Электризация тел. Два рода зарядов. Проводники и диэлектрики

Об особых явлениях природы, называемых электрическими, люди знают уже несколько тысяч лет. Однако объяснить большинство из них оказалось совсем не просто. Только к середине XIX в. появилась теория, которая смогла не только объяснить, но и предсказать множество новых явлений и фактов.

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, проводной и мобильный 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. Так что же представляют собой электрические явления?

Рассмотрим сначала наиболее простые из них. Для этого проделаем такой опыт. Возьмём стеклянную палочку и потрём её шёлк.

Поднесём палочку к кусочкам бумаги — палочка приобрела свойство притягивать к себе лёгкие бумажки.

А если мы поднесём эту палочку к тонкой струйке воды, то заметим, как последняя начинает искривляться.

Способностью притягивать к себе лёгкие тела обладает не только потёртая о шёлк стеклянная палочка, но и многие другие вещества. Например, ещё в Древней Греции учёные проводили подобные опыты, натирая шерстью кусочки янтаря. Именно благодаря слову «янтарь» (а по-гречески «янтарь» — это электрон) и образовались слова «электричество», «электрический» и т. д.

Тела, которые в результате трения приобретают свойство притягивать к себе другие тела, называются наэлектризованными или заряженными. В этом случае говорят, что телам сообщён электрический заряд.

В XVIII в. были установлены два важных свойства электризации:

1)    при трении электризуются, или приобретают электрический заряд, оба тела (янтарь и ткань, 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 кусок резинового шланга и стеклянную палочку.

Оба тела после этого притягивают к себе лёгкую гильзу. Значит, электрические заряды при трении появились у обоих тел.

2)    появляющиеся на телах заряды принципиально отличаются друг от друга. Они разноимённые.

Докажем это на опыте. Из металлической фольги сделаем лёгкий небольшой шарик и подвесим его на шёлковой нити. Теперь дотронемся стеклянной палочкой, потёртой о бумагу, до этого шарика. Шарик оттолкнётся от палочки, отклонится на некоторый угол и останется в этом положении. То же самое произойдёт, если повторить опыт, но вместо стеклянной взять эбонИтовую или пластмассовую палочку, потереть её шерстью или кусочком меха и дотронуться до другого такого же шарика.

Если поднести теперь друг к другу эти наэлектризованные шарики, то они сразу же притянутся.

Попробуйте предсказать, изменится ли характер взаимодействия наэлектризованных шариков, если их зарядить одной и той же палочкой (всё равно какой).

Правы будут те, кто предположил, что они оттолкнутся друг от друга.

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.

Причина разного характера взаимодействия наэлектризованных тел заключается в том, что в природе существуют два рода электрических зарядов, имеющих противоположные знаки: положительный (+) и отрицательный (−).

Все наэлектризованные тела обладают определённым положительным или отрицательным зарядом. И значение заряда может быть разным. Значит, электрический заряд — это физическая величина, которая может иметь положительное или отрицательное значение.

Приписывание заряду положительного и отрицательного значения условно. Просто договорились считать, что заряд, приобретённый стеклянной палочкой, потёртой о бумагу (или шёлк), — положительным, а заряд, полученный на эбонитовой палочке (или янтаре), потёртой о мех, — отрицательным.

На явлении отталкивания заряженных тел основан принцип действия простейшего прибора, при помощи которого выясняют, наэлектризовано ли тело. Этот прибор называют электроскопом. Он 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 заряженным телом или палочкой дотронуться 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 совершенным прибором 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.

А теперь зададимся вопросом: можно ли полученный на наэлектризованном теле заряд передать другому телу? Перейдёт ли, например, заряд от заряженного электроскопа к другому незаряженному электроскопу, если их соединить перемычкой?

Чтобы ответить на этот вопрос, проведём серию опытов, используя для соединения заряженного и незаряженного электроскопов перемычки из различных веществ.

Опыт показывает, что через перемычку из таких веществ, как стекло, резина, различные пластмассы, заряд с одного электроскопа на другой не переходит. Такие вещества являются диэлектриками (в быту их часто называют изоляторами).

Именно из таких веществ изготовлены оболочки проводов, штепсельные вилки, ручки отвёрток и так далее. Диэлектриком является и воздух.

Если же соединить электроскопы перемычкой из любого металла, часть электрического заряда переходит ко второму прибору.

Металлы (и в твёрдом, и в жидком состоянии) — типичные представители проводников. К проводникам также относятся большинство жидкостей: растворы кислот, солей, включая обычную питьевую воду. Проводником является и тело человека, состоящее более чем на две трети из жидкости.

Очень важно понять, что идеальных диэлектриков в природе нет. У любого диэлектрика можно обнаружить хотя бы малую проводимость.

Так, если оставить на несколько часов заряженный электроскоп, то его заряд со временем уменьшится. Это говорит о наличии некоторой проводимости у воздуха.

Все вы неоднократно наблюдали молнию и электрическую дугу при сварке металлов. Эти явления свидетельствуют о том, что воздух при определённых условиях становится очень хорошим проводником.

Даже такие отличные диэлектрики, как фарфор и стекло, могут превратиться в проводники. Именно поэтому в линиях электропередач применяются не одиночные, а целые гирлянды изоляторов.

В XX в. была открыта третья группа веществ — полупроводники. У этих веществ (например, германия или кремния) способность проводить заряд (то есть проводимость) во много раз хуже, чем у проводников. Но очень важно, что у полупроводников проводимость можно значительно увеличить различными воздействиями, например, нагреванием, освещением или радиационным облучением. Это связано с особенностью строения веществ этой группы.

Именно полупроводники позволили создать сложнейшие устройства: компьютер, солнечные батареи для спутников, калькулятор, мобильный телефон и многое другое.