Электризация тел. Взаимодействие электрических зарядов

Электричество, электрический ток электрической энергии. Эти слова знакомы сейчас каждому. Сегодня трудно и даже невозможно представить нашу жизнь без электричества. Мы почти автоматически нажимаем кнопки выключателей и включаем самые разнообразные приборы и технические устройства, делающие нашу жизнь комфортной. Электролампы освещают наши квартиры и улицы. Компьютеры, радиоприёмники, телевизоры и телефоны — все эти устройства используют электричество. Но с электричеством связана не только работа современных приборов и технических устройств. Оно играет гораздо более важную роль. Электрические силы взаимодействия атомов и молекул ответственны за обмен веществ в человеческом организме. Но что такое электричество и какова его природа? Чтобы ответить на эти вопросы вспомним сначала происхождение термина электричество.

Ещё в VII в. до н. э. учёные Древней Греции установили тот факт, что после натирания шерстью янтарных предметов к ним притягиваются лёгкие тела.

В конце XVI столетия английский учёный Уильям Гильберт обнаружил, что свойством притягивать лёгкие предметы обладает не только янтарь, но и многие другие тела, предварительно натёртые кожей или другими мягкими материалами. Это явление он назвал электризацией (так как янтарь по-гречески звучит как, электрон). А тела, которые в результате трения приобретают свойство притягивать к себе другие тела, стали называть наэлектризованными или заряженными. В этом случае говорят, что телам сообщён электрический заряд.

В XVIII веке были установлены два важных свойства электризации. Во-первых, при трении электризуются оба тела (янтарь и шерсть, стеклянная палочка и бумага). Но само трение малосущественно: оно лишь увеличивает площадь соприкосновения тел.

Сказанное мы можем проверить на опыте. Потрём друг о друга чистые и сухие резиновую и стеклянную палочки. А теперь поочерёдно поднесём их к лёгкой станиолевой гильзе. Как видим, обе палочки притягивают её к себе. Значит, электрические заряды при трении появились у обоих тел.

Во-вторых, появляющиеся на телах заряды принципиально отличаются друг от друга. Докажем это на опыте. Для начала потрём стеклянную палочку о кусочек шёлка. А теперь дотронемся этой палочкой до станиолевой гильзы. Гильза оттолкнётся от палочки, отклонится на некоторый угол и останется в этом положении.

То же самое произойдёт, если повторить опыт, но вместо стеклянной палочки использовать эбонитовую, предварительно потёртую о шерсть. А если мы сейчас поднесём две наших заряженных гильзы друг к другу, то они сразу же притянутся.

Повторим эксперимент, но теперь зарядим гильзы одной и той же палочкой (всё равно какой). Вновь поднесём гильзы друг к другу. Как видим, теперь гильзы отталкиваются.

Таким образом, наэлектризованные или заряженные тела взаимодействуют между собой. Причём характер их взаимодействия может быть разным: они либо притягиваются, либо отталкиваются друг от друга, взаимодействуя при этом сильнее или слабее.

Ещё в 1729 году французский учёный Шарль Франсуа Дюфе проведя похожие эксперименты установил, что в природе существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным» соответственно.

В 1747 году американский учёный Бенджамин Франклин ввёл понятие положительного и отрицательного заряда, соответственно заряда, приобретённого стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, и заряда, полученного на янтаре, потёртым о мех.

Подобно тому, как масса определяет интенсивность гравитационного взаимодействия, электрический заряд является количественной мерой способности тел к электромагнитным взаимодействиям.

Итак, мы уже выяснили, что электрическое взаимодействие проявляется в том, что одноимённо заряженные тела (или частицы) отталкивают друг друга, а разноимённо — притягиваются. На этом явлении основан принцип действия простейшего прибора, при помощи которого выясняют, наэлектризовано тело или нет — электроскопа.

Напомним, что электроскоп состоит из металлического стержня, к концу которого прикреплены две тонкие бумажные полоски. Стержень с бумажными листочками вставляется в металлическую оправу, застеклённую с обеих сторон. Чтобы стержень не касался оправы, его пропускают через пластмассовую пробку. Если дотронуться заряженным телом до стержня электроскопа, то бумажные листочки оттолкнутся друг от друга. При этом чем более наэлектризовано тело, тем на больший угол они разойдутся. Значит, по изменению угла, на который расходятся листочки электроскопа, можно судить о степени наэлектризованности тела.

Более точным прибором для обнаружения заряда является электрометр. Сообщённый шарику, а через него стержню и стрелке заряд (любого знака) вызывает отталкивание стрелки от заряженного стержня. Нижний конец стрелки перемещается при этом по шкале. А металлический корпус позволяет использовать прибор и для более сложных измерений. Например, при помощи электрометра можно доказать, что при электризации трением оба тела, приобретают равные по модулю, но противоположные по знаку заряды. Покажем это.

Возьмём электрометр, на стержень которого надет полый металлический шар, и две пластинки — эбонитовую и плексигласовую. Наэлектризуем последние трением друг о друга.

Теперь внесём одну из них внутрь полого шара электрометра и убедимся, что он зарядился.

Снимем заряд с электрометра, прикоснувшись к нему рукой, и внесём внутрь шара вторую пластинку. Не трудно заметить, что стрелка электрометра отклонилась на такой же угол, что и в прошлый раз. Это убеждает нас в том, что каждая из пластинок действительно заряжается при трении друг о друга.

А теперь внесём внутрь шара одновременно обе заряженные пластинки. Как видим, электрометр не обнаруживает заряда — его стрелка не отклоняется.

Данный опыт позволяет нам ещё раз убедиться не только в том, что при электризации тела приобретают заряды противоположных знаков, но и в том, что эти заряды равны по модулю. Именно поэтому стрелка электрометра при внесении внутрь шара двух потёртых друг о друга пластин остаётся на нуле. Иначе говоря, алгебраическая сумма зарядов обеих пластинок и до, и после электризации равна нулю.

Мы уже знаем, что заряженное тело притягивает к себе другое заряженное тело, если их заряды разноимённые. Но почему к заряженному телу притягиваются незаряженные тела?

Первым почти верное объяснение данным явлениям дал Бенджамин Франклин. Так вот, он считал, что в любом незаряженном теле положительное и отрицательное электричество присутствуют всегда, но в равных количествах, так что имеет место их компенсация.

Подтвердим предположение Франклина, проведя такой опыт. Поднесём к шарику незаряженного электроскопа, не касаясь его, наэлектризованную палочку.

Электроскоп фиксирует появление на листочках заряда. Уберём палочку — листочки спадают. Значит, заряд от палочки к листочкам электроскопа не перешёл через воздух, а появился под влиянием заряженной палочки. Зная, что заряд может перемещаться в теле, мы можем объяснить произошедшее.

Итак, в любом незаряженном теле всегда имеются равные количества зарядов противоположных знаков, равномерно распределённых по всему телу (именно поэтому тело в целом является электрически нейтральным). Заряд же на поднесённой к электроскопу палочке притягивает к себе разноимённый и отталкивает одноимённый заряд на стержне и листочках электроскопа, что и объясняет появление заряда на листочках.

Это можно подтвердить более и наглядным опытом. Поднесём наэлектризованную палочку к одному из двух незаряженных электроскопов, соединённых медным стержнем. Как видим, оба прибора фиксируют появление заряда. Это объясняется тем, что два электроскопа и медный стержень образуют сейчас один большой проводник. На ближайшей его части распределён разноимённый заряд, а на дальней — одноименный. Отодвинем палочку — листочки электроскопов возвращаются в начальное положение. Теперь при поднесённой палочке уберём соединительную перемычку — оба прибора останутся заряженными. В том, что это равные разноимённые заряды, можно убедиться, вернув назад перемычку, соединяющую приборы — листочки в обоих приборах опадают.

Перераспределение зарядов в теле, вызываемое воздействием другого заряженного тела, называется электризацией через влияние или электростатической индукцией. С электризацией через влияние мы сталкиваемся достаточно часто. Например, следствием этого явления является молния (или грозовой разряд).

Экспериментальным путём было установлено, что распределение заряда зависит от размеров взаимодействующих тел. Например, если заряд передают от заряженного шара незаряженному шару точно такого же размера, то заряд разделится пополам. Однако, если незаряженный шар больше, то на него перейдёт больше половины заряда. Поэтому, чем больше тело, которому передают заряд, тем большая часть заряда на него перейдёт. Именно на этом факте основано заземление, то есть электрическое соединение предмета из проводящего материала с Землёй.

Теперь можно сформулировать закон сохранения электрического заряда, в основу которого легла гипотеза Бенджамина Франклина, выдвинутая им в 1747 году, и подтверждённая в 1843 году Майклом Фарадеем: в электрически изолированной системе тел алгебраическая сумма зарядов всех тел остаётся постоянной:

Обратите внимание на то, что выполняется закон сохранения заряда только для электрически изолированных систем, которые не обменивается электрически заряженными частицами с внешними телами.

А теперь давайте проведём с вами такой опыт. Возьмём заряженный электрометр и с помощью медного стержня соединим его с точно таким же электрометром, только незаряженным. Как видим практически половина заряда перешла с первого электрометра на второй. Теперь разрядим второй электрометр, коснувшись рукой и вновь присоединим его к первому, на котором осталась половина первоначального заряда.

Отклонившиеся, но уже на меньший угол, стрелки опять показывают присутствие заряда на обоих приборах. Только на каждом из них теперь лишь по четверти первоначального заряда. Очевидно, что, продолжая подобное деление, можно получить одну восьмую, одну шестнадцатую и так далее части начального заряда. Из истории физики известно, что уже более ста лет назад учёные умели делить заряд. Но самым важным для них было выяснить: существует ли в природе наименьший заряд, то есть такой, который разделить уже невозможно?

Опыты, позволившие найти «наименьшую порцию электричества», то есть элементарный заряд, были проведены одновременно в 1910—1913 годах американцем Робертом Милликеном и российским физиком Абрамом Фёдоровичем Иоффе.

В их опытах заряженная очень малая капелька масла (в опытах Милликена) и пылинка цинка (в опытах Иоффе) «зависала» между заряженными пластинами. Электрическая сила, компенсирующая силу тяжести, зависела от заряда капельки или пылинки, что позволило учёным судить о значении этого заряда. В обоих опытах были получены одинаковые результаты: заряд не мог принимать любое значение и всегда был кратен одному и тому же числу — заряду электрона. Так как этот заряд дальше уже не делился, то его и назвали элементарным зарядом, модуль которого равен модулю заряда электрона.

|е| = 1,6 · 10^–19 Кл.

Таким образом, любой электрический заряд дискретен, то есть он может быть больше заряда электрона только в целое число раз:

q = е (N_р – N_е) = Ne.