Тела, способные подобно янтарю после натирания притягивать мелкие предметы, называют наэлектризованными. Это означает, что на телах в таком состоянии имеются электрические заряды , а сами тела называются заряженными. Заметим, что трение в процессе электризации не играет принципиальной роли. Электрические заряды возникают при тесном соприкосновении различных веществ. В случае твердых тел трение позволяет увеличить площадь взаимного контакта и таким образом увеличивает возможность их электризации. Два наэлектризованных тела могут либо отталкиваться, либо притягиваться друг к другу. Способность к такому взаимодействию связана с наличием на них электрических зарядов двух видов. Ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» – нельзя, но можно утверждать точно, что наличие на теле электрического заряда приводит к способности электромагнитного взаимодействия его с другими телами, которые также владеют таким свойством.
Если зарядить два легких тела, подвешенных на шелковых нитях, прикасаясь к ним стеклянной палочкой, потертой о шелк, то они отталкиваются. То же самое наблюдается, если их зарядить от эбонитовой палочки, потертой о мех. Но если одно из тел зарядить от стеклянной палочки, а другое от эбонитовой, то они будут притягиваться. Когда наэлектризованные тела отталкиваются друг от друга, то говорят, что заряды на них одного рода, когда притягиваются, то заряды разного рода. Заряды разных родов принято называть положительными и отрицательными. Положительным принято считать заряд, который приобретает стекло при натирании его о шелк. Шелк при этом приобретает отрицательный заряд.
Важным явлением, которое позволяет понять процесс электризации тел, является следующее, если два тела, заряженные разноименными зарядами, привести в соприкосновение, то после этого сила взаимодействия между ними или исчезнет совсем, или уменьшится и изменит направление на противоположное. Заряды различных знаков компенсируют друг друга. Явление исчезновения с тела электрического заряда называют нейтрализацией. Этот факт говорит о том, что любое нейтральное тело содержит в одинаковом количестве положительные и отрицательные заряды. Они не возникают при натирании двух тел, а перераспределяются между телами таким образом, что на первом теле (стекле)образуется излишек положительных зарядов, а на втором теле (шелк) – излишек отрицательных. Электрический заряд заряженного тела можно передать на незаряженное тело, при этом предыдущий заряд тела будет изменяться.
Каким может быть наименьший заряд? Эксперименты показывают, что ни у одной из заряженных частиц не встречается заряд меньше заряда протона или электрона. Этот элементарный заряд равен –1,60 10 –19 Кл у электрона и +1,60 10 –19 Кл у протона. Заряд электрона обозначается символом е , а протона – р . Масса протона, однако в 1836 раз больше массы электрона. Известно также, что электроны и протоны входят в состав каждого атома. Поскольку протоны находятся в ядрах атомов, основную роль при электризации тел играют электроны. Так называемые валентные электроны, наиболее слабо связанные с ядром, а часть вообще может находиться за пределами атома. При близком контакте двух нейтральных тел часть электронов может переходить с одного тела на другое. Если на теле образовывается излишек электронов, то оно владеет отрицательным зарядом. Из приведенных рассуждений следует вывод: заряды не создаются и не пропадают, они могут быть переданы от одного тела другому или перемещены внутри одного тела. Это положение носит название закона сохранения электрического заряда и является основным в учении об электричестве. Оно никак не доказывается, а лишь подтверждается многочисленными фактами и экспериментами. Иногда его формулируют по-иному: в изолированной (замкнутой) системе алгебраическая сумма зарядов остается постоянной.
Поскольку всякий заряд q образуется совокупностью элементарных зарядов, он является целым кратным е :
q =|n × e |
где n – количество лишних элементарных зарядов. Равенство показывает, что электрический заряд – величина дискретная, однако элементарный заряд настолько мал, что возможную величину макроскопических зарядов можно считать изменяющейся непрерывно.
Обычно под словом «заряд» понимают частицу или тело, которые обладают способностью к электромагнитному взаимодействию.
Заряженное тело, размеры которого в данной конкретной задаче можно не учитывать, называют точечным. На практике в большинстве случаев заряженными бывают макроскопические тела.
Для измерения величины заряда на теле существует измерительный прибор – электрометр . При его соприкосновении с металлическим стержнем электрометра часть заряда переходит на посаженную на ось, проводящую стрелку и она отклоняется. По углу отклонения определяется величина заряда.
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
- Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
- Касьянов В.А. Физика 10 класс. - М.: Дрофа, 2010.
- Интернет-портал «youtube.com» ()
- Интернет-портал «abcport.ru» ()
- Интернет-портал «planeta.edu.tomsk.ru» ()
Домашнее задание
- Стр. 356: № 1-5. Касьянов В.А. Физика 10 класс. - М.: Дрофа. 2010.
- Почему отклоняется стрелка электроскопа, если к нему прикоснуться заряженным телом?
- Один шар заряжен положительно, второй - отрицательно. Как изменится масса шаров при их соприкосновении?
- *К шару заряженного электроскопа поднесите, не дотрагиваясь, заряженный металлический стержень. Как изменится отклонение стрелки?
Электризация тел
т. е. возникновение в них электрического состояния происходит при чрезвычайно разнообразных процессах, совершаемых с этими телами. Почти всякое механическое действие, производимое с твердым телом, как, напр., трение об это тело или надавливание на него другого тела, скобление, раскалывание, сопровождается развитием электричества. Так же точно электризуются тела при многих химических действиях; некоторые вещества электризуются при отвердевании; некоторые соли весьма сильно электризуются при своем выкристаллизовании из растворов. Является электричество и в жидкостях при трении этих жидкостей о твердые тела и даже при трении их о некоторые другие жидкости. Наконец, даже простое соприкосновение двух каких-либо разнородных тел, все равно, будут ли эти тела твердые или жидкие, вызывает в обоих этих телах электрическое состояние. Во всех приведенных случаях причиной Э. тел является одно и то же, а именно прикосновение, контакт разнородных тел. Первый Александр Вольта своими опытами, произведенными в самые последние годы XVIII в., доказал, что при прикосновении друг с другом двух каких-либо проводящих электричество тел, но непременно отличающихся одно от другого по химическому составу,
происходит Э. обоих этих тел, причем одно из них заряжается положительным электричеством, другое - отрицательным. Количества двух этих противоположных электричеств, являющихся на соприкасающихся телах, равны между собой. Вольта нашел, что металлы и другие твердые проводники, не подвергающиеся, как скажем теперь, электролизу, т. е. не разлагающиеся на химически составные части при прохождении через них электрического тока (проводники первого класса), по своей способности электризоваться при контакте могут быть расположены в известной последовательности (ряд Вольты) - так, что всякое тело при прикосновении с любым из тел, стоящих в этом ряду дальше, электризуется положительно и при прикосновении с любым из тел, ему предшествующих, электризуется отрицательно. Вольта дал следующий ряд тел: Цинк, свинец, олово, железо, медь, серебро, золото, уголь, графит, окись марганца. Впоследствии, при исследовании более чистых химически металлов, их расположение оказалось несколько иным, и в настоящее время мы можем расположить металлы в такой ряд: Алюминий, цинк, олово, кадмий, свинец, сурьма, висмут, нейзильбер, латунь, ртуть, железо, сталь, медь, серебро, золото, угли, уран, теллур, платина, палладий. Химически сложные жидкости и вообще проводники, разлагающиеся от действия тока (проводники второго рода), не могут быть помещены в ряд Вольты вместе с проводниками первого класса; они и отдельно от последних не составляют подобного ряда. Если заменить выражение электрическое напряжение,
употребленное Вольтой для характеристики электрического состояния, являющегося в теле, выражением потенциал,
то можно следующим образом формулировать количественный закон, который был найден Вольтой и затем подтвержден многочисленными исследованиями последующих ученых.
При соприкосновении двух разнородных проводящих тел на них являются различные потенциалы, неодинаковые при различных условиях, но тем не менее такие, что разность между этими потенциалами получается всегда одна и та же, если только вещества и температура двух испытуемых тел остаются без изменения. Эта разность потенциалов не зависит от формы и размеров тел, а от величины поверхности соприкосновения и от электрического состояния, в котором находятся тела. Она определяется лишь природой тел и, как было найдено позже, температурой их. Разность потенциалов, являющихся на двух каких-либо соприкасающихся друг с другом проводниках первого
класса, равна сумме разностей потенциалов, возникающих при соприкосновении попарно (при той же температуре и при той же окружающей их газовой среде) всех проводников, стоящих в ряду Вольты между двумя взятыми. Из этого следует, что в цепи, составленной из произвольного числа различных металлов, имеющей повсюду одну и ту же температуру и оба конечных звена из одного и того же вещества, разность потенциалов на концах равна нулю, или, что то же, в замкнутой цепи, образованной из какого угодно числа разнородных проводников первого
класса, если только все части цепи имеют одну и ту же температуру, не может существовать ток без какой-либо внешней причины (индукции). Проводники второго
класса, вообще не имеющие места в ряду Вольты, не обладают и этой количественной зависимостью между разностями потенциалов при прикосновении друг с другом. Вследствие этого в цепи, состоящей из проводников первого класса и хотя бы одного проводника второго класса, на конечных звеньях, приготовленных из одного и того же вещества, получается разность потенциалов, равная сумме разностей потенциалов, соответствующих всем парам соприкасающихся разнородных частей цепи. Такую цепь и представляют собой так наз. гальванические элементы. Благодаря существованию разности потенциалов на конечных звеньях подобных цепей на полюсах
элементов или полюсах батареи, составленной из последних, и возникает электрический ток, когда эти полюсы соединяются друг с другом каким-либо проводником (когда замыкается цепь). Разность потенциалов, являющаяся на полюсах элемента или батареи, когда эти полюсы не соединены друг с другом проводником, т. е. когда элемент или батарея не замкнуты, и представляет собой то, что носит название электродвижущей силы
этого элемента или этой батареи. Дальнейшие исследования обнаружили, что Э. при контакте, т. е. так называемое явление Вольты,
получается не только тогда, когда приводятся в прикосновение друг с другом два тела, отличающиеся одно от другого химически, но и тогда, когда эти тела только физически неоднородны. Достаточно различия в плотностях или в температурах, чтобы при соприкосновении тел получилось явление Вольты. Явление Вольты получается и при контакте разнородных непроводников, равным образом и при контакте проводника и непроводника, а также и при контакте металлов с газами. Впрочем, до сих пор существует иное воззрение на причину Э. По мнению некоторых, Э. при соприкосновении двух разнородных тел получается только тогда, когда между соприкасающимися веществами происходит химическое соединение или существует в них стремление к такому химическому действию. Если два тела не могут образовать химического соединения и тем не менее электризуются при соприкосновении, то явление это объясняют влиянием окружающей среды, влиянием кислорода воздуха, когда опыт, как это обыкновенно бывает, производится в воздухе. Говорят, что в этом случае неодинаковое химическое действие окружающей среды на то и другое из соприкасающихся тел обусловливает возникновение разности потенциалов на этих телах. По этой теории теплота, развивающаяся при химическом соединении эквивалентов двух тел, и определяет величину разности потенциалов, возникающую при соприкосновении этих тел. Хотя до настоящего времени мы не имеем ни одного вполне строгого
опытного доказательства правильности идеи Вольты, что одно соприкосновение двух разнородных тел является причиной Э. этих тел, но, с другой стороны, мы не имеем также и ни одного вполне безупречного доказательства неверности этой идеи. Приводимые против мнения Вольты факты могут быть истолкованы в пользу последнего. Наконец, имеются и некоторые косвенные указания справедливости объяснения Вольты. Развивающаяся в настоящее время электронная теория (см.) в вопросе об Э. при контакте стоит на стороне учения Вольты. Было упомянуто, что наблюдается Э. и при контакте двух разнородных изоляторов. Весьма интересные опыты Хоорвега показали, что изоляторы не подчиняются ряду Вольты. Такой результат находится в соответствии с другими свойствами изоляторов. Ни один из изоляторов не представляет собой абсолютного непроводника электричества. Все изоляторы хотя слабо, но все-таки проводят ток и в этом отношении уподобляются проводникам второго класса, а следовательно, и не могут поместиться в ряду Вольты. Возникновение Э. при трении двух разнородных тел, причем и в этом случае разнородность может быть не по существу, не химическая, а лишь физическая, обязано контакту этих тел. При трении происходит лишь непрерывное изменение места прикосновения, вследствие чего и развивается большое количество электричества. Исследуя Э., получающуюся в различных металлах при трении их о смесь серы и гуттаперчи, Гоген нашел возможным расположить металлы в ряд, причем ряд этот получился схожим с рядом Вольты. По мнению проф. П. А. Гезехуса ("Журн. Русск. физ.-хим. общ.", 1901, т. XXXIII, стр. 89), "некоторые несовпадения и несоответствия в рядах соприкосновения (ряд Вольты) и трения (ряд Гогена) несущественны; они обусловливаются, главным образом, изменениями температуры при трении". Заметим, что гладкое стекло при трении о кожу, покрытую амальгамой
(амальгама Киенмайера представляет собой сплав ртути, цинка и олова), электризуется всегда положительно; смола, а также роговой каучук при трении о мех или шерсть электризуются отрицательно. В следующем перечне тела распределены в таком порядке, что на каждом развивается электричество положительное при натирании его одним из последующих тел и отрицательное - при трении одним из предшествующих: мех, полированное стекло, шерстяные ткани, перья, дерево, бумага, шелк, шеллак, смола, матовое стекло. Очевидно, что при надавливании одного тела на другое, отличное от первого, при скоблении, раскалывании, при химических реакциях, при кристаллизации, при отвердевании, наконец, при быстром обращении жидкости в пар, когда образующиеся пары, увлекающие с собой капельки жидкости, а также и твердые частички, находящиеся в жидкости, прикасаются к стенкам сосуда, в котором находится жидкость, во всех этих случаях мы имеем контакт разнородных веществ, а следовательно, имеем причину возбуждения электрического состояния в этих телах. Весьма тщательно произведенные опыты показали, что само по себе испарение или даже кипение какой-либо жидкости, если только в последнем случае удалена возможность трения увлекаемых парами капелек жидкости о твердые предметы, не сопровождается Э. Интересные явления Э. наблюдаются в телах кристаллических. Еще в начале XVIII стол. было известно, что кристалл турмалина при нагревании или охлаждении является наэлектризованным на поверхности, причем на двух его концах наблюдается разноименное электричество. На том и другом конце турмалина знак электричества меняется в противоположный, как только вместо нагревания начинается охлаждение кристалла. В настоящее время мы знаем, что подобная Э. при изменении температуры кристалла наблюдается во всяком кристалле, имеющем оси, не тождественные одна другой, причем при повышении температуры получается Э., противоположная той, какая возникает при понижении температуры. В кристаллах, в которых обнаруживается гемиморфизм, являются при изменении температуры на обоих концах гемиморфной оси взаимно противоположные электричества. В кристаллах с одинаковым развитием обоих концов каждой оси, т. е. не показывающих гемиморфизма, наблюдается одинаковая полярность на обоих концах одной оси, места же с различными по знаку электричествами соответствуют в этих кристаллах концам различных осей. Возбуждение электричества прекращается, как только кристалл всею своею массой принимает одну и ту же температуру. Электричество, явившееся на поверхности кристалла при изменении его температуры, может вследствие дурной проводимости кристалла сохраняться на нем продолжительное время. Улучшение проводимости кристалла с увеличением температуры его дает возможность получить при нагревании этого кристалла электрический ток в проводнике, соединяющем две части поверхности кристалла. Все подобные явления носят название явлений пироэлектричества.
Термин "пироэлектричество"
был введен в науку Брюстером (см. Пьезо- и Пироэлектричество). Замечено, что в некоторых кристаллах наблюдается развитие электричества не только при непосредственном нагревании или охлаждении их, но и при простом освещении лучами света, в особенности лучами большой преломляемости (цветные плавиковые шпаты). Это явление было исследовано Ганкелем и им было названо явлением фотоэлектричества.
К этой же области явлений относят обыкновенно возникновение разности потенциалов на двух чистых металлических пластинках или же на пластинках, покрытых хлористыми или йодистыми соединениями их металлов, находящихся в воде или в каком-либо растворе кислоты или соли, когда одна из этих пластинок подвергается освещению лучами большой преломляемости. В довольно близкой связи с явлениями пироэлектричества находится другая категория явлений в кристаллах, а именно явления пьезоэлектричества,
т. е. возбуждение в кристаллах электричества сжатием. И в пьезоэлектрических явлениях на распределение электричества по поверхности кристалла оказывает главное влияние строение кристалла (см. Пьезо- и пироэлектричество). По всей вероятности, как пьезоэлектрические, так и пироэлектрические явления происходят от одной и той же причины. Как при сдавливании кристаллов являются натяжение и внутреннее давление в слоях их, так подобное же натяжение и давление вызываются и изменением температуры кристаллов. Вследствие возникновения упругих натяжений и к тому же неодинаковых по разным направлениям, так как кристаллы суть тела анизотропные, получается разнородность в отдельных прилегающих друг к другу слоях кристаллов, что и является причиной возбуждения электрического состояния. Иная, по-видимому,
причина Э. встречается в явлениях термоэлектричества,
открытых в 1822 г. Зеебеком. Зеебек нашел, что если к двум концам какого-либо металлического стержня, проволоки или полоски припаять по проволоке какого-нибудь другого металла, то при нагревании одного из спаев или охлаждении другого, одним словом, при сообщении разности температур этим спаям обе конечные проволоки, а также и другие соединенные с ними тела являются противоположно наэлектризованными. При изменении нагреваемого спая меняется и знак Э. на той и другой проволоке. На самом деле причина термоэлектричества заключается опять-таки в возникновении явления Вольты. Но в этом случае явление Вольты получается не только в самом месте соприкосновения двух разнородных металлов, но и в слоях обоих металлов на некотором расстоянии от нагреваемого или охлаждаемого места соприкосновения их. В самом деле от места соприкосновения двух металлов, нагреваемого или охлаждаемого, температура распределяется в обоих телах или убывая в обе стороны, или возрастая в обе стороны. Таким образом, следующие друг за другом слои одного и того же металла получаются отличающимися один от другого по температуре, т. е. являются неоднородными, а следовательно, в месте соприкосновения этих слоев должно возбудиться явление Вольты. Итак, Э. концов цепи, составленной из разнородных тел, при существовании различия в температурах в местах соприкосновения этих тел, т. е. Э. вследствие явления термоэлектричества, представляет собой результат возникновения явления Вольты как в местах соприкосновения различных частей этой цепи, так и в самих этих частях. Явления термоэлектричества относятся, таким образом, к той же группе явлений, к которой принадлежат явления Э. при соприкосновении, трении, химическом действии и т. д. Вполне отличными от всех приведенных случаев Э. представляются: 1) явления возбуждения электрического состояния в проводящих телах действием индукции в электрическом и магнитных полях и 2) явление возбуждения электрического состояния проводящего тела, металла, при освещении этого тела лучами большой преломляемости, точнее - лучами ультрафиолетовыми. Опыты показывают, что в любом проводящем теле, когда оно изолировано, являются одновременно два электричества, и положительное, и отрицательное, как только это тело вносится в электрическое поле, т. е. помещается в некотором расстоянии от другого наэлектризованного тела и отделяется от последнего непроводящей средой. Это явление Э. носит название электростатической индукции.
Если данное проводящее тело не изолировано, на нем вследствие индукции получается всегда электричество, противоположное по знаку тому электричеству, которое находится на другом наэлектризованном, индуктирующем теле. Фарадей нашел, что подобное же возбуждение двух противоположных электричеств в проводящем теле получается и тогда, когда это тело находится в магнитном поле, причем напряжение этого поля в точках пространства, занимаемого телом, подвергается непрерывному изменению или само тело находится в определенном движении в этом поле. Существенная разница между этими двумя случаями индукции заключается именно в том, что в электрическом поле при полном постоянстве его напряжения и неизменности положения проводящего тела возникает и поддерживается постоянным электрическое состояние этого тела; напротив, в поле магнитном возбуждается Э. только или при изменении напряжения поля в месте, занимаемом телом, или при движении тела, соединенном с перерезыванием
им магнитных силовых линий. Согласно опытам Фарадея, вполне подтвердившимся исследованиями последующих экспериментаторов, являющаяся вследствие индукции магнитного поля разность потенциалов e
на концах какого-нибудь проводника, выражается числом магнитных силовых линий, перерезываемых этим проводником в единицу времени, т. е. e
выражается формулой e
= dn/dt. Эта разность потенциалов, или, как она называется обыкновенно, электродвижущая сила индукции,
не зависит от вещества проводника. Возбуждение электрического состояния в металле, а именно появление на нем положительного электричества, когда этот металл подвергается освещению ультрафиолетовыми лучами, наблюдается лучше всего при чрезвычайно сильном разрежении газа, в котором находится металл. Причина этому - возникновение на поверхности металла при действии на него ультрафиолетовых лучей катодных лучей, т. е. выбрасывание при этих условиях поверхностью металла отрицательных электронов. Вообще, как впервые показал это на опыте Гальвакс, ультрафиолетовые лучи, падая на отрицательно
наэлектризованный металл, вызывают исчезновение с этого металла электричества, т. е. возбуждают рассеяние отрицательного электричества в воздухе. На заряд положительный ультрафиолетовые лучи не влияют. Это явление, названное актиноэлектрическим,
послужило предметом исследований А. Г. Столетова, Риги, Эльстера, Гейтеля, Томсона и др. Из опытов, произведенных в последние годы, главным образом при участии лорда Кельвина (В. Томсона), оказалось, что на двух разнородных металлах, отделенных друг от друга воздухом, возникает разность потенциалов, когда сквозь этот воздух проходят лучи Рентгена. Эта разность потенциалов одинакова с той, какая получается на этих металлах при непосредственном прикосновении их друг к другу. И. Боргман.
Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. - С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон . 1890-1907 .
Смотреть что такое "Электризация тел" в других словарях:
Статическое электричество явление, при котором на поверхности и в объёме диэлектриков, проводников и полупроводников возникает и накапливается свободный электрический заряд. Статическое электричество совокупность явлений, связанных с… … Википедия
1. Характерные свойства луча света. 2. Свет не есть движение упругого твердого тела механики. 3. Электромагнитные явления как механические процессы в эфире. 4. Первая Максвеллова теория света и электричества. 5. Вторая Максвеллова теория. 6.… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Статическое электричество совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности или в объеме диэлектриков или на изолированных проводниках … Википедия
В рамках сегодняшнего занятия мы познакомимся с такой физической величиной, как заряд, увидим примеры передачи зарядов от одного тела к другому, узнаем о разделении зарядов на два типа и о взаимодействии заряженных тел.
Тема: Электромагнитные явления
Урок: Электризация тел при соприкосновении. Взаимодействие заряженных тел. Два рода зарядов
Данный урок является вводным в новый раздел «Электромагнитные явления», и на нем мы обсудим основные понятия, которые с ним связаны: заряд, его виды, электризация и взаимодействие заряженных тел.
История возникновения понятия «электричество»
Прежде всего, следует начать с обсуждения такого понятия, как электричество. В современном мире мы постоянно с ним сталкиваемся на бытовом уровне и уже не можем представить свою жизнь без компьютера, телевизора, холодильника, электроосвещения и т. п. Все эти приборы, насколько известно, работают благодаря электрическому току и окружают нас повсеместно. Даже изначально не полностью зависящие от электричества технологии, такие как работа двигателя внутреннего сгорания в автомобиле, начинают медленно отходить в историю, и их место активно занимают электродвигатели. Так откуда же пошло такое слово, как «электрический»?
Слово «электрический» происходит от греческого слова «электрон», что в переводе означает «янтарь» (ископаемая смола, рис. 1). Хотя следует, конечно же, сразу оговорить, что непосредственной связи между всеми электрическими явлениями и янтарем нет, и мы немного позже поймем, откуда взялась такая ассоциация у древних ученых.
Первые наблюдения электрических явлений относят к 5-6 вв до н. э. Считается, что Фалес Милетский (древнегреческий философ и математик из Милета, рис. 2) впервые пронаблюдал электрическое взаимодействие тел. Он провел следующий опыт: натер янтарь мехом, затем приблизил его к небольшим телам (пылинкам, стружке или перьям) и пронаблюдал, что эти тела стали притягиваться к янтарю без объяснимой на то время причины. Фалес был не единственным ученым, который впоследствии активно проводил электрические опыты с янтарем, что и привело к возникновению слова «электрон» и понятию «электрический».
Рис. 2. Фалес Милетский ()
Смоделируем аналогичные опыты с электрическим взаимодействием тел, для этого возьмем мелко нарезанную бумагу, стеклянную палочку и лист бумаги. Если натереть стеклянную палочку о лист бумаги, а затем подвести ее к мелко нарезанным бумажкам, то будет виден эффект притяжения мелких кусочков к стеклянной палочке (рис. 3).
Интересен тот факт, что впервые такой процесс был достаточно полно объяснен только в 16 веке. Тогда стало известно, что существует два вида электричества, и они взаимодействуют друг с другом. Понятие электрического взаимодействия появилось в середине 18 века и связано с именем американского ученого Бенджамина Франклина (рис. 4). Именно он впервые ввел такое понятие, как электрический заряд.
Рис. 4. Бенджамин Франклин ()
Определение. Электрический заряд - физическая величина, которая характеризует величину взаимодействия заряженных тел.
То, что мы имели возможность пронаблюдать на опыте с притяжением бумажек к наэлектризованной палочке, доказывает наличие сил электрического взаимодействия, а величину этих сил характеризует такое понятие, как заряд. То, что силы электрического взаимодействия могут быть различными, легко проверяется экспериментальным путем, например, при натирании одной и той же палочки с различной интенсивностью.
Для проведения следующего опыта нам понадобится все та же стеклянная палочка, лист бумаги и бумажный султан, закрепленный на железном стержне (рис. 5). Если потереть палочку листом бумаги, а затем прикоснуться ей к железному стержню, то будет заметно явление отталкивания полосок бумаги султана друг от друга, причем, если повторить натирание и прикосновение несколько раз, то будет видно, что эффект усиливается. Наблюдаемое явление называют электризацией.
Рис. 5. Бумажный султан ()
Определение. Электризация - разделение электрических зарядов в результате тесного контакта двух или более тел.
Электризация может происходить несколькими способами, первые два мы сегодня рассмотрели:
Электризация трением;
Электризация прикосновением;
Электризация наведением.
Рассмотрим электризацию наведением. Для этого возьмем линейку и положим ее на вершину железного стержня, на котором закреплен бумажный султан, после этого прикоснемся к стержню, чтобы снять на нем заряд, и расправим полоски султана. Затем наэлектризуем стеклянную палочку трением о бумагу и подведем ее к линейке, результатом станет то, что линейка начнет вращаться на вершине железного стержня. При этом стеклянной палочкой прикасаться к линейке не следует. Это доказывает то, что существует электризация без непосредственного соприкосновения между телами - электризация наведением.
Первые исследования значений электрических зарядов датируются более поздним периодом истории, чем открытие и попытки описания электрических взаимодействий тел. В конце 18 века ученые пришли к выводу, что деление заряда приводит к двум принципиально различным результатам, и было принято решение условно разделить заряды на два типа: положительные и отрицательные. Для того чтобы была возможность различать эти два типа зарядов и определять, какой является положительным, а какой - отрицательным, договорились использовать два базовых опыта: если потереть стеклянную палочку о бумагу (шелк), то на палочке образуется положительный заряд; если потереть эбонитовую палочку о мех, то на палочке образуется отрицательный заряд (рис. 6).
Замечание. Эбонит - материал из каучука с большим содержанием серы.
Рис. 6. Электризация палочек двумя типами зарядов ()
Кроме того, что было введено разделение зарядов на два типа, было замечено правило их взаимодействия (рис. 7):
Одноименные заряды отталкиваются;
Разноименные заряды притягиваются.
Рис. 7. Взаимодействие зарядов ()
Рассмотрим к этому правилу взаимодействия следующий эксперимент. Наэлектризуем стеклянную палочку трением (т. е. передадим ей положительный заряд) и прикоснемся ей к стержню, на котором закреплен бумажный султан, в результате увидим эффект, который уже обсуждали ранее, - полоски султана начнут отталкиваться друг от друга. Теперь можно пояснить, почему такое явление имеет место - поскольку полоски султана заряжаются положительно (одноименно), то они начинают отталкиваться, насколько это возможно, и образуют фигуру в форме шара. Кроме того, для более наглядной демонстрации отталкивания одноименно заряженных тел можно натертую бумагой стеклянную палочку поднести к наэлектризованному султану, и будет явно видно, как полоски бумаги будут отклоняться от палочки.
Одновременно два явления - притяжение разноименно заряженных тел и отталкивание одноименно заряженных - можно пронаблюдать на следующем опыте. Для него необходимо взять стеклянную палочку, бумагу и гильзу из фольги, закрепленную нитью на штативе. Если натереть палочку бумагой и поднести ее к незаряженной гильзе, то гильза сначала притянется к палочке, а после прикосновения начнет отталкиваться. Поясняется это тем, что сначала гильза, пока не будет иметь заряда, притянется к палочке, палочка передаст ей часть своего заряда, и одноименно заряженная гильза оттолкнется от палочки.
Замечание. Однако остается вопрос о том, почему же изначально незаряженная гильза притягивается к палочке. Объяснить это, используя доступные нам на сегодняшнем этапе изучения школьной физики знания, сложно, однако, попробуем, забегая вперед, это вкратце сделать. Поскольку гильза является проводником, то, оказавшись во внешнем электрическом поле, в ней наблюдается явление разделения заряда. Оно проявляется в том, что свободные электроны в материале гильзы перемещаются в сторону, которая наиболее близка к положительно заряженной палочке. В результате гильза становится разделенной на две условные области: одна заряжена отрицательно (там, где избыток электронов), другая - положительно (там, где недостаток электронов). Поскольку отрицательная область гильзы расположена ближе к положительно заряженной палочке, чем ее положительно заряженная часть, то будет преобладать притяжение между разноименными зарядами и гильза притянется к палочке. После этого оба тела приобретут одноименный заряд и оттолкнутся.
Более подробно этот вопрос рассматривается в 10 классе в теме: «Проводники и диэлектрики во внешнем электрическом поле».
На следующем уроке будет рассмотрен принцип работы такого устройства, как электроскоп.
Список литературы
- Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. - М.: Мнемозина.
- Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
- Энциклопедия Брокгауза Ф.А. и Ефрона И.А. ().
- YouTube ().
- YouTube ().
Домашнее задание
- Стр. 59: вопросы № 1-4. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Шарик из металлической фольги был заряжен положительно. Его разрядили, и шарик стал нейтральным. Можно ли утверждать, что заряд шарика исчез?
- На производстве для улавливания пыли или уменьшения выбросов воздух очищают с помощью электрофильтров. В этих фильтрах воздух проходит мимо противоположно заряженных металлических стержней. Почему пыль притягивается к этим стержням?
- Существует ли способ зарядить хотя бы часть тела положительно или отрицательно, не касаясь этого тела другим заряженным телом? Ответ обоснуйте.
Электростатика - раздел физики, изучающий неподвижные заряды и не изменяющиеся во времени электрические поля.
Электрические явления известны человеку с давних времен. Это электризация тел при трении, молния. Систематическое изучение электрических явлений начато в XVIII в. В России этим занимались М. В. Ломоносов и Г. Рихман, в Америке - Б. Франклин. М. В. Ломоносов установил природу молнии, Б. Франклин - два рода электричества. Франклин предложил считать, что стекло, натертое кожей, заряжается положительно, а янтарь, натертый шерстью, - отрицательно. С точки зрения современной науки, отрицательно заряженное тело содержит избыток электронов. Если у тела забрать часть электронов, то оно заряжается положительно. Следовательно, отрицательный знак заряда электрона - условное понятие, связанное с произвольным выбором Б. Франклина.
Любому телу можно сообщить электрический заряд, т. е. наэлектризовать его. Для этого его нужно привести в контакт с источником зарядов. С древних времен человеку было известно, что кусок янтаря (затвердевшей смолы хвойных деревьев), натертый шерстью, притягивает к себе мелкие кусочки сухих листьев дерева, соринки. Позже было обнаружено, что аналогичной способностью обладает и стекло, натертое кожей. Эти явления были названы электрическими (от лат. «электрон» - янтарь). Такие тела могут служить источниками зарядов.
В наше время, в век господства синтетических материалов, мы повседневно сталкиваемся с проявлением статического электричества : трение одежды из синтетики о кожу человека сопровождается треском искр, видимых в темноте.
Чтобы обнаружить заряд какого-либо тела, нужно воспользоваться пробным зарядом - другим заряженным телом малых размеров (точечным зарядом). На пробный заряд со стороны нашего тела будет действовать сила. Если источник пробного заряда и тела один и тот же (янтарь или стекло), это будет отталкивающая сила, если же их источники разные (у одного янтарь, а у другого стекло), то пробный заряд будет притягиваться к нему.
Тела, которые в результате трения приобретают способность притягивать другие тела, называют наэлектризованными или заряженными , а явление приобретения телами электрического заряда называют — электризация .
