§ 21. Взаємодія заряджених тіл.

Провідники та непровідники електрики

Заряджання й розряджання тіл. Провідники електрики

Діелектрики. Електризація через вплив

Напівпровідники

ЗАРЯДЖАННЯ Й РОЗРЯДЖАННЯ ТІЛ. ПРОВІДНИКИ ЕЛЕКТРИКИ. Ви вже знаєте, що у процесі електризації відбувається перерозподіл електричного заряду⁷. Заряджання та розряджання тіл зумовлене переходом тих чи інших заряджених частинок частинок з одного тіла на інше. Якщо тіло має надлишок електронів, воно заряджене негативно. Якщо ж протонів більше ніж електронів, тіло заряджене позитивно. За умови, коли кількість позитивно та негативно заряджених частинок однакова, тіло є електрично нейтральним.

Електрично заряджені тіла вивчають за допомогою спеціальних приладів. Одним із них є електроскоп — прилад для виявлення електричних зарядів (рис. 21.1).

Електроскоп складається з металевого корпуса 1 зі склом 2. Всередині корпуса розміщено металевий стрижень 3 з прикріпленими до нього легко рухомими паперовими або алюмінієвими смужками 4. Від металевого корпуса приладу стрижень ізольовано пластмасовою втулкою 5. До верхньої частини стрижня прикріплено металеву порожнисту кулю 6, яку називають кондуктор.

Якщо до кондуктора доторкнутися зарядженим тілом, електричний заряд через провідний стрижень потрапить на кожну смужку. Оскільки, однойменно заряджені тіла відштовхуються, то нижні кінці смужок розійдуться в різні боки (рис 21.2). Чим більший заряд матиме тіло, яким доторкнулися до кондуктора, тим більшим буде кут розходження між смужками. Отже, за кутом між смужками можна зробити висновок про величину заряду досліджуваного тіла.

Якщо до зарядженого електроскопа піднести тіло, яке має заряд протилежного знака, то кут між його смужками почне зменшуватися. Таким чином, електроскоп дає можливість визначити знак заряду наелектризованого тіла. Спробуйте пояснити, чому так відбувається.

Окрім електроскопа, для виявлення та вимірювання електричних зарядів використовується електрометр. Він працює за таким самим принципом, як і електроскоп. Відмінністю електрометра є наявність легкої алюмінієвої стрілки, яка може обертатися навколо горизонтальної осі, а також проградуйованої шкали на передній стінці корпуса, що дає можливість використовувати прилад не тільки для якісних, а й для кількісних вимірювань. За кутом відхилення стрілки можна зробити висновок про величину електричного заряду, якого було надано електрометру (рис. 21.3).

Ви вже знаєте, що під час електризації, наприклад, дотиком, електричні заряди можуть переходити від одних тіл до інших. Виконаємо дослід. За допомогою натертої об шовк скляної палички зарядимо електрометр. При цьому стрілка, яка отримує від стрижня такий самий заряд, відхиляється. Якщо до кульки електрометра, що заряджений позитивно, доторкнутися рукою, він розрядиться.

На електрометр через тіло людини перейде із землі певна кількість негативного заряду, що компенсує його позитивний заряд. Подібне явище можна спостерігати, якщо доторкнутися до зарядженого електрометра залізним предметом. Якщо ж повторити дослід, але взяти в руку пластмасу, суху деревину або одягнути гумову рукавичку, заряджене тіло не розряджається.

Тобто рух електричних зарядів у речовині залежить від її природи. Загалом речовини різноманітні за електричними властивостями. Розрізняють провідники електрики, напівпровідники, а також речовини, що не проводять її, — діелектрики.

Провідниками називають речовини, які мають заряджені частинки, здатні рухатися по всьому об’єму тіла. Ці частинки називають вільними електричними зарядами. Провідниками є всі метали, окремі хімічні сполуки, водні розчини солей, кислот, лугів, розплави солей тощо.

У металах вільними носіями електричного заряду є електрони, які також називають вільними електронами, або електронами провідності. До вільних електронів належать електрони останнього валентного шару, які перебувають відносно далеко від позитивно зарядженого ядра, тому слабо пов’язані з ним і можуть вільно рухатися по всьому об’єму металу в будь-якому напрямі (рис. 21.4).

Якщо немає зовнішнього електричного поля, негативний заряд електронів металевого провідника компенсується позитивним зарядом йонів. Такий провідник буде електрично нейтральним, тобто не матиме електричного заряду.

Якщо провідник внести в електричне поле, всередині нього виникне впорядкований рух вільних носіїв електричного заряду.

ДІЕЛЕКТРИКИ. ЕЛЕКТРИЗАЦІЯ ЧЕРЕЗ ВПЛИВ. Діелектриками , або ізоляторами, називають речовини, які за певних умов не мають вільних носіїв електричного заряду і не проводять електрику. Проте якщо ^ови змінюються, наприклад, під час нагрівання, у діелектрику можуть виникнути вільні електричні заряди. Отже, поділ речовин на провідники й діелектрики є умовним.

До діелектриків належать усі гази за нормальних умов, рідини (гас, спирти, ацетон, дистильована вода та ін.), тверді тіла (скло, пластмаси, сухе дерево, папір, гума тощо).

Якщо діелектрик помістити в електричне поле, то його молекули починають орієнтуватися у напрямку силових ліній (рис. 21.5).

У результаті на поверхні діелектрика виникає досить тонкий шар зарядів, знак яких протилежний заряду, що створює електричне поле. У досліді з наелектризованою ебонітовою паличкою та клаптиками паперу електричне поле зарядженої палички діє на молекули, з яких складається папір. На поверхні клаптиків паперу утворюється тонкий шар електричного заряду⁷, протилежного за знаком заряду палички. Тому клаптики притягуються до палички.

Спробуйте відповісти на питання: чи можна зарядити електрично нейтральне тіло не натираючи його та не торкаючись до нього? Виконаємо дослід. Піднесемо до незарядженого електрометра, не торкаючись його кондуктора, позитивно заряджену скляну паличку. Стрілка електрометра відхилиться на певний кут від стрижня (рис. 21.6).

Ви вже знаєте, що під впливом зовнішнього електричного поля відбувається рух електричних зарядів всередині речовини. Частина провідника, на якій зосереджуються надлишкові електрони, набуває негативного заряду, а частина, яку залишили електрони, — позитивного заряду. Під впливом електричного поля, створюваного позитивно зарядженою паличкою, вільні електрони зі стрілки та стрижня переміщуються ближче до зарядженої палички у верхню частину електрометра. Отже, у стрілці та нижній частині стрижня утворюється нестача електронів. Тому стрілка й нижня частина стрижня набувають позитивного

заряду й відштовхуються, внаслідок чого стрілка повертається на певний кут.

У разі наближення до електрометра зарядженого тіла кут відхилення стрілки збільшується, віддалення — зменшується.

Оскільки у цьому досліді не було безпосереднього контакту між зарядженою паличкою електрометром, такий спосіб надання тілу електричного заряду називають електризацією через вплив, або електростатичною індукцією.

НАПІВПРОВІДНИКИ. Речовини, які за здатністю проводити електрику займають проміжне місце між провідниками та діелектриками, називаються напівпровідниками. До напівпровідників належать, наприклад, кремній, германій, селен та інші речовини. На відміну від провідників, у яких наявні вільні носії заряду, напівпровідники не проводять електрику за порівняно низьких температур і відсутності зовнішніх впливів (наприклад, освітлення), оскільки всі електрони є зв’язаними (зовнішні електрони мають досить міцні зв’язки з ядрами).

Разом із тим зв’язок електронів із атомами в напівпровідниках не такий міцний, як у діелектриках. Тому навіть за незначного підвищення температури або освітлення напівпровідника деякі електрони відриваються від своїх атомів і стають вільними носіями заряду, тобто можуть переміщатися по всьому напівпровіднику.

Коли електрон відривається від атома, його електрична нейтральність порушується: на місці електрона з’являється надлишковий позитивний заряд, який у фізиці , називають «діркою». При цьому в напівпровіднику з’являються негативні (вільні електрони) та позитивні «дірки» носії заряду (рис. 21.7). Тобто напівпровідник стає провідником електричного заряду.

Якщо напівпровідник помістити в зовнішнє електричне поле, то рух носіїв зарядів впорядкованим. При цьому напрям руху електронів буде протилежним напряму руху «дірок».

Завдяки своїм унікальним властивостям напівпровідники набули широкого використання в сучасній електроніці. Так, однією з головних частин вашого комп’ютера або смартфона є процесор — мініатюрний напівпровідниковий пристрій (рис. 21.8).

Головне в цьому параграфі_

Заряджання та розряджання тіл зумовлене переходом тих чи інших заряджених частинок частинок з одного тіла на інше.

Провідниками називають речовини, які мають заряджені частинки, що здатні рухатися по всьому об’єму тіла (їх називають вільними електричними зарядами).

Діелектриками називають речовини, які не містять вільних носіїв електричного заряду і не проводять електрику.

Спосіб надання електрично нейтральному тілу електричного заряду без безпосереднього контакту із зарядженим тілом називають електризацією через вплив.

Напівпровідники — це речовини, які за здатністю проводити електрику займають проміжне місце між провідниками та діелектриками.

Носіями електричного заряду в напівпровідниках є електрони і дірки, які з’являються внаслідок розривання ковалентних зв’язків, наприклад, під час нагрівання або освітлення напівпровідника.

У напівпровіднику без домішок електричний струм створюється електронами та дірками, що рухаються в протилежних напрямах.

Запитання для самоперевірки_

1.    Поясніть, чим зумовлене заряджання та розряджання тіл.

2.    Поясніть принцип дії електроскопа й електрометра. Що спільного вони мають та які їхні відмінності?

3.    Які речовини називають провідниками?

4.    Поясніть, що відбувається з провідником при вміщенні його в електричне поле.

5.    Які речовини називають діелектриками?

6.    Поясніть, що відбувається з молекулами діелектрика при його розміщенні в електричному полі.

7.    У чому полягає особливість електризації через вплив?

8.    Які речовини називають напівпровідниками?

9.    Що є вільними носіями електричного заряду в напівпровідниках?

Вправа до § 21

1п. Металеву пластинку зарядили негативним зарядом. Поясніть, що відбулося при цьому з деякою частиною атомів.

2с. До незаряджених металевих паличок піднесли заряджені тіла. Поясніть, як розподіляться заряди на паличках у кожному з випадків.

Зс. Заряджена паперова гільза підвішена на шовковій нитці. Якщо наблизити руку до гільзи, вона притягається до руки. Поясніть це явище.

4д. Металеву паличку натирають вовняною тканиною. Після цього тканина починає притягувати дрібні шматочки паперу, а паличка ні. Поясніть, чому так відбувається.

5д. На тонких шовкових нитках підвішені дві однакові паперові кульки. Одна — заряджена, друга — незаряджена. Поясніть, як, не маючи жодних додаткових приладів і матеріалів, можна визначити, яка з кульок заряджена.

6в. Поясніть як зміниться відхилення стрілки зарядженого електрометра, якщо піднести до нього (не торкаючись) тіло, що має однаковий заряд, а потім тіло протилежного заряду.

Це цікаво

Комахи, що утворють складноорганізовані спільноти, здатні використовувати для спілкування та передавання інформації своє статичне електричне поле. Біологи провели спостереження за домашніми бджолами, під час якого встановили, що розташовані на голові комах антени чутливі до електричного поля і відхиляються у разі його впливу.

При цьому активуються механорецептори в основі антен, які й передають інформацію про відхилення в центральну нервову систему. Виявляється, що таким чином бджоли можуть використовувати статичний заряд для того, аби передавати інформацію своїм родичам: рухи «зарядженої» бджоли впливають на антени інших комах. Статичного електричного заряду комахи набувають у результаті швидких рухів крил під час польоту.

Статична електрика може бути шкідливою для тварин та людини. Чи доводилося вам відчувати її дію?

Повітряні лайнери під час польоту зазнають впливу атмосферної електрики внаслідок тертя об повітря. Це може впливати на функціонування бортових радіоелектронних систем (рис. 1).

Електризація може бути причиною аварій на текстильних і прядильних, паперових фабриках, у друкарнях, у гумовій промисловості. Тому на виробництві створюють спеціальні системи електростатичного захисту для зменшення негативного впливу статичної електрики на здоров’я працівників.

За яким принципом вони працюють? При внесенні металевого провідника в електричне поле в ньому відбудеться розподіл зарядів, хоча в цілому провідник лишається електрично нейтральним. Електричні заряди, що утворюються на протилежних частинах провідника, вміщеного в електричне поле, у свою чергу також створюють електричне поле (внутрішнє). Причому вільних електронів у металах настільки багато, що

створюване ними електричне поле компенсує зовнішнє електричне поле. Така особливість використовується в системах електростатичного захисту.

Відсутність електричного поля усередині провідника використовується для створення електростатичного захисту. Розглянемо модель найпростішого пристрою для електростатичного захисту. Візьмемо два султани, один із яких складається з підставки та прикріплених до неї легких металевих смужок, другий — з легких паперових (рис. 2, а). Вмістимо ці султани між двух металевих пластин, з’єднаних із джерелом електричного поля. Коли немає електричного поля, смужки султанів звисають донизу. Якщо зарядити пластини, між ними створюється електричне поле. Смужки султанів електризуються і починають взаємно відштовхуватися (рис. 2, б). Якщо ж султани огородити захисною сіткою, смужки знову опустяться донизу, так само як і за відсутності електричного поля (рис. 2, в).

Отже, від електричного поля можна захиститися, якщо оточити тіло провідником. На практиці це використовується для захисту від потужного електричного поля радіолокаторів та радіостанцій, випромінювання яких може зашкодити здоров’ю, а також для запобігання дії електричного поля на чутливі прилади.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Головко