Электрический заряд — явление, когда два разноименных заряда одинаковой величины взаимно уничтожаются. Если два тела, в значительной мере заряженные противоположным электрическим зарядом, находятся на близком расстоянии друг от друга, то между ними проскакивает искра и слышен короткий треск.
Сила действия электрически заряженного тела на другое, заряд которого принимается за единицу, называется потенциалом. Разница потенциалов — напряжение.
Первые способы получения электрических зарядов и электростатических полей заключались в трении разнородных материалов (меха, шерсти, шелка, кожи и других материалов о стекло, смолы, каучук и др.). Напряжения и заряды при этом были крайне малы. Наведением и накоплением зарядов путем механического переноса удалось несколько повысить получаемые при этом напряжения.
В дальнейшем для получения высоких напряжений были созданы непрерывно действующие машины с вращающимися дисками, основанные на принципе электростатического наведения (индуцировании). Однако эти машины не давали возможности получить большие мощности и нашли применение главным образом как приборы в физических кабинетах учебных заведений.
Электризация тел и электростатическая индукция
Сообщение телу электрических зарядов называется электризацией. Описанный в статье Электризация тел и взаимодействие зарядов процесс образования положительного и отрицательного ионов дает представление о процессе электризации тел: он заключается в переносе электронов от одного тела к другому.
Таким образом, электрическй заряд тела определяется избытком или недостатком в теле электронов. Наэлектризовать тело можно разными способами, из них техническими являются трение, контактирование, наведение, перенос зарядов.
Обратный процесс — восстановление нейтрального состояния тела (нейтрализация) — заключается в сообщении ему недостающего числа электронов или удаление из него избыточного числа их.
При электризации трением, если ни одному из соприкасающихся при этом тел не сообщается извне добавочных зарядов, оба тела заряжаются одинаковым количеством электричества разных знаков. При соединении тел их заряды полностью нейтрализуются.
Таким образом, заряды не создаются и не уничтожаются, а только передаются от одного тела к другому. Это убеждает нас в существовании закона сохранения электрических зарядов, подобно закону сохранения энергии.
Статическое электричество — электрический заряд в состоянии покоя. Оно возникает в результате трения двух непроводников или непроводника и металла (например, приводные ремни электромоторов), но необязательно твердых тел.
Статическое электричество может возникнуть также в результате трения некоторых жидкостей или газов. У людей с очень сухой кожей образуются электрические заряды. При движении (трении волокон о кожу) в ткани возникает значительный статический электрический заряд, ткань прилипает к телу и мешает движениям.
Статическое электричество становится опасным в легковоспламеняющейся и взрывоопасной среде, где одна искра может зажечь всю массу. В таком случае надо своевременно отвести статический заряд в землю или воздух с помощью какого-либо металлического приспособления, электропроводность которого можно поднять увлажнением или облучением.
Электростатическая индукция — возникновение электрических зарядов на проводнике под влиянием других зарядов, находящихся возле проводника (электризация тела на расстоянии).
Под действием внешнего заряда на ближайшем конце проводника индуктируется (возникает) заряд, знак которого противоположен знаку действующего извне заряда, а на дальнем конце проводника — заряд того же знака. При этом оба индуктируемых заряда равны по величине, т. е. индукция вызывает только разделение зарядов на проводнике, но не изменяет общего заряда проводника (т. к. сумма индуктируемых зарядов равна нулю).
Величина индуктируемых зарядов и их расположение определяются из условия, что электростатическое поле внутри проводника должно отсутствовать. Поэтому индуктируемые заряды располагаются так, что создаваемое ими электрическое поле как раз уничтожает внутри проводника то поле, которое создается индуктирующим зарядом.
Пример электростатической индукции: в незаряженном электроскопе оба электрических заряда, положительный и отрицательный, находятся в равных количествах и поэтому электроскоп не наэлектризован.
Если к нему приблизить стеклянную палочку с положительным зарядом, то свободные электроны одновременно притянутся к ней, положительный заряд электроскопа одновременно отталкивается.
Отрицательный заряд концентрируется ближе к стеклянной палочке, связан с ней, тогда как положительный отталкивается и поэтому располагается на обратной стороне электроскопа — он свободен.
Теперь электроскоп наэлектризован. Однако это состояние не является продолжительным. Стоит удалить стеклянную палочку, как разделение заряда на положительный и отрицательный нарушается, нейтральное состояние электроскопа восстанавливается, и его листочки вернутся в исходное положение.
Электроскоп — устройство, с помощью которого можно установить, каким зарядом наэлектризовано тело. Он состоит из металлического стержня с шариком или пластинкой на верхнем конце и двух свободно свисающих металлических листочков в нижней части. Действие электроскопа основано на принципе: одноименно заряженные тела отталкиваются (Смотрите - Принцип действия электроскопа).
Электростатическая индукция — одна из причин возникновения молнии в природе,— самого мощного и опасного проявления атмосферного статического электричества.
Молния — это разряд атмосферного электричества между отдельными частями облака, отдельными облаками, облаком и Землей, от Земли к облаку. Другими словами, молнию можно определить как электрический ток короткой продолжительности, электрическую искру, выравнивающую электрические потенциалы.
35 самых часто задаваемых вопросов о грозе и молнии
Электростатический генератор Ван де Графа
Для научных и технических целей (например, в ядерной физике, радиобиологии, рентгенотерапии, для испытания материалов, дефектоскопии и пр.) необходимы устройства, позволяющие получать напряжения в несколько миллионов вольт.
Такими устройствами являются технически совершенные электростатические генераторы высокого постоянного напряжения. Наиболее известен из них генератор Ван де Граафа, который создал в 1829-м году американский физик Роберт Ван де Грааф (1901 - 1967).
Генератор Ван де Граафа (1933 год) напряжением на 7 мегавольт
Генератор представляет собой металлический полый шар, укрепленный на высокой пустотелой колонне из изолирующего материала. Размеры шара и высота колонны определяются пределом требуемого напряжения генератора (например, у генератора напряжением 5 МВ диаметр шара достигает 5 м). Внутри колонны движется бесконечная лента из изолирующего материала (шелка, резины), которая служит конвейером для передачи зарядов на сферу.
При движении вверх лента проходит в нижней части устройства мимо щетки соединенной с одним полюсом источника постоянного тока напряжением примерно 10000 В (в качестве этого источника может служить соответствующее выпрямительное устройство). В конструкции своих первых электростатических генераторов Ван де Грааф использовал устройство с электронной лампой.
Устройство электростатического генератора Ван де Граафа
С остриев этой щетки заряды стекают на ленту, переносящую их внутрь шара, а через вторую щетку они переходят на внешнюю поверхность шара. Для усиления процесса незаряженной части ленты, движущейся вниз, передаются заряды противоположного знака, с помощью щеток отводимые от заряжаемого шара.
Благодаря электростатической индукции на щетке появляется отрицательный заряд, который путем истечения передается опускающейся части ленты. Этот заряд затем передается щетке и заземленному нижнему шкиву, через которые отводится в землю.
При непрерывном движении ленты заряд шара увеличивается, пока не достигает заданного предельного значения, определяемого диаметром шара и расстоянием от него до другого электрода или до земли.
При непрерывном движении ленты заряд шара увеличивается, пока не достигает заданного предельного значения, определяемого диаметром шара и расстоянием от него до другого электрода или до земли.
Чтобы увеличить напряжение, устанавливают два таких устройства, в которых шары получают заряды противоположных знаков. Так, например, чтобы получить напряжение 10 МВ, применяют два генератора, заряжаемых относительно земли до +5 Мв и -5 МВ и устанавливаемых на таком расстоянии один от другого, чтобы была исключена возможность пробоя при напряжении, меньше заданного.
В настоящее время существует большое количество разнообразных моделей электростатических генераторов, в том числе повторяющих конструкции Ван де Граафа. Они используются как для физических экспериментов, так и в качестве атракциона для развлечений и демонстраций действия статического электричества.
Это интересно: Наногенератор на основе трибоэлектрического эффекта (TENG)