Statische Elektrizität

Vor Jahrhunderten wurde entdeckt, dass sich bestimmte Materialien auf mysteriöse Weise anziehen, nachdem sie aneinander gerieben wurden. Nachdem beispielsweise ein Stück Seide gegen ein Stück Glas gerieben wurde, neigen Seide und Glas dazu, aneinander zu kleben. Tatsächlich konnte eine Anziehungskraft nachgewiesen werden, selbst wenn die beiden Materialien getrennt wurden:

Glas und Seide sind nicht die einzigen Materialien, von denen bekannt ist, dass sie sich so verhalten. Jeder, der schon einmal an einem Latexballon gestreift hat, nur um festzustellen, dass er versucht, daran zu kleben, hat dasselbe Phänomen erlebt. Paraffinwachs und Wolltuch sind ein weiteres Materialpaar, das frühe Experimentatoren als Anziehungskräfte erkannten, nachdem sie aneinander gerieben wurden:

Dieses Phänomen wurde noch interessanter, als festgestellt wurde, dass sich identische Materialien nach dem Reiben mit ihren jeweiligen Tüchern immer gegenseitig abstoßen:

Es wurde auch festgestellt, dass sich die beiden Materialien anziehen, wenn ein mit Seide geriebenes Stück Glas einem mit Wolle geriebenem Wachs ausgesetzt wird:

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass jedes Material, das nach dem Reiben Anziehungs- oder Abstoßungseigenschaften zeigt, in eine von zwei verschiedenen Kategorien eingeteilt werden kann:von Glas angezogen und von Wachs abgestoßen oder von Glas abgestoßen und von Wachs angezogen. Entweder das eine oder das andere:Es wurden keine Materialien gefunden, die sowohl von Glas als auch Wachs angezogen oder abgestoßen würden oder auf das eine reagierten, ohne auf das andere zu reagieren.

Mehr Aufmerksamkeit wurde den Stoffstücken geschenkt, die zum Reiben verwendet wurden. Es wurde entdeckt, dass sich nach dem Reiben von zwei Glasstücken mit zwei Seidentüchern nicht nur die Glasstücke, sondern auch die Tücher abstoßen. Das gleiche Phänomen gilt für die Wollstücke, mit denen das Wachs gerieben wird:

Das war wirklich seltsam mitzuerleben. Schließlich wurde keines dieser Objekte durch das Reiben sichtbar verändert, dennoch verhielten sie sich definitiv anders als vor dem Reiben. Welche Veränderung auch immer stattfand, damit sich diese Materialien gegenseitig anziehen oder abstoßen, war unsichtbar.

Einige Experimentatoren spekulierten, dass während des Reibens unsichtbare „Flüssigkeiten“ von einem Objekt auf ein anderes übertragen würden und dass diese „Flüssigkeiten“ in der Lage seien, eine physikalische Kraft über eine Entfernung auszuüben. Charles Dufay war einer der frühen Experimentatoren, die demonstrierten, dass es definitiv zwei verschiedene Arten von Veränderungen gab, die durch das Aneinanderreiben bestimmter Objektpaare hervorgerufen wurden. Die Tatsache, dass sich in diesen Materialien mehr als eine Art von Veränderung manifestierte, wurde durch die Tatsache deutlich, dass zwei Arten von Kräften erzeugt wurden:Anziehung und Abstoßung . Der hypothetische Flüssigkeitstransfer wurde als Ladung bekannt .

Ein bahnbrechender Forscher, Benjamin Franklin, kam zu dem Schluss, dass zwischen geriebenen Objekten nur eine Flüssigkeit ausgetauscht wurde und dass die beiden unterschiedlichen „Ladungen“ nichts anderes als entweder ein Überschuss oder ein Mangel dieser einen Flüssigkeit waren. Nach Experimenten mit Wachs und Wolle schlug Franklin vor, dass die grobe Wolle etwas von dieser unsichtbaren Flüssigkeit aus dem glatten Wachs entfernt, was zu einem Flüssigkeitsüberschuss auf der Wolle und einem Flüssigkeitsmangel auf dem Wachs führt. Der resultierende Unterschied im Flüssigkeitsgehalt zwischen Wolle und Wachs würde dann eine Anziehungskraft verursachen, da die Flüssigkeit versuchte, ihr früheres Gleichgewicht zwischen den beiden Materialien wiederzuerlangen.

Die Postulierung der Existenz einer einzigen „Flüssigkeit“, die entweder durch Reiben gewonnen oder verloren wurde, erklärte das beobachtete Verhalten am besten:dass alle diese Materialien beim Reiben sauber in eine von zwei Kategorien fielen, und am wichtigsten, dass die beiden aktiven Materialien aneinander gerieben wurden andere fielen immer in gegensätzliche Kategorien wie ihre unveränderliche Anziehung zueinander zeigt. Mit anderen Worten, es gab nie eine Zeit, in der zwei Materialien aneinander gerieben beide wurde entweder positiv oder negativ.

Nach Franklins Spekulationen, dass die Wolle etwas vom Wachs reibt, wurde die Art der Ladung, die mit geriebenem Wachs verbunden war, als „negativ“ bekannt (weil sie einen Flüssigkeitsmangel haben sollte), während die Art der Ladung, die mit dem Reiben verbunden war Wolle wurde als „positiv“ bekannt (weil sie einen Flüssigkeitsüberschuss haben sollte). Er wusste nicht, dass seine unschuldige Vermutung in Zukunft bei Studenten der Elektrizitätslehre viel Verwirrung stiften würde!

Präzise Messungen der elektrischen Ladung wurden von dem französischen Physiker Charles Coulomb in den 1780er Jahren mit einem Gerät namens Torsionswaage durchgeführt Messen der Kraft, die zwischen zwei elektrisch geladenen Objekten erzeugt wird. Die Ergebnisse von Coulombs Arbeit führten zur Entwicklung einer ihm zu Ehren benannten Einheit elektrischer Ladung, der Coulomb . Wenn zwei „Punkt“-Objekte (hypothetische Objekte ohne nennenswerte Oberfläche) gleich auf ein Maß von 1 Coulomb aufgeladen und 1 Meter (etwa 1 Yard) voneinander entfernt platziert würden, würden sie eine Kraft von etwa 9 Milliarden Newton (etwa 2 Milliarden ) erzeugen Pfund) entweder anziehend oder abstoßend, je nach Art der Ladung. Die operative Definition eines Coulombs als Einheit der elektrischen Ladung (in Bezug auf die zwischen Punktladungen erzeugte Kraft) entspricht einem Überschuss oder Mangel von etwa 6.250.000.000.000.000.000 Elektronen. Oder umgekehrt ausgedrückt, ein Elektron hat eine Ladung von etwa 0,00000000000000000016 Coulomb. Da ein Elektron der kleinste bekannte Ladungsträger ist, wird diese letzte Ladungszahl für das Elektron als Elementarladung definiert .

Viel später wurde entdeckt, dass diese „Flüssigkeit“ tatsächlich aus extrem kleinen Materiestückchen besteht, die als Elektronen bezeichnet werden , so benannt nach dem altgriechischen Wort für Bernstein:ein anderes Material, das beim Reiben mit Stoff geladene Eigenschaften aufweist.

Die Zusammensetzung des Atoms

Seitdem haben Experimente ergeben, dass alle Objekte aus extrem kleinen „Bausteinen“ bestehen, die als Atome bekannt sind und dass diese Atome wiederum aus kleineren Komponenten bestehen, die als Partikel bekannt sind . Die drei fundamentalen Teilchen, aus denen die meisten Atome bestehen, heißen Protonen , Neutronen und Elektronen . Während die meisten Atome eine Kombination aus Protonen, Neutronen und Elektronen aufweisen, haben nicht alle Atome Neutronen; ein Beispiel ist das Protiumisotop (1H1) von Wasserstoff (Hydrogen-1), das die leichteste und häufigste Form von Wasserstoff ist, die nur ein Proton und ein Elektron hat. Atome sind viel zu klein, um gesehen zu werden, aber wenn wir uns eines ansehen könnten, könnte es so aussehen:

Obwohl jedes Atom in einem Materialstück dazu neigt, als Einheit zusammenzuhalten, gibt es tatsächlich viel leeren Raum zwischen den Elektronen und dem Protonen- und Neutronencluster in der Mitte.

Dieses grobe Modell ist das des Elements Kohlenstoff mit sechs Protonen, sechs Neutronen und sechs Elektronen. In jedem Atom sind Protonen und Neutronen sehr eng miteinander verbunden, was eine wichtige Eigenschaft ist. Der eng gebundene Klumpen aus Protonen und Neutronen im Zentrum des Atoms wird Kern genannt , und die Anzahl der Protonen im Atomkern bestimmt seine elementare Identität:Wenn Sie die Anzahl der Protonen im Atomkern ändern, ändern Sie die Art des Atoms, das es ist. In der Tat, wenn Sie drei Protonen aus dem Kern eines Bleiatoms entfernen könnten, haben Sie den Traum der alten Alchemisten erfüllt, ein Goldatom zu produzieren! Die enge Bindung von Protonen im Kern ist verantwortlich für die stabile Identität chemischer Elemente und das Scheitern der Alchemisten, ihren Traum zu verwirklichen.

Neutronen haben viel weniger Einfluss auf den chemischen Charakter und die Identität eines Atoms als Protonen, obwohl sie aufgrund ihrer engen Bindung genauso schwer zum Kern hinzugefügt oder daraus entfernt werden können. Wenn Neutronen hinzugefügt oder hinzugefügt werden, behält das Atom immer noch die gleiche chemische Identität, aber seine Masse ändert sich leicht und es kann seltsame nukleare annehmen Eigenschaften wie Radioaktivität.

Elektronen haben jedoch deutlich mehr Bewegungsfreiheit in einem Atom als entweder Protonen oder Neutronen. Tatsächlich können sie mit viel weniger Energie aus ihrer jeweiligen Position geschlagen werden (sogar das Atom vollständig verlassen!) Wenn dies geschieht, behält das Atom immer noch seine chemische Identität, aber es tritt ein wichtiges Ungleichgewicht auf. Elektronen und Protonen sind insofern einzigartig, als sie über eine Distanz voneinander angezogen werden. Es ist diese Anziehung über die Entfernung, die die Anziehung zwischen geriebenen Objekten verursacht, bei denen Elektronen von ihren ursprünglichen Atomen weg bewegt werden, um sich um Atome eines anderen Objekts zu befinden.

Elektronen neigen dazu, andere Elektronen über eine Entfernung abzustoßen, ebenso wie Protonen mit anderen Protonen. Der einzige Grund, warum sich Protonen im Atomkern zusammenschließen, ist eine viel stärkere Kraft, die als starke Kernkraft bezeichnet wird was nur auf sehr kurze Distanzen wirkt. Aufgrund dieses Anziehungs-/Abstoßungsverhaltens zwischen einzelnen Teilchen sollen Elektronen und Protonen entgegengesetzte elektrische Ladungen haben. Das heißt, jedes Elektron hat eine negative Ladung und jedes Proton eine positive Ladung. In gleicher Anzahl innerhalb eines Atoms wirken sie sich gegenseitig entgegen, sodass die Nettoladung innerhalb des Atoms null ist. Deshalb hat das Bild eines Kohlenstoffatoms sechs Elektronen:um die elektrische Ladung der sechs Protonen im Kern auszugleichen. Wenn Elektronen austreten oder zusätzliche Elektronen ankommen, ist die elektrische Nettoladung des Atoms unausgeglichen, sodass das Atom als Ganzes „geladen“ bleibt, wodurch es mit geladenen Teilchen und anderen geladenen Atomen in der Nähe wechselwirkt. Neutronen werden weder von Elektronen, Protonen oder sogar anderen Neutronen angezogen oder abgestoßen und werden daher als überhaupt ladungslos eingestuft.

Der Vorgang des Ankommens oder Verlassens von Elektronen ist genau das, was passiert, wenn bestimmte Materialkombinationen aneinander gerieben werden:Elektronen aus den Atomen des einen Materials werden durch die Reibung gezwungen, ihre jeweiligen Atome zu verlassen und auf die Atome des anderen Materials zu übertragen. Mit anderen Worten, Elektronen umfassen die von Benjamin Franklin hypothetische „Flüssigkeit“.

Was ist statische Elektrizität?

Das Ergebnis eines Ungleichgewichts dieser „Flüssigkeit“ (Elektronen) zwischen Objekten wird als statische Elektrizität bezeichnet . Es wird „statisch“ genannt, weil die verdrängten Elektronen dazu neigen, stationär zu bleiben, nachdem sie von einem isolierenden Material zum anderen bewegt wurden. Im Fall von Wachs und Wolle wurde durch weitere Experimente festgestellt, dass Elektronen in der Wolle tatsächlich auf die Atome im Wachs übergingen, was genau das Gegenteil von Franklins Vermutung ist! Zu Ehren von Franklins Bezeichnung der Ladung des Wachses als „negativ“ und der Ladung der Wolle als „positiv“ wird den Elektronen ein „negativer“ Ladungseinfluss zugeschrieben. Ein Objekt, dessen Atome einen Elektronenüberschuss erhalten haben, heißt also negativ geladen, während ein Objekt, dessen Atomen Elektronen fehlen, als positiv bezeichnet wird aufgeladen, so verwirrend diese Bezeichnungen auch erscheinen mögen. Als die wahre Natur der elektrischen "Flüssigkeit" entdeckt wurde, war Franklins Nomenklatur der elektrischen Ladung zu gut etabliert, um leicht geändert zu werden, und so ist es bis heute geblieben.

Michael Faraday bewies (1832), dass die statische Elektrizität die gleiche ist, die von einer Batterie oder einem Generator erzeugt wird. Statische Elektrizität ist in den meisten Fällen ein Ärgernis. Schwarzpulver und rauchfreies Pulver enthalten Graphit, um eine Entzündung durch statische Elektrizität zu verhindern. Es verursacht Schäden an empfindlichen Halbleiterschaltungen. Es ist zwar möglich, Motoren herzustellen, die durch statische Elektrizität mit hoher Spannung und niedrigem Strom gespeist werden, dies ist jedoch nicht wirtschaftlich. Zu den wenigen praktischen Anwendungen statischer Elektrizität gehören der xerografische Druck, der elektrostatische Luftfilter und der Hochspannungsgenerator von Van de Graaff.

RÜCKBLICK:

• Alle Materialien bestehen aus winzigen „Bausteinen“, die als Atome bekannt sind .
• Alle natürlich vorkommenden Atome enthalten Teilchen namens Elektronen , Protonen , und Neutronen , mit Ausnahme des Protiumisotops (₁ H ¹ ) von Wasserstoff.
• Elektronen haben eine negative (-) elektrische Ladung.
• Protonen haben eine positive (+) elektrische Ladung.
• Neutronen haben keine elektrische Ladung.
• Elektronen lassen sich viel leichter aus Atomen lösen als Protonen oder Neutronen.
• Die Anzahl der Protonen im Kern eines Atoms bestimmt seine Identität als einzigartiges Element.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt statische Elektrizität
• Atomstruktur-Arbeitsblatt