Що електрична взаємодія передається через повітря. Електрична взаємодія

Підвісимо на шовковій нитці легкий грузик, наприклад, паперову гільзу. Потремо об шовкову матерію скляну паличку і піднесемо її до вантажу. Ми побачимо, що гільза спочатку притягнеться до палички, але потім після зіткнення зі склом від нього відштовхнеться (рис. 1). Доторкнемося тепер тією ж натертою паличкою до іншої такої ж гільзи, приберемо скло і наблизимо гільзи один до одного. Вони відштовхнуться одна від одної (рис. 2).

Мал. 1. Паперова гільза відштовхується від скляної палички, що зарядила її.

Мал. 2. Дві підвішені на шовкових нитках паперові гільзи, заряджені від скляної палички, відштовхуються один від одного: - сила тяжіння, що діє на гільзу, - електрична сила, - сила, що врівноважує силу натягу нитки

До зіткнення з натертою скляною паличкою підвішені грузики під дією сили тяжіння та сили натягу нитки опинялися у рівновазі у вертикальному положенні. Тепер їхнє положення рівноваги інше. Отже, крім уже згаданих сил, на вантажі діють ще якісь сили. Ці сили відмінні від сил тяжіння, від сил, що виникають при деформації тіл, від сил тертя та інших сил, які ми вивчали в механіці. У щойно описаних простих дослідах ми зустрічаємося з проявом сил, які отримали назву електричних.

Тіла, які діють на навколишні предмети електричними силами, ми називаємо наелектризованими або зарядженими і кажемо, що на цих тілах знаходяться електричні заряди.

В описаних дослідах ми заряджали скло за допомогою тертя про шовк. Ми могли б замість скла вибрати сургуч, ебоніт, плексиглас, бурштин і замінити шовкову матерію шкірою, гумою та іншими предметами. Досвід показує, що за допомогою тертя можна зарядити будь-яке тіло.

На явище електричного відштовхування заряджених тіл засновано пристрій електроскопа – приладу виявлення електричних зарядів. Він складається з металевого стрижня, до якого підвішено дуже тонкий алюмінієвий або паперовий листок або два листки (рис. 3, а). Стрижень укріплений за допомогою ебонітової або бурштинової пробки усередині скляної банки, що оберігає листки від руху повітря. На рис. 3,б дано умовне зображенняелектроскопа, яким ми і користуватимемося надалі.

Мал. 3. Простий електроскоп: а) загальний вигляд; б) умовне зображення

Торкнемося стрижня електроскопа зарядженим тілом, наприклад, натертою скляною паличкою. Листки відштовхнуться від стрижня і відхилиться на деякий кут. Якщо тепер видалити паличку, то листки залишаться відхиленими, а це означає, що при зіткненні із зарядженим тілом на стрижень та листки електроскопа переходить певний заряд.

Зарядимо електроскоп за допомогою скляної палички, помітимо відхилення листків, торкнемося електроскопа ще раз іншим місцем зарядженого скла і знову приберемо паличку. Відхилення листків збільшиться. Після третього дотику воно буде ще більше і т. д. Ми бачимо, що електричні сили, що зумовлюють відхилення листків, можуть бути і більше і менше, а отже, і заряд на електроскопі може бути більшим або меншим. Таким чином, можна говорити про заряд, що знаходиться на тому чи іншому тілі, в нашому прикладі - на електроскопі, як про деяку кількісну міру, що характеризує певні природні явища.

Вивчення електричних явищпочалося в Стародавню Греціюзі спостереження, яке й породило згодом слово "електрика". Було помічено, що якщо натерти бурштин вовною, він починає притягувати дрібні предмети – наприклад, пушинки та пір'я. Бурштин по-грецьки електрон, тому цей вид взаємодії назвали електричним.

Сьогодні будь-хто може повторити цей знаменитий давньогрецький досвід навіть без бурштину.

Поставимо досвід

Розчешіть сухе волосся пластмасовим гребінцем і піднесіть її до маленьких шматочків паперу, не торкаючись його. Шматочки паперу притягуватимуться до гребінця (рис. 49.1).

Електричні взаємодіїобумовлені наявністю у тіл електричних зарядів.

Тіло, що має електричний заряд, називають електрично зарядженим (або просто зарядженим), а повідомлення тілам електричних зарядів називають електризацією.

Натертий бурштин набуває здатність до електричних взаємодій з тієї причини, що при терті він електризується. Згодом з'ясувалося, що бурштин – не виняток: при терті електризується багато тіла. Ви самі, напевно, не раз відчували, як вас "б'є струмом", коли ви торкаєтеся іншої людини після того, як зняли або одягли вовняний одяг. Це теж результат електризації при терті.

Досліди з наелектризованими тілами – наприклад, з натертим бурштином або гребінцем – показують, що наелектризовані тіла притягують незаряджені предмети. Нижче ми побачимо, що це тяжіння також зумовлено взаємодією електричних зарядів.

1. Багато господинь, намагаючись якнайретельніше витерти пил з меблів, довго труть поверхню меблів сухою ганчіркою. Але, на жаль – чим більше вони намагаються, тим швидше пил знову сідає на добре витерті поверхні. Те саме відбувається і тоді, коли ретельно протирають сухою ганчіркою монітор комп'ютера або ноутбука. Як це пояснити?

Для отримання заряджених тіл у шкільних дослідах з електрики зазвичай натирають шерстю ебонітову паличку або шовком – скляну. (Ебоніт – тверда речовиначорного кольору, що складається з сірки та каучуку.) В результаті палички набувають електричний заряд.

Поставимо досвід

Наелектризуємо одну легку металеву гільзу (металевий циліндр), торкнувшись її зарядженої. скляною паличкою, а іншу гільзу – торкнувшись до неї зарядженої ебонітовою паличкою. Ми побачимо, що гільзи почнуть притягуватись (рис. 49.2, а).
А ось дві гільзи, наелектризовані за допомогою однієї і тієї ж палички, завжди відштовхуватимуться – незалежно від того, якою паличкою ми користувалися для електризації гільз (рис. 49.2, б, в).

Цей досвід показує, що електричні заряди бувають двох типів: заряди того самого типу відштовхуються, а заряди різних типівпритягуються. Найчастіше говорять не про типи, а про знаки зарядів, називаючи їх позитивними та негативними. Справа в тому, що заряди протилежних знаків можуть компенсувати один одного (подібно до того, як сума позитивного і негативного чиселможе бути дорівнює нулю). Отже,

електричні заряди бувають двох знаків – позитивні та негативні.

Заряд скляної палички, натертої шовком, вважають позитивним, а заряд ебонітової пилки, натертою хутром чи шерстю – негативним.
Тіла, що мають заряд одного знака, називають зарядженими однойменно, а тіла, що мають заряди різних знаків, називають зарядженими різнименно.

Описаний вище досвід показав, що

однойменно заряджені тіла відштовхуються, а різноіменно заряджені – притягуються.

2. а) Чи можуть заряди трьох кульок бути такими, що будь-яка пара кульок взаємно відштовхується? взаємно притягується?
б) Чи можна визначити, не використовуючи інших тіл або приладів: який знак заряду кожної кульки? Чи мають усі кульки заряд одного й того самого знака?
в) Опишіть досвід, за допомогою якого можна визначити знак заряду кожної кульки.

Тіла, що не мають електричного заряду, називають незарядженими або електрично нейтральними. Майже всі навколишні тіла є нейтральними. Але це не означає, що вони не мають електричних зарядів!

Навпаки, в будь-якому тілі міститься величезна кількість позитивно і негативно заряджених частинок, як сумарний позитивний заряд, і сумарний негативний заряд цих частинок колосальний (незабаром ми цьому переконаємося). Але ці позитивні і негативні заряди з дуже великою точністюкомпенсують одне одного.

2. Носії електричного заряду

Електричний заряд переноситься лише зарядженими частинками. Електричного заряду без частинок немає.

Заряджені частинки називають носіями електричного заряду. Якщо вони можуть переміщуватись у речовині, їх називають вільними носіями електричного заряду або просто вільними зарядами.

Найчастіше у ролі вільних зарядів виступають електрони. Як ви вже знаєте з курсу фізики основної школи, ці дуже легкі негативно заряджені частинки рухаються навколо масивного (порівняно з електронами) позитивно зарядженого атомного ядра. Саме електрони є вільними носіями заряду у металах.

Переносити електричний заряд можуть і іони – атоми, які втратили чи придбали чи кілька електронів. (Від грецького «іон» - мандрівник.) Втративши електрон (електрони) атом стає позитивно зарядженим іоном, а атом із надлишковим електроном (електронами) – негативно зарядженим іоном.

Наприклад, у розчині кухонної солі(NaCl) вільними зарядами є позитивно заряджені іони натрію та негативно заряджені іони хлору.

3. У який іон (позитивно або негативно заряджений) перетворюється атом, що втратив електрон?

4. Як змінюється маса атома, коли він стає: позитивним іоном? негативним іоном?

Найбільш віддалені від ядра електрони слабше пов'язані з ядром. Тому при тісному контакті двох тіл електрони можуть переходити з одного тіла до іншого (рис. 49.3). Це пояснює, чому при терті тіла часто електризуються.

В результаті електризації в одному тілі виникає надлишок електронів, і тому воно набуває негативного електричного заряду, а в іншому тілі виникає нестача електронів, внаслідок чого воно набуває позитивного заряду.

3. Провідники та діелектрики

Речовини, де є вільні носії електричного заряду, називають провідниками.

Хорошими провідниками є усі метали. Провідниками є також розчини солей та кислот – такі рідини називають електролітами. (Від грецького «літос» - розкладний, розчинний.) Електролітами є, наприклад, морська водата кров.

У металах вільними зарядами є електрони, а електролітах – іони.

Речовини, в яких немає вільних носіївелектричного заряду називають діелектриками.

Діелектриками є багато пластмас і тканин, сухе дерево, гума, скло, а також багато рідини - наприклад, гас і хімічно чиста (дистильована) вода. Гази, у тому числі повітря, також діелектрики.

Хоча в діелектриках вільних зарядів немає, це означає, що де вони беруть участь у електричних явищах. Річ у тім, що у діелектриках є пов'язані заряди – це електрони, які можуть переміщатися у всьому зразку речовини, але можуть переміщатися у межах одного атома чи молекули.

Як ми побачимо нижче, це призводить до того, що діелектрики істотно впливають на взаємодію заряджених тіл: наприклад, вони можуть послабити його в десятки разів.

Саме завдяки зсуву пов'язаних зарядів незаряджені діелектричні тіла (наприклад, шматочки паперу) притягуються до заряджених тіл. Нижче ми розглянемо це докладніше.

4. Електризація через вплив

Завдяки тому, що у провідниках є вільні заряди, провідники можна заряджати, навіть не торкаючись до них зарядженими тілами. У цьому тіла заряджаються зарядами протилежних символів.

Поставимо досвід

З'єднаємо провідником дві металеві гільзи 1 та 2, що лежать на дерев'яному столі. Потім, не прибираючи провідник, піднесемо до гільзи 1 позитивно заряджену паличку, торкаючись нею гільзи (рис. 49.4, а). Частина вільних електронів, притягуючись до зарядженої палички, переміститься з гільзи 2 на гільзу 1. В результаті гільза 2 стане позитивно зарядженою, а гільза 1 - негативно.

Не видаляючи заряджену паличку, приберемо провідник, що з'єднує гільзи (рис. 49.4 б). Вони залишаться зарядженими, причому їх заряди дорівнюватимуть за модулем, але протилежні за знаком.

Тепер можна забрати і заряджену паличку: різноіменні заряди залишаться на гільзах.

Цей спосіб електризації тіл називають електризацією через вплив.

Зверніть увагу: електризація через вплив обумовлена ​​перерозподілом зарядів. Алгебраїчна сумазарядів тіл залишається при цьому рівною нулю: тіла набувають рівні за модулем і протилежні за знаком заряди.

5. Розкажіть докладно, як і чому змінився б результат описаного досвіду, якби спочатку видалили заряджену паличку, а потім провідник, що з'єднує гільзи. Проілюструйте вашу розповідь схематичними малюнками.

6. Поясніть, чому в описаному вище досвіді людина тримає металеву паличку, яка з'єднує гільзу, за дерев'яну ручку. Опишіть, що сталося б, якби під час проведення цього досвіду людина тримала металеву паличку безпосередньо рукою. Візьміть до уваги„що людське тілоє провідником.

5. Чому незаряджені тіла притягуються до заряджених?

З'ясуємо тепер, чому незаряджені тілапритягуються до заряджених.

Поставимо досвід

Наближемо до незарядженої металевої гільзи позитивно заряджену паличку (рис. 49.5). Вільні електрони гільзи притягнуть до позитивно зарядженої палички, тому на ближній до палички частини гільзи з'явиться негативний електричний заряд, а на дальній її частині через нестачу електронів виникне позитивний заряд.

В результаті гільза притягуватиметься до палички, тому що негативні заряди на гільзі знаходяться ближче до палички.

7. Поясніть, чому незаряджена металева гільза притягується також до негативно зарядженої палички.

Отже, незаряджений провідник притягується до зарядженого тіла, що має заряд будь-якого знака, внаслідок перерозподілу вільних зарядів у незарядженому провіднику.

8. На малюнку 49.6 показано взаємодію гільз А та В, а також гільз В та С. Відомо, що гільза А заряджена позитивно.
а) Чи можна стверджувати, що гільза В заряджена? Якщо так, то який знак її заряду?

в) Чи можна передбачити, як взаємодіятимуть гільзи А і С?

Незаряджений діелектрик також притягується до тіла, що має заряд будь-якого знака. Пояснюється це усуненням пов'язаних зарядів у діелектриці: лежить на поверхні діелектрика виникають заряди різних знаків, причому ближче до зарядженому тілу виявляються заряди протилежного із нею знака. Це і призводить до тяжіння.

Нижче ми розглянемо усунення пов'язаних зарядів у діелектриці докладніше.

6. Роль електричних взаємодій

Саме існування атомів обумовлено електричною взаємодією позитивно заряджених ядер та негативно заряджених електронів.

Електричну природу має також взаємодію атомів і молекул: завдяки йому атоми об'єднуються в молекули, а нз атомів і молекул утворюються рідкі і тверді тіла. Електрична взаємодія нейтральних атоміві молекул пояснюється нерівномірним розподілом електричного заряду у яких.

Електричними взаємодіями зумовлені і багато процесів у живому організмі. Зокрема, електричною є природа імпульсів у нервових клітинах, у тому числі - у клітинах головного мозку.

Електричні взаємодії набагато інтенсивніше, ніж гравітаційні. Наприклад, сила електричного відштовхування двох електронів перевищує силу їх гравітаційного тяжінняприблизно 4 * 10 42 раз. У порівнянні з цим величезним числомздається крихітною навіть постійна Авогадро! У § 50 ми перевіримо цю порівняльну оцінку сил електричної та гравітаційної взаємодії.

Але якщо електрична взаємодія є такою сильною, чому ж ми помічаємо її навколо себе так рідко?

Справа в тому, що практично всі навколишні тіла електрично нейтральні: величезний сумарний позитивний електричний заряд атомних ядерз дуже великою точністю компенсується рівним йому за сумарним модулем негативним зарядомелектронів.

Тільки завдяки цій компенсації ми й не помічаємо, наскільки великі сили електричної взаємодії, «заховані» всередині речовини.

Ця взаємна компенсація зарядів в навколишніх тілах не означає, однак, що електричні сили ніяк не проявляють себе, наприклад, механічних явищ. Насправді ми неявно враховували ці сили щодо механіки.

Як ви пам'ятаєте, у механіці розглядають три види сил – сили тяжіння, сили пружності та сили тертя. Дві з цих сил – сила пружності та сила тертя – зумовлені взаємодією атомів та молекул, з яких складаються тіла, а взаємодія атомів та молекул, як ми вже знаємо, має електричну природу.

Додаткові запитання та завдання

9. Дві однакові гільзи висять поряд на нитках однакової довжини. На червоній нитці висить заряджена гільза, а на синій незаряджена. Яка нитка сильніше відхилена від вертикалі?

10. Дві металеві гільзи, що висять поряд на нитках, відштовхуються. Як взаємодіятимуть ці гільзи, якщо торкнутися рукою однієї з них?
11. На малюнку 49.7 показано, як взаємодіють гільзи А та В, а також гільзи В та С.
а) Що можна сказати про заряд гільзи?
б) Що можна сказати про заряд гільзи С?

12. Легка металева кулька підвішена між двома вертикальними металевими пластинами, Заряди яких мають протилежні знаки (рис. 49.8). Опишіть, що відбуватиметься після того, як кулька торкнеться однієї із пластин.

Електрична взаємодія

Механіка вчить, що одностороннього тяжіння – і взагалі односторонньої дії – не може: будь-яка дія є взаємодія. Якщо наелектризована паличка притягує різні предмети, то вона і сама має притягатися до них. Щоб переконатися в цьому, потрібно тільки повідомити гребінь або паличку рухливість, наприклад, підвісивши її на нитковій петлі (краще, якщо нитка шовкова). Тоді легко виявити, що всякий ненаелектризований предмет – хоч би ваша рука – притягує гребінь, змушує його повертатися тощо. Це, повторюємо, загальний законприроди. Він проявляється завжди і всюди: будь-яка дія є взаємодія двох тіл, що діють один на одного у протилежному напрямку.