Électrification des corps, interaction des charges

Dans cet article, nous essaierons de présenter une idée assez généralisée de ce qu'est l'électrification des corps, et nous aborderons également la loi de conservation de la charge électrique.

Indépendamment du fait que telle ou telle source d'énergie électrique fonctionne pour le principe, chacun d'eux électrifie des corps physiques, c'est-à-dire la séparation des charges électriques présentes dans la source d'énergie électrique et leur concentration à certains endroits, par exemple, sur les électrodes ou bornes de la source. À la suite de ce processus, un excès de charges négatives (électrons) est obtenu à une borne de la source d'énergie électrique (cathode) et un manque d'électrons à l'autre borne (anode), c'est-à-dire le premier d'entre eux est chargé d'électricité négative et le second d'électricité positive.

Après la découverte de l'électron, la particule élémentaire à charge minimale, après que la structure de l'atome ait finalement été expliquée, la plupart des phénomènes physiques liés à l'électricité sont également devenus explicables.

La matière matérielle qui compose les corps se trouve généralement électriquement neutre, puisque les molécules et les atomes qui composent le corps sont neutres dans des conditions normales, et les corps n'ont par conséquent aucune charge. Mais si un tel corps neutre se frotte contre un autre corps, alors certains des électrons quitteront leurs atomes et passeront d'un corps à l'autre. La longueur des trajets parcourus par ces électrons lors d'un tel mouvement n'est pas supérieure à la distance entre atomes voisins.

Cependant, si après frottement les corps se séparent, s'écartent, alors les deux corps seront chargés. Le corps auquel les électrons sont passés deviendra chargé négativement, et celui qui a donné ces électrons acquerra une charge positive, deviendra chargé positivement. C'est l'électrification.

Supposons que dans un corps physique, par exemple dans le verre, il soit possible de retirer certains de leurs électrons d'un nombre significatif d'atomes. Cela signifie que le verre, qui a perdu certains de ses électrons, sera chargé d'électricité positive, car les charges positives y ont acquis un avantage sur les négatives.

Les électrons retirés du verre ne peuvent pas disparaître et doivent être mis quelque part. Supposons qu'une fois les électrons retirés du verre, ils sont placés sur une boule de métal. Il est alors évident que la bille métallique qui reçoit des électrons supplémentaires est chargée d'électricité négative, puisqu'en elle les charges négatives sont prioritaires sur les positives.

Électrifier le corps physique - signifie créer en lui un excès ou un manque d'électrons, c'est-à-dire perturber l'équilibre de deux opposés en elle, à savoir les charges positives et négatives.

Électrifier deux corps physiques simultanément et avec des charges électriques différentes signifie retirer des électrons d'un corps et les transférer à un autre corps.

Si une charge électrique positive s'est formée quelque part dans la nature, une charge négative de la même valeur absolue doit inévitablement apparaître simultanément, car tout excès d'électrons dans un corps physique est dû à leur manque dans un autre corps physique.

Les diverses charges électriques apparaissent dans les phénomènes électriques comme des contraires invariablement accompagnés, dont l'unité et l'interaction constituent le contenu interne des phénomènes électriques dans les substances.

Les corps neutres s'électrisent lorsqu'ils donnent ou reçoivent des électrons, dans les deux cas ils acquièrent une charge électrique et cessent d'être neutres. Ici, les charges électriques ne proviennent pas de nulle part, les charges sont seulement séparées, car les électrons étaient déjà dans les corps et ont simplement changé d'emplacement, les électrons se déplacent d'un corps électrifié à un autre corps électrifié.

Le signe de la charge électrique résultant du frottement des corps dépend de la nature de ces corps, de l'état de leurs surfaces et d'un certain nombre d'autres raisons. Par conséquent, la possibilité n'est pas exclue que le même corps physique dans un cas soit chargé d'électricité positive et dans un autre d'électricité négative, par exemple, les métaux lorsqu'ils sont frottés contre le verre et la laine deviennent électrifiés négativement, et lorsqu'ils sont frottés contre caoutchouc — positivement.

Une question appropriée serait : pourquoi la charge électrique ne circule-t-elle pas à travers les diélectriques mais à travers les métaux ? Le fait est que dans les diélectriques, tous les électrons sont liés aux noyaux de leurs atomes, ils n'ont tout simplement pas la capacité de se déplacer librement dans tout le corps.

Mais dans les métaux, la situation est différente. Les liaisons électroniques dans les atomes métalliques sont beaucoup plus faibles que dans les diélectriques, et certains électrons quittent facilement leurs atomes et se déplacent librement dans tout le corps, ce sont les soi-disant électrons libres qui assurent le transfert de charge dans les fils.

La séparation des charges se produit à la fois lors du frottement des corps métalliques et lors du frottement des diélectriques. Mais dans les démonstrations, des diélectriques sont utilisés : ébonite, ambre, verre. On y recourt pour la simple raison que puisque les charges ne se déplacent pas à travers le volume dans les diélectriques, elles restent aux mêmes endroits sur les surfaces des corps d'où elles sont issues.

Et si par frottement, disons, pour la fourrure, un morceau de métal s'électrise, alors la charge, qui n'a que le temps de remonter à sa surface, se drainera instantanément sur le corps de l'expérimentateur, et une démonstration, par exemple, avec diélectriques, ne fonctionnera pas. Mais si un morceau de métal est isolé des mains de l'expérimentateur, il restera sur le métal.

Si la charge des corps n'est libérée que lors du processus d'électrification, alors comment se comporte leur charge totale ? Des expériences simples apportent une réponse à cette question. Prenant un électromètre avec un disque métallique attaché à sa tige, placez un morceau de tissu de laine sur le disque, de la taille de ce disque. Au-dessus du disque de tissu est placé un autre disque conducteur, le même que sur la tige de l'électromètre, mais équipé d'une poignée diélectrique.

Tenant la poignée, l'expérimentateur déplace plusieurs fois le disque supérieur, le frotte contre ledit disque de tissu reposant sur le disque de la tige de l'électromètre, puis l'éloigne de l'électromètre. L'aiguille de l'électromètre dévie lorsque le disque est retiré et reste dans cette position. Cela indique qu'une charge électrique s'est développée sur le tissu de laine et sur le disque attaché à la tige de l'électromètre.

Le disque avec le manche est alors mis en contact avec le second électromètre, mais sans le disque qui y est attaché, et on observe que son aiguille est déviée d'à peu près le même angle que l'aiguille du premier électromètre.

L'expérience montre que les deux disques lors de l'électrification ont reçu des charges du même module. Mais quels sont les signes de ces accusations ? Pour répondre à cette question, les électromètres sont reliés par un fil. Les aiguilles de l'électromètre reviendront immédiatement à la position zéro dans laquelle elles se trouvaient avant le début de l'expérience. La charge a été neutralisée, ce qui signifie que les charges sur les disques étaient de magnitude égale mais de signe opposé, et donnaient globalement zéro, comme avant le début de l'expérience.

Des expériences similaires montrent que lors de l'électrification, la charge totale des corps est conservée, c'est-à-dire que si la quantité totale était nulle avant l'électrification, alors la quantité totale sera nulle après l'électrification... Mais pourquoi cela se produit-il ? Si vous frottez un bâton d'ébène sur un chiffon, il deviendra chargé négativement et le chiffon chargé positivement, et c'est un fait bien connu. Un excès d'électrons se forme sur l'ébonite lorsqu'il est frotté sur la laine, et un déficit correspondant sur le tissu.

Les charges seront égales en module, car combien d'électrons sont passés du tissu à l'ébonite, l'ébonite a reçu une telle charge négative, et la même quantité de charge positive s'est formée sur la toile, car les électrons qui ont quitté le tissu sont la charge positive sur le tissu. Et l'excès d'électrons sur l'ébonite est exactement égal au manque d'électrons sur le tissu. Les charges sont de signe opposé mais d'amplitude égale. Évidemment, la pleine charge est conservée pendant l'électrification ; il est égal à zéro au total.

De plus, même si les charges sur les deux corps étaient non nulles avant l'électrification, la charge totale est toujours la même qu'avant l'électrification. Ayant noté les charges des corps avant leur interaction par q1 et q2, et les charges après l'interaction par q1' et q2', alors l'égalité suivante sera vraie :

q1 + q2 = q1 ' + q2'

Cela implique que pour toute interaction de corps, la charge totale est toujours conservée. C'est l'une des lois fondamentales de la nature, la loi de conservation de la charge électrique. Benjamin Franklin la découvrit en 1750 et introduisit les notions de « charge positive » et de « charge négative ». Franklin et propose d'indiquer les charges opposées par les signes «-» et «+».

En électronique Les règles de Kirchhoff car les courants découlent directement de la loi de conservation de la charge électrique. La combinaison de fils et de composants électroniques est représentée comme un système ouvert. L'entrée totale de charges dans un système donné est égale à la sortie totale de charges de ce système. Les règles de Kirchhoff supposent qu'un système électronique ne peut pas modifier de manière significative sa charge totale.

En toute justice, notons que le meilleur test expérimental de la loi de conservation de la charge électrique est la recherche de telles désintégrations de particules élémentaires qui seraient autorisées dans le cas d'une conservation non stricte de la charge. De telles désintégrations n'ont jamais été observées en pratique.

Autres façons d'électrifier les corps physiques :

1. Si la plaque de zinc est immergée dans une solution d'acide sulfurique H2SO4, elle s'y dissoudra partiellement. Certains des atomes sur la plaque de zinc, laissant deux de leurs électrons sur la plaque de zinc, entreront en solution avec une série d'acides sous la forme d'ions zinc positifs à double charge. En conséquence, la plaque de zinc sera chargée d'électricité négative (excès d'électrons) et la solution d'acide sulfurique sera chargée d'électricité positive (excès d'ions zinc positifs). Cette propriété est utilisée pour électrifier le zinc dans une solution d'acide sulfurique dans une cellule galvanique comme processus principal d'apparition de l'énergie électrique.

2. Si des rayons lumineux tombent à la surface de métaux tels que le zinc, le césium et certains autres, des électrons libres sont libérés de ces surfaces dans l'environnement. En conséquence, le métal est chargé d'électricité positive et l'espace qui l'entoure est chargé d'électricité négative. L'émission d'électrons à partir de surfaces éclairées de certains métaux s'appelle l'effet photoélectrique, qui a trouvé une application dans les cellules photovoltaïques.

3. Si le corps métallique est chauffé à un état de chaleur blanche, les électrons libres voleront de sa surface dans l'espace environnant.En conséquence, le métal qui a perdu des électrons sera chargé d'électricité positive et l'environnement d'électricité négative.

4. Si vous soudez les extrémités de deux fils différents, par exemple du bismuth et du cuivre, et chauffez leur jonction, les électrons libres passeront partiellement du fil de cuivre au bismuth. En conséquence, le fil de cuivre sera chargé d'électricité positive, tandis que le fil de bismuth sera chargé d'électricité négative. Le phénomène d'électrification de deux corps physiques lorsqu'ils absorbent de l'énergie thermique utilisé dans les thermocouples.

Les phénomènes associés à l'interaction des corps électrifiés sont appelés phénomènes électriques.

L'interaction entre les corps électrifiés est déterminée par la soi-disant Forces électriques qui diffèrent des forces d'une autre nature en ce qu'elles font que les corps chargés se repoussent et s'attirent, quelle que soit la vitesse de leur mouvement.

De cette façon, l'interaction entre les corps chargés diffère, par exemple, de l'interaction gravitationnelle, qui se caractérise uniquement par l'attraction des corps, ou des forces d'origine magnétique, qui dépendent de la vitesse relative de mouvement des charges, provoquant des phénomènes.

Le génie électrique étudie principalement les lois de la manifestation externe des propriétés des corps électrifiés - les lois des champs électromagnétiques.

Nous espérons que ce court article vous a donné une idée générale de ce qu'est l'électrification des corps, et maintenant vous savez comment vérifier expérimentalement la loi de conservation de la charge électrique à l'aide d'une expérience simple.