltésű anyagból álló homogén gömbből kell állniuk, amelyben az elektronok bizonyos egyensúlyi helyzetben vannak tárolva, mint a mazsola a süteményben. Ebben a modellben az elektronok kimosódhatnak az atomból, így pozitív atom maradvány, az úgynevezett ion marad. Egy vagy több elektronnak az atomból történő felszabadulásának folyamatát ionizációnak nevezzük.
A villamos energia vezetése gázokban - például a levegőben történő lebontás - a következőképpen értelmezhető:
Ha a gáz elektromos mezőben van, ez a mező elektromos erőket fejt ki a gázatomokban vagy molekulákban lévő töltésekre.
Ha ezek az elektromos erők elég nagyok, akkor az elektronok elszakadnak az atomoktól.
A szabad elektronok és a pozitív ionok ezután elmozdulhatnak az elektromos mezőben.
Mivel az elektronok felgyorsulnak az elektromos mezőben, ezek viszont más atomokat vagy molekulákat képesek ionizálni (ütésionizáció). Ily módon egy teljes lavina elektronok és ionok jönnek létre.
1.1.8 A töltés atomi modellje
1. A több mint 100 éves fizikai kutatás során rengeteg tudás született az atomok szerkezetéről. A villamos jelenségek vizsgálatának és leírásának alapjául a következő egyszerűsített modell szolgál.
Az elektromos töltés hordozói azok az atomok, amelyek minden testet alkotnak. Az atom egy atommagból és egy atomhéjból áll. Az atommagban vannak pozitív töltésű részecskék, az úgynevezett protonok (és elektromosan semleges részecskék, a neutronok). A héj negatív töltésű részecskékből áll, amelyeket elektronoknak nevezünk. Az atomok elektronjainak száma megegyezik a periódusos rendszer kémiai elemének atomszámával, amelyhez tartozik. Példa: A réz (Cu) atomszáma 29; egy Cu atomnak 29 elektronja van.