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.
Kovy v pevném stavu mají krystalickou strukturu.
Modelem kovu je krystalová mřížka (obr. 1), v jejíchž uzlech částice vykonávají chaotický kmitavý pohyb.
Záporné ionty jsou atomy a molekuly, které k sobě přidaly další elektrony – získaly negativní náboj.
Kladné ionty jsou atomy a molekuly, které ztratily elektrony a získaly kladný náboj.
Kladné ionty se nacházejí v uzlech krystalové mřížky. V prostoru mezi nimi se pohybují volné elektrony (obr. 2).
V neexcitovaném stavu má atom jakékoli látky stejný počet elektronů a protonů, takže jejich celkový náboj je nulový. O atomu se říká, že je elektricky neutrální.
Proces elektrifikace tělesa představuje získávání nebo ztrátu elektronů a iontů tímto tělesem. Jedinými mobilními nosiči náboje v pevných kovech jsou elektrony. Když jsou kovová tělesa elektrifikována, pouze elektrony se přenášejí z jednoho do druhého.
Volný elektron je elektron, který byl oddělen a není připojen k jiným molekulám a atomům, existující jako nezávislá částice.
Elektrický proud v kovech je způsoben přítomností volných mobilních elektronů, jejichž shromažďování se nazývá elektronový plyn.
Látka, ve které se počet kladných nábojů rovná počtu záporných nábojů, se bude nazývat elektricky neutrální.
Ukazuje se, že rychlost elektronů ve vodiči je extrémně nízká, pouze několik milimetrů za sekundu. Proč se tedy světlo rozsvítí ihned po stisknutí spínače? Celá podstata spočívá v tom, že při rozsvícení světla vzniká ve vodiči elektrické pole (jeho rychlost šíření je cca 300 000 km/s), které způsobí
elektrony se pohybují jedním směrem po celé délce vodiče.
Četné experimenty potvrdily, že proud v kovech je způsoben pohybem elektronů, například experiment Mandelstama a Papaleksiho (1916). Účelem experimentu bylo ověřit, zda nosič elektrického proudu, elektron, má hmotnost. Pokud má elektron hmotnost, musí se řídit zákony mechaniky, zejména zákonem setrvačnosti. Pokud je například pohybující se vodič prudce zabrzděn, pak se elektrony budou ještě nějakou dobu setrvačností pohybovat ve stejném směru.
Pro tento test vědci otočili cívkou s procházejícím proudem a pak ji náhle zastavili. Výsledný proudový ráz byl zaznamenán pomocí telefonu.
Kliknutím na proud v telefonech Mandelstam a Papaleksi zjistili, že elektron má hmotnost. Tuto hmotnost ale nemohli změřit. Proto je tato zkušenost velmi kvalitní. Později američtí fyzici Tolman a Stewart pomocí stejné myšlenky rotace cívky změřili hmotnost elektronu. K tomu měřili náboj, který se objeví na jeho svorkách při brzdění cívky.
Elektrický proud může existovat nejen v kovech, ale i v jiných médiích: v polovodičích, plynech a roztocích elektrolytů. Nosiče elektrického náboje se v různých prostředích liší.
V roztocích elektrolytů (solí, kyselin a zásad) jsou tedy nosiči kladné a záporné ionty, v plynech kladné a záporné ionty a také elektrony. V polovodičích jsou nosiči náboje elektrony a díry (díra je vynalezená částice k vysvětlení mechanismu vodivosti; ve skutečnosti je to volný prostor, který nezabírá elektron).
Polovodiče při nízkých teplotách nevedou elektrický proud – jsou to dielektrika. Při vystavení polovodiče světlu, příměsi nečistot nebo zahřátí vznikají volné nosiče náboje, které svým usměrněným pohybem vytvářejí elektrický proud. Z polovodiče se stává vodič.
Vlastnost polovodičů měnit elektrickou vodivost vlivem světla se využívá u fotorezistorů k vytváření alarmů při třídění dílů.
V nouzových situacích umožňují automatické zastavení strojů a dopravníků a předcházejí nehodám.
Navíc, pokud jsou jedinými nositeli proudu záporně nabité částice (například elektrony v kovu), pak je směr proudu opačný než směr pohybu elektronů: pohyb elektronů je znázorněn zelenou šipkou a směr proudu je znázorněn červenou šipkou (obr. 4).
Pomocí této vlastnosti můžete najít místo přerušení fázového vodiče pomocí zařízení, která reagují na změny v elektromagnetickém poli, například indikační šroubovák s fázovým detektorem.
Magnetický účinek proudu se využívá v galvanometrovém zařízení. Za tímto účelem je mezi póly magnetu umístěn lehký rám s závity drátu. Když teče proud, otáčí se a táhne šipku spolu s ním (obr. 5).
Magnetický účinek proudu se projevuje bez ohledu na stav agregace látky. Když je klíč zavřený, můžete pozorovat, jak drát namotaný kolem hřebíku začíná přitahovat malé železné předměty. Tato vlastnost je široce používána ve zvedacích elektromagnetech.
Při průchodu elektrického proudu vodičem se v důsledku srážek volných elektronů s jeho atomy a ionty vodič zahřívá. Tento jev se projevuje v každém zařízení, které má topné těleso: vysoušeč vlasů, kulma, elektrický sporák, topení, pračka, toustovač, elektrická vaflovač atd. A dokonce i vlákno žárovky se proudem zahřeje na jasnou žárovku. Vlivem proudu se drát zahřívá a prověšuje.
Chemické působení proudu se používá k potažení jednoho kovu vrstvou jiného kovu, například při chromování a niklování.
