Почему электрическое поле действует на незаряженные предметы?
Мы начали эту главу с рассказа о свойстве натертого янтаря притягивать мелкие предметы. Выясним теперь: почему наэлектризованный янтарь притягивает незаряженные легкие предметы?
Дело в том, что электрическое поле вокруг заряженных тел неоднородно: чем ближе к заряженному телу, тем больше напряженность поля.
Когда незаряженный предмет вносят в электрическое поле, на поверхности предмета появляются связанные заряды противоположных знаков. В результате на разные части предмета со стороны поля будут действовать противоположно направленные силы (рис. 4.7). И в неоднородном поле «побеждает» та сила, которая действует на заряды, находящиеся в более сильном поле, то есть ближе к заряженному телу. Поэтому незаряженное тело притягивается к заряженному.
Теперь становится понятным, почему отталкивание заряженных тел заметили только через две тысячи лет после того, как обнаружили притяжение, обусловленное электрическим взаимодействием. Ведь тела притягиваются, если заряжено только одно из них, причем зарядом любого знака, а отталкиваются лишь тогда, когда заряжены оба тела, причем обязательно одноименно.
Смотрите также похожие статьи.
- Вихревое электрическое поле
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - 1. Магнитное поле
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Главное в главе 4. Электромагнитное поле
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Возникновение индукционного тока в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Почему между проводниками с током есть только магнитное взаимодействие?
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Вопросы и задания к параграфу § 4. Проводники и диэлектрики в электростатическом поле
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Проводники в электростатическом поле
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Втягивание диэлектрика в область более сильного поля
Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика - Почему скрипки и гитары имеют продолговатую форму?
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Механические колебания и волны - Почему поезд трогается с места плавно?
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Законы сохранения в механике - Почему при ударе возникают большие силы?
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Законы сохранения в механике - Как может двигаться тело, если на него действует только сила тяжести?
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Динамика - Почему мы не ощущаем движения Земли?
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Динамика - Почему движение молекул никогда не прекращается?
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика - Почему скрипки и гитары имеют продолговатую форму?
Учебник по Физике для 10 класса -> Механика - Почему мы не ощущаем движения Земли?
Учебник по Физике для 10 класса -> Механика - Решение к задаче 3. Поворот автомобиля на горизонтальной дороге.
Учебник по Физике для 10 класса -> Механика - Как может двигаться тело, если на него действует только сила тяжести?
Учебник по Физике для 10 класса -> Механика - 2. «Ультрафиолетовая катастрофа»
Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика - Сколько цветов на экране телевизора и дисплее компьютера?
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Как направлены электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне?
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - 1. Теория Максвелла
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Как правило Ленца может «победить» силу тяжести
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Возникновение индукционного тока при движении контура в магнитном поле
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Сила Лоренца
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Электрическое сопротивление металлов
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Электрическое сопротивление электролитов
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Главное в главе 1. Электрические взаимодействия
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - 4. Отчего бывают грозы?
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - 1. Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - 2. Диэлектрики
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Поле равномерно заряженной плоскости
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - 2. Электрическое поле
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Почему так редко проявляется электрическое взаимодействие заряженных тел?
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Два знака электрических зарядов
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика - Электрические заряды в грозовом облаке и поверхностном слое Земли
Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика - Электрическое поле вблизи поверхности Земли в ясную погоду
Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика - Эквипотенциальные поверхности в поле точечного заряда
Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика - Эквипотенциальные поверхности в однородном электростатическом поле
Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика - Перемещение пробного заряда в поле точечного заряда, при котором работа поля равна нулю
Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика - Перемещение заряда в однородном поле, при котором работа поля равна нулю
Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика - Поле двух разноименно заряженных пластин
Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика - Поле однородно заряженной плоскости (отрицательный заряд)
Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика - Поле однородно заряженной плоскости (положительный заряд)
Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика - Поле равномерно заряженной сферы
Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика - Почему небо голубое, а Солнце — желтоватое?
Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика - Почему мыльные пузыри кажутся разноцветными?
Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика - Вихревое электрическое поле
Интересное о физике -> Энциклопедия по физике - Электрическое сопротивление металлов
Интересное о физике -> Энциклопедия по физике - Электрическое сопротивление электролитов
Интересное о физике -> Энциклопедия по физике - АМПЕР АНДРЕ-МАРИ (1775 — 1836)
Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике - НЬЮТОН ИСААК
Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике - Отдача пушки
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Законы сохранения в механике - Груз и тележка
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Законы сохранения в механике - Перетягивание каната
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Законы сохранения в механике - Столкновение одинаковых шаров
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Законы сохранения в механике - Закон сохранения импульса
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Законы сохранения в механике - Сила сопротивления в жидкостях и газах
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Динамика - Состояние невесомости
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Динамика - Вес покоящегося тела
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Динамика - Движение по параболе (вблизи поверхности Земли)
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Динамика - Прямолинейное движение
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Динамика - Как был открыт закон всемирного тяготения?
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Динамика - Что удерживает планеты на их орбитах?
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Динамика
Электродинамика
Copyright © 2013-2024 Физика Класс. FizikaKlass.ru. Сайт, посвященный науке физике. Статьи, иллюстрации, вопросы и ответы по физике. Рассказы об ученых физики, а также большая физическая энциклопедия.
Электризация тел. Взаимодействие электрических зарядов
В этом видеоуроке мы вспомним, что называют электризацией тел. Поговорим об электрическом заряде и его видах. Выясним, как взаимодействуют друг с другом заряженные тела. А также сформулируем закон сохранения электрического заряда.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.
Получите невероятные возможности
1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.
2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.
3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ
Конспект урока «Электризация тел. Взаимодействие электрических зарядов»
Электричество, электрический ток электрической энергии. Эти слова знакомы сейчас каждому. Сегодня трудно и даже невозможно представить нашу жизнь без электричества. Мы почти автоматически нажимаем кнопки выключателей и включаем самые разнообразные приборы и технические устройства, делающие нашу жизнь комфортной. Электролампы освещают наши квартиры и улицы. Компьютеры, радиоприёмники, телевизоры и телефоны — все эти устройства используют электричество. Но с электричеством связана не только работа современных приборов и технических устройств. Оно играет гораздо более важную роль. Электрические силы взаимодействия атомов и молекул ответственны за обмен веществ в человеческом организме. Но что такое электричество и какова его природа? Чтобы ответить на эти вопросы вспомним сначала происхождение термина электричество.
Ещё в VII в. до н. э. учёные Древней Греции установили тот факт, что после натирания шерстью янтарных предметов к ним притягиваются лёгкие тела.
В конце XVI столетия английский учёный Уильям Гильберт обнаружил, что свойством притягивать лёгкие предметы обладает не только янтарь, но и многие другие тела, предварительно натёртые кожей или другими мягкими материалами. Это явление он назвал электризацией (так как янтарь по-гречески звучит как, электрон). А тела, которые в результате трения приобретают свойство притягивать к себе другие тела, стали называть наэлектризованными или заряженными. В этом случае говорят, что телам сообщён электрический заряд.
В XVIII веке были установлены два важных свойства электризации. Во-первых, при трении электризуются оба тела (янтарь и шерсть, стеклянная палочка и бумага). Но само трение малосущественно: оно лишь увеличивает площадь соприкосновения тел.
Сказанное мы можем проверить на опыте. Потрём друг о друга чистые и сухие резиновую и стеклянную палочки. А теперь поочерёдно поднесём их к лёгкой станиолевой гильзе. Как видим, обе палочки притягивают её к себе. Значит, электрические заряды при трении появились у обоих тел.
Во-вторых, появляющиеся на телах заряды принципиально отличаются друг от друга. Докажем это на опыте. Для начала потрём стеклянную палочку о кусочек шёлка. А теперь дотронемся этой палочкой до станиолевой гильзы. Гильза оттолкнётся от палочки, отклонится на некоторый угол и останется в этом положении.
То же самое произойдёт, если повторить опыт, но вместо стеклянной палочки использовать эбонитовую, предварительно потёртую о шерсть. А если мы сейчас поднесём две наших заряженных гильзы друг к другу, то они сразу же притянутся.
Повторим эксперимент, но теперь зарядим гильзы одной и той же палочкой (всё равно какой). Вновь поднесём гильзы друг к другу. Как видим, теперь гильзы отталкиваются.
Таким образом, наэлектризованные или заряженные тела взаимодействуют между собой. Причём характер их взаимодействия может быть разным: они либо притягиваются, либо отталкиваются друг от друга, взаимодействуя при этом сильнее или слабее.
Ещё в 1729 году французский учёный Шарль Франсуа Дюфе проведя похожие эксперименты установил, что в природе существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным» соответственно.
В 1747 году американский учёный Бенджамин Франклин ввёл понятие положительного и отрицательного заряда, соответственно заряда, приобретённого стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, и заряда, полученного на янтаре, потёртым о мех.
Подобно тому, как масса определяет интенсивность гравитационного взаимодействия, электрический заряд является количественной мерой способности тел к электромагнитным взаимодействиям.
Итак, мы уже выяснили, что электрическое взаимодействие проявляется в том, что одноимённо заряженные тела (или частицы) отталкивают друг друга, а разноимённо — притягиваются. На этом явлении основан принцип действия простейшего прибора, при помощи которого выясняют, наэлектризовано тело или нет — электроскопа.
Напомним, что электроскоп состоит из металлического стержня, к концу которого прикреплены две тонкие бумажные полоски. Стержень с бумажными листочками вставляется в металлическую оправу, застеклённую с обеих сторон. Чтобы стержень не касался оправы, его пропускают через пластмассовую пробку. Если дотронуться заряженным телом до стержня электроскопа, то бумажные листочки оттолкнутся друг от друга. При этом чем более наэлектризовано тело, тем на больший угол они разойдутся. Значит, по изменению угла, на который расходятся листочки электроскопа, можно судить о степени наэлектризованности тела.
Более точным прибором для обнаружения заряда является электрометр. Сообщённый шарику, а через него стержню и стрелке заряд (любого знака) вызывает отталкивание стрелки от заряженного стержня. Нижний конец стрелки перемещается при этом по шкале. А металлический корпус позволяет использовать прибор и для более сложных измерений. Например, при помощи электрометра можно доказать, что при электризации трением оба тела, приобретают равные по модулю, но противоположные по знаку заряды. Покажем это.
Возьмём электрометр, на стержень которого надет полый металлический шар, и две пластинки — эбонитовую и плексигласовую. Наэлектризуем последние трением друг о друга.
Теперь внесём одну из них внутрь полого шара электрометра и убедимся, что он зарядился.
Снимем заряд с электрометра, прикоснувшись к нему рукой, и внесём внутрь шара вторую пластинку. Не трудно заметить, что стрелка электрометра отклонилась на такой же угол, что и в прошлый раз. Это убеждает нас в том, что каждая из пластинок действительно заряжается при трении друг о друга.
А теперь внесём внутрь шара одновременно обе заряженные пластинки. Как видим, электрометр не обнаруживает заряда — его стрелка не отклоняется.
Данный опыт позволяет нам ещё раз убедиться не только в том, что при электризации тела приобретают заряды противоположных знаков, но и в том, что эти заряды равны по модулю. Именно поэтому стрелка электрометра при внесении внутрь шара двух потёртых друг о друга пластин остаётся на нуле. Иначе говоря, алгебраическая сумма зарядов обеих пластинок и до, и после электризации равна нулю.
Мы уже знаем, что заряженное тело притягивает к себе другое заряженное тело, если их заряды разноимённые. Но почему к заряженному телу притягиваются незаряженные тела?
Первым почти верное объяснение данным явлениям дал Бенджамин Франклин. Так вот, он считал, что в любом незаряженном теле положительное и отрицательное электричество присутствуют всегда, но в равных количествах, так что имеет место их компенсация.
Подтвердим предположение Франклина, проведя такой опыт. Поднесём к шарику незаряженного электроскопа, не касаясь его, наэлектризованную палочку.
Электроскоп фиксирует появление на листочках заряда. Уберём палочку — листочки спадают. Значит, заряд от палочки к листочкам электроскопа не перешёл через воздух, а появился под влиянием заряженной палочки. Зная, что заряд может перемещаться в теле, мы можем объяснить произошедшее.
Итак, в любом незаряженном теле всегда имеются равные количества зарядов противоположных знаков, равномерно распределённых по всему телу (именно поэтому тело в целом является электрически нейтральным). Заряд же на поднесённой к электроскопу палочке притягивает к себе разноимённый и отталкивает одноимённый заряд на стержне и листочках электроскопа, что и объясняет появление заряда на листочках.
Это можно подтвердить более и наглядным опытом. Поднесём наэлектризованную палочку к одному из двух незаряженных электроскопов, соединённых медным стержнем. Как видим, оба прибора фиксируют появление заряда. Это объясняется тем, что два электроскопа и медный стержень образуют сейчас один большой проводник. На ближайшей его части распределён разноимённый заряд, а на дальней — одноименный. Отодвинем палочку — листочки электроскопов возвращаются в начальное положение. Теперь при поднесённой палочке уберём соединительную перемычку — оба прибора останутся заряженными. В том, что это равные разноимённые заряды, можно убедиться, вернув назад перемычку, соединяющую приборы — листочки в обоих приборах опадают.
Перераспределение зарядов в теле, вызываемое воздействием другого заряженного тела, называется электризацией через влияние или электростатической индукцией. С электризацией через влияние мы сталкиваемся достаточно часто. Например, следствием этого явления является молния (или грозовой разряд).
Экспериментальным путём было установлено, что распределение заряда зависит от размеров взаимодействующих тел. Например, если заряд передают от заряженного шара незаряженному шару точно такого же размера, то заряд разделится пополам. Однако, если незаряженный шар больше, то на него перейдёт больше половины заряда. Поэтому, чем больше тело, которому передают заряд, тем большая часть заряда на него перейдёт. Именно на этом факте основано заземление, то есть электрическое соединение предмета из проводящего материала с Землёй.
Теперь можно сформулировать закон сохранения электрического заряда, в основу которого легла гипотеза Бенджамина Франклина, выдвинутая им в 1747 году, и подтверждённая в 1843 году Майклом Фарадеем: в электрически изолированной системе тел алгебраическая сумма зарядов всех тел остаётся постоянной:
Обратите внимание на то, что выполняется закон сохранения заряда только для электрически изолированных систем, которые не обменивается электрически заряженными частицами с внешними телами.
А теперь давайте проведём с вами такой опыт. Возьмём заряженный электрометр и с помощью медного стержня соединим его с точно таким же электрометром, только незаряженным. Как видим практически половина заряда перешла с первого электрометра на второй. Теперь разрядим второй электрометр, коснувшись рукой и вновь присоединим его к первому, на котором осталась половина первоначального заряда.
Отклонившиеся, но уже на меньший угол, стрелки опять показывают присутствие заряда на обоих приборах. Только на каждом из них теперь лишь по четверти первоначального заряда. Очевидно, что, продолжая подобное деление, можно получить одну восьмую, одну шестнадцатую и так далее части начального заряда. Из истории физики известно, что уже более ста лет назад учёные умели делить заряд. Но самым важным для них было выяснить: существует ли в природе наименьший заряд, то есть такой, который разделить уже невозможно?
Опыты, позволившие найти «наименьшую порцию электричества», то есть элементарный заряд, были проведены одновременно в 1910—1913 годах американцем Робертом Милликеном и российским физиком Абрамом Фёдоровичем Иоффе.
В их опытах заряженная очень малая капелька масла (в опытах Милликена) и пылинка цинка (в опытах Иоффе) «зависала» между заряженными пластинами. Электрическая сила, компенсирующая силу тяжести, зависела от заряда капельки или пылинки, что позволило учёным судить о значении этого заряда. В обоих опытах были получены одинаковые результаты: заряд не мог принимать любое значение и всегда был кратен одному и тому же числу — заряду электрона. Так как этот заряд дальше уже не делился, то его и назвали элементарным зарядом, модуль которого равен модулю заряда электрона.
|е| = 1,6 · 10 –19 Кл.
Таким образом, любой электрический заряд дискретен, то есть он может быть больше заряда электрона только в целое число раз:
q = е (Nр – Nе) = Ne.
Электрическое поле и ток
Говоря о статическом электричестве – то есть о неподвижном, накопленном электрическом заряде нужно отметить, что этот заряд может перемещаться. Именно в результате его перемещения происходят разряды молний и разряд лейденской банки, если соединить проводником её обкладки.
С перемещением электрического заряда мы сталкиваемся много раз в день. Статическое электричество тоже бывает полезным. Но чтобы работали многочисленные электрические приборы, необходим электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц, и соответственно, электрического заряда. Обратите внимание, что ключевое слово в этом определении – упорядоченное. Что заставляет заряженные частицы соблюдать порядок и дружно двигаться в нужную нам сторону?
Известно, что электрические заряды взаимодействуют друг с другом – притягиваются и отталкиваются. При этом они «ощущают» чужой заряд, находясь на некотором расстоянии друг от друга (вспомни опыты Кулона). Почему так происходит? Может быть, им помогает взаимодействовать воздух, находящийся между ними? Нет! Заряженные предметы ведут себя точно так же даже в вакууме: в сосуде, из которого полностью откачан воздух, или в космическом пространстве. Каким же образом они воздействуют друг на друга?
Ответ на этот вопрос был получен в XIX веке. Английские физики Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл выяснили, что пространство, окружающее заряженное тело, отличается от пространства, в котором находятся незаряженные тела. Прийти к этому пониманию учёным помогли математические расчёты и построения.
В пространстве, где находится электрический заряд, существует электрическое поле – особый вид материи, отличающийся от вещества и передающий взаимодействие на расстоянии. Электрическое поле существует вокруг любых заряженных тел. С его помощью и осуществляется электрическое взаимодействие.
Электрическое поле невозможно увидеть; о его существовании можно судить лишь по его действию. Это действие можно обнаружить, если поместить в пространство, где существует поле, какое-либо тело.
Итак, для того чтобы в проводнике возник электрический ток, нужны определённые условия: наличие свободных заряженных частиц и наличие электрического поля.
Однако перемещение зарядов начнётся (ток «потечёт») только в том случае, если им есть куда двигаться; в противном случае электрическая энергия будет лишь накапливаться в качестве статической. Поэтому для того, чтобы холодильник, компьютер или любой другой прибор заработал, нужно создать электрическую цепь – замкнутый путь, по которому ток будет двигаться, попадая в нужное устройство и передавая ему свою энергию.
Самая простая электрическая цепь состоит из:
• источника электрической энергии (батарейка, аккумулятор, электростанция, с которой мы соединяемся через розетку в стене);
• потребителя электроэнергии (лампа, электродвигатель, электробытовой прибор и т.д.);
• замыкающего и размыкающего устройства (выключатель, кнопка, рубильник);
Электрическое поле в цепи создаётся источником электроэнергии, или, правильнее сказать, источником питания. Внутри этого источника происходит превращение в электричество других видов энергии: химической, механической, тепловой, световой и т.д.
Заряженные частицы накапливаются
на полюсах источника питания (на двух Атом его противоположных контактах); при этом один из полюсов заряжается положительно, а другой – отрицательно. В результате между полюсами образуется электрическое поле. Если соединить полюса проводником, то поле появится и в нём. Под действием электрического поля, создаваемого источником питания, свободные электрические заряды в проводнике начинают упорядоченное перемещение – и в проводнике возникает электрический ток. Носителем электрического заряда в твёрдых проводниках являются отрицательно заряженные электроны. В жидкостях, химический состав которых позволяет им проводить электрический ток (такие жидкости называются электролитами), переносят заряд также ионы – как положительно, так и отрицательно заряженные. В небольших электрических приборах и устройствах в качестве источников питания чаще всего используются батарейки.
Батарейка – это компактный (небольшого размера) источник питания, вырабатывающий электрическую энергию путём химической реакции.
Давайте разберёмся, как устроена батарейка. Внутри неё содержатся химические вещества
(реагенты), при взаимодействии которых высвобождается энергия химических связей, а также два электрода. Химические вещества разделяются специальной прокладкой, которая не даёт им перемешиваться. Но она пропускает заряженные частицы, которые в этих веществах образуются. Между твёрдыми реагентами и жидкими электролитами происходят химические реакции, в результате которых молекулы электролита распадаются на ионы – положительные и отрицательные. В зависимости от заряда эти ионы перемещаются к разным электродам и оседают на них; поэтому на одном из электродов образуется положительный заряд, а на другом – отрицательный. Прокладка, расположенная между ними, не позволяет зарядам нейтрализоваться.
Для подключения батарейки к электрической цепи к её полюсам через устройства-токоприёмники присоединяют провода.
Фонарики, плейеры, диктофоны, некоторые фотоаппараты, кварцевые часы, «говорящие» и движущиеся детские игрушки и многие другие устройства работают на батарейках, которые подключаются к электрической цепи, смонтированной внутри каждого из этих приборов.
Пока цепь замкнута и в батарейке продолжается химическая реакция, электрический ток продолжает поступать в устройство, и оно работает. Когда одно из веществ в батарейке оказывается израсходованным, она больше не может разделять заряды, и ток в цепи исчезает. Тогда мы говорим, что батарейка «села» и её нужно заменить новой.
Существуют и другие химические источники питания, которые можно использовать не один, а много раз. Они называются аккумуляторы. Химические вещества внутри них подобраны особым образом: реакция между ними является обратимой. Это означает, что новые вещества, получившиеся в результате реакции, способны снова превратиться в первоначальные. Но если в ходе основной реакции возникал (генерировался) электрический ток, то для обратной реакции нужно, наоборот, пропустить ток через источник питания – причём в обратном направлении. Через некоторое время аккумулятор снова готов к работе.
На аккумуляторах работают мобильные телефоны. Время от времени их заряжают, подключая к розетке, а затем несколько дней пользуются тем, что накопленная аккумулятором химическая энергия снова постепенно преобразуется в электрическую. Существуют и аккумуляторы, заменяющие батарейки и имеющие их форму. В отличие от обычных батареек, их можно заряжать и снова вставлять в приборы.
Аккумуляторы большего размера используются в автомобилях. Их подзарядка происходит во время движения машины: на это тратится небольшая часть её механической энергии. Производимое автомобильным аккумулятором электричество используется для того, чтобы завести машину, для работы двигателя внутреннего сгорания, для освещения салона и других целей.
Но чаще всего энергия, которой мы пользуемся дома и на работе, вырабатывается на электростанциях. Получаем мы её, включая электроприбор в розетку. Электрическая цепь, источником тока в которой является электростанция, очень сложна. Она включает множество различных устройств.
Электрический ток есть только в замкнутой цепи. Если цепь разрывается, движение заряженных частиц и, соответственно, перемещение электрических зарядов прекращается. Обычно в цепь встраивается выключатель – устройство, позволяющее замкнуть или разомкнуть её в любое время. Практически во всех электроприборах есть выключатели, позволяющие контролировать поток электрических зарядов.
#электричество #электрическийзаряд #электрическийток #батарейка
2. Силы, действующие на частицы в электрическом поле.
Разделение минеральных продуктов при электрическом обогащении осуществляется в электрических сепараторах (далее – электросепараторы), в рабочей зоне которых имеется электрическое поле.
Электрическое поле — пространство, в котором проявляют себя электрические силы, действующие на тело, имеющее заряд.
Электрическое поле характеризуется рядом параметров:
1) величиной напряженности поля, характером ее распределения и направлением вектора напряженности;
2) средой, в которой создается поле: вакуум, газообразный, жидкий или твердый диэлектрик (в электросепараторах используется электрическое поле в воздухе, т.е. в газообразном диэлектрике, реже — поле в жидком диэлектрике);
3) способом сообщения минеральным частицам заряда:
— поле коронного разряда;
В электросепараторах используются поля всех трех видов.
В электрическом поле на частицу действуют следующие силы:
— сила, обусловленная зарядом частицы (электрическая сила);
— сила, определяемая разницей в диэлектрической проницаемости частицы и среды, в которой происходит разделение (в неоднородном поле).
Разделение минерального сырья в воздушной среде при помощи только этой силы не представляется возможным. Для этого диэлектрические проницаемости частиц должны отличаться на несколько порядков, а разница в массе частиц не должна превышать 10%. Разделение минералов на основании разности в их диэлектрической проницаемости (т.е. различной степени поляризации) возможно только в среде жидкого диэлектрика.
Перемещение частиц, вызванное вышеперечисленными силами, приводит к общему уменьшению свободной энергии.
В рабочей зоне электрического сепаратора на разделяемые частицы кроме электрической силы действует ряд механических сил. Траектория частицы в рабочей зоне сепаратора определяется соотношением электрической силы и суммой механических сил:
— силы тяжести или ее составляющей;
— центробежной силой при движении частицы по криволинейной траектории.
Для тонких, шламистых частиц (крупностью меньше 20-30 микрон) также весьма существенно влияние сил адгезии между ними и электродом, на котором они находятся и сил молекулярного сцепления между частицами, приводящее к образованию флокул.
В диэлектрических сепараторах играет заметную роль сопротивление среды.
Таким образом, процесс электрического обогащения возможен при условии Fэл ≥ F’мех. Например, при движении частиц по криволинейной траектории
Fэл [H/кг] ≥ (v 2 /R – g*cos ά), где: (2.1.1)
v – окружная скорость вращения осадительного электрода [м/сек],
R – радиус осадительного электрода, [м 2 ],
g*cos ά — нормальная составляющая силы тяжести частицы, [м/сек 2 ].
Представим, что в неоднородное электрическое поле (рис. 2.1.1) помещены:
а) частица 1, имеющая отрицательный заряд;
б) частица 2, имеющая положительный заряд;
в) незаряженная частица 3, имеющая величину диэлектрической проницаемости больше диэлектрической проницаемости среды;
г) незаряженная частица 4, имеющая величину диэлектрической проницаемости меньше диэлектрической проницаемости среды;
д) электрический диполь 5, т.е. совокупность двух равных по величине и противоположных по знаку зарядов, расположенных на относительно малом расстоянии друг от друга.
— напряженность поля — Е
— диэлектрическая проницаемость среды между электродами – ε;
— диэлектрическая проницаемость частицы 3 — ε1;
— диэлектрическая проницаемость частиц 4 — ε2.
Примем, что ε1 > ε > ε2.
Рис. 2.1.1. Электрические силы, действующие в электрическом поле на частицы с различной диэлектрической проницаемостью или с зарядами разного знака.
На левом рисунке вектор gradH направлен в сторону увеличения напряженности поля, т.е. в сторону уменьшения расстояния между электродами (сверху вниз).
На частицы 1 и 2 будет действовать сила F1, определяемая зарядом частицы q и напряженностью электрического поля E.
F1 = q*E (2.1.2)
Эта сила направлена параллельно вектору напряженности E.
Известно, что величина максимального заряда шарообразной проводящей частицы, помещенной в поле напряженностью Е, может быть определена по формуле
q = 4π ε’ε0* r 2 E, где: (2.1.3)
r — радиус частицы, [м];
Е — напряженность электрического поля [В/м];
ε0 = 8,85*10 -12 [Ф/м] — диэлектрическая проницаемость вакуума;
ε’ — относительная диэлектрическая проницаемость [безразмерная].
Тогда F1 = 4πε’ε0 *r 2 E 2 (2.1.4)
Сила F1 действует как в однородном, так и в неоднородном поле и определяется размером частицы и напряженностью электрического поля, в котором находится частица.
Незаряженные частицы (3) с диэлектрической проницаемостью большей, чем диэлектрическая проницаемость среды, будут втягиваться полем и двигаться из места с меньшей напряженностью в участок поля с большей напряженностью. Незаряженные частицы (4) с диэлектрической проницаемостью меньшей, чем диэлектрическая проницаемость среды, будут выталкиваться полем и двигаться из места с большей напряженностью в участок поля с меньшей напряженностью. Движение частиц (3) и (4) будет происходить параллельно вектору градиента напряженности поля grad E.
Электрические диполи (5) ведут себя, как частицы с очень большой диэлектрической проницаемостью и двигаются в сторону возрастания напряженности поля.
В неоднородном электрическом поле на частицу с относительной диэлектрической проницаемостью ε1 действует электрическая сила F2:
F2 = ε’ε0 *(ε1’ — ε’)*r 3* E*gradE/(ε1’ + 2ε’) где: (2.1.5)
r — радиус частицы, [м];
Е — напряженность электрического поля [В/м];
grad E – градиент напряженности (производная напряженности в направлении ее максимального изменения) [В/м 2 ];
ε0 = 8,85*10 -12 [Ф/м] — диэлектрическая проницаемость вакуума;
ε’ — относительная диэлектрическая проницаемость среды. Для воздуха ε’=1.
Тогда F2 = ε0 *(ε1’ — 1)*r 3* E*gradE/(ε1’ + 2) (2.1.6)
В однородном поле grad E = 0, следовательно F2, = 0, так как эта сила определяется разностью диэлектрических проницаемостей частицы и среды.
Электрическое обогащение, в отличие от магнитного обогащения, может осуществляться как в однородном, так и в неоднородном поле, так как сила F1 (как следует из выражения (2.3)) не равна нулю в однородном поле,.
Величина градиента напряженности зависит от напряженности электрического поля и формы электродов, между которыми создается поле. Для того, чтобы получить зависимость силы F2 только от напряженности поля, вводится понятие коэффициента неоднородности поля:
с = gradE/E (2.1.7)
Физически этот коэффициент неоднородности поля, зависящий только от формы электродов, представляет собой градиент, приходящийся на единицу напряженности поля, и имеет в системе СИ размерность [м -1 ]. Подставив вместо градиента E его значение, получим, что в воздухе сила F2 равна
F2 = ε0 *(ε1’ — 1)*r 3* сE 2 /(ε1’ + 2) (2.1.8)
Таким образом, в электрическом поле на заряженную частицу будут действовать силы F1 и F2.
Если частица после выхода из электрического поля сохраняет остаточный заряд qост и находится на электроде или вблизи него, она индуцирует на противолежащей поверхности электрода заряд, равный по величине, но противоположный по знаку. Сила взаимодействия этих зарядов получила название силы зеркального отображения, она направлена к электроду и способствует удержанию частиц электродом. Эта сила определяется законом Кулона, и в воздухе она составит
Fост = qост 2 / (4 π ε0 *r 2 ) где: (2.1.9)
qост — остаточный заряд частицы [Кл];
r — расстояние между зарядами [м].
Как было указано выше, действующие на частицу электрические силы определяются характером поля.
Сила F1 действует как в однородном, так и в неоднородном поле постоянной полярности, и только в электрическом поле переменной полярности действие силы нивелируется из-за инерции частицы. Это явление может использоваться в процессах диэлектрической сепарации (в этом случае к электродам прикладывается переменный ток высокого напряжения).
Действие силы F2 не зависит от направления вектора напряженности, т.к. с изменением направления вектора напряженности (в переменном электрическом поле) изменяется характер поляризации, величиной которой и определяется значение силы.
Сила Fост имеет место в любом электрическом сепараторе.