21

Введение Из истории изучения электрических и магнитных явлений. Свойства электрического заряда

В основе всего многообразия явлений природы лежат четыре фундаментальных взаимодействия между элементарными частицами. Каждый вид взаимодействия связан с определённой характеристикой частицы:

• Гравитационное - с массой

• Электромагнитное – с электрическим зарядом

• Сильное и слабое взаимодействия связаны с особыми «зарядами» - барионным и лептонным.

Электрический заряд, как и масса, является одной из основных, первичных характеристик частиц.

Он присущ не всем элементарным частицам (что касается массы, то так же существуют безмассовые частицы, например, фотон).

Сейчас трудно поверить, что 3 – 4 столетия назад мы ничего не знали об электричестве и магнетизме, кроме двух простых фактов, известных с глубокой древности:

1. если янтарь натереть шерстью, он притягивает легкие предметы. Это явление называют электризацией трением, оно описано Фалесом Милетским в 6 веке до н.э. (Кстати, «электрон» по-гречески означает янтарь)

Демонстрация: электризация трением

2. свободно подвешенная магнитная стрелка указывает одним концом на север, другим – на юг (упоминается в китайских рукописях 11 века до н.э.)

Физика как наука начала развиваться с начала 17 века. Но если механика к концу 17 века сформировалась как целостная система (1687 г. – публикация фундаментального труда Ньютона), то знания об электричестве в 17 веке обогатились лишь одним фактом: существует не только электрическое притяжение, но и отталкивание (1650 г, Отто фон Герике, известный опытами с «магдебургскими полушариями»).

Г ерике построил первую электрическую машину. Она представляла собой шар из серы, сквозь который пропускали железную ось и помещали на особом стакане так, что его можно было вращать вокруг оси. На вращающийся шар нажимали рукой, и он наэлектризовывался трением. Герике заметил, что пушинка сначала притягивалась наэлектризованным шаром, но затем, прикоснувшись к нему, отталкивалась. После этого пушинка притягивалась его собственным телом, например, носом. Но коснувшись носа, она снова притягивалась шаром из серы.

На основании этого факта француз Франсуа Дюфэ в 1733 г. Предположил, что существует два рода электрических зарядов. Он назвал два рода заряда «стеклянным» и «смоляным» и показал, что одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно зараженные – притягиваются.

Демонстрация: притяжение и отталкивание заряженных бумажных гильз

Очень важный шаг вперед сделал в 1750 Бенджамен Франклин (1706-1790): он присвоил разным сортам зарядов разные знаки. За положительный электрический заряд он принял заряд стеклянной палочки, потёртой о кожу. Эбонитовая палочка при электризации мехом приобретает, по определению, отрицательный заряд.

Это открыло путь к формулировке количественных законов, прежде всего, закона сохранения электрического заряда, провозглашенного Франклином:

в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов сохраняется:

.

В своих попытках объяснить природу электричества Франклин предвосхитил электронную теорию. До него в ходу была теория двух особых электрический жидкостей. Франклин предположил, что есть только одна электрическая субстанция, состоящая из очень малых частиц, способных проникать внутрь тел. Избыток её приводит к появлению заряда одного знака, недостаток – другого. Теория естественным образом приводит к закону сохранения заряда.

Он оказался прав в предположении о том, что существуют очень легкие электрические частицы, и именно они при электризации трением перетекает с одного отела на другое. Это электроны («янтарное» электричество Франклин назвал отрицательным, поэтому сегодня мы говорим, что электроны несут отрицательный заряд). Но всё же существует два различных вида электрических зарядов.

Ч тобы продемонстрировать закон сохранения заряда, мы воспользуемся электрометром. Его более древний прототип – электроскоп – впервые смастерил в 1787 итальянец Алессандро Вольта. Металлический стержень был пропущен через каучуковую пробку, которая закрывала стеклянную бутылку. Верхний конец стержня оканчивался металлическим шариком, а к концу, находящемуся внутри бутылки, привешивались тонкие листочки металлической фольги. При касании или приближении к шарику наэлектризованного тела тонкие листочки отталкивались, и таким образом, можно было судить, заряжено данное тело или нет.

Только в XIX веке стали делать более совершенные электрометры, у которых вместо лепестков на металлическом стержне укреплена стрелочка. Электрометр имеет, в отличие от электроскопа, экранирующий металлический корпус с заземлением, благодаря которому его показания не подвержены влиянию посторонних окружающих тел и определяются разностью потенциалов между корпусом и стрелкой.

Демонстрация: закон сохранения заряда

Сегодня мы можем утверждать, что электрическому заряду присущи следующие фундаментальные свойства:

1. он существует в двух видах: положительный и отрицательный;

2. в любой электрически изолированной системе выполняется закон сохранения заряда;

3. электрический заряд одинаков во всех системах отсчета (является релятивистски инвариантным);

4. электрический заряд квантуется, т.е. существуют наименьшие порции заряда.

В макроскопических системах квантование заряда несущественно, и можно использовать модели:

• точечный заряд: заряженная материальная точка;

• непрерывное распределение заряда по объему, поверхности или линии.

О РОЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИЛ В ПРИРОДЕ

Весь мир «держится» на электрическом взаимодействии. Электроны притягиваются к ядру, поэтому существует атом.

Взаимодействие нейтральных молекул друг с другом тоже электрическое – слабое притяжение на расстоянии и резкое отталкивание при сближении «вплотную». Все предметы существуют и не распадаются на части благодаря этому взаимодействию.

Все силы, с которыми мы встречались в механике, кроме гравитационных, имеют электрическую природу (трение, упругость). Механические, химические, оптические свойства вещества связаны с электрическим взаимодействием.

Электрические силы – гигантские по сравнению с гравитационными. Если бы в наших телах электронов оказалось бы на 1% меньше или больше, чем протонов, то сила нашего электрического взаимодействия была бы равной весу Земного шара! При электризации трением лишь ничтожная доля электронов переходит с одного теля на другое.