การนำไฟฟ้าของร่างกาย การทำงานร่วมกันของประจุ

ในบทความนี้เราจะพยายามนำเสนอแนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับพลังงานไฟฟ้าของร่างกายและเราจะกล่าวถึงกฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้าด้วย

โดยไม่คำนึงว่าแหล่งพลังงานไฟฟ้าแหล่งนี้หรือแหล่งพลังงานนั้นจะทำงานตามหลักการหรือไม่ การเกิดไฟฟ้าของวัตถุแต่ละชนิดเกิดขึ้น นั่นคือการแยกประจุไฟฟ้าที่มีอยู่ในแหล่งพลังงานไฟฟ้าและความเข้มข้นของประจุไฟฟ้าในบางสถานที่ ตัวอย่างเช่น บนขั้วไฟฟ้าหรือขั้วของแหล่งกำเนิด อันเป็นผลมาจากกระบวนการนี้ ประจุลบ (อิเล็กตรอน) ส่วนเกินจะได้รับที่ขั้วหนึ่งของแหล่งพลังงานไฟฟ้า (แคโทด) และขาดอิเล็กตรอนที่อีกขั้วหนึ่ง (แอโนด) เช่น อันแรกมีประจุไฟฟ้าลบและอันที่สองเป็นประจุไฟฟ้าบวก

หลังจากการค้นพบอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานที่มีประจุน้อยที่สุด หลังจากอธิบายโครงสร้างของอะตอมได้ในที่สุด ปรากฏการณ์ทางกายภาพส่วนใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้าก็สามารถอธิบายได้เช่นกัน

สสารที่ประกอบกันเป็นร่างกายโดยทั่วไปพบว่าเป็นกลางทางไฟฟ้า เนื่องจากโมเลกุลและอะตอมที่ประกอบกันเป็นร่างกายมีความเป็นกลางภายใต้สภาวะปกติ ดังนั้นร่างกายจึงไม่มีประจุ แต่ถ้าวัตถุที่เป็นกลางดังกล่าวถูกับวัตถุอื่น อิเล็กตรอนบางส่วนจะออกจากอะตอมและส่งผ่านจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง ความยาวของเส้นทางที่อิเล็กตรอนเหล่านี้เดินทางระหว่างการเคลื่อนที่นั้นไม่เกินระยะห่างระหว่างอะตอมข้างเคียง

อย่างไรก็ตาม หากร่างกายแยกออกจากกัน เคลื่อนออกจากกัน ร่างทั้งสองจะถูกพุ่งเข้าใส่ ร่างกายที่อิเล็กตรอนผ่านไปจะกลายเป็นประจุลบ และร่างกายที่บริจาคอิเล็กตรอนเหล่านี้จะได้รับประจุบวกก็จะกลายเป็นประจุบวก นี่คือพลังงานไฟฟ้า

สมมติว่าในวัตถุบางอย่าง เช่น ในแก้ว เป็นไปได้ที่จะดึงอิเล็กตรอนบางส่วนออกจากอะตอมจำนวนมาก ซึ่งหมายความว่าแก้วซึ่งสูญเสียอิเลคตรอนบางส่วนไปจะถูกประจุด้วยไฟฟ้าบวก เพราะในนั้นประจุบวกจะได้เปรียบกว่าประจุลบ

อิเล็กตรอนที่ถูกนำออกจากแก้วไม่สามารถหายไปได้และต้องใส่ไว้ที่ใดที่หนึ่ง สมมติว่าหลังจากนำอิเล็กตรอนออกจากแก้วแล้ว พวกมันจะถูกวางบนลูกบอลโลหะ เห็นได้ชัดว่าลูกบอลโลหะที่ได้รับอิเลคตรอนเพิ่มเติมจะถูกประจุด้วยไฟฟ้าลบ เนื่องจากในนั้นประจุลบจะได้รับความสำคัญมากกว่าประจุบวก

ทำให้ร่างกายเกิดไฟฟ้า - หมายถึงการสร้างอิเล็กตรอนส่วนเกินหรือขาดเช่น รบกวนความสมดุลของสองสิ่งตรงข้ามนั่นคือประจุบวกและประจุลบ

เพื่อทำให้วัตถุสองชิ้นเกิดกระแสไฟฟ้าพร้อมกันและประจุไฟฟ้าต่างกัน - หมายถึงการถอนอิเล็กตรอนออกจากวัตถุหนึ่งและถ่ายโอนไปยังอีกวัตถุหนึ่ง

หากประจุไฟฟ้าบวกก่อตัวขึ้นที่ไหนสักแห่งในธรรมชาติ ประจุไฟฟ้าลบที่มีค่าสัมบูรณ์เดียวกันจะต้องเกิดขึ้นพร้อมกันอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เนื่องจากอิเล็กตรอนส่วนเกินในร่างกายใดๆ เกิดขึ้นเนื่องจากการขาดในกายภาพอื่น

ประจุไฟฟ้าต่างๆ ปรากฏในปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าโดยเป็นสิ่งที่ตรงกันข้ามอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งเอกภาพและอันตรกิริยาประกอบขึ้นเป็นเนื้อหาภายในของปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าในสสาร

วัตถุที่เป็นกลางจะถูกไฟฟ้าเมื่อให้หรือรับอิเล็กตรอน ทั้งสองกรณีจะได้รับประจุไฟฟ้าและหยุดเป็นกลาง ที่นี่ประจุไฟฟ้าไม่ได้เกิดขึ้นจากที่ไหนเลย ประจุไฟฟ้าถูกแยกออกจากกันเท่านั้น เนื่องจากอิเล็กตรอนอยู่ในร่างกายแล้วและเพียงแค่เปลี่ยนตำแหน่งของพวกมัน อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากวัตถุที่ถูกกระตุ้นด้วยไฟฟ้าหนึ่งไปยังวัตถุที่ถูกกระตุ้นด้วยไฟฟ้าอีกอันหนึ่ง

สัญญาณของประจุไฟฟ้าที่เกิดจากการเสียดสีของวัตถุต่างๆ ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของวัตถุเหล่านี้ สภาพพื้นผิว และด้วยเหตุผลอื่นๆ อีกหลายประการ ดังนั้นจึงไม่มีความเป็นไปได้ที่ร่างกายเดียวกันในกรณีหนึ่งจะมีประจุเป็นบวกและอีกกรณีหนึ่งมีไฟฟ้าเป็นลบ ตัวอย่างเช่น โลหะเมื่อถูกับแก้วและขนสัตว์จะเกิดไฟฟ้าเป็นลบ และเมื่อถูกับ ยาง — ในเชิงบวก

คำถามที่เหมาะสมคือ: ทำไมประจุไฟฟ้าจึงไม่ไหลผ่านไดอิเล็กตริก แต่ผ่านโลหะ ประเด็นก็คือว่าในไดอิเล็กตริก อิเล็กตรอนทั้งหมดจะจับกับนิวเคลียสของอะตอมของมัน เพียงแต่พวกมันไม่มีความสามารถในการเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระทั่วร่างกาย

แต่สำหรับโลหะ สถานการณ์จะแตกต่างออกไป พันธะของอิเล็กตรอนในอะตอมของโลหะนั้นอ่อนแอกว่าในไดอิเล็กตริก และอิเล็กตรอนบางตัวจะหลุดออกจากอะตอมของพวกมันอย่างง่ายดายและเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระทั่วร่างกาย สิ่งเหล่านี้เรียกว่าอิเล็กตรอนอิสระที่ให้การถ่ายโอนประจุในสายไฟ

การแยกประจุเกิดขึ้นทั้งระหว่างการเสียดสีของตัวโลหะและระหว่างการเสียดสีของไดอิเล็กตริก แต่ในการสาธิตจะใช้ไดอิเล็กตริก: มะเกลือ, อำพัน, แก้ว สิ่งนี้ใช้ด้วยเหตุผลง่ายๆ ว่าเนื่องจากประจุไม่เคลื่อนที่ผ่านปริมาตรในไดอิเล็กตริก พวกมันจึงยังคงอยู่ที่เดิมบนพื้นผิวของวัตถุที่พวกมันเกิดขึ้น

และถ้าโดยการเสียดสี เช่น สำหรับขนสัตว์ ชิ้นส่วนของโลหะกลายเป็นไฟฟ้า ประจุซึ่งมีเวลาเท่านั้นที่จะเคลื่อนที่ไปยังพื้นผิวของมัน จะไหลเข้าสู่ร่างกายของผู้ทดลองทันที และการสาธิต เช่น ด้วย ไดอิเล็กทริกจะไม่ทำงาน แต่ถ้าชิ้นส่วนโลหะถูกแยกออกจากมือของผู้ทดลอง มันก็จะยังคงอยู่ในโลหะนั้น

หากประจุของวัตถุถูกปล่อยออกมาในกระบวนการสร้างพลังงานไฟฟ้าเท่านั้น ประจุรวมของพวกมันจะทำงานอย่างไร การทดลองง่ายๆ ให้คำตอบสำหรับคำถามนี้ นำอิเล็กโทรมิเตอร์ที่มีดิสก์โลหะติดอยู่กับแท่งของมัน วางผ้าขนสัตว์ไว้บนดิสก์ ขนาดเท่าดิสก์นั้น ด้านบนของแผ่นกระดาษทิชชูจะวางแผ่นนำไฟฟ้าอีกแผ่นหนึ่งไว้เหมือนกับบนแท่งอิเล็กโทรมิเตอร์ แต่มีที่จับอิเล็กทริก

ผู้ทดลองจับที่จับแล้วขยับแผ่นด้านบนหลายๆ ครั้ง ถูกับแผ่นเนื้อเยื่อที่วางอยู่บนแผ่นของแท่งอิเล็กโทรมิเตอร์ จากนั้นเคลื่อนออกจากอิเล็กโทรมิเตอร์ เข็มของอิเล็กโทรมิเตอร์จะเบี่ยงเบนเมื่อนำแผ่นดิสก์ออกและยังคงอยู่ในตำแหน่งนั้น สิ่งนี้บ่งชี้ว่ามีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้นบนผ้าขนสัตว์และบนดิสก์ที่ติดอยู่กับแท่งอิเล็กโทรมิเตอร์

จากนั้นนำแผ่นดิสก์ที่มีที่จับไปสัมผัสกับอิเล็กโตรมิเตอร์ตัวที่สอง แต่ไม่มีแผ่นดิสก์ติดอยู่ และสังเกตได้ว่าเข็มของมันหักเหเกือบเป็นมุมเดียวกับเข็มของอิเล็กโตรมิเตอร์ตัวแรก

การทดลองแสดงให้เห็นว่าดิสก์ทั้งสองในระหว่างการจ่ายกระแสไฟฟ้าได้รับประจุของโมดูลเดียวกัน แต่สัญญาณของข้อกล่าวหาเหล่านี้คืออะไร? เพื่อตอบคำถามนี้ อิเล็กโทรมิเตอร์จะเชื่อมต่อกันด้วยสายไฟ เข็มของอิเล็กโทรมิเตอร์จะกลับสู่ตำแหน่งศูนย์ทันทีซึ่งแต่ละเข็มอยู่ก่อนเริ่มการทดลอง ประจุถูกทำให้เป็นกลาง หมายความว่าประจุบนดิสก์มีขนาดเท่ากันแต่มีเครื่องหมายตรงกันข้าม และโดยรวมแล้วให้ศูนย์เหมือนก่อนเริ่มการทดลอง

การทดลองที่คล้ายคลึงกันแสดงให้เห็นว่าในระหว่างการทำให้เป็นไฟฟ้า ประจุรวมของวัตถุจะได้รับการอนุรักษ์ นั่นคือ หากจำนวนทั้งหมดเป็นศูนย์ก่อนการใช้ไฟฟ้า ปริมาณทั้งหมดจะเป็นศูนย์หลังการใช้ไฟฟ้า... แต่ทำไมสิ่งนี้จึงเกิดขึ้น หากคุณถูไม้มะเกลือบนผ้า มันจะกลายเป็นประจุลบและผ้าจะมีประจุบวก และนี่คือข้อเท็จจริงที่ทราบกันดี อิเล็กตรอนส่วนเกินก่อตัวขึ้นบน ebonite เมื่อถูบนขนสัตว์ และเกิดการขาดดุลบนผ้า

ประจุจะเท่ากันในโมดูลัส เนื่องจากจำนวนอิเล็กตรอนที่ส่งผ่านจากผ้าไปยังไอโบไนต์ อะโบไนต์ได้รับประจุลบดังกล่าว และประจุบวกจำนวนเท่ากันจึงก่อตัวขึ้นบนผืนผ้าใบ เนื่องจากอิเล็กตรอนที่ออกจาก ผ้าเป็นประจุบวกบนผ้า และอิเล็กตรอนส่วนเกินบน ebonite เท่ากับการขาดอิเล็กตรอนบนผ้า ประจุอยู่ในเครื่องหมายตรงกันข้ามแต่มีขนาดเท่ากัน เห็นได้ชัดว่า ประจุไฟฟ้าเต็มจะถูกสงวนไว้ระหว่างการผลิตไฟฟ้า มันมีค่าเท่ากับศูนย์ทั้งหมด

ยิ่งกว่านั้น แม้ว่าประจุบนวัตถุทั้งสองจะไม่เป็นศูนย์ก่อนการทำให้เกิดไฟฟ้า ประจุทั้งหมดจะยังคงเท่าเดิมก่อนการทำให้ไฟฟ้า เมื่อแสดงประจุของร่างกายก่อนอันตรกิริยาเป็น q1 และ q2 และประจุหลังอันตรกิริยาเป็น q1' และ q2' ความเท่าเทียมกันต่อไปนี้จะเป็นจริง:

q1 + q2 = q1 ' + q2'

นี่หมายความว่าสำหรับการโต้ตอบใดๆ ของร่างกาย ประจุทั้งหมดจะถูกสงวนไว้เสมอ นี่เป็นหนึ่งในกฎพื้นฐานของธรรมชาติ กฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า เบนจามิน แฟรงคลินค้นพบในปี 1750 และแนะนำแนวคิดของ "ประจุบวก" และ "ประจุลบ" แฟรงคลินและเสนอให้ระบุค่าใช้จ่ายที่ตรงกันข้ามด้วยเครื่องหมาย «-» และ «+»

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ กฎของเคอร์ชอฟฟ์ เพราะกระแสเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้าโดยตรง การรวมกันของสายไฟและชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จะแสดงเป็นระบบเปิด การไหลเข้าของประจุทั้งหมดในระบบที่กำหนดจะเท่ากับการไหลออกของประจุทั้งหมดจากระบบนั้น กฎของ Kirchhoff ถือว่าระบบอิเล็กทรอนิกส์ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงค่าใช้จ่ายทั้งหมดได้อย่างมีนัยสำคัญ

เราทราบว่าการทดสอบเชิงทดลองที่ดีที่สุดของกฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้าคือการค้นหาการสลายตัวของอนุภาคมูลฐานที่จะได้รับอนุญาตในกรณีของการอนุรักษ์ประจุที่ไม่เข้มงวด การสลายตัวดังกล่าวไม่เคยเกิดขึ้นในทางปฏิบัติ

วิธีอื่นในการทำให้ร่างกายเกิดกระแสไฟฟ้า:

1. หากแผ่นสังกะสีแช่อยู่ในสารละลายของกรดซัลฟิวริก H2SO4 ก็จะละลายในบางส่วน อะตอมบางส่วนบนแผ่นสังกะสี เหลืออิเล็กตรอนสองตัวไว้บนแผ่นสังกะสี จะเข้าสู่สารละลายด้วยชุดของกรดในรูปของไอออนสังกะสีประจุบวกที่มีประจุบวกสองเท่า เป็นผลให้แผ่นสังกะสีจะถูกประจุด้วยไฟฟ้าลบ (อิเลคตรอนส่วนเกิน) และสารละลายกรดซัลฟิวริกจะถูกประจุด้วยประจุบวก (อิออนบวกของสังกะสีส่วนเกิน) คุณสมบัตินี้ใช้ในการทำให้สังกะสีเป็นไฟฟ้าในสารละลายกรดซัลฟิวริก ในเซลล์กัลวานิก เป็นกระบวนการหลักในการเกิดพลังงานไฟฟ้า

2. ถ้ารังสีของแสงตกลงบนพื้นผิวของโลหะ เช่น สังกะสี ซีเซียม และอื่นๆ อิเล็กตรอนอิสระจะถูกปล่อยออกจากพื้นผิวเหล่านี้สู่สิ่งแวดล้อม เป็นผลให้โลหะมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก และพื้นที่รอบๆ มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ การปล่อยอิเล็กตรอนจากพื้นผิวที่ส่องสว่างของโลหะบางชนิดเรียกว่าโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ ซึ่งพบการใช้งานในเซลล์แสงอาทิตย์

3. ถ้าตัวโลหะถูกทำให้ร้อนจนเป็นความร้อนสีขาว อิเล็กตรอนอิสระจะบินจากพื้นผิวไปยังพื้นที่โดยรอบเป็นผลให้โลหะที่สูญเสียอิเลคตรอนจะถูกประจุไฟฟ้าบวกและประจุไฟฟ้าลบรอบๆ

4. หากคุณบัดกรีปลายของสายไฟสองเส้นที่แตกต่างกัน เช่น บิสมัทและทองแดง และให้ความร้อนที่จุดเชื่อมต่อ จากนั้นอิเล็กตรอนอิสระบางส่วนจะผ่านจากลวดทองแดงไปยังบิสมัท เป็นผลให้ลวดทองแดงจะถูกชาร์จด้วยไฟฟ้าบวกในขณะที่ลวดบิสมัทจะถูกชาร์จด้วยไฟฟ้าลบ ปรากฏการณ์การเกิดไฟฟ้าของวัตถุทั้งสองเมื่อดูดซับพลังงานความร้อน ใช้ในเทอร์โมคัปเปิล.

ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ของวัตถุที่ถูกไฟฟ้าเรียกว่าปรากฏการณ์ทางไฟฟ้า

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุไฟฟ้าถูกกำหนดโดยสิ่งที่เรียกว่า แรงไฟฟ้าที่แตกต่างจากแรงของธรรมชาติอื่นตรงที่พวกมันทำให้วัตถุที่มีประจุไฟฟ้าผลักกันและดึงดูดซึ่งกันและกัน โดยไม่คำนึงถึงความเร็วของการเคลื่อนที่

ด้วยวิธีนี้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุที่มีประจุจะแตกต่างกันไปเช่นจากแรงโน้มถ่วงซึ่งมีลักษณะโดยแรงดึงดูดของร่างกายเท่านั้นหรือจากแรงกำเนิดของแม่เหล็กซึ่งขึ้นอยู่กับความเร็วสัมพัทธ์ของการเคลื่อนที่ของประจุทำให้เกิดแม่เหล็ก ปรากฏการณ์.

วิศวกรรมไฟฟ้าส่วนใหญ่ศึกษากฎของการแสดงภายนอกของคุณสมบัติของวัตถุไฟฟ้า - กฎของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

เราหวังว่าบทความสั้น ๆ นี้จะให้แนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับพลังงานไฟฟ้าของวัตถุ และตอนนี้คุณรู้วิธีทดลองตรวจสอบกฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้าโดยใช้การทดลองอย่างง่าย