Eletrificação de corpos, interação de cargas

Neste artigo, tentaremos apresentar uma ideia bastante generalizada do que é a eletrificação dos corpos e também abordaremos a lei de conservação da carga elétrica.

Independentemente de esta ou aquela fonte de energia elétrica funcionar para o princípio, cada uma delas ocorre a eletrificação dos corpos físicos, ou seja, a separação das cargas elétricas presentes na fonte de energia elétrica e sua concentração em determinados locais, por exemplo, nos eletrodos ou terminais da fonte. Como resultado desse processo, obtém-se um excesso de cargas negativas (elétrons) em um terminal da fonte de energia elétrica (cátodo) e falta de elétrons no outro terminal (ânodo), ou seja, o primeiro deles é carregado com eletricidade negativa e o segundo com eletricidade positiva.

Após a descoberta do elétron, a partícula elementar com carga mínima, depois que a estrutura do átomo foi finalmente explicada, a maioria dos fenômenos físicos relacionados à eletricidade também se tornou explicável.

A matéria material que compõe os corpos geralmente é eletricamente neutra, uma vez que as moléculas e os átomos que compõem o corpo são neutros em condições normais e, consequentemente, os corpos não têm carga. Mas se um corpo tão neutro se esfregar contra outro corpo, alguns dos elétrons deixarão seus átomos e passarão de um corpo para outro. O comprimento dos caminhos percorridos por esses elétrons durante esse movimento não é mais do que a distância entre os átomos vizinhos.

No entanto, se após o atrito os corpos se separarem, se afastarem, ambos os corpos ficarão carregados. O corpo para o qual os elétrons passaram ficará carregado negativamente, e aquele que doou esses elétrons adquirirá uma carga positiva, ficará carregado positivamente. Isso é eletrificação.

Suponha que em algum corpo físico, por exemplo no vidro, fosse possível retirar alguns de seus elétrons de um número significativo de átomos. Isso significa que o vidro, que perdeu alguns de seus elétrons, ficará carregado de eletricidade positiva, pois nele as cargas positivas ganharam vantagem sobre as negativas.

Os elétrons retirados do vidro não podem desaparecer e devem ser colocados em algum lugar. Suponha que depois que os elétrons são removidos do vidro, eles são colocados em uma bola de metal. É então óbvio que a bola de metal que recebe elétrons adicionais é carregada com eletricidade negativa, pois nela as cargas negativas têm prioridade sobre as positivas.

Eletrificar o corpo físico — significa criar nele um excesso ou falta de elétrons, ou seja, perturbar o equilíbrio de dois opostos nele, ou seja, cargas positivas e negativas.

Eletrificar dois corpos físicos simultaneamente e junto com diferentes cargas elétricas — significa retirar elétrons de um corpo e transferi-los para outro corpo.

Se uma carga elétrica positiva se formou em algum lugar da natureza, então uma carga negativa do mesmo valor absoluto deve inevitavelmente surgir simultaneamente com ela, pois qualquer excesso de elétrons em qualquer corpo físico surge devido à falta deles em algum outro corpo físico.

As várias cargas elétricas aparecem nos fenômenos elétricos como opostos invariavelmente acompanhantes, cuja unidade e interação constituem o conteúdo interno dos fenômenos elétricos nas substâncias.

Corpos neutros tornam-se eletrificados quando dão ou recebem elétrons, em ambos os casos eles adquirem uma carga elétrica e deixam de ser neutros. Aqui as cargas elétricas não surgem do nada, as cargas são apenas separadas, porque os elétrons já estavam nos corpos e simplesmente mudaram de localização, os elétrons passam de um corpo eletrizado para outro corpo eletrificado.

O sinal da carga elétrica resultante do atrito dos corpos depende da natureza desses corpos, da condição de suas superfícies e de várias outras razões. Portanto, não está excluída a possibilidade de que o mesmo corpo físico em um caso seja carregado com eletricidade positiva e em outro com eletricidade negativa, por exemplo, metais quando esfregados contra vidro e lã tornam-se eletrificados negativamente e quando esfregados contra borracha — positivamente.

Uma pergunta apropriada seria: por que a carga elétrica não flui através de dielétricos, mas através de metais? A questão é que nos dielétricos todos os elétrons estão ligados aos núcleos de seus átomos, eles simplesmente não têm a capacidade de se mover livremente pelo corpo.

Mas nos metais a situação é diferente. As ligações eletrônicas nos átomos de metal são muito mais fracas do que nos dielétricos, e alguns elétrons deixam facilmente seus átomos e se movem livremente por todo o corpo, são os chamados elétrons livres que fornecem transferência de carga nos fios.

A separação de cargas ocorre tanto durante o atrito de corpos metálicos quanto durante o atrito de dielétricos. Mas nas demonstrações, são usados ​​​​dielétricos: ebonite, âmbar, vidro. Recorre-se a isso pela simples razão de que, como as cargas não se movem através do volume nos dielétricos, elas permanecem nos mesmos lugares nas superfícies dos corpos de onde surgiram.

E se por fricção, digamos, para a pele, um pedaço de metal fica eletrificado, então a carga, que só tem tempo de se mover para sua superfície, será drenada instantaneamente para o corpo do experimentador, e uma demonstração, por exemplo, com dielétricos, não funcionarão. Mas se um pedaço de metal for isolado das mãos do experimentador, ele permanecerá no metal.

Se a carga dos corpos é liberada apenas no processo de eletrificação, como se comporta a carga total? Experimentos simples fornecem uma resposta a essa pergunta. Tomando um eletrômetro com um disco de metal preso à haste, coloque um pedaço de pano de lã sobre o disco, do tamanho desse disco. No topo do disco de tecido é colocado outro disco condutor, igual ao da haste do eletrômetro, mas equipado com um manípulo dielétrico.

Segurando o cabo, o experimentador move o disco superior várias vezes, esfrega-o contra o referido disco de tecido que está sobre o disco da haste do eletrômetro e, em seguida, afasta-o do eletrômetro. A agulha do eletrômetro desvia quando o disco é removido e permanece nessa posição. Isso indica que uma carga elétrica se desenvolveu no tecido de lã e no disco preso à haste do eletrômetro.

O disco com o cabo é então colocado em contato com o segundo eletrômetro, mas sem o disco preso a ele, e observa-se que sua agulha é desviada quase no mesmo ângulo que a agulha do primeiro eletrômetro.

O experimento mostra que ambos os discos durante a eletrificação receberam cargas do mesmo módulo. Mas quais são os sinais dessas acusações? Para responder a esta pergunta, os eletrômetros são conectados por um fio. As agulhas do eletrômetro retornarão imediatamente à posição zero em que estavam antes do início do experimento. A carga foi neutralizada, o que significa que as cargas nos discos eram iguais em magnitude, mas opostas em sinal, e no geral deram zero, como antes do início do experimento.

Experimentos semelhantes mostram que durante a eletrificação, a carga total dos corpos é conservada, ou seja, se a quantidade total era zero antes da eletrificação, então a quantidade total será zero após a eletrificação... Mas por que isso acontece? Se você esfregar um bastão de ébano em um pano, ele ficará carregado negativamente e o pano ficará carregado positivamente, e isso é um fato bem conhecido. Um excesso de elétrons é formado em ebonite quando esfregado em lã e um déficit correspondente em tecido.

As cargas serão iguais em módulo, porque quantos elétrons passaram do pano para o ebonite, o ebonite recebeu uma carga tão negativa, e a mesma quantidade de carga positiva se formou na tela, porque os elétrons que saíram do pano são a carga positiva no pano. E o excesso de elétrons na ebonita é exatamente igual à falta de elétrons no tecido. As cargas são opostas em sinal, mas iguais em magnitude. Obviamente, a carga total é conservada durante a eletrificação; é igual a zero no total.

Além disso, mesmo que as cargas de ambos os corpos fossem diferentes de zero antes da eletrificação, a carga total ainda é a mesma de antes da eletrificação. Tendo denotado as cargas dos corpos antes de sua interação como q1 e q2, e as cargas após a interação como q1' e q2', então a seguinte igualdade será verdadeira:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

Isso implica que, para qualquer interação de corpos, a carga total é sempre conservada. Esta é uma das leis fundamentais da natureza, a lei da conservação da carga elétrica. Benjamin Franklin descobriu em 1750 e introduziu os conceitos de "carga positiva" e "carga negativa". Franklin e propôs indicar cargas opostas com sinais «-» e «+».

Em eletrônica regras de Kirchhoff porque as correntes decorrem diretamente da lei da conservação da carga elétrica. A combinação de fios e componentes eletrônicos é representada como um sistema aberto. A entrada total de cargas em um determinado sistema é igual à saída total de cargas desse sistema. As regras de Kirchhoff assumem que um sistema eletrônico não pode alterar significativamente sua carga total.

Para ser justo, notamos que o melhor teste experimental da lei de conservação da carga elétrica é a busca por tais decaimentos de partículas elementares que seriam permitidos no caso de conservação não estrita de carga. Tais decaimentos nunca foram observados na prática.

Outras formas de eletrificar corpos físicos:

1. Se a placa de zinco for imersa em uma solução de ácido sulfúrico H2SO4, ela se dissolverá parcialmente nela. Alguns dos átomos na placa de zinco, deixando dois de seus elétrons na placa de zinco, irão para a solução com uma série de ácidos na forma de íons de zinco positivos duplamente carregados. Como resultado, a placa de zinco será carregada com eletricidade negativa (excesso de elétrons) e a solução de ácido sulfúrico será carregada com eletricidade positiva (excesso de íons positivos de zinco). Esta propriedade é usada para eletrificar o zinco em solução de ácido sulfúrico em uma célula galvânica como o principal processo de surgimento da energia elétrica.

2. Se os raios de luz caírem na superfície de metais como zinco, césio e alguns outros, então elétrons livres são liberados dessas superfícies para o ambiente. Como resultado, o metal é carregado com eletricidade positiva e o espaço ao seu redor é carregado com eletricidade negativa. A emissão de elétrons de superfícies iluminadas de certos metais é chamada de efeito fotoelétrico, que encontrou aplicação em células fotovoltaicas.

3. Se o corpo de metal for aquecido a um estado de calor branco, os elétrons livres voarão de sua superfície para o espaço circundante.Como resultado, o metal que perdeu elétrons ficará carregado com eletricidade positiva e o ambiente com eletricidade negativa.

4. Se você soldar as pontas de dois fios diferentes, por exemplo, bismuto e cobre, e aquecer sua junção, os elétrons livres passarão parcialmente do fio de cobre para o bismuto. Como resultado, o fio de cobre será carregado com eletricidade positiva, enquanto o fio de bismuto será carregado com eletricidade negativa. O fenômeno da eletrificação de dois corpos físicos quando eles absorvem energia térmica usado em termopares.

Os fenômenos associados à interação de corpos eletrificados são chamados de fenômenos elétricos.

A interação entre corpos eletrificados é determinada pelo chamado Forças elétricas que diferem das forças de outra natureza pelo fato de fazerem corpos carregados se repelirem e se atrairem, independentemente da velocidade de seu movimento.

Dessa forma, a interação entre corpos carregados difere, por exemplo, da gravitacional, que se caracteriza apenas pela atração dos corpos, ou das forças de origem magnética, que dependem da velocidade relativa do movimento das cargas, causando fenômenos.

A engenharia elétrica estuda principalmente as leis da manifestação externa das propriedades dos corpos eletrificados - as leis dos campos eletromagnéticos.

Esperamos que este pequeno artigo tenha lhe dado uma ideia geral do que é a eletrificação dos corpos e agora você saiba como verificar experimentalmente a lei de conservação da carga elétrica usando um experimento simples.