Виды электризации, демонстрации опытов
Начиная с этой лекции, мы приступаем к изучению новой темы – электродинамики, или же изучения электрических явлений. На этом уроке будут даны понятия о самой электродинамике, об электрическом заряде, об электроне и строении атома, будут показаны различные опыты.
Раздел: Основы электродинамики.
Тема: Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда.
Термин электродинамика происходит от греческих слов «электрон» – янтарь и «динамо» – сила. Подобная терминология происходит от самого первого опыта, проведённого и задокументированного человеком на пути познания электричества. Опыт заключался в натирании куска янтаря мехом, после которого янтарь приобретал способность притягивать кусочки папируса, пылинки и т.д. (Рис. 1-2).
Рис. 1. Янтарь и мех – первые приборы по электрическим опытам
Рис. 2. Результат натирания янтаря
Впервые этот опыт описал древнегреческий учёный Фалес Милетский (рис. 3) в шестом веке до нашей эры. Дальнейшие исследования этого вопроса возобновили лишь спустя очень длительное время – в восемнадцатом веке. Натиранием различных веществ друг другом занимался английский врач Уильям Гильберт (рис. 3). В результате своих опытов он обнаружил, что не обязательно янтарь и мех могут давать полученный Фалесом результат, но абсолютно точно это должны быть разнородные тела.
Рис. 3. Фалес Милетский и Уильям Гильберт
|
|
|
Раз в природе существует особый вид взаимодействия тел, необходимо задать свойство тел, количественно описывающее это взаимодействие.
Электрический заряд – элементарное свойство природы, которое определяет способность тела к особому виду взаимодействия
Величина электрического заряда (чаще просто заряд) – физическая величина, характеризующая взаимодействия заряженных тел. Обозначение – 
. Единица измерения – Кл – «Кулон». Заряд может быть как положительным, так и отрицательным.
Вследствие проведения дополнительных наблюдений, было определено, что любой заряд создаёт в пространстве электрическое поле.
Определение. Электродинамика – наука, которая изучает взаимодействие заряженных тел, а также изучает действие электромагнитного поля на эти заряды.
Подобное понимание термина «электрический заряд» было не всегда. На ранних стадиях изучения этой науки считалось, что заряд – это некая эфирная жидкость, наличие или отсутствие которой в теле определяет способность или неспособность тела к электрическому взаимодействию. Однако это, конечно же, не так.
Своего рода точку в споре поставили два англичанина: Джозеф Томсон и Эрнест Резерфорд (рис. 5). Первый в 1897 году открыл электрон.
|
|
|
Определение. Электрон – мельчайшая частица, способная обладать зарядом, или элементарный носитель заряда (отрицательного).
Было определенно, что электрический заряд – это не материя, а лишь свойство тел, то есть заряд не может существовать отдельно от тела и, конечно же, не может «перетекать» от тела к телу. И вот электрон – наименьшая частица, способная обладать этим свойством.
Каким же образом могут получать различные тела заряд? Ответом на этот вопрос послужило открытие Резерфордом так называемой планетарной модели атома. Было выяснено, что атом состоит из положительно заряженного ядра (положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны) и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов (рис. 4).
Рис. 4. Планетарная модель атома
Атом сам по себе – нейтральное тело, то есть сумма зарядов всех электронов равна сумме зарядов всех протонов с противоположным знаком (протонов и электронов в атоме одинаковое количество). Однако при натирании разнородных тел часть электронов одного тела переходит на второе. Таким образом, у атомов одного тела протонов становится больше, чем электронов, а у второго наоборот. Значит, когда мы заряжаем какое-то тело, на него переходит не заряд, а электроны, которые являются носителями заряда (или же покидают его, если речь идёт о зарядке положительным знаком). А из-за чрезвычайно маленькой массы электронов нельзя увидеть, что на самом деле одно тело «стёрло» частички другого.
|
|
|
Рис. 5. Джозеф Томсон и Эрнест Резерфорд
Как уже было сказано, масса и собственно заряд электрона очень малы:
Заряд протона по модулю равен заряду электрона, но противоположен по знаку:
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, а отрицательный – на эбонитовой или янтарной палочке, если натирать ее мехом.
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.
Виды электризации, демонстрации опытов
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. 3). Этот опыт говорит о том, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга.
Рис. 3. 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. 4).
Рис. 4. 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).
Электрометр
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. 5).
Рис. 5. М.В. Ломоносов (1711-1765)
Электрометр (рис. 6) состоит из круглой банки, металлического стержня и легкого стержня, который может вращаться вокруг горизонтально расположенной оси.
Рис. 6. 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.
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.
Закон сохранения заряда
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. 7). Замкнутой системой называется система тел, из которой заряды не уходят и в которую заряженные тела или заряженные частицы не поступают.
Рис. 7. 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.
Дата добавления: 2021-02-10; просмотров: 92; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!