Электрическое поле. Делимость электрического заряда

На прошлом уроке мы с вами говорили об электризации тел и узнали, что в природе существует два вида электрических зарядов — положительный и отрицательный. Выяснили, что электрический заряд может перемещаться внутри тела или от одного тела к другому. Однако, рассматривая взаимодействие электрических зарядов, их перемещение в телах, мы не затрагивали очень важные вопросы: Что представляет собой электрический заряд? И может ли электрический заряд иметь любое, даже сколь угодно малое значение? На эти и другие вопросы мы с вами и попытаемся ответить.

На прошлом уроке мы с вами говорили о том, что электрический заряд — это физическая величина. А как и всякую физическую величину, количество электричества необходимо измерять, то есть нужно ввести единицу заряда. Такая единица в СИ носит название кулон, в честь французского учёного Ш. Кулона. Строгое определение этой единице мы дадим несколько позже. 1 Кл — очень большой заряд. Для выражения значений зарядов наэлектризованных тел используют дольные единицы:

Теперь попытаемся выяснить, какова же природа электрического заряда. Для этого проделаем такой опыт. Заряженный электроскоп соединим металлической палочкой, укреплённой в пластмассовой ручке, с незаряженным электроскопом Часть заряда, точнее, половина (поскольку электроскопы одинаковые), перейдёт с заряженного электроскопа на незаряженный.

Теперь разъединим электроскопы и разрядим второй из них, коснувшись рукой. Его листочки опадут, фиксируя отсутствие заряда.

Затем снова присоединим второй электроскоп к первому, на котором осталась половина первоначального заряда.

Отклонившиеся, но уже на меньший угол, листочки опять показывают присутствие заряда на обоих электроскопах. 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.

Интересно, как долго можно дробить первоначальный заряд? Существует ли предел подобного деления?

Школьные электроскопы — не очень чувствительные приборы. Довольно скоро заряд на шаре электроскопа настолько уменьшится, что электроскоп перестанет его фиксировать и листочки электроскопа не будут расходиться.

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?

Впервые мысль о том, что существует предельная, неделимая более «порция» электрического заряда, была выдвинута ещё в первой половине девятнадцатого века выдающимся английским учёным Майклом Фарадеем, которому принадлежит и сам термин электрический заряд.

Другой английский учений Джозеф Томсон, размышляя о делимости заряда и проделав ряд опытов, с которыми вы познакомитесь в старших классах, пришёл к выводу о том, что в природе существует частица, имеющая наименьший отрицательный электрический заряд.

Опыты, позволившие найти «наименьшую порцию электричества», то есть элементарный заряд, были проведены одновременно в тысяча девятьсот десятом — тысяча девятьсот тринадцатом году Р. Милликеном в США и А. Ф. Иоффе в России.

В этих опытах заряженная очень малая капелька масла (в опытах Милликена) или 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 капельки масла или пылинки цинка не мог принимать любое значение. Это значение всегда было кратно одному и тому же числу — одной целой шести десятым на десять в минус девятнадцатой степени.

И этот заряд дальше уже не делился. Эту частицу назвали электроном (вспомните: от греческого — янтарь). Заряд электрона:

е = −1,6 ∙ 10⁻¹⁹ Кл

Ещё раз обратите внимание, что любой другой заряд, которым обладает тело, кратен заряду электрона, то есть он может быть больше заряда электрона только в целое число раз.

Вы уже знаете, что вещества в природе состоят из атомов и молекул. Но и атомы, и молекулы в обычном состоянии электрически нейтральны. Что же тогда такое «электрон»? Каковы его масса и размеры? Где он находится? И каковы его свойства и особенности?

Учёные всего мира проделали огромное число экспериментов для того, чтобы ответить на все эти вопросы. С результатами экспериментов вы познакомитесь позже. Отметим лишь основные свойства электрона.

Электрон — очень маленькая частица, гораздо меньше атома или молекулы. Масса электрона: т_е = 9,1 ∙ 10⁻³¹ кг, что в 3 700 меньше массы молекулы водорода, наименьшей из всех молекул.

Позже была найдена и частица, обладающая элементарным положительным зарядом. Это — протон. Открытие электрона и протона позволило достаточно просто объяснить электризацию тел. В ненаэлектризованном теле отрицательный суммарный заряд всех электронов равен по модулю суммарному положительному заряду всех протонов. При контакте тел, например, стекла и бумаги, в силу определённых причин значительное число электронов покидают стекло, переходя к бумаге. Бумага приобретает отрицательный заряд. Стекло при этом заряжается положительным зарядом, так как суммарный заряд всех протонов становится больше суммарного заряда электронов. Важно понять, что электрический заряд частиц (электрона, протона) не есть нечто, добавленное к ним. Электрический заряд — это величина, характеризующая неотъемлемое свойство электрона и протона к особому взаимодействию с подобными себе частицами. И поэтому нелепыми будут такие вопросы, как: «Из чего состоит электрический заряд электрона, протона? Можно ли его отнять у частицы (электрона, протона)?». При электризации трением от тела к телу переходит не свойство частиц, а сами частицы.

Обращаем ваше внимание на то, что электрический заряд не существует сам по себе. Частица может и не иметь заряда, но носителем заряда может быть только частица. Заряд без частицы не существует.

Мы уже с вами проделали довольно много опытов, которые свидетельствуют о том, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом. Они притягиваются или отталкиваются, изменяют вследствие этого своё положение, траекторию движения. Однако причины возникновения подобного взаимодействия зарядов долго оставались непонятными. Учёные выдвигали две взаимоисключающие гипотезы для объяснения взаимодействия зарядов:

1)                заряды взаимодействуют через пустоту и мгновенно;

2)                заряды взаимодействуют через посредника — поле, которое порождают сами заряженные тела, и не мгновенно.

Ответить на вопрос о том, какая из гипотез верна, было очень непросто. Поиском ответа занимались учёные многих стран в течение многих десятилетий. И только в конце XIX в. было установлено, что первая из предложенных гипотез неверна.

Выясним, не является ли воздух тем посредником, через который осуществляется взаимодействие зарядов? Для этого поместим заряженный электроскоп под колокол воздушного насоса. Откачаем из-под колокола воздух. Опыт показывает, что и в безвоздушном пространстве листочки электроскопа по-прежнему отталкиваются друг от друга.

Итак, электрическое взаимодействие передаётся не через воздух. Однако, исходя из этого опыта, нельзя ответить на вопрос: действуют электрические заряды друг на друга через пустоту или между ними всё же существует какой-то материальный посредник, хотя мы его и не видим?

Сторонники второй гипотезы — английские учёные М. Фарадей и Дж. Максвелл утверждали, что пространство, окружающее заряженное тело, отличается от обычного пространства, в котором находятся незаряженные тела. В пространстве, где есть электрический заряд, существует электрическое поле. Именно посредством электрического поля одно заряженное тело действует на другое. Это поле не действует ни на какие известные вам приборы: динамометр, термометр, барометр и на наши чувства: зрение, осязание, обоняние, слух.

Может возникнуть сомнение: а существует ли такое поле вообще?

Да, оно существует реально и независимо от того, что мы о нём знаем. В существовании электрического поля можно убедиться только по его действиям. Представьте себе, что вы не знаете, существует электрическое поле около металлического шара или его нет. Заряжен шар или нет, вы тоже не знаете. Можно ли это как-либо выяснить? Можно, и вы даже знаете как: если маленький незаряженный шарик из металлической фольги никак не реагирует на большой, — поля нет. Если же он притянется, значит, шар заряжен и посредством электрического поля действует на шарик.

В науке все то, что реально существует в окружающем мире независимо от нашего сознания, называется материей. Значит, электрическое поле — это особая форма материи, посредством которого осуществляется взаимодействие заряженных тел.

Таким образом, вокруг каждого заряженного тела существует электрическое поле. Если в поле заряженного тела внести другое заряженное тело, эти тела начнут взаимодействовать — притягиваться или отталкиваться друг от друга. При этом сила их взаимодействия будет зависеть от расстояния между заряженными телами.

Пронаблюдать подобную зависимость несложно. Например, если два разноимённо заряженных шарика, подвешенных на нити, расположить на некотором расстоянии друг от друга, то, очевидно, они притянутся. Уменьшим расстояние между шариками. Притяжение между ними при этом увеличится, и увеличатся углы их отклонения. Это говорит о том, что сила, с которой действует электрическое поле каждого из зарядов на другой заряд, увеличилась.

Силу, с которой электрическое поле действует на внесённый в него электрический заряд, называют электрической силой.

Электрическая сила, с которой взаимодействуют заряды, зависит также и от значения зарядов. Если теперь заряды шариков увеличить и вернуть их на первоначальное расстояние, то можно будет увидеть, что заряженные тела притянутся сильнее, чем в первом случае. Иначе говоря, чем больше значение взаимодействующих зарядов, тем больше электрическая сила, действующая между ними.