Электроскоп. Проводники и непроводники электричества
1. Повторение
Продолжим знакомиться с темой «Электрические явления», и рассмотрим вопросы, касающиеся проводимости и непроводимости материалами электрического заряда, а также познакомимся с первыми простейшими приборами для измерения и регистрации зарядов – электрометром и электроскопом.
Ранее мы выяснили, что электрические явления существуют, что их можно пронаблюдать и что связаны они со взаимодействием различных зарядов. Также мы выяснили, что эти взаимодействия определяются по действию силы, и, соответственно, величина взаимодействия определяется величиной электрического заряда. Мы также узнали, что одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые заряды, наоборот, притягиваются.
Теперь нам предстоит познакомиться с тем, как эти электрические заряды могут двигаться и переходить от одного тела к другому.
2. Эксперименты Отто фон Герике
Первые систематические исследования электрических явлений относятся к XVII веку и связаны с именем немецкого учёного Отто фон Герике (Рис. 1).
Рис. 1. Отто фон Герике
Отто фон Герике провёл огромное количество экспериментов и определил, что электричество может быть «двух родов». Одно он назвал «стеклянным», а другое – «смоляным». Разница, как мы понимаем, состоит в знаке приобретаемого материалом заряда. Как уже было рассмотрено на предыдущем уроке, если мы потрём стеклянную палочку о бумагу, то получим на палочке положительный заряд. Если же потереть о мех эбонитовую палочку или янтарь, то получим отрицательный заряд. И Отто фон Герике первым установил, как эти заряды между собой взаимодействуют: одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются.
3. Электроскоп и опыты Франклина
Следующий шаг в исследовании электрических явлений сделал американский учёный Франклин (Рис. 2).
Рис. 2. Бенджамин Франклин
Франклин ввёл понятие электрического заряда и первым определил действие электричества, то есть электрическую силу.
Но прежде, чем говорить об электрической силе (взаимодействии зарядов), конечно, необходимо было научиться каким-то образом фиксировать и измерять величину заряда. Для этого необходимы были соответствующие приборы.
Самым первым прибором, который послужил людям для того, чтобы зафиксировать наличие электрического заряда и каким-то образом оценить величину электрического заряда, был прибор, который называется электроскоп («электро» – электрический, «скопио» – наблюдаю). С небольшими изменениями электроскоп дошёл и до наших дней.
Электроскоп представляет собой очень несложную конструкцию. Как правило, это стеклянная банка, внутри которой через стеклянную или пластмассовую пробку продевается стержень, а на конце стержня укрепляются два лёгких бумажных лепестка (Рис. 3).
Если мы прикоснёмся к стержню наэлектризованной палочкой (стеклянной или эбонитовой), то лепестки, получая одноимённый заряд, отталкиваются, и тем самым мы видим наличие этих зарядов в электроскопе.
Рис. 3. Электроскоп
4. Электрометр и опыты Ломоносова
В XVIII веке также появился несколько усовершенствованный прибор, созданием которого занимался Михайло Васильевич Ломоносов (Рис. 4). Этот прибор называется электрометр («электро» – электрический, «метриум» – измеряю).
Рис. 4. М. В. Ломоносов
На рис. 5. изображены электрометры.
Рис. 5. Электрометры
5. Демонстрация работы электрометра
Как же устроен электрометр? Практически так же, как и электроскоп.
В верхней части электроскопа располагается шар (специально делается таким образом, чтобы можно было на нём разместить как можно большее количество зарядов). Металлический стержень проходит через пластмассовую пробку внутри металлического корпуса, который с двух сторон защищён стёклами. В нижней части стержня укреплена стрелка.
Стрелка, получая заряд от металлического стержня, знак которого совпадает с зарядом стержня, отталкивается, и по отклонению этой стрелки от вертикали можно судить о величине электрического заряда. Как видно на рисунке, в электрометре есть некая шкала, которая позволяет по углу отклонения стрелки судить о величине электрического заряда.
Рассмотрим действие электрометра.
Возьмём стеклянную палочку, потрём её о бумагу, чтобы в результате трения она стала наэлектризованной. Поднесём теперь палочку к шару электрометра, в результате заряд палочки передаётся шару электрометра, от которого получает заряд металлический стержень и стрелка электрометра. Поскольку стержень и стрелка обладают одноимённым зарядом, то стрелка отклоняется от стержня, тем самым демонстрируя нам наличие электрического заряда (Рис. 6).
Рис. 6. Принцип работы электрометра
Итак, мы рассмотрели устройство электрометра и электроскопа – простейшие приборы, которые можно использовать для регистрации и оценки величины электрического заряда. Обратите внимание, что по отклонению стрелки можно судить о величине электрического заряда. Грубо говоря, электрометр – это электроскоп со шкалой. Именно благодаря этому усовершенствованию Ломоносов и использовал электрометр для изучения электрических явлений.
6. Проводники, полупроводники и диэлектрики
Рассмотрим теперь способность материалов пропускать электрический заряд.
Когда мы говорили о тепловых явлениях, то обсуждали этот вопрос: есть вещества, которые очень быстро и хорошо передают тепло, а есть вещества, которые очень плохо передают тепло.
То же самое можно сказать об электрических свойствах. Есть вещества, которые пропускают электрические заряды достаточно хорошо, и такие вещества называются проводниками. Как правило, к этим веществам относятся растворы, расплавы, жидкости, и, конечно же, металлы. Металлы считаются наиболее хорошими проводниками электрического заряда.
Вместе с тем, есть вещества, которые достаточно плохо проводят электрические заряды. Это, в первую очередь, газы, которые проводят электрические заряды очень плохо. А также различные пластмассы, смолы, стекло. Хотя надо отметить, что свойство проводимости, которое мы сейчас обсуждаем, во многом зависит от состояния окружающей среды.
Вещества, которые плохо пропускают электрические заряды, называются диэлектриками, или изоляторами (от итальянского «изоляре»).
Кроме того, как вы, наверное, знаете, существуют вещества, у которых меняются свойства по пропусканию электрических зарядов; такие вещества называют полупроводниками, и более детально мы их будем рассматривать в старших классах.
Все перечисленные вещества применяются в технике для решения различных технических задач. К примеру, все электрические провода в доме выполнены из металла (чаще всего медь или алюминий). А, например, облицовка этих проводов или вилка, которая включается в розетку, обязательно должна быть очень хорошо изолирована, поэтому ее выполняют из различных полимеров, которые являются изоляторами и не пропускают электрические заряды.
7. Три опыта для демонстрации проводимости различных веществ
Рассмотрим три опыта, которые продемонстрируют нам то, как различные вещества могут по-разному пропускать электрические заряды.
Первый эксперимент
Возьмём два электрометра. Один из них зарядим, а второй, наоборот, разрядим. Разрядить электрометр с небольшим зарядом просто – достаточно прикоснуться к нему рукой: наша кожа является неплохим проводником, поэтому заряд с шара электрометра перейдёт к нам. Однако будьте ОСТОРОЖНЫ! Благодаря тому, что кожа является хорошим проводником, человек подвержен опасности при контакте с носителями большого электрического заряда.
Теперь возьмём провод на изолированной пластмассовой ручке (изолирует руку от металлической проволоки) – и прикоснёмся к шарам этих электрометров. При этом стрелка второго электрометра практически моментально отклонится от вертикального положения. Обратим внимание на то, как быстро произошло протекание заряда от одного электрометра к другому. Это говорит о том, что металлы – очень хорошие проводники. Необходимо отметить тот факт, что металлы тоже обладают разной проводимостью. Наиболее хорошо проводят электрические заряды такие металлы, как серебро, медь и алюминий.
Второй эксперимент
Сообщим дополнительный заряд первому электрометру и разрядим второй электрометр.
Теперь возьмём деревянную линейку и положим её на два электрометра. Что при этом произойдёт? Для чистоты эксперимента изолируем линейку от руки с помощью, к примеру, листа бумаги.
Мы видим, что стрелка второго электрометра отклоняется не так резко, как в первом эксперименте, а постепенно. Это означает, что электрические заряды по дереву тоже проходят, то есть дерево можно считать проводником. Но, естественно, его свойства проводимости отличаются от свойств металлов. Следовательно, можно говорить о том, что такие вещества, как дерево и металл, существенно отличаются своей проводимостью.
Третий эксперимент
В третьем эксперименте мы пронаблюдаем за тем, как ведут себя диэлектрики.
Для этого повторим эксперимент следующим образом: разрядим второй электрометр и сообщим дополнительный заряд первому электрометру.
Затем возьмём стеклянную палочку и потрём её о бумагу. В результате взаимодействия происходит разделение электрического заряда, то есть электризация. При этом само стекло не является проводником, то есть стекло плохо пропускает электрический заряд. Теперь приложим палочку к обоим электрометрам.
В данном случае мы наблюдаем следующее: после прикосновения палочки к шарам электрометров совершенно ничего не происходит. То есть второй электрометр остаётся незаряженным. Это означает, что стекло у нас не пропускает электрические заряды.
Немаловажным является тот факт, что важное значение для проводимости некоторых веществ имеет состояние окружающей среды. Например, если повышается влажность воздуха (о которой мы говорили в предыдущей теме), то в этом случае многие вещества будут вести себя, как проводники.
Наглядной демонстрацией этого может служить молния. Ведь молния обычно наблюдается тогда, когда идёт дождь, то есть влажность максимальна. Соответственно, во влажном воздухе начинает проходить электрический заряд, то есть электрический заряд идёт по воздуху (газу). Хотя в обычной ситуации воздух не проводит электрический заряд. То есть воздух становится проводником именно в том случае, когда изменилась влажность. Можно и привести и другие примеры, подтверждающие влияние влажности на проводимость материалов.
Далее мы познакомимся с вопросами, связанными с зарядами: какие заряды существуют и существует ли минимальный электрический заряд.
Вопросы к конспектам