Электрический заряд. Электризация тел

Ключевые слова: электризация, электрон, электрический заряд, электростатическая индукция, положительный и отрицательный заряд, дискретность заряда, элементарный заряд.

На этом уроке вы познакомитесь:

• с явлением электризации трением, соприкосновением и индукцией;
• со свойствами электрического заряда.

Это интересно! Обратимся к легенде. В глубокой древности дочь греческого философа Фалеса Милетского пряла шерсть янтарным веретеном, которое было изготовлено финикийскими мастерами. Однажды, уронив веретено в воду, девушка стала обтирать его краем своего шерстяного хитона и заметила, что к веретену пристало несколько шерстинок. Думая, что они прилипли к веретену, потому что оно все еще влажное, она принялась вытирать его еще сильнее. И что же? Шерстинок налипало тем больше, чем сильнее натиралось веретено. Девушка обратилась за разъяснениями к отцу.

Фалес (640—550 лет до н. э.)

А как бы вы объяснили это явление?

Фалес объяснил это особыми, «волшебными» свойствами янтаря. Янтарь, потертый о мех, притягивает не только шерстинки, но и соломинки, пушинки и другие легкие предметы. В течение ряда столетий это свойство приписывалось только янтарю. Греческое слово elektron (янтарь) и дало название явлениям, похожим на то, что было открыто дочерью Фалеса. Их стали называть электрическими явлениями.

Предлагаем проделать такой опыт: возьмите пластмассовую расческу или авторучку и проведите ее несколько раз по сухим волосам или небольшому отрезку шерстяной ткани, а затем поднесите ее (авторучку) к мелким кусочкам бумаги. Что вы будете наблюдать? Какой вывод можно сделать по результатам опыта?

Следовательно, не только янтарь, но и многие другие вещества при натирании приобретают свойство притягивать легкие предметы.

Из опыта можно сделать вывод: при трении друг о друга тел, изготовленных из разных веществ, оба тела приобретают новое свойство притягивать легкие предметы. Говорят, что они наэлектризовываются.

Явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела, называются электризацией.

В электризации всегда участвуют два тела. При этом электризуются оба тела. Это можно проверить на опыте: если наэлектризованную стеклянную палочку поднести к мелким кусочкам бумаги, то они притянутся к ней (рис. 17.1). Если же поднести к кусочкам бумаги небольшой отрез шерстяной материи, о которую наэлектризовали палочку, то они также притянутся к ней (рис. 17.2).

Рис. 17.1 и рис. 17.2

Опыты показывают: наэлектризованное и ненаэлектризованное тела всегда притягиваются. Причем притягиваются не только легкие предметы, но и достаточно тяжелые. Примеры: стальная палочка и стеклянная палочка (рис. 17.3, а), тонкая струйка воды и пластмассовая палочка (рис. 17.3, б), янтарь и сухие травинки, эбонитовая или стеклянная палочки и мелкие кусочки бумаги. С помощью наэлектризованной палочки можно доказать, что пламя свечи тоже будет притягиваться к палочке (рис. 17.3, в).

Опыты также показывают, что два тела, наэлектризованные трением друг о друга, всегда притягиваются. Например, наэлектризовавшись трением о наше тело, свитер или юбка «липнут» к телу.

С помощью опытов мы убедились, что если два тела, состоящие из разных веществ, потереть друг о друга, то они приобретут новое свойство — способность вступать в электрическое взаимодействие.

Рис. 17.3

Наэлектризованные тела еще называют заряженными. Для того чтобы количественно характеризовать электрическое взаимодействие, был введен термин электрический заряд.

Под электрическим зарядом понимают физическую величину, характеризующую интенсивность электрического взаимодействия.

Два рода электрического заряда. Сначала ученые не делали различий между «стеклянным», «шерстяным», «шелковым», «эбонитовым», «янтарным» и другими видами зарядов. Однако в 1733 г. французский ученый Ш. Дюфэ проделал опыты и выяснил, что на электризуемых телах могут образовываться заряды только двух родов. Он назвал их стеклянным электричеством и смоляным электричеством. Тело, наэлектризованное стеклянным электричеством, отталкивает все тела со стеклянным электричеством и притягивает тела со смоляным электричеством. Сегодня эти два рода зарядов мы называем положительным зарядом (так заряжается стекло, потертое о шелк или бумагу; шерсть, потертая об эбонит) и отрицательным зарядом (заряд шелка при трении о стекло; заряд эбонита при трении о шерсть или мех) (рис. 17.4).

Электрический заряд обозначают символом $q$. Единица измерения электрического заряда в СИ называется кулоном (Кл) в честь французского физика Ш. Кулона (1736—1806), исследовавшего электрические явления.

$$[q] = [\text{Кл}].$$

Заряд может быть большим или маленьким по модулю. Это легко доказать, если многократно электризовывать одни и те же тела. При этом сила их взаимодействия бывает различной: большей или меньшей в зависимости от степени электризации.

Опыты показывают, что существуют два рода электрических зарядов — положительные и отрицательные. Тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды противоположного знака, взаимно притягиваются.

Рис. 17.4

Электроскоп. Для обнаружения электрического заряда у тел и их сравнения применяют прибор электроскоп (от греч. «electro» и «skopeo» — наблюдать, обнаруживать), изобретенный в 1745 г. русским физиком Г. В. Рихманом (рис. 17.5). Металлический корпус 1 спереди закрыт стеклом 2. Внутрь прибора вставлен металлический стержень 3 с легкоподвижными лепестками 4. От корпуса стержень отделен круглой пластмассовой втулкой 5. На верхний край стержня помещают полый металлический шар (кондуктор). Если коснуться кондуктора заряженным телом, то лепестки отклонятся друг от друга тем сильнее, чем больше модуль заряда тела. К сожалению, с помощью электроскопа невозможно определять знаки зарядов тел.

Существует еще один вид электроскопа — электрометр (рис. 17.6). В нем вместо лепестков на металлическом стержне 3 укреплена стрелочка 4, которая может вращаться вокруг оси 5. Стержень 3 изолирован от корпуса 6 пластмассовой втулкой 2. О величине заряда судят по углу отклонения стрелки по шкале 1.

Рис. 17.5. Электроскоп

Рис. 17.6. Электрометр

Электризация индукцией. Электризация происходит не только при трении, но и при соприкосновении заряженного тела с незаряженным. Так, если прикоснуться заряженной палочкой к незаряженному шару, то после соприкосновения этих тел на шаре появится заряд (рис. 17.7). Следовательно, заряд обладает свойством дробиться.

Рис. 17.7

Попробуем разобраться, почему наэлектризованное и ненаэлектризованное тела всегда притягиваются. Нам уже известно, что притягиваются тела с противоположными по знаку зарядами. Значит, если мы подносим заряженное тело к незаряженному, то во втором теле появляется заряд противоположного знака, и поэтому тела начинают притягиваться. Это явление получило название электризация индукцией или электризация через влияние. При этом во втором теле происходит перераспределение зарядов, в ходе которого на противоположных сторонах проводящего тела появляются наведенные (индуцированные) заряды противоположного знака, а тело при этом остается нейтральным (рис. 17.8, а).

Если поднести отрицательно заряженную палочку к незаряженному металлическому шару, то на той его стороне, которая ближе к палочке, будет положительный заряд, а на его противоположной стороне — отрицательный заряд (рис. 17.8, б).

Рис. 17.8

Как электризуются тела? Первая попытка объяснить электризацию тел была предпринята американским ученым Б. Франклином, который на заре изучения электричества предположил, что электричество представляет собой особую жидкость, невидимую и неосязаемую нами. Пользуясь этой моделью, удалось объяснить целый ряд явлений, но еще больше явлений не укладывались в ее рамки.

Бенджамин Франклин (1706—1790).

В настоящее время физики придерживаются совершенно другой модели, создателем которой был английский физик Э. Резерфорд. В основе ее надежно установленный экспериментальный факт: вещество состоит из нейтральных атомов, сами атомы состоят из заряженных частиц, все существующие электрические заряды кратны наименьшему, или элементарному заряду. Положительный элементарный заряд несет элементарная частица протон. Равным ему по модулю отрицательным зарядом обладает другая элементарная частица — электрон. Численное значение величины элементарного заряда найдено экспериментально, и оно равно $q_e = -e = -1{,}6 \cdot 10^{-19}$ Кл, $q_p = +e = +1{,}6 \cdot 10^{-19}$ Кл. Величина любого заряда кратна величине элементарного заряда:

$$q = N \cdot e. \qquad (17.1)$$

Теперь становится понятным свойство заряда дробиться.

Свойство заряда дробиться и быть кратным элементарному заряду называется дискретностью.

Эрнест Резерфорд (1871—1937).

Атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором находятся протоны и нейтроны, и вращающихся вокруг ядра отрицательно заряженных электронов (рис. 17.9).

Запомните! Атом состоит из элементарных частиц трех сортов: нейтральных нейтронов, положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов.

Рис. 17.9

Заряды электронов и протонов по модулю равны, но противоположны по знаку. Масса нейтрона и масса протона почти одинаковы и примерно в 1836 раз больше массы электрона, следовательно, почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. Ядро атома стабильно благодаря ядерным силам, которые действуют между его частицами, и удерживает одноименно заряженные протоны от разлета. Радиус ядра примерно в 100 000 раз меньше радиуса атома. Получается, что в атоме много пустого пространства. В объеме атома движутся отрицательно заряженные электроны, которые притягиваются к ядру электрическими силами. Их ровно столько, сколько протонов в ядре, поэтому суммарный отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд ядра, и атом в целом нейтрален. Отметим, что атомы разных веществ удерживают электроны с разными по величине силами.

С учетом вышесказанного попробуйте объяснить, что будет происходить, если потереть друг о друга тела, состоящие из различных веществ.

Очевидно, что при трении двух тел, вещества которых различны, электроны переходят на то тело, ядра которого притягивают электроны сильнее. Тогда у другого тела электронов будет недостаточно и первое тело, которое имеет избыток электронов, приобретет отрицательный заряд, а второе — положительный заряд. Атом, «присоединивший» лишний электрон, становится отрицательно заряженной частицей. Ее называют отрицательным ионом. Атом, потерявший электрон, становится положительно заряженной частицей. Ее называют положительным ионом.

Если $q < 0$, то тело имеет избыточное количество $N$ электронов. Если же $q > 0$, то, наоборот, у тела недостаточно электронов.

Применение электризации. В медицине с помощью электризации создают электроаэрозоли. Такого рода аэрозоли гораздо эффективнее обычных. Их капли способны сильнее измельчаться и при этом не слипаться (они же отталкиваются). Кроме этого, они гораздо глубже проникают в легочные ткани.

На современных автомобильных заводах кузова автомобилей окрашиваются в специальных камерах, где краска распыляется и одновременно электрически заряжается отрицательно, а затем оседает на кузове, заряженном положительно. Окраска кузова получается более равномерной и качественной.

Явление электризации лежит в основе работы лазерного принтера (рис. 17.10). Когда принтер получает от компьютера задание для печати, изображение с помощью лазера «рисуется» на фотобарабане в виде положительно заряженных точек. Затем из контейнера на барабан сыплется очень мелкая сухая краска (тонер). Она прилипает к барабану только в тех местах, где есть положительно заряженные точки. С помощью специального механизма к барабану подается бумага, которая при движении приобретает отрицательный заряд. Бумага соприкасается с фотобарабаном, частицы положительно зарядившейся краски притягиваются к отрицательно заряженному листу, на котором остается отпечаток. Затем бумага проходит по горячему ролику, где частицы краски «вплавляются» в бумагу.

Рис. 17.10. Устройство лазерного принтера

На мельницах кожаные или резиновые ремни, передающие вращение валикам, электризуются, и возникающий при этом искровой разряд может вызвать взрыв мучной пыли или появление искры. Во время работы ткацкого станка волокна ткани от трения приобретают разноименные заряды, это приводит к их взаимному притягиванию, что значительно затрудняет работу на станке. Кроме того, наэлектризованная ткань притягивает частицы пыли из воздуха, и в процессе выработки она сильно загрязняется. Поэтому для того, чтобы устранить электризацию на производстве, необходимо производить тщательнейшее заземление всех станков и механизмов, постоянно увлажнять воздух и использовать токопроводящий пластик для полов.

В домашних условиях влажность воздуха в квартире можно повысить примерно до 70%, используя специальные электрические увлажнители. Если электризующиеся поверхности протирать раствором глицерина, то процесс устранения зарядов статического электричества ускорится в несколько раз.

Вопросы

1. Как взаимодействуют друг с другом: а) две эбонитовые палочки, наэлектризованные трением о мех; б) эбонитовая палочка, натертая мехом, и стеклянная палочка, натертая шелком?
2. Какие опыты доказывают существование электрических зарядов двух видов?
3. Как при помощи листочков бумаги обнаружить, наэлектризовано ли тело?
4. Как по углу расхождения листочков электроскопа судят о его заряде?
5. На шелковой нити висит заряженная бумажная гильза. Как бы вы определили род заряда гильзы?

Творческая мастерская

1. В сухом помещении потрите надутый воздушный шар о меховую шапку, затем поднесите его к оконному стеклу. Что вы наблюдаете? Объясните.
2. Возьмите маленький кусочек ватки. Наэлектризуйте пластмассовую расческу или пластмассовую линейку и поднесите ее к ватке. Ватка притянется к наэлектризованному предмету. Резко дернув расческу или линейку, оторвите ватку и быстро поднесите расческу (линейку) под нее. Объясните, почему ватка сначала прилипает к расческе (линейке), а затем плавает в воздухе над ней?

Упражнение 10

1. Определите знак заряда на металлической гильзе, если поднесенная к ней палочка: а) отрицательно заряжена (рис. 17.11); б) положительно заряжена (рис. 17.12).
2. В нейтральном атоме 4 электрона. Сколько протонов в ядре этого атома? (Ответ: 4)
3. Какой заряд имеет левый шарик (рис. 17.13)? Почему?
4. Какой химический элемент изображен на рисунке 17.14? Чему равен заряд ядра этого атома?
5. Что произойдет с воздушными шарами, если один из них наэлектризовать о газету, а другой — о кусок шерстяной материи и подвесить на некотором расстоянии друг от друга. Почему?
6. Докажите на опыте, что пластмассовую линейку можно наэлектризовать, если потереть ее о сухой лист бумаги. Обоснуйте свои наблюдения.
7. Почему к приземлившемуся самолету сразу не приставляют металлический трап?
8. Иногда при окраске предметов пульверизатором их металлической поверхности сообщают заряд одного знака, а капелькам краски — заряд противоположного знака. Для чего это нужно?
9. Можно ли на концах стеклянной палочки получить одновременно разноименные заряды? Как вы думаете, можно ли добиться такого же результата, если использовать медную палочку?
10. Как зарядить шарик положительным зарядом, имея отрицательно заряженную палочку?
11. Может ли какая-либо частица иметь заряд, равный 1,5e? 20e?

Рис. 17.11

Рис. 17.12, рис. 17.13, рис. 17.14