Электризация тел при соприкосновении. Взаимодействие заряженных тел. Два рода зарядов

1. История возникновения понятия «электричество»

Дан­ный урок яв­ля­ет­ся ввод­ным в новый раз­дел «Элек­тро­маг­нит­ные яв­ле­ния», и на нем мы об­су­дим ос­нов­ные по­ня­тия, ко­то­рые с ним свя­за­ны: заряд, его виды, элек­три­за­ция и вза­и­мо­дей­ствие за­ря­жен­ных тел.

Ис­то­рия воз­ник­но­ве­ния по­ня­тия «элек­три­че­ство»

Пре­жде всего, сле­ду­ет на­чать с об­суж­де­ния та­ко­го по­ня­тия, как элек­три­че­ство. В со­вре­мен­ном мире мы по­сто­ян­но с ним стал­ки­ва­ем­ся на бы­то­вом уровне и уже не можем пред­ста­вить свою жизнь без ком­пью­те­ра, те­ле­ви­зо­ра, хо­ло­диль­ни­ка, элек­тро­осве­ще­ния и т. п. Все эти при­бо­ры, на­сколь­ко из­вест­но, ра­бо­та­ют бла­го­да­ря элек­три­че­ско­му току и окру­жа­ют нас по­все­мест­но. Даже из­на­чаль­но не пол­но­стью за­ви­ся­щие от элек­три­че­ства тех­но­ло­гии, такие как ра­бо­та дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния в ав­то­мо­би­ле, на­чи­на­ют мед­лен­но от­хо­дить в ис­то­рию, и их место ак­тив­но за­ни­ма­ют элек­тро­дви­га­те­ли. Так от­ку­да же пошло такое слово, как «элек­три­че­ский»?

Слово «элек­три­че­ский» про­ис­хо­дит от гре­че­ско­го слова «элек­трон», что в пе­ре­во­де озна­ча­ет «ян­тарь» (ис­ко­па­е­мая смола, рис. 1). Хотя сле­ду­ет, ко­неч­но же, сразу ого­во­рить, что непо­сред­ствен­ной связи между всеми элек­три­че­ски­ми яв­ле­ни­я­ми и ян­та­рем нет, и мы немно­го позже пой­мем, от­ку­да взя­лась такая ас­со­ци­а­ция у древ­них уче­ных.

Рис. 1. Ян­тарь

Пер­вые на­блю­де­ния элек­три­че­ских яв­ле­ний от­но­сят к 5–6 вв до н. э. Счи­та­ет­ся, что Фалес Ми­лет­ский (древ­не­гре­че­ский фи­ло­соф и ма­те­ма­тик из Ми­ле­та, рис. 2) впер­вые про­на­блю­дал элек­три­че­ское вза­и­мо­дей­ствие тел. Он про­вел сле­ду­ю­щий опыт: натер ян­тарь мехом, затем при­бли­зил его к неболь­шим телам (пы­лин­кам, струж­ке или пе­рьям) и про­на­блю­дал, что эти тела стали при­тя­ги­вать­ся к ян­та­рю без объ­яс­ни­мой на то время при­чи­ны. Фалес был не един­ствен­ным уче­ным, ко­то­рый впо­след­ствии ак­тив­но про­во­дил элек­три­че­ские опыты с ян­та­рем, что и при­ве­ло к воз­ник­но­ве­нию слова «элек­трон» и по­ня­тию «элек­три­че­ский».

Рис. 2. Фалес Ми­лет­ский

Смо­де­ли­ру­ем ана­ло­гич­ные опыты с элек­три­че­ским вза­и­мо­дей­стви­ем тел, для этого возь­мем мелко на­ре­зан­ную бу­ма­гу, стек­лян­ную па­лоч­ку и лист бу­ма­ги. Если на­те­реть стек­лян­ную па­лоч­ку о лист бу­ма­ги, а затем под­ве­сти ее к мелко на­ре­зан­ным бу­маж­кам, то будет виден эф­фект при­тя­же­ния мел­ких ку­соч­ков к стек­лян­ной па­лоч­ке (рис. 3).

Рис. 3.

2. Заряд и взаимодействие заряженных тел

Ин­те­ре­сен тот факт, что впер­вые такой про­цесс был до­ста­точ­но полно объ­яс­нен толь­ко в 16 веке. Тогда стало из­вест­но, что су­ще­ству­ет два вида элек­три­че­ства, и они вза­и­мо­дей­ству­ют друг с дру­гом. По­ня­тие элек­три­че­ско­го вза­и­мо­дей­ствия по­яви­лось в се­ре­дине 18 века и свя­за­но с име­нем аме­ри­кан­ско­го уче­но­го Бен­джа­ми­на Фран­кли­на (рис. 4). Имен­но он впер­вые ввел такое по­ня­тие, как элек­три­че­ский заряд.

Рис. 4. Бен­джа­мин Фран­клин

Опре­де­ле­ние. Элек­три­че­ский заряд – фи­зи­че­ская ве­ли­чи­на, ко­то­рая ха­рак­те­ри­зу­ет ве­ли­чи­ну вза­и­мо­дей­ствия за­ря­жен­ных тел.

То, что мы имели воз­мож­ность про­на­блю­дать на опыте с при­тя­же­ни­ем бу­ма­жек к на­элек­три­зо­ван­ной па­лоч­ке, до­ка­зы­ва­ет на­ли­чие сил элек­три­че­ско­го вза­и­мо­дей­ствия, а ве­ли­чи­ну этих сил ха­рак­те­ри­зу­ет такое по­ня­тие, как заряд. То, что силы элек­три­че­ско­го вза­и­мо­дей­ствия могут быть раз­лич­ны­ми, легко про­ве­ря­ет­ся экс­пе­ри­мен­таль­ным путем, на­при­мер, при на­ти­ра­нии одной и той же па­лоч­ки с раз­лич­ной ин­тен­сив­но­стью.

3. Виды электризации

Для про­ве­де­ния сле­ду­ю­ще­го опыта нам по­на­до­бит­ся все та же стек­лян­ная па­лоч­ка, лист бу­ма­ги и бу­маж­ный сул­тан, за­креп­лен­ный на же­лез­ном стержне (рис. 5). Если по­те­реть па­лоч­ку ли­стом бу­ма­ги, а затем при­кос­нуть­ся ей к же­лез­но­му стерж­ню, то будет за­мет­но яв­ле­ние от­тал­ки­ва­ния по­ло­сок бу­ма­ги сул­та­на друг от друга, при­чем, если по­вто­рить на­ти­ра­ние и при­кос­но­ве­ние несколь­ко раз, то будет видно, что эф­фект уси­ли­ва­ет­ся. На­блю­да­е­мое яв­ле­ние на­зы­ва­ют элек­три­за­ци­ей.

Рис. 5. Бу­маж­ный сул­тан

Опре­де­ле­ние. Элек­три­за­ция – раз­де­ле­ние элек­три­че­ских за­ря­дов в ре­зуль­та­те тес­но­го кон­так­та двух или более тел.

Элек­три­за­ция может про­ис­хо­дить несколь­ки­ми спо­со­ба­ми, пер­вые два мы се­год­ня рас­смот­ре­ли:

– элек­три­за­ция тре­ни­ем;

– элек­три­за­ция при­кос­но­ве­ни­ем;

– элек­три­за­ция на­ве­де­ни­ем.

Рас­смот­рим элек­три­за­цию на­ве­де­ни­ем. Для этого возь­мем ли­ней­ку и по­ло­жим ее на вер­ши­ну же­лез­но­го стерж­ня, на ко­то­ром за­креп­лен бу­маж­ный сул­тан, после этого при­кос­нем­ся к стерж­ню, чтобы снять на нем заряд, и рас­пра­вим по­лос­ки сул­та­на. Затем на­элек­три­зу­ем стек­лян­ную па­лоч­ку тре­ни­ем о бу­ма­гу и под­ве­дем ее к ли­ней­ке, ре­зуль­та­том ста­нет то, что ли­ней­ка нач­нет вра­щать­ся на вер­шине же­лез­но­го стерж­ня. При этом стек­лян­ной па­лоч­кой при­ка­сать­ся к ли­ней­ке не сле­ду­ет. Это до­ка­зы­ва­ет то, что су­ще­ству­ет элек­три­за­ция без непо­сред­ствен­но­го со­при­кос­но­ве­ния между те­ла­ми – элек­три­за­ция на­ве­де­ни­ем.

4. Два рода зарядов

Пер­вые ис­сле­до­ва­ния зна­че­ний элек­три­че­ских за­ря­дов да­ти­ру­ют­ся более позд­ним пе­ри­о­дом ис­то­рии, чем от­кры­тие и по­пыт­ки опи­са­ния элек­три­че­ских вза­и­мо­дей­ствий тел. В конце 18 века уче­ные при­шли к вы­во­ду, что де­ле­ние за­ря­да при­во­дит к двум прин­ци­пи­аль­но раз­лич­ным ре­зуль­та­там, и было при­ня­то ре­ше­ние услов­но раз­де­лить за­ря­ды на два типа: по­ло­жи­тель­ные и от­ри­ца­тель­ные. Для того чтобы была воз­мож­ность раз­ли­чать эти два типа за­ря­дов и опре­де­лять, какой яв­ля­ет­ся по­ло­жи­тель­ным, а какой – от­ри­ца­тель­ным, до­го­во­ри­лись ис­поль­зо­вать два ба­зо­вых опыта: если по­те­реть стек­лян­ную па­лоч­ку о бу­ма­гу (шелк), то на па­лоч­ке об­ра­зу­ет­ся по­ло­жи­тель­ный заряд; если по­те­реть эбо­ни­то­вую па­лоч­ку о мех, то на па­лоч­ке об­ра­зу­ет­ся от­ри­ца­тель­ный заряд (рис. 6).

За­ме­ча­ние. Эбо­нит – ма­те­ри­ал из ка­у­чу­ка с боль­шим со­дер­жа­ни­ем серы.

Рис. 6. Элек­три­за­ция па­ло­чек двумя ти­па­ми за­ря­дов

5. Правила взаимодействия заряженных тел

Кроме того, что было вве­де­но раз­де­ле­ние за­ря­дов на два типа, было за­ме­че­но пра­ви­ло их вза­и­мо­дей­ствия (рис. 7):

– од­но­имен­ные за­ря­ды от­тал­ки­ва­ют­ся;

– раз­но­имен­ные за­ря­ды при­тя­ги­ва­ют­ся.

Рис. 7. Вза­и­мо­дей­ствие за­ря­дов

Рас­смот­рим к этому пра­ви­лу вза­и­мо­дей­ствия сле­ду­ю­щий экс­пе­ри­мент. На­элек­три­зу­ем стек­лян­ную па­лоч­ку тре­ни­ем (т. е. пе­ре­да­дим ей по­ло­жи­тель­ный заряд) и при­кос­нем­ся ей к стерж­ню, на ко­то­ром за­креп­лен бу­маж­ный сул­тан, в ре­зуль­та­те уви­дим эф­фект, ко­то­рый уже об­суж­да­ли ранее, – по­лос­ки сул­та­на нач­нут от­тал­ки­вать­ся друг от друга. Те­перь можно по­яс­нить, по­че­му такое яв­ле­ние имеет место – по­сколь­ку по­лос­ки сул­та­на за­ря­жа­ют­ся по­ло­жи­тель­но (од­но­имен­но), то они на­чи­на­ют от­тал­ки­вать­ся, на­сколь­ко это воз­мож­но, и об­ра­зу­ют фи­гу­ру в форме шара. Кроме того, для более на­гляд­ной де­мон­стра­ции от­тал­ки­ва­ния од­но­имен­но за­ря­жен­ных тел можно на­тер­тую бу­ма­гой стек­лян­ную па­лоч­ку под­не­сти к на­элек­три­зо­ван­но­му сул­та­ну, и будет явно видно, как по­лос­ки бу­ма­ги будут от­кло­нять­ся от па­лоч­ки.

Од­но­вре­мен­но два яв­ле­ния – при­тя­же­ние раз­но­имен­но за­ря­жен­ных тел и от­тал­ки­ва­ние од­но­имен­но за­ря­жен­ных – можно про­на­блю­дать на сле­ду­ю­щем опыте. Для него необ­хо­ди­мо взять стек­лян­ную па­лоч­ку, бу­ма­гу и гиль­зу из фоль­ги, за­креп­лен­ную нитью на шта­ти­ве. Если на­те­реть па­лоч­ку бу­ма­гой и под­не­сти ее к неза­ря­жен­ной гиль­зе, то гиль­за сна­ча­ла при­тя­нет­ся к па­лоч­ке, а после при­кос­но­ве­ния нач­нет от­тал­ки­вать­ся. По­яс­ня­ет­ся это тем, что сна­ча­ла гиль­за, пока не будет иметь за­ря­да, при­тя­нет­ся к па­лоч­ке, па­лоч­ка пе­ре­даст ей часть сво­е­го за­ря­да, и од­но­имен­но за­ря­жен­ная гиль­за от­толк­нет­ся от па­лоч­ки.

За­ме­ча­ние. Од­на­ко оста­ет­ся во­прос о том, по­че­му же из­на­чаль­но неза­ря­жен­ная гиль­за при­тя­ги­ва­ет­ся к па­лоч­ке. Объ­яс­нить это, ис­поль­зуя до­ступ­ные нам на се­го­дняш­нем этапе изу­че­ния школь­ной фи­зи­ки зна­ния, слож­но, од­на­ко, по­про­бу­ем, за­бе­гая впе­ред, это вкрат­це сде­лать. По­сколь­ку гиль­за яв­ля­ет­ся про­вод­ни­ком, то, ока­зав­шись во внеш­нем элек­три­че­ском поле, в ней на­блю­да­ет­ся яв­ле­ние раз­де­ле­ния за­ря­да. Оно про­яв­ля­ет­ся в том, что сво­бод­ные элек­тро­ны в ма­те­ри­а­ле гиль­зы пе­ре­ме­ща­ют­ся в сто­ро­ну, ко­то­рая наи­бо­лее близ­ка к по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ной па­лоч­ке. В ре­зуль­та­те гиль­за ста­но­вит­ся раз­де­лен­ной на две услов­ные об­ла­сти: одна за­ря­же­на от­ри­ца­тель­но (там, где из­бы­ток элек­тро­нов), дру­гая – по­ло­жи­тель­но (там, где недо­ста­ток элек­тро­нов). По­сколь­ку от­ри­ца­тель­ная об­ласть гиль­зы рас­по­ло­же­на ближе к по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ной па­лоч­ке, чем ее по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ная часть, то будет пре­об­ла­дать при­тя­же­ние между раз­но­имен­ны­ми за­ря­да­ми и гиль­за при­тя­нет­ся к па­лоч­ке. После этого оба тела при­об­ре­тут од­но­имен­ный заряд и от­толк­нут­ся.

Более по­дроб­но этот во­прос рас­смат­ри­ва­ет­ся в 10 клас­се в теме: «Про­вод­ни­ки и ди­элек­три­ки во внеш­нем элек­три­че­ском поле».

На сле­ду­ю­щем уроке будет рас­смот­рен прин­цип ра­бо­ты та­ко­го устрой­ства, как элек­тро­скоп.

Вопросы к конспектам