Еще в глубокой древности было известно, что если потереть янтарь о шерсть, он начинает притягивать к себе легкие предметы. Позднее это же свойство было обнаружено у других веществ (стекло, эбонит и др.). Это явление называют электризацией , а тела, способные притягивать к себе после натирания другие предметы, наэлектризованными. Явление электризации объяснялось на основании гипотезы о существовании зарядов, которые приобретает наэлектризованное тело.
Простые опыты по электризации различных тел иллюстрируют следующие положения.
- Заряды существуют двух видов: положительные (+) и отрицательные (-). Положительный заряд возникает при трении стекла о кожу или шелк, а отрицательный $-$ при трении янтаря (или эбонита) о шерсть.
- Заряды (или заряженные тела) взаимодействуют друг с другом. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные $-$ притягиваются.
Состояние электризации можно передать от одного тела к другому, что связано с переносом электрического заряда. При этом телу можно передать больший или меньший заряд, т. е. заряд имеет величину. При электризации трением заряд приобретают оба тела, причем одно $-$ положительный, а другое $-$ отрицательный. Следует подчеркнуть, что абсолютные величины зарядов наэлектризованных трением тел равны, что подтверждается многочисленными экспериментами.
Объяснить, почему тела электризуются (т. е. заряжаются) при трении, стало возможным после открытия электрона и изучения строения атома. Как известно, все вещества состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из элементарных частиц $-$ отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных протонов и нейтральных частиц $-$ нейтронов. Электроны и протоны являются носителями элементарных (минимальных) электрических зарядов. Протоны и нейтроны (нуклоны) составляют положительно заряженное ядро атома, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны, число которых равно числу протонов, так что атом в целом электронейтрален. В обычных условиях тела, состоящие их атомов (или молекул), электрически нейтральны. Однако в процессе трения часть электронов, покинувших свои атомы, может перейти с одного тела на другое. Перемещение электронов при этом не превышает межатомных расстояний. Но если после трения тела разъединить, то они окажутся заряженными: тело, которое отдало часть своих электронов, будет заряжено положительно, а тело, которое их приобрело, $-$ отрицательно.
Итак, тела электризуются, т. е. получают электрический заряд, когда они теряют или приобретают электроны. В некоторых случаях электризация обусловлена перемещением ионов. Новые электрические заряды при этом не возникают. Происходит лишь разделение имеющихся зарядов между электризующимися телами: часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое.
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?
Считается, что первым систематическое изучение электромагнитных явлений начал английский ученый Гильберт (рис. 1).
Рис. 1. Уильям Гильберт (1544–1603)
Однако объяснить эти явления ученые смогли только спустя несколько веков. После открытия электрона физики выяснили, что часть электронов может сравнительно легко отрываться от атома, превращая его в положительно или отрицательно заряженный ион (рис. 2). Каким же способом могут электризоваться тела? Рассмотрим эти способы.
Рис. 2. Положительно и отрицательно заряженный ион
С электризацией трением мы встречались, когда электризовали эбонитовую палочку кусочком шерсти. Возьмем эбонитовую палочку и потрем ее шерстяной тканью – в этом случае палочка приобретет отрицательный заряд. Выясним, что вызвало возникновение этого заряда. Оказывается, что в случае тесного контакта двух тел, изготовленных из разных материалов, часть электронов переходит из одного тела на другое (рис. 3).
Рис. 3. Переход части электронов с одного тела на другое
Расстояние, на которое при этом перемещаются электроны, не превышает межатомных расстояний. Если тела после контакта разъединить, то они окажутся заряженными: тело, отдавшее часть своих электронов, будет заряжено положительно (шерсть), а тело, получившее их, – отрицательно (эбонитовая палочка). Шерсть удерживает электроны слабее, чем эбонит, поэтому при контакте электроны в основном переходят с шерстяной ткани на эбонитовую палочку, а не наоборот.
Аналогичного результата можно добиться, если расчесывать сухие волосы расческой. Отметим, что общепринятое название «электризация трением» не совсем корректная, правильно говорить «электризация прикосновением», ведь трение необходимо только для того, чтобы увеличить количество участков тесного контакта при соприкосновении тел.
Если до начала опыта шерстяная ткань и эбонитовая палочка не были заряженными, то после проведения опыта они приобретут некоторый заряд, причем их заряд будет равен по модулю, но противоположен по знаку. Это означает, что до и после проведения опыта суммарный заряд палочки и ткани будет равен 0 (рис. 4).
Рис. 4. Суммарный заряд палочки и ткани до и после проведения опыта равен нулю
В результате проведения многих опытов физики установили, что при электризации происходит не создание новых зарядов, а их перераспределение. Таким образом, выполняется закон сохранения заряда.
Закон сохранения электрического заряда: полный заряд замкнутой системы тел или частиц остается неизменным при любых взаимодействиях, происходящих в этой системе (рис. 5):
где - заряды тел или частиц, образующих замкнутую систему (n - количество таких тел или частиц).
Рис. 5. Закон сохранения электрического заряда
Под замкнутой системой подразумевают такую систему тел или частиц, которые взаимодействуют только друг с другом, то есть не взаимодействуют с другими телами и частицами.
Решение различных задач
Рассмотрим примеры решения нескольких важных задач, связанных с различными электрическими явлениями.
Задача 1. Два одинаковых проводящих заряженных шарика соприкоснулись и сразу же разошлись. Вычислите заряд каждого шарика после соприкосновения, если до него заряд первого шарика был равен , а второго .
Решение
Решение данной задачи основывается на законе сохранения электрического заряда: сумма зарядов шариков до и после соприкосновения не может измениться (так как в данном случае они образуют замкнутую систему). Кроме того, поскольку шарики одинаковые, то перетекание заряда с одного шарика на другой будет происходить до тех пор, пока их заряды не уравняются (в качестве аналогии можно рассмотреть тепловой баланс в системе из двух одинаковых тел с разными температурами, который установится только тогда, когда уравняются температуры тел). Значит, после соприкосновения заряд каждого из шариков станет равным (рис. 6). Пользуясь законом сохранения заряда, мы получаем: . Из этого несложно получить, что после соприкосновения заряд каждого из шариков будет равен: 
.
Рис. 6. Заряды после соприкосновения шариков
Задача 2. Два заряженных шарика подвешены на шелковых нитях. К ним подносят положительно заряженный лист оргстекла, и угол между нитями увеличивается. Каков знак зарядов шариков? Ответ обоснуйте.
Решение
До поднесения оргстекла силы, действующие на каждый из шариков, уравновешены (сила тяжести, сила натяжения нити и сила электрического взаимодействия шариков) (рис. 7). Мы видим, что при поднесении положительно заряженного оргстекла шарики «поднимаются» относительно первоначального положения. Значит, возникла сила, которая направлена вверх. Это, конечно же, сила электрического взаимодействия шарика и пластинки. Значит, шарик и пластинка отталкиваются (в противном случае сила их взаимодействия «тянула» бы шарик вниз). Из этого можно сделать вывод, что шарики заряжены так же по знаку, как и пластинка, то есть положительно (рис. 8).
Рис. 7. Силы, действующие на шарики до поднесения оргстекла
Рис. 8. Движение шариков вверх
Задача 3. Как передать электроскопу заряд, который в несколько раз больше, чем заряд наэлектризованной стеклянной палочки? У вас, кроме заряженной палочки и электроскопа, есть небольшой металлический шарик на изолирующей ручке.
Решение
Будем использовать электризацию через влияние. Поднесем шарик к палочке (не касаясь) и, дотронувшись до шарика пальцем, зарядим его. После этого поднесем шарик к шару электроскопа и коснемся его с внутренней стороны. Заряд распределится по поверхности шара электроскопа. Повторяя операцию много раз, мы можем сообщить электроскопу достаточно большой заряд.
В этом можно убедиться с помощью наглядной демонстрации (рис. 9).
Рис. 9. Сообщение электроскопу большого заряда многократной передачей
Заземление. Проводники и диэлектрики
Если взять металлический стержень и, удерживая его в руке, попробовать наэлектризовать, окажется, что это невозможно. Дело в том, что металлы - это вещества, имеющие множество так называемых свободных электронов (рис. 10), которые легко перемещаются по всему объему металла.
Рис. 10. Металлы - это вещества, имеющие множество свободных электронов
Подобные вещества принято называть проводниками. Попытка наэлектризовать металлический стержень, удерживая его в руке, приведет к тому, что избыточные электроны очень быстро убегут со стержня, и он останется незаряженным. «Дорогой для бегства» электронов служит сам исследователь, поскольку тело человека - это проводник. Именно поэтому опыты с электричеством могут быть опасными для их участников!
Рис. 11. «Дорога для бегства» электронов
Обычно «конечный пункт» для электронов - земля, которая тоже является проводником. Ее размеры огромны, поэтому любое заряженное тело, если его соединить проводником с землей, спустя некоторое время станет практически электронейтральным (незаряженным): тела, заряженные положительно, получат от земли некоторое количество электронов, а с тел, заряженных отрицательно, избыточное количество электронов уйдет в землю (см. рис. 12).
Рис. 12. Земля - «конечный пункт» для электронов
Технический прием, позволяющий разрядить любое заряженное тело путем соединения этого тела проводником с землей, называют заземлением.
Рис. 13. Обозначение заземления на схеме
В некоторых случаях, например чтобы зарядить проводник или сохранить на нем заряд, заземления следует избегать. Для этого используют тела, изготовленные из диэлектриков. В диэлектриках (их еще называют изоляторами) свободные электроны практически отсутствуют. Поэтому если между землей и заряженным телом поставить барьер в виде изолятора, то свободные электроны не смогут покинуть проводник (или попасть на него) и проводник останется заряженным (рис. 14). Стекло, оргстекло, эбонит, янтарь, резина, бумага - диэлектрики, поэтому в опытах по электростатике их легко наэлектризовать - заряд с них не стекает.
Рис. 14. Если между землей и заряженным телом поставить барьер в виде изолятора, то свободные электроны не смогут покинуть проводник (или попасть на него)
Проведем следующий опыт: возьмем эбонитовую палочку и зарядим ее с помощью электризации трением. Поднесем палочку к шару электрометра, коснемся на некоторое время шара электрометра пальцем и уберем палочку, мы видим, что стрелка электрометра отклонилась (рис. 15).
Рис. 15. Показание электрометра
Таким образом, шар приобрел электрический заряд, хотя мы его не касались эбонитовой палочкой. Почему же это произошло? Знак шара является противоположным знаку заряду палочки.
Так как контакта между заряженным и незаряженным телами не было, описанный процесс называется электризацией через влияние (или электростатической индукцией). Под действием электрического поля отрицательно заряженной палочки свободные электроны перераспределяются по поверхности металлической сферы (рис. 16).
Рис. 16. Перераспределение электронов
Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому они отталкиваются от отрицательно заряженной эбонитовой палочки. В результате количество электронов станет избыточным на удаленной от палочки части сферы и недостаточным на ближней. Если коснуться сферы пальцем, то некоторое количество свободных электронов перейдет из сферы на тело исследователя (рис. 17).
Рис. 17. Переход части электронов на тело исследователя
В итоге на сфере возникнет недостаток электронов и она станет положительно заряженной. Выяснив механизм электризации через влияние, вам не составит труда объяснить, почему незаряженные металлические тела притягиваются к заряженным телам.
Сложнее объяснить, почему к наэлектризованной палочке притягиваются кусочки бумаги, ведь бумага - диэлектрик, а значит, практически не содержит свободных электронов. Дело в том, что электрическое поле заряженной палочки действует на связанные электроны атомов, из которых состоит бумага, вследствие чего изменяется форма электронного облака - оно становится вытянутым. В результате на ближних к палочке кусочках бумаги образуется заряд, противоположный по знаку заряду палочки (рис. 18), и поэтому бумага начинает притягиваться к палочке - это явление называется поляризацией диэлектрика.
Рис. 18. Поляризация диэлектрика
Польза и вред электризации
Применение электризации и наэлектризованных тел.
1. Изготовление наждачной бумаги
Принцип покрытия наждачным порошком бумаги и получения искусственных ворсистых материалов можно пояснить на следующем опыте (рис. 19). Диски от раздвижного конденсатора соединяют с кондукторами электрофорной машины. На нижний диск насыпают песок или узкие полоски цветной бумаги. Поверхность верхнего диска смазывают клеем. Приведя в действие электрофорную машину, заряжают диски. При этом кусочки бумаги или песок, находящиеся на нижнем диске, получив одноименный с ним заряд, под действием сил электрического поля притягиваются к верхнему диску и оседают на нем.
Рис. 19. Изготовление наждачной бумаги
2. Метод электростатической покраски металлических изделий
Метод окраски поверхностей в электрическом поле - электроокраска - впервые разработал русский ученый А.Л. Чижевский. Суть его такова: жидкий краситель любого цвета помещают в пульверизатор - сосуд с тонко оттянутым концом (соплом) - и подводят к нему отрицательный потенциал. К металлическому трафарету подводят положительный потенциал, а перед трафаретом размещается окрашиваемая поверхность (ткань, бумага, металл и т. д.) (рис. 20).
Рис. 20. Постановка метода электростатической покраски металлических изделий
Благодаря электростатическому полю между соплом с краской и трафаретом частицы краски летят строго по направлению к металлическому трафарету (рис. 21), на окрашиваемой поверхности воспроизводится точный рисунок трафарета, при этом ни одна капля краски не падает. Регулируя расстояние между соплом и объектом окраски, можно менять скорость нанесения и толщину покровного слоя, т. е. регулировать скорость окраски.
Данный метод дает экономию красителей до 70 % по сравнению с обычным методом окраски и ускоряет примерно в три раза процесс покрытия изделия.
Рис. 21. Частицы краски летят строго по направлению к металлическому трафарету
3. Очистка воздуха от пыли и легких частиц
Так как частицы пыли способны электризоваться, то для их удаления часто применяют фильтр, внутри которого находится электрически заряженный элемент, притягивающий к себе микрочастицы. Для того чтобы сделать пылеудаление более эффективным, воздух в помещении ионизируют. Такие электрофильтры устанавливают в цехах размола цемента и фосфоритов, на химических заводах.
Рис. 22. Электростатический очиститель воздуха со снятой пылесборной пластиной
Рис. 23. Электроды внутри промышленного электростатического очистителя воздуха
Отрицательное влияние электризации трением на производстве и в быту
На одном из целлюлозно-бумажных комбинатов некоторое время не могли установить причину частых обрывов быстродвижущейся бумажной ленты. Были приглашены ученые. Они выяснили, что причина заключалась в электризации ленты при трении ее о валки.
Рис. 24. Бумагоделательная машина
При трении о воздух электризуется самолет. Поэтому после посадки к самолету нельзя сразу приставлять металлический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолет разряжают: опускают на землю металлический трос, соединенный с обшивкой самолета, и разряд происходит между землей и концом троса (рис. 25).
Рис. 25. Удаление заряда с самолета
Бывали случаи, что быстро поднимающийся в воздухе воздушный шар загорался. Воздушные шары часто наполняют водородом, который легко воспламеняется. Причиной воспламенения может быть электризация трением прорезиненной оболочки о воздух при быстром подъеме.
Рис. 26. Воздушные шары (аэростаты)
В любом процессе, где участвуют движущиеся части вещества, движется зерно или жидкость, происходит разделение зарядов. Одна из опасностей при транспортировке зерна в элеватор связана с тем, что в результате разделения зарядов в атмосфере, заполненной горячей пылью, может проскочить искра и произойти возгорание.
Рис. 27. Транспортировка зерна
В домашних условиях устранить заряды статического электричества довольно легко, повышая относительную влажность воздуха квартиры до 60-70 % (рис. 28).
Рис. 28. Гигрометр
На этом уроке мы обсудили некоторые электрические явления: в частности, поговорили об электризации двумя способами - трением и влиянием.
Список литературы
- Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. - 2-е издание передел. - X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. - 464 с.
- А.В. Перышкин. Физика 8 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. - М.: Дрофа, 2013. - 237 с.
- Интернет-портал «physbook.ru» ()
- Интернет-портал «youtube.com» ()
Домашнее задание
- Почему иногда, поглаживая кошку рукой, можно увидеть небольшие искры, которые возникают между шерстью и рукой?
- Есть рыбы, которые можно назвать «живыми электростанциями». Что это за рыбы?
- Сформулируйте закон сохранения электрического заряда.
Почему же мы не наблюдаем электрических сил притяжения и отталкивания между окружающими нас телами? Ведь все тела состоят из атомов, а атомы - из частиц, обладающих электрическими зарядами.
Причина в том, что атомы в целом - нейтральны. Общий отрицательный заряд всех электронов в атоме равен положительному заряду ядра. Суммарный заряд атома - нуль. А раз нейтрален атом, - нейтральна и молекула. И тело, состоящее из атомов или молекул, тоже нейтрально; оно не обладает электрическим зарядом.
Возьмите стеклянную палочку и сильно потрите её куском сухого шёлка. При этом часть электронов отрывается от молекул стекла и переходит к молекулам шёлка. Происходит так называемая ионизация некоторых молекул стекла, превращение их из нейтральных частиц в электрически заряженные частицы - ионы. Молекулы стекла, потерявшие один или несколько электронов, уже не нейтральны. Положительный заряд ядер в такой молекуле больше, чем отрицательный заряд оставшихся в ней электронов. Молекула заряжена положительно - это положительный ион. Атом или молекула, захватившие один или несколько лишних электронов, называются отрицательными ионами.
Если прикоснуться этой палочкой к двум листочкам папиросной бумаги, подвешенным на нитках, то часть электронов с листочков притянется положительно заряженной палочкой и перейдёт на неё. Листочки зарядятся положительно и станут отталкиваться друг от друга, как это изображено на рисунке 3.
Листочки можно зарядить и отрицательно. Для этого вместо стеклянной надо взять эбонитовую или сургучную палочку, а вместо шёлка - мех или шерстяную ткань. При натирании сургуча или эбонита мехом часть электронов переходит с меха на палочку и она заряжается отрицательно. Электроны отталкиваются друг от друга. Поэтому, когда палочка касается листка папиросной бумаги,
Часть электронов переходит на него. Два листочка, которых мы коснёмся эбонитовой или сургучной палочкой, заряжаются отрицательно. Между собой они отталкиваются так же, как показано на рисунке 3, а к положительно заряженным листочкам притягиваются (рис. 4).
Впервые люди познакомились с электричеством, натирая янтарь шерстью. Было это в древней Греции две с половиной тысячи лет назад. Янтарь по-гречески называется «электрон». Так родилось слово «электричество».
Мы видим теперь, что электрические свойства янтаря, стекла, эбонита и других тел, с которыми люди познакомились на опыте, суть лишь проявление электрических сил, действующих между электронами и ядрами.
Названия «положительный» и «отрицательный» заряды были даны тогда, когда о строении атома, об электронах и ядрах ещё ничего не знали. Впоследствии оказалось, что положительным был назван заряд ядра, а отрицательным - заряд электрона.
Положительно заряженное тело - это тело, потерявшее часть своих электронов. Отрицательно заряженное тело - это тело, приобретшее избыточные электроны. Электризация тел при трении вызвана переходом части электронов от одного тела к другому.
Требования к качеству, области применения и правилам эксплуатации электрооборудования, предъявляемые современными отечественными и мировыми стандартами и техническими регламентами, определяют необходимость регулярного обслуживания...
Мы живём в замечательное время, которое навсегда войдёт в историю неразрывно связанным с именем Иосифа Виссарионовича Сталина. Под руководством коммунистической партии и её вождя товарища Сталина советские люди построили социализм …
Кроме токов, текущих всё время: в одном направлении, в технике широко применяются также так называемые переменные токи. Направление переменного тока в цепи изменяется обычно много раз за секунду. Рассмотрим здесь …
Основной причиной явления, которое мы называем «электризация трением», является то, что при тесном соприкосновении двух различных тел часть электронов переходит с одного тела на другое (рис. 11). В результате этого на поверхности первого тела оказывается положительный заряд (недостаток электронов), а на поверхности второго тела – отрицательный заряд (избыток электронов). Смещение электронов при этом очень мало, оно бывает порядка межатомных расстояний ( м). Поэтому возникший на границе двух тел так называемый двойной электрической слой ничем не проявляет себя во внешнем пространстве. Но если тела раздвинуть, то на каждом из них окажется заряд того или иного знака (рис. 12). В этом мы и убеждаемся, внося каждое из этих тел в стакан электроскопа (рис. 9).
Рис. 11. Возникновение двойного электрического слоя при тесном соприкосновении двух различных тел
Рис. 12. После раздвигания тел каждое из них оказывается заряженным
Говоря о «тесном соприкосновении» двух тел, мы имели в виду такое сближение их, при котором расстояние между частицами разных тел становится примерно таким же, как расстояние между атомами или молекулами одного и того же тела. Только при этих условиях возможен «захват» одним телом электронов другого тела и возникновение двойного электрического слоя. Но тела, с которыми мы имеем дело, никогда не бывают идеально гладкими. Поэтому даже тогда, когда мы прижимаем два тела вплотную друг к другу, действительно тесное соприкосновение их в указанном смысле слова имеет место не на всей поверхности тел, а только в отдельных небольших участках. Когда мы трем тела друг о друга, мы увеличиваем число таких участков тесного соприкосновения, в которых происходит электризация, и тем самым увеличиваем общий заряд, который окажется на каждом из тел, когда мы их раздвинем. Только в этом и заключается роль трения. «Электризация трением» - это название, имеющее только историческое происхождение.
В том, что дело обстоит именно так и что возникновение электрических зарядов при тесном соприкосновении различных тел происходит и тогда, когда трения между этими телами в обычном смысле слова нет, нас убеждает опыт, изображенный на рис. 13. Возьмем два электроскопа и укрепим на стержне каждого из них высокий металлический стакан, как на рис. 9. В один из этих стаканов нальем дистиллированную воду и погрузим в нее шарик из парафина, укрепленный на изолирующей ручке (рис. 13,а). Вынув этот шарик из воды, мы увидим, что листки электроскопа разойдутся (рис. 13,б справа). Опыт удается независимо от того, погрузим мы шарик в воду на малую или на большую глубину и будем ли мы вынимать его из воды медленно или быстро. Это показывает, что заряды разделяются при соприкосновении шарика и жидкости и что трение, как таковое, здесь роли не играет. Перенеся шарик во второй стакан (рис. 13,б слева), мы увидим, что листки второго электроскопа расходятся, т. е. шарик приобрел электрический заряд при соприкосновении с водой. Соединим теперь электроскопы проволокой (рис. 13,в); листки обоих электроскопов опадают, и это показывает, что заряды, приобретенные водой и шариком, равны по модулю и противоположны по знаку.
Рис. 13. Электризация воды и парафинового шарика, погруженного в нее
Разделение зарядов и возникновение двойного электрического слоя имеет место при соприкосновении любых двух различных тел: диэлектриков или проводников, твердых тел, жидкостей или газов. Мы увидим дальше (§ 76), какое значение имеет этот факт для объяснения ряда важных явлений, в том числе действия гальванических элементов. Почему же, описывая явления электризации трением, мы всегда брали для опыта только хорошие диэлектрики – янтарь, стекло, шелк, эбонит и т. п.? Причина этого заключается в том, что в диэлектриках заряд остается там, где он возник, и не может через всю поверхность тела перейти на другие соприкасающиеся с данным телом предметы. Впрочем, одно из натираемых тел могло бы быть и куском металла, укрепленным на изолирующей ручке. Однако наш опыт электризации трением не удался бы, если бы оба трущиеся друг о друга тела были металлами, даже если оба эти тела были изолированы. Причина заключается в том, что мы практически не можем отделить наши тела одно от другого сразу по всей поверхности. Вследствие неизбежной их шероховатости в момент отрыва всегда будут оставаться какие-то последние точки соприкосновения, и так как электроны свободно движутся через металл, то через эти «мостики» в последний момент все избыточные электроны перетекут с одного куска металла на другой, и оба они окажутся незаряженными.
7.1. Почему при расчесывании сухих волос пластмассовым гребнем волосы «прилипают» к гребню (при этом иногда слышно легкое потрескивание, а в темноте удается наблюдать и маленькие искорки, проскакивающие между волосами и гребнем)?
7.2. Прижмите к теплой кафельной печи лист бумаги и потрите его ладонями. Лист пристанет к поверхности печи. При отрывании слышен треск, и в темноте видны искры между бумагой и печью. Объясните явление. Почему опыт обычно не удается с холодной, нетопленной печью? Обратите внимание на сказанное в § 2.