В ходе данного урока мы продолжим знакомиться с «китами», на которых стоит электродинамика, - электрическими зарядами. Мы изучим процесс электризации, рассмотрим, на каком принципе основан этот процесс. Поговорим о двух типах зарядов и сформулируем закон сохранения этих зарядов.

На прошлом уроке мы уже упоминали о ранних экспериментах в электростатике. Все они были основаны на натирании одного вещества о другое и дальнейшем взаимодействии этих тел с малыми объектами (пылинками, клочками бумаги…). Все эти опыты основаны на процессе электризации.

Определение. Электризация – разделение электрических зарядов. Это значит, что электроны от одного тела переходят к другому (рис. 1).

Рис. 1. Разделение электрических зарядов

До момента открытия теории о двух принципиально разных зарядах и элементарного заряда электрона считалось, что заряд – некая невидимая сверхлегкая жидкость, и, если она есть на теле, значит, тело обладает зарядом и наоборот.

Первые серьезные опыты по электризации различных тел, как уже было сказано на предыдущем уроке, проводил английский ученый и врач Уильям Гильберт (1544-1603), однако ему не удавалось наэлектризовать металлические тела, и он посчитал, что электризация металлов невозможна. Однако это оказалось неправдой, что впоследствии доказал русский ученый Петров. Однако следующий более важный шаг в исследовании электродинамики (а именно открытие разнородных зарядов) сделал французский ученый Шарль Дюфе (1698-1739). В результате своих опытов он установил наличие, как он их назвал, стеклянных (трение стекла о шелк) и смоляных (янтаря о мех) зарядов.

Еще через некоторое время были сформулированы следующие законы (рис. 2):

1) одноименные заряды взаимно отталкиваются;

2) разноименные заряды взаимно притягиваются.

Рис. 2. Взаимодействие зарядов

Обозначения положительных (+) и отрицательных (–) зарядов было введено американским ученым Бенджамином Франклином (1706-1790).

По договоренности принято называть положительным заряд, который образуется на стеклянной палочке, если натирать ее бумагой или шелком (рис. 3), а отрицательный – на эбонитовой или янтарной палочке, если натирать ее мехом (рис. 4).

Рис. 3. Положительный заряд

Рис. 4. Отрицательный заряд

Открытие Томсоном электрона наконец дало ученым понять, что при электризации никакая электрическая жидкость не сообщается телу и никакой заряд не наносится извне. Происходит перераспределение электронов, как мельчайших носителей отрицательного заряда. В области, куда они приходят, их количество становится большим, чем количество положительных протонов. Таким образом, появляется нескомпенсированный отрицательный заряд. И наоборот, в области, откуда они уходят, появляется нехватка отрицательных зарядов, необходимых для компенсации положительных. Таким образом, область заряжается положительно.

Было установлено не только наличие двух разных видов зарядов, но и два различных принципа их взаимодействия: взаимное отталкивание двух тел, заряженных одноименными зарядами (одного знака) и соответственно притяжение разноименно заряженных тел.

Электризация может производиться несколькими способами:

• трением;
• прикосновением;
• ударом;
• наведением (через влияние);
• облучением;
• химическим взаимодействием.

Электризация трением и электризация соприкосновением

Когда стеклянную палочку натирают о бумагу, палочка получает положительный заряд. Соприкасаясь с металлической стойкой, палочка передает положительный заряд бумажному султану, и его лепестки отталкиваются друг от друга (рис. 5). Этот опыт говорит о том, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга.

Рис. 5. Электризация прикосновением

В результате трения о мех эбонит приобретает отрицательный заряд. Поднося эту палочку к бумажному султану, видим, как лепестки притягиваются к ней (см. рис. 6).

Рис. 6. Притяжение разноименных зарядов

Электризация через влияние (наведение)

Поставим на подставку с султаном линейку. Наэлектризовав стеклянную палочку, приблизим ее к линейке. Трение между линейкой и подставкой будет небольшим, поэтому можно наблюдать взаимодействие заряженного тела (палочки) и тела, у которого заряда нет (линейка).

При проведении каждого эксперимента совершалось разделение зарядов, никаких новых зарядов не возникало (рис. 7).

Рис. 7. Перераспределение зарядов

Итак, если мы сообщили любым из вышеуказанных способов электрический заряд телу, нам, конечно же, необходимо каким-либо способом оценить величину этого заряда. Для этого используется прибор электрометр, который был придуман русским ученым М.В. Ломоносовым (рис. 8).

Рис. 8. М.В. Ломоносов (1711-1765)

Электрометр (рис. 9) состоит из круглой банки, металлического стержня и легкого стержня, который может вращаться вокруг горизонтально расположенной оси.

Рис. 9. Электрометр

Сообщая заряд электрометру, мы в любом случае (и для положительного, и для отрицательного заряда) заряжаем и стержень, и стрелку одноименными зарядами, в результате чего стрелка отклоняется. По углу отклонения и оценивается заряд (рис. 10).

Рис. 10. Электрометр. Угол отклонения

Если взять наэлектризованную стеклянную палочку, прикоснуться ею к электрометру, то стрелка отклонится. Это говорит о том, что электрометру был сообщен электрический заряд. В ходе этого же эксперимента с эбонитовой палочкой этот заряд компенсируется (рис. 11).

Рис. 11. Компенсация заряда электрометра

Так как уже было указано, что никакого создания заряда не происходит, а происходит лишь перераспределение, то имеет смысл сформулировать закон сохранения заряда:

В замкнутой системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной (рис. 12). Замкнутой системой называется система тел, из которой заряды не уходят и в которую заряженные тела или заряженные частицы не поступают.

Рис. 13. Закон сохранения заряда

Данный закон напоминает о законе сохранения массы, так как заряды существуют только вместе с частицами. Очень часто заряды по аналогии называют количеством электричества .

До конца закон сохранения зарядов не объяснен, так как заряды появляются и исчезают только попарно. Другими словами, если заряды рождаются, то только сразу положительный и отрицательный, причем равные по модулю.

На следующем уроке мы подробнее остановимся на количественных оценках электродинамики.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
3. Касьянов В.А. Физика 10 класс. - М.: Дрофа, 2010.

1. Интернет-портал «youtube.com» ()
2. Интернет-портал «abcport.ru» ()
3. Интернет-портал «planeta.edu.tomsk.ru» ()

Домашнее задание

1. Стр. 356: № 1-5. Касьянов В.А. Физика 10 класс. - М.: Дрофа. 2010.
2. Почему отклоняется стрелка электроскопа, если к нему прикоснуться заряженным телом?
3. Один шар заряжен положительно, второй - отрицательно. Как изменится масса шаров при их соприкосновении?
4. *К шару заряженного электроскопа поднесите, не дотрагиваясь, заряженный металлический стержень. Как изменится отклонение стрелки?

Подвесив на двух нитях лёгкие шарики из фольги и коснувшись каждого из них стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, можно увидеть, что шарики оттолкнутся дpуг от друга. Если потом коснуться одного шарика стеклянной палочкой, потёpтой о шёлк, а другого эбонитовой палочкой, потёpтoй о мех, то шарики притянутся дpуг к другу. Это означает, что стеклянная и эбонитовая палочки при трении приобретают заряды разных знаков , т.е. в природе существуют два рода электрических зарядов , имеющих противоположные знаки: положительный и отрицательный. Условились считать, что стеклянная палочка, потёртая о шёлк, приобретает положительный заряд , а эбонитовая палочка, потёртая о мех, приобретает отрицательный заряд .

Из описанного опыта также следует, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом . Такое взаимодействие зарядов называют электрическим. При этом одноимённые заряды, т.е. заряды одного знака, отталкиваются друг от друга, а разноимённые заряды притягиваются друг к другу.

На явлении отталкивания одноимённо заряженных тел основано устройство электроскопа - прибора, позволяющего определить, заряжено ли данное тело, и электрометра , прибора, позволяющего оценить значение электрического заряда.

Если заряженным телом коснуться стержня электроскопа, то листочки электроскопа разойдутся, поскольку они приобретут заряд одного знака. То же произойдёт со стрелкой электрометра, если коснуться заряженным телом его стержня. При этом, чем больше заряд, тем на больший угол отклонится стрелка от стержня.

Из простых опытов следует, что сила взаимодействия между заряженными телами может быть больше или меньше в зависимости от величины приобретённого заряда. Таким образом, можно сказать, что электрический заряд, с одной стороны, характеризует способность тела к электрическому взаимодействию, а с другой стороны, является величиной, определяющей интенсивность этого взаимодействия.

Заряд обозначают буквой q , за единицу заряда принят кулон : [q ] = 1 Кл .

Если коснуться заряженной палочкой одного электрометра, а затем этот электрометр соединить металлическим стержнем с другим электрометром, то заряд, находящийся на первом электрометре, поделится между двумя электрометрами. Можно затем соединить электрометр с ещё несколькими электрометрами, и заряд будет делиться между ними. Таким образом, электрический заряд обладает свойством делимости . Пределом делимости заряда, т.е. наименьшим зарядом, существующим в природе, является заряд электрона . Заряд электрона отрицателен и равен 1,6*10 -19 Кл . Любой другой заряд кратен заряду электрона.

Грей сделал ещё одно очень важное открытие, значение которого было понято позднее. Все знали, что если прикоснуться изолированным металлическим цилиндриком к наэлектризованной стеклянной палочке, то на цилиндрик также перейдет электричество. Однако оказалось, что можно наэлектризовать цилиндрик, и не касаясь стеклянной палочки, а только приблизив его к ней. Пока цилиндрик будет находиться вблизи наэлектризованной палочки, на нем обнаруживается электричество.

Опубликованные опыты Грея вызвали интерес у французского физика Шарля Франсуа Дюфе (1698–1739) и побудили его приняться за эксперименты в области изучения электричества. Опыты с первым электрическим маятником , т.е. с деревянным шариком, подвешенным на тонкой шелковой нити (рис. 5.2), проведенные около 1730 г., показали, что такой шарик притягивается натертой палочкой сургуча. Но лишь стоит коснуться ее, как шарик немедленно отталкивается от сургучной палочки, как будто избегая ее. Если теперь поднести к шарику стеклянную трубку, потертую об амальгамированную кожу, то шарик будет притягиваться к стеклянной трубке и отталкиваться от сургучной палочки. Это различие, впервые отмеченное Шарлем Дюфе, привело его к открытию, что наэлектризованные тела притягивают ненаэлектризованные, и как только последние посредством прикосновения наэлектризуются, они начинают отталкиваться друг от друга. Он устанавливает наличие двух противоположных родов электричества, которые называет стеклянным и смоляным электричеством. Он ещё замечает, что первое обнаруживается на стекле, драгоценных камнях, волосах, шерсти и т.д., в то время как второе возникает на янтаре, смоле, шелке и т.д. Дальнейшие исследования показали, что все тела электризуются либо как стекло, потертое о кожу, либо как смола, потертая о мех. Следовательно, имеются два вида электрических зарядов, причем однородные заряды отталкиваются друг от друга, а разнородные притягиваются. Силы взаимодействия электрических

зарядов, проявляющиеся в притяжении или отталкивании, называются электрическими. То есть электрические силы создаются электрическими зарядами и действуют на заряженные тела или частицы.

Избыток зарядов какого-либо одного вида в данном теле называется величиной его заряда, или, иначе, количеством электричества (q ).

Шарль Дюфе был первым ученым, извлекавшим электрические искры из наэлектризованного человеческого тела, находившегося на изолированной подставке. Этот опыт в то время был настолько новым и оригинальным, что аббат Жан Нолле (1700–1770), тоже занимавшийся изучением электрических явлений, был приведен в ужас, когда впервые его увидел.

Очень удачное обозначение двух родов электричества, удержавшееся до нашего времени, дал выдающийся американский физик Бенджамин Франклин.

«Смоляное» электричество было названо Франклином отрицательным, а «стеклянное» – положительным. Эти названия он выбрал потому, что «смоляное» и «стеклянное» электричества, подобно положительной и отрицательной величинам, взаимно уничтожаются.

Явления электризации объясняются особенностями строения атомов и молекул различных веществ. Ведь все тела построены из атомов. Каждый атом состоит из заряженного положительно атомного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных частиц – электронов. Атомные ядра различных химических элементов не одинаковы, а отличаются величиной заряда и массой. Электроны же все совершенно тождественны, однако их число и расположение в разных атомах различны.

Чтобы получить представление о величине заряда в 1 Кл, рассчитаем силу взаимодействия двух зарядов по одному кулону каждый, помещенных в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга. Воспользовавшись формулой закона Кулона, получаем, что F = 9·10 9 Н, или приблизительно 900000 тонн. Таким образом, 1 Кл – очень большой заряд. На практике такие заряды не встречаются.

С их помощью Кулон определил, что два маленьких наэлектризованных шарика оказывают друг на друга в направлении линии их соединения в зависимости от того, наэлектризованы они одноименно или разноименно, притягивающую или отталкивающую силу взаимодействия F , равную произведению их точечных электрических зарядов (соответственно q 1 и q 2 ), деленному на квадрат расстояния r между ними. То есть

Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806) – французский физик и инженер – для измерения силы магнитного и электрического притяжения сконструировал крутильные весы.

При нормальном состоянии атома положительный заряд его ядра равен общему отрицательному заряду электронов этого атома, так что любой атом в нормальном состоянии электрически нейтрален. Но под влиянием внешних воздействий атомы могут терять часть своих электронов, тогда как заряд их ядер при этом остается неизменным. В этом случае атомы заряжаются положительно и называются положительными ионами. Атомы могут также присоединять к себе добавочные электроны и заряжаться при этом отрицательно. Такие атомы называются отрицательными ионами.

Закон, по которому два наэлектризованных тела действуют друг на друга, был впервые сформулирован в 1785 г. Шарлем Кулоном в опыте с прибором, названным им крутильными весами (рис. 5.3).

F = (q 1 · q 2 )/4 π ε а r 2 ,

где ε а – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, в которой находятся заряды; r – расстояние между зарядами.

Этот вывод получил название закона Кулона. Впоследствии именем Кулона была названа единица количества электричества , используемая в электротехнической практике.

В системе СИ за единицу количества электричества принимается один кулон (1 Кл) – заряд, протекающий через поперечное сечение проводника за одну секунду при силе тока в один ампер.

Все наэлектризованные тела приобретают свойство притягивать к себе другие тела, например листочки бумаги. По притяжению тел нельзя отличить электрический заряд стеклянной палочки, потертой о шелк, от заряда, полученного на эбонитовой палочке, потертой о мех. Ведь обе наэлектризованные палочки притягивают листочки бумаги.

Означает ли это, что заряды, полученные на телах, сделанных из различных веществ, ничем не отличаются друг от друга?

Обратимся к опытам. Наэлектризуем эбонитовую палочку, подвешенную на нити. Приблизим к ней другую такую же палочку, наэлектризованную трением о тот же кусочек меха. Палочки оттолкнутся (рис. 212). Поскольку палочки одинаковые и наэлектризовали их трением об одно и то же тело, можно сказать, что на них были заряды одного рода. Значит, тела, которым сообщены заряды одного рода, взаимно отталкиваются.

Теперь поднесем к наэлектризованной эбонитовой палочке стеклянную палочку, потертую о шелк. Мы увидим, что стеклянная и эбонитовая палочки взаимно притягиваются (рис. 213). Следовательно, заряд, полученный на стекле, потертом о шелк, другого рода, чем на эбоните , потертом о мех. Значит, существует два рода электрических зарядов.

Будем приближать к подвешенной наэлектризованной эбонитовой палочке другие наэлектризованные тела из различных веществ: резины, плексигласа, пластмассы, капрона. Мы увидим, что в одних случаях эбонитовая палочка отталкивается от поднесенных к ней тел, а в других - притягивается к ним. Если эбонитовая палочка оттолкнулась, значит, на поднесенном к ней теле заряд такого же рода, как и на ней. А заряд тех тел, к которым эбонитовая палочка притянулась, сходен с зарядом, полученным на стекле, потертом о шелк. Поэтому можно считать, что существует только два рода электрических зарядов.

Заряд, полученный на стекле, потертом о шелк (и на всех телах, где получается заряд такого же рода), назвали положительным, а заряд, полученный на янтаре (а также эбоните, сере, резине ), потертом о шерсть, назвали отрицательным.

Итак, опыты показали, что существует два рода электрических зарядов - положительные и отрицательные заряды и что наэлектризованные тела по-разному взаимодействуют друг с другом.

Тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды противоположного знака, взаимно притягиваются.

Вопросы. 1. Как взаимодействуют друг с другом две эбонитовые папочки, наэлектризованные трением о мех? 2. Как показать, что заряд, полученный на стекле; потертом о шелк, является зарядом другого рода, чем заряд эбонитовой палочки, потертой о шерсть? 3. Какие два рода электрических зарядов существуют в природе? Как их называют? 4. Как взаимодействуют тела, имеющие заряды одного знака? разного знака?

Задание.

Оберните круглый карандаш металлической бумагой (фольгой) и осторожно снимите с карандаша образовавшуюся гильзу. Подвесьте ее на шелковой или капроновой нити, как показано на рисунке 214. Коснитесь гильзы наэлектризованным телом, заряд которого известен. Затем наэлектризуйте другие тела и, поднося их к гильзе, определите знак их заряда.

Физика 8 класс. ДВА РОДА ЗАРЯДОВ

Существуют два рода электрических зарядов: положительные и отрицательные.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ТЕЛ

Наэлектризованные тела взаимодействуют друг с другом:

Тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, взаимно отталкиваются.
А тела, имеющие заряды противоположного знака, взаимно притягиваются.

ЭЛЕКТРОСКОП

Существуют две близкие разновидности приборов для обнаружения электрических зарядов:
электроскоп или электрометр.

Электроскоп состоит из металлического стержня, пропущенного через диэлектрическую пробку, и подвешенных к нему двух лепестков из металлической фольги. При прикосновении к стержню заряженным телом листочки оказываются одноименно заряженными и отклоняются друг от друга.

В электрометре к металлическому стержню подсоединена металлическая стрелка, которая может свободно вращаться. При прикосновении к стержню заряженным телом стрелка получает заряд такого же знака и пытается оттолкнуться от одноименно заряженного стержня, указывая на измерительной шкале величину заряда.

По величине угла расхождения лепестков электроскопа или по углу отклонения стрелки электрометра можно судить о величине электрического заряда.

Заряженный электроскоп позволяет обнаружить зарядом какого знака наэлектризовано тело.

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ?

Что ученый Роберт Бойль родился в Ирландии в 1627 г.
Наука 17 века знала два проявления электрического поля – электрическое притяжение и отталкивание. Посредством опытов Бойль доказал, что в пустоте электрические опыты удаются так же, как и в обычных условиях. То есть с современной точки зрения был сделан вывод о том, что электрическое поле может существовать в вакууме.
Бойль сделал ряд наблюдений над свойствами наэлектризованных тел. Например, что дым также притягивается наэлектризованными телами и, что не только наэлектризованное тело притягивает не наэлектризованное, но и наоборот, первое притягивается вторым.

КАК ИЗОБРЕТАЛИ ЭЛЕКТРОСКОП?

Как известно, самая первая приемлемая конструкция электроскопа была предложена Г.В.Рихманом, который измерял электрический заряд по отклонению от заряженной стойки льняной нити.
К нижнему концу шеста прикрепляли железную линейку, к верхней части которой приклеивали шелковую нить. При приближении грозы металлический шест и линейка с нитью заряжались, и нить, отталкиваясь от нее, отклонялась на некоторый угол. При близкой и сильной грозе из линейки извлекали искры.

Затем для этих же целей аббат Нолле предложил пользоваться двумя взаимно отталкивающимися нитями.

Член Лондонского королевского общества Джон Кантон в 1753 году разработал конструкцию, в которой нити уже не так чувствительно реагировали на движение воздуха или на дыхание экспериментатора. Он подвешивал на концы нитей шарики из пробки или бузины.
Вот как был устроен электроскоп Кантона: "Подвесьте к потолку на льняных нитях два пробковых шарика величиной с малую горошину каждый так, чтобы они соприкасались друг с другом. Подведите к шарикам снизу возбужденную электричеством стеклянную трубку
– тогда шарики разойдутся".