Fizika 10 klas - Goncharenko S.U

ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ

§ 42. Електризація тіл. Електричні заряди

У курсі фізики 8-го класу ви вивчали явища електризації тіл. Пригадаємо деякі з дослідів та спробуємо пояснити причини електризації тіл.

Натерта шерстю паличка з пластмаси, скла, ебоніту чи гуми притягує листочки паперу, пушинки та інші легенькі тіла. Про тіла, які після натирання притягують до себе інші тіла, кажуть, що вони наелектризовані, або що їм надано електричний заряд. В електризації завжди беруть участь два тіла і обоє електризуються. Якщо скляну паличку потерти шматком гуми, притягувати до себе легкі тіла буде не лише паличка, а й гума.

Існують два види електричних зарядів. У цьому легко переконатися на простих дослідах. Наелектризуємо ебонітову паличку, підвішену на нитці. Наблизимо до неї таку саму паличку, потерту тим самим шматочком шерсті,— вона відштовхнеться. Оскільки палички однакові і однаково електризувалися, можна твердити, що на них знаходяться заряди одного виду. Якщо до підвішеної ебонітової палички піднести скляну паличку, потерту шовком, то палички взаємно притягуються. Наближаючи до підвішеної наелектризованої ебонітової палички наелектризовані тіла з інших речовин — пластмаси, гуми, капрону, плексигласу, — ми побачимо, що ебонітова паличка в одних випадках відштовхнеться від піднесених тіл, а в інших — притягнеться до них. Тому можна вважати, що існує тільки два види електричних зарядів. Заряди, одержані на склі, потертому шовком, називають позитивними, а заряди, що виникають на ебоніті чи гумі, потертих шерстю, — негативними.

Ви знаєте, що тіла, заряджені однойменними зарядами, взаємно відштовхуються, а заряджені зарядами протилежного знака — взаємно притягуються. За притягуванням чи

141

відштовхуванням тіл можна судити, що дане тіло має електричний заряд.

Підвісимо на дротині, закріпленій на плексигласовій підставці, зігнуту пополам смужку паперу. Доторкнемося до дротини наелектризованою паличкою. Частина заряду з палички перейде на дротину і на паперові смужки, і вони розійдуться (мал. 84). Це явище покладено в основу будови знайомих вам з курсу фізики 8-го класу приладів для виявлення електричних зарядів — електроскопа (мал. 85) і електрометра (мал. 86). В електрометрі замість листочків фольги на металевому стержні закріплено стрілку, його корпус обов'язково роблять метале-

вим і заземлюють. Біля стрілки електро- к метра розміщено шкалу з поділками.

МЧим більший заряд надамо електрометру,

г# тим на більший кут відхилиться стрілка.

^Отже, за зміною кута відхилення стрілки

Іпластинки всередину порожнистого ци-

ліндра, надітого на стержень електроскопа (мал. 87, а). Електроскоп покаже, що обидві пластинки наелектризувалися,

Мал. 86 причому із внесенням кожної пластинки

1 Л9

Щоб переконатися в правильності цих припущень, пригадаємо

зкурсів фізики 8-го і хімії 9-го класів, що всі тіла складаються

змолекул і атомів. У складі кожного атома є позитивно заряджене ядро і негативно заряджені електрони. Атомні ядра різних хімічних елементів відрізняються одне від одного зарядом і масою (детальніше будову атомів і атомних ядер ви вивчатимете в курсі фізики 11-го класу); кількість електронів у різних атомах різна. Ядра атомів складаються з позитивно заряджених частинок — протонів,

заряд яких дорівнює за модулем зарядові електрона, і нейтральних Гідроген (які не мають заряду) частинок — нейтронів.

143

тронів, тоді як заряд їх ядер при цьому залишається незмінним, і таким чином перетворюватися в п о з и т и в н о з а р я д ж е н і й о н и . Атоми можуть також приєднувати д о себе додаткові електрони і заряджатися негативно. Такі атоми називають н е г а т и в н и м и й о н а м и .

У звичайних умовах число електронів у будь-якому тілі дорівнює числу протонів у ньому, тому сума всіх негативних зарядів у тілі дорівнює сумі всіх позитивних зарядів, і тіло в цілому не має заряду, воно електрично нейтральне. Під час дотику двох різнорідних тіл електрони, які входять до складу атомів одного тіла, можуть переходити до атомів іншого внаслідок того, що енергія зв'язку їх з ядром в атомах різних хімічних елементів може бути неоднаковою. В результаті одне тіло втрачає певну кількість електронів і заряджається позитивно, а друге тіло приєднує ці електрони і заряджається негативно. Отже, електризація тіла полягає у втраті чи придбанні тілом деякої кількості електронів.

Електризація тіл відбувається ефективніше за умови щільного їх дотику, коли відстані між атомами, які лежать на поверхнях двох тіл, стають того самого порядку, що й відстань між атомами всередині самих тіл.

? 1. Як на досліді можна виявити появу заряду на тілах, що дотикаються одне до одного? 2. Як на досліді переконатися в існуванні зарядів двох видів? 3. Як переконатися в тому, що під час дотику електризуються обидва тіла? 4. Під час натирання стержня із плексигласу шматком хутра стержень стає негативно зарядженим, тому що в ньому виявилися «зайві» електрони. Звідки вони взялися? 5. До кульки електроскопа доторкнулися натертим плексигласом і стрілка відхилилася на певний кут. Як реагуватиме стрілка, якщо після цього доторкнутися до кульки натертим склом?

§ 43. Закон збереження електричного заряду

Ми вже знаємо, що від дотику двох різнорідних тіл вони електризуються, причому одне дістає позитивний заряд, а друге — негативний. Якщо до дотику тіла були незаряджені, то позитивний заряд одного тіла завжди точно дорівнює негативному заряду другого.

Таким чином, електризація під час дотику є по суті процесом перерозподілу електричних зарядів між тілами, що дотикаються.

Отже, електричні заряди можуть передаватися від одного тіла до іншого. Тому алгебраїчна сума зарядів, які виникають внаслідок будь-якого електричного процесу на всіх тілах, які беруть участь у процесі, завжди дорівнює нулеві, В цьому

144

полягає з а к о н з б е р е ж е н н я е л е к т р и ч н и х з а р я д і в .

Не може ніде і ніколи в природі виникнути чи зникнути електричний заряд одного знака. Виникнення позитивного електричного заряду завжди супроводжується появою такого самого за значенням негативного електричного заряду. Під час дотику різнойменно заряджених тіл надмірна кількість електронів переходить від негативно зарядженого тіла до тіла, в якого частина атомів мала недостатню кількість електронів на своїх оболонках.

Закон збереження електричного заряду справедливий лише для випадку електрично ізольованих систем, тобто для систем, які не обмінюються електричними зарядами з тілами чи частинками, що не входять у цю систему.

? 1. Якщо заряджене позитивно тіло привести до зіткнення з негативно зарядженим, то тіло виявиться незарядженим. Чи можна сказати, що електричні заряди на цьому тілі зникли? 2. Сформулюйте і поясніть закон збереження електричного заряду. 3. Ебонітова паличка під час електризації зарядилася негативно. Чи залишилася незмінною маса палички? 4. Для якого випадку справедливий закон збереження електричного заряду? 5. Як на практиці враховують дію цього закону?

§ 44. Закон Кулона

Взаємодія наелектризованих тіл виявляється у виникненні в деяких випадках досить значних сил притягання і відштовхування. Чи можна знайти значення цих сил?

Досліди показують, що сили взаємодії між зарядженими тілами за інших однакових умов істотно залежать від їх геометричних розмірів і форм. Але якщо розміри заряджених тіл настільки малі, порівняно з відстанню між ними, що тіла можна вважати точками, то сили взаємодії підлягають простому закону.

Два нерухомі точкові електричні заряди взаємодіють із силою, прямо пропорційною добуткові цих зарядів і обернено пропорційною квадрату відстані між ними. Сили взаємодії заряджених тіл за числовим значенням однакові і спрямовані вздовж прямої, яка з'єднує ці тіла.

Цей закон у 1785 р. експериментально відкрив французький фізик ПІ. К у л о н , тому закон названо його ім'ям.

Математично закон Кулона записується так:

(44.1)

к2

145

ШАРЛЬ ОГЮСТЕН

КУЛОН

(1736—1806)

Французький вчений, відомий своїми працями з електрики і магнетизму та дослідженням сил тертя. Поряд з вивченням взаємодії заряджених тіл дослідив взаємодію полюсів довгих магнітів.

Мал. 89 крутильних терезів (мал. 89). Кру-

1 Вирази «заряди відштовхуються», «заряди притягуються», «заряди взаємодіють», «один заряд діє на інший» тощо застосовують для скорочення. Діють одне на одного, притягуються, відштовхуються, звичайно, заряджені тіла (або частинки).

146

тильні терези складаються із скляного стерженька А, підвішеного на тонкій пружній нитці Б. На одному кінці стерженька закріплено маленьку металеву кульку а, а на другому — противагу С. Ще одну металеву кульку Ь закріплено нерухомо на кришці терезів. Якщо кульки зарядити, то в результаті їх взаємодії стержень повертатиметься в горизонтальній площині. За кутом закручування нитки можна визначити силу взаємодії зарядів.

Кулон проводив дослідження в повітрі, в якому сила взаємодії зарядів досить добре збігалася з силою взаємодії зарядів у вакуумі. Дальші дослідження показали, що наявність речовини навколо зарядів впливає на силу їх взаємодії. Якщо за інших однакових умов (значення зарядів та їх розміщення) простір заповнити однорідною непровідною речовиною (гасом, водою, маслом, склом тощо), сила взаємодії між зарядами зменшиться. Природу цього явища розглянемо нижче.

Вплив тієї чи іншої речовини на силу електричної взаємодії між зарядами можна оцінити, якщо порівняти силу взаємодії між зарядами у вакуумі і в речовині (Р). Назвемо

відношення сил г діелектричною проникністю середовища (відносно вакууму) і позначимо її через є:

З формули (44.2) випливає, що в — безрозмірна величина. Таким чином, за наявності непровідного середовища, в яке

Для вакууму 8 = 1 , для гасу є = 2, сухого паперу є = 2 - 2,5, води є = 80 тощо.

Щоб обчислити сили взаємодії зарядів за формулами (44.1) і (44.3), треба знати значення коефіцієнта к.

Як уже згадувалося, значення к залежить від вибору одиниць, якими вимірюються величини, що входять до формули (44.1) або (44.3), тобто в даному випадку це заряди, відстань і сила. У СІ сила вимірюється ньютонами, відстань — метрами. Одиницею заряду, як ви знаєте з курсу фізики 8-го класу, є кулон. Нагадаємо, що 1 кулон (1 Кл) — це заряд, який проходить за 1 с через поперечний переріз провідника при силі струму 1 А. Визначити значення к можна так. Вимірявши силу взаємодії двох відомих зарядів, які знаходяться у вакуумі на відомій відстані один від одного, можна за формулою

(44.1) обчислити к: к = М2РЕ . На основі таких дослідів

147

встановлено, що в СІ к = 9 • 109 Н • м2 /Кл2 . Звичайно коефіцієнт

к записують у вигляді к = 71 , де є0 = 8,85 • 10~12 Кл2 /(Н-м2 ).

4лх0

Величину є0 називають електричною сталою. Тоді закон Кулона в одиницях СІ можна записати так:

огВ2

Задача 1. На двох однакових пилинках є по одному зайвому електрону. Сила електростатичного відштовхування пилинок зрівноважує силу їх гравітаційного притягання. Густина речовини пилинок р = 2700 кг/м3 . Визначити об'єм пилинок, якщо відомо, що об'єм однієї пилинки в 4 рази більший

і т2 = рУ2 — відповідно маси пилинок, д = -1,6-10"1 9 Кл — заряд електрона. Підставивши значення мас пилинок і

Задача 2. Кулька масою т = 15 г, яку підвішено на непровідній нитці, має заряд - 10 8 Кл. На відстані Е = 32 см до неї знизу підносять другу маленьку кульку. Яким має бути за значенням і знаком заряд цієї кульки, щоб натяг нитки збільшився у два рази? зменшився у два рази?

Р о з в ' я з а н н я . До заряджання другої кульки на підвішену кульку з зарядом дл діють сила тяжіння т§ і сила пружності нитки Т. Підвішена кулька нерухома, отже, Т = т§. Після заряджання другої кульки на підвішену кульку діє ще й електрична сила ¥ = кс[і(І2, Збільшення натягу нитки

В2

свідчить про те, що кульки притягуються одна до одної, тобто друга кулька заряджена негативним зарядом. Знайдемо значення цього заряду. Запишемо умову рівноваги підвішеної

148

ревірити закон Кулона? 3. Чи зміниться сила взаємодії електричних зарядів, якщо простір між ними заповнити рідким діелектриком? 4. У чому різниця і в чому схожість закону Кулона і закону

від одної у повітрі. З якою силою взаємодіють ці кульки?

2. З якою силою взаємодіють два точкові заряди 0,66 • 10~7 Кл і 1,1 • 10~° Кл у воді на відстані 3,3 см? На якій відстані їх слід помістити у вакуумі, щоб сила взаємодії залишилась попередньою? Для води є = 81.

3. Дві однакові кульки масою т = 0,25 г кожна підвішені на нитках довжиною / = ЗО см в одній точці. Коли кулькам надали однакових зарядів, вони розійшлись на відстань (і = 20 см. Визначте заряд кульок.

§ 45. Електричне поле. Напруженість електричного поля

Під час дослідження взаємодії електричних зарядів постає питання, чому виникають сили, що діють на заряди, і як вони передаються від одного заряду до іншого. У курсі фізики 8-го класу йшлося про те, що відповідно до сучасних уявлень взаємодія наелектризованих тіл здійснюється через електричне поле. Нагадаємо деякі досліди, які сприяють кращому розумінню природи взаємодії наелектризованих тіл. Якщо підносити до підвішеної легенької гільзи чи електроскопа наелектризовану паличку, помітимо, що гільза при-

149