31. Електризація тіл. Електричний заряд, його дискретність. Закон збереження електричного заряду. Закон Кулона.

Явище електризації. Електричні заряди. Закон збереження електричних зарядів

Візьмемо пластмасовий гребінець або авторучку й проведемо нею кілька раз по сухому волоссю або вовняному светрі. Як ні дивно, але після такої простої дії пластмаса придбає нову властивість: почне притягати дрібні шматочки паперу, інші легені предмети й навіть тонкі струмки води.

До Нашої ери не було пластмасових гребінців і авторучок. Однак і в ті часи подібні явища були добре відомі. Для досвідів по електризації тертям брали скам'янілу смолу дерев – бурштин – і натирали його вовною. Після цього й бурштин, і вовна починали притягати до себе сухі травинки й порошини. По-гречески бурштин – це "електрон". Це явище називається електризацією, а сили, що діють при цьому – електричними силами. Звідси й відбулося сучасне слово "електрика" і назва наелектризована тіла.

Досвіди показують, що два тіла – наелектризоване й ненаелектризоване – завжди притягаються. Приклади: пластмасова авторучка й тонкий струмок води, бурштин і сухі травинки. Досвіди також показують, що два тіла, наелектризовані тертям друг про друга, теж завжди притягаються. Наприклад, наелектризувавшись тертям про наше тіло ( при ходьбі, рухах рук і ніг) шовкова сорочка або спідниця притягається, "липне" до тіла.

У тому випадку, якщо тіло не намагнічене, але притягає інші тіла, говорять, що воно наелектризоване або заряджене.

Отже, електризація – це здійснення над тілами такої роботи, після якої вони здобувають властивість взаємодіяти один з одним (притягатися й відштовхуватися) із силами, які можуть бути набагато більшими, ніж гравітаційні.

Електричні заряди. Закон збереження електричних зарядів.

При терті гребінця про волосся або ебонітової палички про вовну предмети заряджаються, на них утворюються електричні заряди. Заряджені тіла взаємодіють один з одним і між ними виникають електричні сили.

Існує два різні роди електричних зарядів. Зовсім умовно вони названі " позитивним" зарядом і " негативним" зарядом (а можна було б назвати їх " чорний" і " білий", або " прекрасний" і " жахливий", або якось інакше).

Позитивно зарядженими називають тіла, які діють на інші заряджені предмети так само, як стекло, наелектризоване тертям про шовк.

Негативно зарядженими називають тіла, які діють на інші заряджені предмети так само, як сургуч, наелектризований тертям про вовну.

Електричний заряд – це фізична величина, що характеризує властивість часток або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії.

Електричний заряд звичайно позначається буквами q або Q.

Сукупність усіх відомих експериментальних фактів дозволяє зробити наступні висновки:

• Існує два роди електричних зарядів, умовно названих позитивними й негативними.

• Заряди можуть передаватися (наприклад, при безпосередньому контакті) від одного тіла до іншого. На відміну від маси тіла електричний заряд не є невід'ємною характеристикою даного тіла. Те саме тіло в різних умовах може мати різний заряд.

• Однойменні заряди відштовхуються, різнойменні – притягаються. У цьому також проявляється принципова відмінність електромагнітних сил від гравітаційних. Гравітаційні сили завжди є силами притягання.

Одним з фундаментальних законів природи є експериментально встановлений закон збереження електричного заряду.

В ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів усіх тіл залишається постійної:

q₁ + q₂ + q₃ + ... +qn = const

Закон збереження електричного заряду стверджує, що в замкненій системі тіл не можуть спостерігатися процеси народження або зникнення зарядів тільки одного знака.

Із сучасної точки зору, носіями зарядів є елементарні частки. Усі звичайні тіла складаються з атомів, до складу яких входять позитивно заряджені протони, негативно заряджені електрони й нейтральні частки – нейтрони. Протони й нейтрони входять до складу атомних ядер, електрони утворюють електронну оболонку атомів. Електричні заряди протона й електрона по модулю в точності однакові й дорівнюють елементарному заряду e.

У нейтральному атомі число протонів у ядрі дорівнює числу електронів в оболонці. Це число називається атомним номером. Атом даного речовини може втратити один або кілька електронів або придбати зайвий електрон. У цих випадках нейтральний атом перетворюється в позитивно або негативно заряджений іон.

Заряд може передаватися від одного тіла до іншого тільки порціями, що містять ціле число елементарних зарядів. Таким чином, електричний заряд тіла – дискретна величина:

Фізичні величини, які можуть приймати тільки дискретний ряд значень, називаються квантованными. Елементарний заряд e є квантом ( найменшою порцією) електричного заряду.

У звичайних лабораторних дослідах для виявлення й виміру електричних зарядів використовується електрометр – прилад, що полягає з металевого стрижня й стрілки, яка може обертатися навколо горизонтальної осі (мал.1). Стрижень зі стрілкою ізольований від металевого корпуса. При зіткненні зарядженого тіла зі стрижнем електрометра, електричні заряди одного знака розподіляються по стрижню й стрілці. Сили електричного відштовхування викликають поворот стрілки на деякий кут, по якім можна судити про заряд, переданий стрижню електрометра.

Малюнок 1. Перенос заряду із зарядженого тіла на електрометр

Електрометр є досить грубим приладом; він не дозволяє досліджувати сили взаємодії зарядів. Уперше закон взаємодії нерухливих зарядів був відкритий французьким фізиком Ш. Кулоном в 1785 г. У своїх досвідах Кулон вимірював сили притягання й відштовхування заряджених кульок за допомогою сконструйованого їм приладу – крутильних ваг (мал. 2), що відрізнялися надзвичайно високою чутливістю. Так, наприклад, коромисло ваг поверталося на 1° під дією сили порядку 10^–9 Н.

Ідея вимірів ґрунтувалася на блискучому здогаді Кулона про те, що якщо заряджена кулька привести в контакт із точно таким же незарядженим, то заряд першого розділиться між ними нарівно. Таким чином, був зазначений спосіб змінювати заряд кульки у два, три і т.д.  раз. У досвідах Кулона вимірялася взаємодія між кульками, розміри яких багато менше відстані між ними. Такі заряджені тіла прийнято називати точечними зарядами.

Точковим зарядом називають заряджене тіло, розмірами якого в умовах даного завдання можна зневажити.

Малюнок 2. Прилад Кулона

Малюнок .3. Сили взаємодії однойменних і різнойменних зарядів

На підставі численних досвідів Кулон установив наступний закон:

Сили взаємодії нерухливих зарядів прямо пропорційні добутку модулів зарядів і обернено пропорційні квадрату відстані між ними:

Сили взаємодії підкоряються третьому закону Ньютона: Вони є силами відштовхування при однакових знаках зарядів і силами притягання при різних знаках (мал.3). Взаємодія нерухливих електричних зарядів називають електростатичним або кулоновским взаємодією. Розділ електродинаміки, що вивчає кулоновское взаємодія, називають електростатикою.

Закон Кулона слушний для крапкових заряджених тел. Практично закон Кулона добре виконується, якщо розміри заряджених тіл багато менше відстані між ними.

Коефіцієнт пропорційності k у законі Кулона залежить від вибору системи одиниць. У Міжнародній системі СИ за одиницю заряду прийнятий кулон (Кл).

Кулон – це заряд, що проходить за 1 с через поперечний переріз провідника при силі струму 1 А. Одиниця сили струму (ампер) у СИ є поряд з одиницями довжини, часу й маси основною одиницею виміру.

Коефіцієнт k у системі СИ звичайно записують у вигляді:

де – електрична постійна.