Статическое электричество

Несколько веков назад было обнаружено, что определенные типы материалов, если их потереть друг о друга, загадочным образом начинают притягиваться. Например, если потереть кусок шелка об кусок стекла, то они "прилипнут" друг к другу. Возникает сила притяжения, которая демонстрируется даже при попытке разъединения этих предметов:

Из всех известных материалов подобным образом ведут себя не только стекло и шелк. Любой, кто когда-либо щеткой натирал латексный воздушный шар, мог наблюдать что он прилипает к щетке. Воск и шерстяная ткань являются еще одной парой материалов ранних экспериментаторов, обладающих аналогичными свойствами:

Это явление стало еще интереснее, когда было обнаружено, что одинаковые материалы, будучи натертыми соответствующими тканями, отталкивались друг от друга:

Было также отмечено, что стеклянная палочка, натертая шелком и поднесенная к воску, натертому шерстью, притянулась к нему:

Кроме того было установлено, что любые материалы демонстрирующие свойства притяжения или отталкивания после натирания, могут быть отнесены к одной из двух категорий: притягивающиеся к стеклу и отталкивающиеся от воска, или отталкивающиеся от стекла и притягивающиеся к воску. Не было найдено такого материала, который бы одинаково взаимодействовал и со стеклом и с воском, или реагировал бы на один, не реагируя на другой.

Внимание также было уделено и частям ткани, используемым для натирания. Было обнаружено, что после натирания двух стеклянных палочек  двумя кусками шелковой ткани, не только палочки отталкивались друг от друга, но и ткани - тоже. Аналогичное явление, произошло в случае с шерстью и воском:    

Все эти явления были действительно странными для наблюдателей. В конце концов ни один из этих материалов не был явно изменен при натирании, и все же они определенно вели себя по-другому, чем до того, как были натерты. Изменения, заставляющие материалы притягиваться или отталкиваться, были невидимы. 

Некоторые экспериментаторы предположили, что невидимые "флюиды" передавались от одного объекта к другому в процессе натирания, и что эти "флюиды" применяли физическую силу на расстоянии. Шарль Дюфе был одним из первых экспериментаторов, который предположил, что существует два различных типа изменений, вызванных, натиранием некоторых пар материалов друг о дуга. Факт существования этих двух типов изменений, подтверждался возникновением двух видов сил: притяжения и отталкивания. Гипотетическая передача "флюид" стала известна как заряд.

Один исследователь, по имени Бенджамин Франклин, пришел к выводу, что существует только одна флюида, которой обмениваются натертые объекты, и что два различных "заряда" -  ни что иное как избыток или недостаток этой флюиды. После экспериментов с воском и шерстью, Франклин предположил, что грубая шерсть удалила часть этой невидимой флюиды с гладкого воска, тем самым вызвав избыток её на шерсти и недостаток на воске. В результате получившегося дисбаланса в  содержании флюиды на шерсти и на воске,  возникла сила притяжения, так как флюида попыталась восстановить свой прежний баланс между этими двумя материалами.

Постулат существования одной "флюиды", которая была или получена или отдана посредством натирания, считается наиболее правильным для наблюдаемого поведения: все материалы попадают в одну из двух категорий, и что наиболее важно, два активных материала, потертых друг о друга всегда попадают в разные категории, о чем свидетельствует их притягивание друг к другу. Другими словами, не было случая, когда оба материала потертые друг о друга, стали или положительными или отрицательными.

Франклин сделал предположение, что шерсть при натирании воска что-то с него стирает, поэтому тип заряда, связанный с потертым воском, стал известен как "отрицательный" (потому что у него, как предполагалось, был недостаток флюиды), а тип заряда, связанный с шерстью, стал известен как "положительный" (потому что у него, как предполагалось, был избыток флюиды). Он не знал, что в будущем, его невинная гипотеза вызовет большую путаницу у студентов электронщиков!

Точные измерения электрического заряда были произведены французским физиком Шарлем Кулоном в 1780-ых годах, при помощи устройства (получившего название крутильных весов), позволяющего измерить силу, возникающую между двумя электрически заряженными объектами. Результаты работы Кулона привели к появлению единицы электрического заряда, названного в его честь - кулоном. Если два "точечных" объекта (гипотетические объекты, не имеющие существенной площади поверхности), одинаково зарядить до величины в 1 кулон, и поместить на 1 метр друг от друга, то они, в зависимости от типов зарядов, создадут силу притяжения или отталкивания равную примерно 9 миллиардам Ньютонов. Практическое значение кулона как единицы электрического заряда (с точки зрения силы, возникающей между точечными зарядами), оказалось равным избытку или недостатку примерно 6,250,000,000,000,000,000 электронов. Или, в обратном пересчете, один электрон имеет заряд примерно в 0.00000000000000000016 кулонов. Учитывая, что один электрон является наименьшим известным носителем электрического заряда, это значение заряда электрона определяется как элементарный заряд.

Гораздо позже было обнаружено, что  "флюиды" на самом деле состоят из очень маленьких частиц материи, названных электронами (название «электрон» происходит от греческого слова ἤλεκτρον, означающего «янтарь»: ещё в древней Греции естествоиспытателями проводились эксперименты — куски янтаря тёрли шерстью, после чего те начинали притягивать к себе мелкие предметы). Эксперименты, проводимые с тех пор, показали, что все объекты состоят из очень маленьких "строительных блоков", известных как атомы, а атомы в свою очередь состоят из еще более мелких компонентов - частиц. Большинство атомов состоит из трёх элементарных частиц - протонов, нейтронов и электронов. Но, существуют атомы, у которых нет нейтронов; примером является изотоп водорода - Протий (₁H¹), который является самой легкой и наиболее распространенной формой водорода, у которого есть только один протон и один электрон. Атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть, но если бы мы всё-таки смогли их рассмотреть, то увидели бы следующую картину:

Несмотря на то, что каждый атом в любом материале существует как единое целое, между его электронами и группой протонов и нейтронов, находящихся в середине, фактически находится много пустого пространства.

На рисунке выше показана упрощенная модель атома углерода, с шестью протонами, шестью нейтронами, и шестью электронами. Протоны и нейтроны в любом атоме очень плотно связаны друг с другом, и это является их важным качеством. Скопление плотно связанных протонов и нейтронов в центре атома называют ядром, а количество протонов в нем определяет идентичность элемента: изменив количество протонов, вы измените тип атома. Например, если бы вы смогли удалить три протона из ядра атома свинца, то осуществили бы мечту алхимиков -  получили атом золота! Сильная связь протонов в ядре отвечает за  идентичность химических элементов, и не позволяет алхимикам осуществить свою мечту.   

Нейтроны намного меньше влияют на химический характер и идентичность атома чем протоны, хотя, из-за сильных связей, их тоже трудно добавить или удалить из ядра. Если нейтроны будут добавлены или удалены, то атом всё равно сохранит свою химическую идентичность, но его масса немного изменится, и он может приобрести такие свойства, как радиоактивность.   

Электроны в атоме имеют значительно больше свободы чем протоны или нейтроны. Для того, чтобы сместить электрон со своей орбиты (или даже удалить из состава атома!) требуется намного меньше энергии, чем её нужно для аналогичной операции с частицами в ядре. Если из атома удалить электрон, то он сохранит свою химическую идентичность, но у него возникнет очень важный дисбаланс. Электроны и протоны уникальны тем, что они притягиваются друг к другу на расстоянии. Именно это свойство вызывает притяжение между потертыми объектами, в которых электроны удаляются с орбит атомов одного объекта, и переходят на орбиты атомов другого объекта.

Электронам, как и протонам, свойственно отталкивать друг дуга на расстоянии. Единственной причиной, по которой протоны связаны в ядре атома, является намного более мощная сила, называемая ядерной, которая имеет эффект только на очень коротких расстояниях. Благодаря силам притяжения/отталкивания, действующим между отдельными частицами, электроны и протоны имеют противоположные электрические заряды. То есть, каждый электрон имеет отрицательный заряд, а каждый протон - положительный заряд. Если в пределах атома количество электронов равно количеству протонов, то они компенсируют друг друга, и суммарный заряд этого атома равен нулю. На рисунке выше, шесть электронов в атоме углерода компенсируют электрический заряд шести протонов, находящихся в его ядре. Если из атома удалить или наоборот  добавить ему часть электронов, то электрический заряд атома будет дисбалансирован, что сделает атом в целом "заряженным", заставляя его взаимодействовать с заряженными частицами и другими заряженными атомами, находящимися поблизости. Нейтроны не притягивают и не отталкивают электроны, протоны, и другие нейтроны, а следовательно не имеют ни какого заряда.

Если определенные комбинации материалов потереть друг о друга, то электроны выбиваются с орбит атомов одного материала, и переходят на орбиты атомов другого материала. Иными словами "флюиды", выдвинутые в гипотезах ранних экспериментаторов - это ни что иное, как электроны.

Результат дисбаланса электронов между объектами называют статическим электричеством. Его называют "статическим", потому что электроны, перемещенные из одного материала в другой, имеют свойство оставаться на новом месте. Путём дальнейших экспериментов с воском и шерстью было установлено, что электроны из атомов шерсти фактически переходят к атомам воска, а это уже противоречило гипотезе Франклина! В честь названия Франклином заряда воска - "отрицательным", а заряда шерсти - "положительным", электронам был присвоен "отрицательный" заряд. Таким образом объект, атомы которого получили излишек электронов, как говорится, отрицательно заряжен, а объект, атомы которого испытывают недостаток в электронах - положительно заряжен (это иногда приводит к путанице). К тому времени, когда был открыт истинный характер электрической "флюиды", система условных обозначений электрического заряда установленная Франклином уже слишком прочно укоренилась,  и остается таковой по сей день.

Майкл Фарадей доказал (1832 год), что статическое электричество аналогично электричеству произведенному батареей или генератором. Статическое электричество, по большей части, является неприятностью. В порох, для предотвращения воспламенения из за статического электричества, добавляют графит. Оно может повредить чувствительной схеме полупроводника. Несколько практических применений статического электричества включают ксерографическую печать, электростатический воздушный фильтр, и генератор высокого напряжения Ван де Граафа.

Краткий обзор:

• Все материалы состоят из крошечных "строительных блоков", известных как атомы.
• Все естественные атомы, за исключением изотопа водорода - протия, содержат частицы, называемые электронами, протонами, и нейтронами.
• Электроны имеют отрицательный (-) электрический заряд.
• Протоны имеют положительный (+) электрический заряд.
• Нейтроны не имеют электрического заряда.
• Электроны могут быть смещены из атомов, гораздо легче чем протоны или нейтроны.
• Количество протонов в ядре атома определяет его идентичность как уникального элемента.

Источник: Lessons In Electric Circuits