Elettrificazione dei corpi, interazione delle cariche

In questo articolo cercheremo di presentare un'idea abbastanza generalizzata di cosa sia l'elettrificazione dei corpi, e toccheremo anche la legge di conservazione della carica elettrica.

Indipendentemente dal fatto che questa o quella fonte di energia elettrica funzioni per il principio, ognuno di essi avviene l'elettrificazione dei corpi fisici, cioè la separazione delle cariche elettriche presenti nella fonte di energia elettrica e la loro concentrazione in determinati luoghi, ad esempio, sugli elettrodi o terminali della sorgente. Come risultato di questo processo, si ottiene un eccesso di cariche negative (elettroni) su un terminale della sorgente di energia elettrica (catodo) e una mancanza di elettroni sull'altro terminale (anodo), cioè il primo è carico di elettricità negativa e il secondo di elettricità positiva.

Dopo la scoperta dell'elettrone, la particella elementare con carica minima, dopo che fu finalmente spiegata la struttura dell'atomo, divennero spiegabili anche la maggior parte dei fenomeni fisici legati all'elettricità.

La materia materiale che compone i corpi si trova generalmente elettricamente neutra, poiché le molecole e gli atomi che compongono il corpo sono neutri in condizioni normali, e quindi i corpi non hanno carica. Ma se un corpo così neutro sfrega contro un altro corpo, allora alcuni degli elettroni lasceranno i loro atomi e passeranno da un corpo all'altro. La lunghezza dei percorsi percorsi da questi elettroni durante tale movimento non è superiore alla distanza tra atomi vicini.

Tuttavia, se dopo l'attrito i corpi si separano, si allontanano, entrambi i corpi verranno caricati. Il corpo a cui sono passati gli elettroni si caricherà negativamente, e quello che ha donato questi elettroni acquisirà una carica positiva, si caricherà positivamente. Questa è l'elettrificazione.

Supponiamo che in qualche corpo fisico, ad esempio nel vetro, fosse possibile rimuovere alcuni dei loro elettroni da un numero significativo di atomi. Ciò significa che il vetro, che ha perso alcuni dei suoi elettroni, si caricherà di elettricità positiva, perché in esso le cariche positive hanno guadagnato un vantaggio su quelle negative.

Gli elettroni rimossi dal vetro non possono scomparire e devono essere messi da qualche parte. Supponiamo che dopo che gli elettroni sono stati rimossi dal vetro, vengano posizionati su una sfera di metallo. È quindi ovvio che la sfera metallica che riceve elettroni aggiuntivi è caricata di elettricità negativa, poiché in essa le cariche negative hanno la priorità su quelle positive.

Elettrificare il corpo fisico significa creare in esso un eccesso o una mancanza di elettroni, cioè disturbare l'equilibrio di due opposti in esso, vale a dire cariche positive e negative.

Elettrificare due corpi fisici simultaneamente e insieme con cariche elettriche diverse significa prelevare elettroni da un corpo e trasferirli in un altro corpo.

Se una carica elettrica positiva si è formata da qualche parte in natura, allora una carica negativa dello stesso valore assoluto deve inevitabilmente sorgere contemporaneamente ad essa, poiché qualsiasi eccesso di elettroni in qualsiasi corpo fisico sorge a causa della loro mancanza in qualche altro corpo fisico.

Le varie cariche elettriche appaiono nei fenomeni elettrici come invariabilmente accompagnanti opposti, la cui unità e interazione costituiscono il contenuto interno dei fenomeni elettrici nelle sostanze.

I corpi neutri si elettrizzano quando danno o ricevono elettroni, in entrambi i casi acquistano una carica elettrica e cessano di essere neutri. Qui le cariche elettriche non nascono dal nulla, le cariche sono solo separate, perché gli elettroni erano già nei corpi e semplicemente hanno cambiato la loro posizione, gli elettroni si spostano da un corpo elettrificato a un altro corpo elettrificato.

Il segno della carica elettrica risultante dall'attrito dei corpi dipende dalla natura di questi corpi, dalla condizione delle loro superfici e da una serie di altri motivi. Non è quindi esclusa la possibilità che lo stesso corpo fisico in un caso sia carico di elettricità positiva e in un altro di elettricità negativa, ad esempio i metalli quando vengono strofinati contro vetro e lana si elettrizzano negativamente, e quando vengono strofinati contro gomma - positivamente.

Una domanda appropriata sarebbe: perché la carica elettrica non scorre attraverso i dielettrici ma attraverso i metalli? Il punto è che nei dielettrici tutti gli elettroni sono legati ai nuclei dei loro atomi, semplicemente non hanno la capacità di muoversi liberamente in tutto il corpo.

Ma nei metalli la situazione è diversa. I legami elettronici negli atomi di metallo sono molto più deboli che nei dielettrici e alcuni elettroni lasciano facilmente i loro atomi e si muovono liberamente in tutto il corpo, questi sono i cosiddetti elettroni liberi che forniscono il trasferimento di carica nei fili.

La separazione delle cariche avviene sia durante l'attrito dei corpi metallici che durante l'attrito dei dielettrici. Ma nelle dimostrazioni vengono utilizzati dielettrici: ebanite, ambra, vetro. Si ricorre a questo per il semplice motivo che poiché le cariche non si muovono attraverso il volume nei dielettrici, rimangono negli stessi punti sulle superfici dei corpi da cui sono sorte.

E se per attrito, diciamo, per la pelliccia, un pezzo di metallo si elettrizza, allora la carica, che ha solo il tempo di spostarsi sulla sua superficie, si scaricherà istantaneamente sul corpo dello sperimentatore, e una dimostrazione, ad esempio, con dielettrici, non funzionerà. Ma se un pezzo di metallo viene isolato dalle mani dello sperimentatore, rimarrà sul metallo.

Se la carica dei corpi viene rilasciata solo nel processo di elettrificazione, allora come si comporta la loro carica totale? Semplici esperimenti forniscono una risposta a questa domanda. Prendendo un elettrometro con un disco di metallo attaccato alla sua asta, metti sopra il disco un pezzo di panno di lana, delle dimensioni di quel disco. Sopra il disco di tessuto è posto un altro disco conduttivo, lo stesso dell'asta dell'elettrometro, ma dotato di un'impugnatura dielettrica.

Tenendo la maniglia, lo sperimentatore sposta più volte il disco superiore, lo strofina contro detto disco di tessuto che giace sul disco dell'asta dell'elettrometro, quindi lo allontana dall'elettrometro. L'ago dell'elettrometro devia quando il disco viene rimosso e rimane in quella posizione. Ciò indica che si è sviluppata una carica elettrica sul tessuto di lana e sul disco attaccato all'asta dell'elettrometro.

Il disco con il manico viene quindi portato in contatto con il secondo elettrometro, ma senza il disco attaccato ad esso, e si osserva che il suo ago è deviato quasi dello stesso angolo dell'ago del primo elettrometro.

L'esperimento mostra che entrambi i dischi durante l'elettrificazione hanno ricevuto cariche dello stesso modulo. Ma quali sono i segni di queste accuse? Per rispondere a questa domanda, gli elettrometri sono collegati da un filo. Gli aghi dell'elettrometro torneranno immediatamente alla posizione zero in cui si trovavano prima dell'inizio dell'esperimento. La carica è stata neutralizzata, il che significa che le cariche sui dischi erano uguali in grandezza ma di segno opposto, e nel complesso hanno dato zero, come prima dell'inizio dell'esperimento.

Esperimenti simili mostrano che durante l'elettrificazione si conserva la carica totale dei corpi, cioè se l'importo totale era zero prima dell'elettrificazione, allora l'importo totale sarà zero dopo l'elettrificazione... Ma perché succede? Se strofini un bastoncino di ebano su un panno, questo si caricherà negativamente e il panno si caricherà positivamente, e questo è un fatto ben noto. Sull'ebanite si forma un eccesso di elettroni strofinato sulla lana e un corrispondente deficit su stoffa.

Le cariche saranno uguali in modulo, perché quanti elettroni sono passati dal tessuto all'ebanite, l'ebanite ha ricevuto tale carica negativa, e la stessa quantità di carica positiva si è formata sulla tela, perché gli elettroni che hanno lasciato il stoffa sono la carica positiva sulla stoffa. E l'eccesso di elettroni sull'ebanite è esattamente uguale alla mancanza di elettroni sul tessuto. Le cariche sono di segno opposto ma di grandezza uguale. Ovviamente durante l'elettrificazione si conserva la carica completa; è uguale a zero in totale.

Inoltre, anche se le cariche su entrambi i corpi erano diverse da zero prima dell'elettrificazione, la carica totale è sempre la stessa di prima dell'elettrificazione. Avendo indicato le cariche dei corpi prima della loro interazione come q1 e q2, e le cariche dopo l'interazione come q1' e q2', allora sarà vera la seguente uguaglianza:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

Ciò implica che per qualsiasi interazione di corpi la carica totale è sempre conservata. Questa è una delle leggi fondamentali della natura, la legge di conservazione della carica elettrica. Benjamin Franklin lo scoprì nel 1750 e introdusse i concetti di "carica positiva" e "carica negativa". Franklin e propose di indicare le cariche opposte con i segni «-» e «+».

Nell'elettronica Regole di Kirchhoff perché le correnti seguono direttamente dalla legge di conservazione della carica elettrica. La combinazione di fili e componenti elettronici è rappresentata come un sistema aperto. L'afflusso totale di oneri in un dato sistema è uguale al totale deflusso di oneri da quel sistema. Le regole di Kirchhoff presumono che un sistema elettronico non possa modificare in modo significativo la sua carica totale.

In tutta onestà, notiamo che il miglior test sperimentale della legge di conservazione della carica elettrica è la ricerca di tali decadimenti di particelle elementari che sarebbero consentiti nel caso di conservazione non rigorosa della carica. Tali decadimenti non sono mai stati osservati in pratica.

Altri modi per elettrizzare i corpi fisici:

1. Se la lastra di zinco è immersa in una soluzione di acido solforico H2SO4, si dissolverà parzialmente in essa. Alcuni degli atomi sulla lastra di zinco, lasciando due dei loro elettroni sulla lastra di zinco, andranno in soluzione con una serie di acidi sotto forma di ioni di zinco positivi a doppia carica. Di conseguenza, la lastra di zinco si caricherà di elettricità negativa (eccesso di elettroni) e la soluzione di acido solforico si caricherà di elettricità positiva (eccesso di ioni zinco positivi). Questa proprietà viene utilizzata per elettrificare lo zinco in soluzione di acido solforico in una cella galvanica come il processo principale della comparsa di energia elettrica.

2. Se i raggi luminosi cadono sulla superficie di metalli come zinco, cesio e alcuni altri, gli elettroni liberi vengono rilasciati da queste superfici nell'ambiente. Di conseguenza, il metallo viene caricato con elettricità positiva e lo spazio circostante viene caricato con elettricità negativa. L'emissione di elettroni dalle superfici illuminate di alcuni metalli è chiamata effetto fotoelettrico, che ha trovato applicazione nelle celle fotovoltaiche.

3. Se il corpo metallico viene riscaldato a uno stato di calore bianco, gli elettroni liberi voleranno dalla sua superficie nello spazio circostante.Di conseguenza, il metallo che ha perso elettroni sarà caricato di elettricità positiva e l'ambiente circostante di elettricità negativa.

4. Se si saldano le estremità di due fili diversi, ad esempio bismuto e rame, e si riscalda la loro giunzione, gli elettroni liberi passeranno parzialmente dal filo di rame al bismuto. Di conseguenza, il filo di rame verrà caricato con elettricità positiva, mentre il filo di bismuto verrà caricato con elettricità negativa. Il fenomeno dell'elettrificazione di due corpi fisici quando assorbono energia termica utilizzato nelle termocoppie.

I fenomeni associati all'interazione di corpi elettrizzati sono chiamati fenomeni elettrici.

L'interazione tra corpi elettrificati è determinata dal cosiddetto Forze elettriche che differiscono dalle forze di altra natura in quanto fanno sì che i corpi carichi si respingano e si attraggano a vicenda, indipendentemente dalla velocità del loro movimento.

In questo modo l'interazione tra corpi carichi si differenzia, ad esempio, da quella gravitazionale, che è caratterizzata solo dall'attrazione dei corpi, o dalle forze di origine magnetica, che dipendono dalla velocità relativa di movimento delle cariche, provocando magneti fenomeni.

L'ingegneria elettrica studia principalmente le leggi della manifestazione esterna delle proprietà dei corpi elettrificati: le leggi dei campi elettromagnetici.

Speriamo che questo breve articolo ti abbia dato un'idea generale di cosa sia l'elettrificazione dei corpi, e ora sai come verificare sperimentalmente la legge di conservazione della carica elettrica usando un semplice esperimento.