1. Электризацией называют процесс сообщения телу электрического заряда.
2. От какого греческого слова происходит термин «электричество»?
2. От греческого слова «электрон», которое по-русски обозначает янтарь.
3. Одно или оба тела электризуются при трении?
3. При трении электризуются оба тела.
4. Какие два рода электрических зарядов существуют в природе? Из каких опытов следует, что их действительно два?
4. Существуют 2 вида заряда: «+» и «-». Опыты, свидетельствующие об этом: взаимодействие эбонитовой палочки, натёртой об мех с такой же эбонитовой палочкой и стеклянной палочкой, натёртой о шелк.
5. Сформулируйте правило, описывающее характер взаимодействия заряженных тел.
5. Одинаково заряженные тела отталкиваются, по-разному заряженные - притягиваются.
6. Кусочек дерева потерли о шелк. Какие заряды (по знаку) появились на кусочке дерева и какие на шелке?
6. На дереве появились заряды со знаком «+», на шелке - со знаком «-».
7. Как называется единица заряда?
7. Единица заряда в СИ называется кулон.
8. Выполнив экспериментальные задания, опишите опыты, изображенные на рисунке 6.
8. Эти опыты подробно описаны в учебнике (одноименные заряды отталкиваются, разноименные - притягиваются)
В результате опытов по электризации было установлено, что все вещества можно расположить в ряды, в которых предыдущее тело электризуется при трении о последующее тело положительно, а последующее при этом - отрицательно. Вот, например, один из таких рядов: кроличий мех, стекло, кварц, шерсть, шелк, хлопок, дерево, янтарь, каучук.
Все наэлектризованные тела приобретают свойство притягивать к себе другие тела, например листочки бумаги. По притяжению тел нельзя отличить электрический заряд стеклянной палочки, потертой о шелк, от заряда, полученного на эбонитовой палочке, потертой о мех. Ведь обе наэлектризованные палочки притягивают листочки бумаги.
Означает ли это, что заряды, полученные на телах, сделанных из различных веществ, ничем не отличаются друг от друга?
Обратимся к опытам. Наэлектризуем эбонитовую палочку, подвешенную на нити. Приблизим к ней другую такую же палочку, наэлектризованную трением о тот же кусочек меха. Палочки оттолкнутся (рис. 212). Поскольку палочки одинаковые и наэлектризовали их трением об одно и то же тело, можно сказать, что на них были заряды одного рода. Значит, тела, которым сообщены заряды одного рода, взаимно отталкиваются.
Теперь поднесем к наэлектризованной эбонитовой палочке стеклянную палочку, потертую о шелк. Мы увидим, что стеклянная и эбонитовая палочки взаимно притягиваются (рис. 213). Следовательно, заряд, полученный на стекле, потертом о шелк, другого рода, чем на эбоните , потертом о мех. Значит, существует два рода электрических зарядов.
Будем приближать к подвешенной наэлектризованной эбонитовой палочке другие наэлектризованные тела из различных веществ: резины, плексигласа, пластмассы, капрона. Мы увидим, что в одних случаях эбонитовая палочка отталкивается от поднесенных к ней тел, а в других - притягивается к ним. Если эбонитовая палочка оттолкнулась, значит, на поднесенном к ней теле заряд такого же рода, как и на ней. А заряд тех тел, к которым эбонитовая палочка притянулась, сходен с зарядом, полученным на стекле, потертом о шелк. Поэтому можно считать, что существует только два рода электрических зарядов.
Заряд, полученный на стекле, потертом о шелк (и на всех телах, где получается заряд такого же рода), назвали положительным, а заряд, полученный на янтаре (а также эбоните, сере, резине ), потертом о шерсть, назвали отрицательным.
Итак, опыты показали, что существует два рода электрических зарядов - положительные и отрицательные заряды и что наэлектризованные тела по-разному взаимодействуют друг с другом.
Тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды противоположного знака, взаимно притягиваются.
Вопросы. 1. Как взаимодействуют друг с другом две эбонитовые папочки, наэлектризованные трением о мех? 2. Как показать, что заряд, полученный на стекле; потертом о шелк, является зарядом другого рода, чем заряд эбонитовой палочки, потертой о шерсть? 3. Какие два рода электрических зарядов существуют в природе? Как их называют? 4. Как взаимодействуют тела, имеющие заряды одного знака? разного знака?
Задание.
Оберните круглый карандаш металлической бумагой (фольгой) и осторожно снимите с карандаша образовавшуюся гильзу. Подвесьте ее на шелковой или капроновой нити, как показано на рисунке 214. Коснитесь гильзы наэлектризованным телом, заряд которого известен. Затем наэлектризуйте другие тела и, поднося их к гильзе, определите знак их заряда.
1 .Два рода электрических зарядов и их свойства. Наименьший неделимый электрический заряд. Закон сохранения электрических зарядов. Закон Кулона. Единица заряда. Электростатическое поле. Способ обнаружения поля. Напряженность как характеристика электростатического поля. Вектор напряженности, его направление. Напряженность электрического поля точечного заряда. Единицы напряженности. Принцип суперпозиции полей.
Электрический заряд - величина инвариантная, т.е. не зависит от системы отсчета, а потому не зависит от того, движется заряд или он покоится.
два рода (типа) эл.зарядов : заряды положительные и заряды отрицательные.
Экспериментально установили, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.
Электрически нейтральное тело должно иметь равное количество положительных и отрицательных зарядов, но и их распределение по объему тела должно быть равномерным.
Закон сохранения эл. заряда : алгебраическая сумма элек. зарядов любой замкнутой системы (системы не обменивающейся зарядами с внешними тепами) остается неизменной, какие бы процессы не происходили внутри этой системы.
Элек. заряды самопроизвольно не создаются и не возникают, они лишь могут разделяться и передаваться от одного тела к другому.
Существует наименьший заряд, его назвали элементарным зарядом - это заряд, который имеет электрон и заряд на теле кратен этому элементарному заряду: е=1,6*10 -19 Кл . Отрицательный элементарный заряд связан с электроном, а положительный- с позитроном, у которого заряд и масса количественно совпадают с зарядом и массой электрона. Однако из-за того, что время жизни позитрона мало, на телах они отсутствуют и поэтому положительную или отрицательную заряженность тел объясняют или недостатком или избытком электронов на телах.
Закон Кулона: силы взаимодействия двух точечных зарядов, находящихся в однородной и изотропной среде, прямо пропорциональны произведению этих зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними, равны между собой и направлены по прямой, проходящей через эти заряды. г- расстояние между зарядами q 1 и q 2 , k-коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы физических единиц.
м/Ф,
а
=8,85*10 -12
Ф/м -
диэлектрическая постоянная
Под точечным зарядом следует понимать заряды, сосредоточенные на телах, линейные размеры которых малы по сравнению с расстояниями между ними.
При этом заряд измеряется в кулонах - количество электричества, протекающее через поперечное сечение проводника в одну секунду при токе в 1 ампер.
Сила F направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, т.е. является центральной силой и соответствующей притяжению (F<0) в случае разноименных зарядов и отталкиванию (F>0) в случае одноименных зарядов. Эту силу называют кулоновская сила.
Позднейшие исследования Фарадея показали, что электрическое взаимодействие между заряженными телами зависят от свойств среды, в которой происходят эти взаимодействия.
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?
Подвесив на двух нитях лёгкие шарики из фольги и коснувшись каждого из них стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, можно увидеть, что шарики оттолкнутся дpуг от друга. Если потом коснуться одного шарика стеклянной палочкой, потёpтой о шёлк, а другого эбонитовой палочкой, потёpтoй о мех, то шарики притянутся дpуг к другу. Это означает, что стеклянная и эбонитовая палочки при трении приобретают заряды разных знаков , т.е. в природе существуют два рода электрических зарядов , имеющих противоположные знаки: положительный и отрицательный. Условились считать, что стеклянная палочка, потёртая о шёлк, приобретает положительный заряд , а эбонитовая палочка, потёртая о мех, приобретает отрицательный заряд .
Из описанного опыта также следует, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом . Такое взаимодействие зарядов называют электрическим. При этом одноимённые заряды, т.е. заряды одного знака, отталкиваются друг от друга, а разноимённые заряды притягиваются друг к другу.
На явлении отталкивания одноимённо заряженных тел основано устройство электроскопа - прибора, позволяющего определить, заряжено ли данное тело, и электрометра , прибора, позволяющего оценить значение электрического заряда.
Если заряженным телом коснуться стержня электроскопа, то листочки электроскопа разойдутся, поскольку они приобретут заряд одного знака. То же произойдёт со стрелкой электрометра, если коснуться заряженным телом его стержня. При этом, чем больше заряд, тем на больший угол отклонится стрелка от стержня.
Из простых опытов следует, что сила взаимодействия между заряженными телами может быть больше или меньше в зависимости от величины приобретённого заряда. Таким образом, можно сказать, что электрический заряд, с одной стороны, характеризует способность тела к электрическому взаимодействию, а с другой стороны, является величиной, определяющей интенсивность этого взаимодействия.
Заряд обозначают буквой q , за единицу заряда принят кулон : [q ] = 1 Кл .
Если коснуться заряженной палочкой одного электрометра, а затем этот электрометр соединить металлическим стержнем с другим электрометром, то заряд, находящийся на первом электрометре, поделится между двумя электрометрами. Можно затем соединить электрометр с ещё несколькими электрометрами, и заряд будет делиться между ними. Таким образом, электрический заряд обладает свойством делимости . Пределом делимости заряда, т.е. наименьшим зарядом, существующим в природе, является заряд электрона . Заряд электрона отрицателен и равен 1,6*10 -19 Кл . Любой другой заряд кратен заряду электрона.
