Взаимодействие Электрических зарядов.

Закон сохранения электрического заряда

Уже в глубокой древности было известно, что янтарь (в переводе с греч. означает «электрон»), потёртый о шерсть, приобретает способность притягивать лёгкие предметы. Аналогичным свойством обладают пластмасса, сера, резина, стекло и т. п.

Если тело, подобно янтарю, после натирания притягивает лёгкие предметы, то говорят, что оно наэлектризовано или что на теле имеется электрический («янтарный») заряд.

Как взаимодействуют наэлектризованные тела? Если электрический за­ряд сообщить двум лёгким бумажным гильзам, подвешенным на шёлковых нитях, прикасаясь к ним стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, то гильзы оттолкнутся друг от друга (рис. 10.1, а). Это же явление наблюдается, если использовать в опыте вместо стеклянной эбонитовую палочку, потёртую о шерсть.

Если коснуться одной из гильз заряженной стеклянной палочкой, а другой — заряженной эбонитовой, то гильзы притянутся друг к другу. Следовательно, можно сделать вывод о существовании двух видов электрического заряда. Заряды, возникающие на стекле, потёртом о шёлк, получили название положитель­ных, а заряды, появляющиеся на эбо­ните, потёртом о мех, — отрицатель­ных. На основании опытов был сделан следующий вывод: одноимённые за­ряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.

Для обнаружения электрического заряда используют электрометр — при­бор, в котором лёгкая алюминиевая стрелка крепится на металлическом стержне так, что она может поворачиваться вокруг горизонтальной оси. В неза­ряженном электрометре стрелка располагается вертикально. Если заряженным телом коснуться стержня, то на него и стрелку перейдёт часть заряда и стрелка отойдёт от стержня. Чем больше заряд, переданный электрометру, тем значительнее отклонение стрелки.

Соединим заряженный электрометр с землёй металлической проволокой — он разрядится. Но если заряженный электрометр соединить с землёй эбонитовой палочкой, то он не разряжается. По способности проводить электрический заряд вещества условно делят на проводники и диэлектрики. К проводникам относят металлы, растворы солей и кислот в воде, почву. Диэлектриками являются эбонит, стекло, фарфор, янтарь, резина, пластмасса, керосин, воздух.

Если поднести заряженное тело к незаряженному электрометру, то можно увидеть, что стрелка отклоняется ещё до соприкосновения тела с электро­метром (рис. 10.3). Это показывает, что стержень электрометра заряжается под влиянием находящегося поблизости заряженного тела. Поэтому данное явление называют электризацией посредством влияния или электростатиче­ской индукцией.

Проделаем опыт. Потрём одну о другую пластинки из эбонита и стекла. Внесём их в полый шар, надетый на стержень электрометра, не касаясь стенок шара (рис. 10.4, а). Электрометр не обнаруживает заряда. Уберём из шара одну из пластинок. Стрелка электрометра сразу же отклонится (рис. 10.4, б). Это говорит о том, что стрелка, стержень и шар наэлектризовались под влияни­ем заряда пластинки. Уберём из шара пластинку и вставим другую. Стрелка электрометра отклонится на тот же угол (рис. 10.4, в). Следовательно, заряды пластинок равны по модулю и противоположны по знаку.

Таким образом, при электризации тел заряды перераспределяются — часть из них переходит с одного тела на другое. Заряды при этом не создаются и не

исчезают. При всех явлениях, связанных с перераспределением зарядов, вы­полняется закон сохранения электрического заряда:

В изолированной системе тел алгебраическая сумма электрических зарядов остаётся постоянной:

где q₁, q₂,..., q_n — заряды тел.

Закон сохранения электрического заряда указывает на важную особенность электрических явлений: электрические заряды всегда появляются парами. Если обнаружен заряд только одного знака, то это означает, что заряд противопо­ложного знака перешёл на какое-то тело. Закон сохранения электрического заряда принадлежит к числу основных законов физики, таких как закон со­хранения энергии и импульса.

Откуда в рассмотренных опытах появились электрические заряды? Вы знаете, что атомы состоят из положительно заряженных ядер, вокруг которых вращаются отрицательно заряженные частицы — электроны. В состав ядра входят положительно заряженные частицы (протоны) и незаряженные, ней­тральные частицы (нейтроны). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Электронов в атоме столько же, сколько протонов в ядре. На рис. 10.5 схематически по­казано строение атомов водорода и лития.

При электризации электроны, отрываясь от атомов, переходят с одного тела на другое. Тело, на которое перешли электроны, приобретает избыточный отрицательный заряд. Тело, потерявшее часть электро­нов, имеет избыточный положительный заряд.

Установлено, что электроны и протоны обладают наименьшим электрическим зарядом¹. Поэтому модуль электрического заряда этих частиц называют элементар­ным зарядом. Его обозначают буквой е.

За единицу электрического заряда естественно было бы выбрать заряд электрона. В этом случае заряд q лю­бого другого тела выражался бы целым числом, показы­вающим, сколько электронов N это тело приобрело (или потеряло) при электризации:

q = ±Ne.

Однако заряд электрона мал и использовать его в качестве единицы электрического заряда на практике неудобно.

В СИ единица заряда является не основной, а производной, и эталон для неё не вводится. Для электрических величин в СИ введена основная единица — ампер (А) — единица силы тока. Эталонное значение ампера устанавливается с помощью магнитного взаимодействия токов. Едини­цу заряда в СИ — кулон (Кл) — определяют с помощью единицы силы тока.

Кулон — это заряд, прошедший за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.

Измерения показали, что элементарный заряд е = 1,6 10^-19 Кл.

Кулон — очень большой заряд, так как соответствует избытку или недо­статку заряда приблизительно в 6-10¹⁸ электронов. На практике обычно поль­зуются дольными единицами: микрокулоном (1 мкКл = 10 ⁶ Кл) и милликуло-ном (1 мКл - 10 ³ Кл).

Учёт явлений, связанных с электризацией тел, имеет большое значение в технике. На полиграфических предприятиях электризуются листы бумаги, при этом они «слипаются» и рвутся. На текстильных фабриках нити, элект­ризуясь, притягиваются к поверхности веретён и роликов, что приводит к частому обрыву нитей. Кроме того, наэлектризованная пряжа притягивает из воздуха пылинки и загрязняется. Для борьбы с этими явлениями принимают специальные меры. На текстильных предприятиях используют так называемые водители волокон, сделанные из стали и стекла. При соприкосновении с одним из этих материалов нить заряжается положительно, а при соприкосновении с другим — отрицательно, в результате взаимодействия заряды нейтрализуются.

Особенно опасна электризация топлива при заправке самолётов, заполне­нии танкеров. Топливо при движении по трубам электризуется и вследствие проскакивания электрических искр может воспламениться. Чтобы избежать опасных последствий электризации, трубопроводы и топливные баки тщательно заземляют, благодаря чему накапливающийся статический заряд отводится в землю. С этой же целью к автомобилю-бензовозу прикрепляют металлическую цепь, волочащуюся по земле.

---

Дата добавления: 2015-07-15