Электрические взаимодействия. Способы разделения зарядов

Изучение электрических явлений началось в Древней Греции с наблюдения, которое и породило впоследствии слово электричество. Было замечено, что, если натереть янтарь шерстью, он начинает притягивать мелкие предметы – например, пушинки и перья. Янтарь по-гречески электрон, поэтому этот вид взаимодействия назвали электрическим.

Сегодня любой может повторить этот знаменитый древнегреческий опыт даже без янтаря.

Поставим опыт

Расчешите сухие волосы пластмассовой расческой и поднесите ее к маленьким кусочкам бумаги, не касаясь их. Кусочки бумаги будут притягиваться к расческе (рис. 49.1).

Электрические взаимодействия обусловлены наличием у тел электрических зарядов.

Тело, обладающее электрическим зарядом, называют электрически заряженным (или просто заряженным), а сообщение телам электрических зарядов называют электризацией.

Натертый янтарь приобретает способность к электрическим взаимодействиям по той причине, что при трении он электризуется. Впоследствии выяснилось, что янтарь – не исключение: при трении электризуются многие тела. Вы сами, наверное, не раз чувствовали, как вас "бьет током", когда вы прикасаетесь к другому человеку после того, как сняли или надели шерстяную одежду. Это – тоже результат электризации при трении.

Опыты с наэлектризованными телами – например, с натертыми янтарем или расческой – показывают, что наэлектризованные тела притягивают незаряженные предметы. Ниже мы увидим, что это притяжение обусловлено тоже взаимодействием электрических зарядов.

1. Многие хозяйки, стараясь как можно тщательнее вытереть пыль с мебели, подолгу трут поверхность мебели сухой тряпкой. Но, увы – чем больше они стараются, тем скорее пыль снова садится на»хорошо вытертые» поверхности. То же самое происходит и тогда, когда тщательно протирают сухой тряпкой монитор компьютера или ноутбука. Как это объяснить?

Для получения заряженных тел в школьных опытах по электричеству обычно натирают шерстью эбонитовую палочку или шелком – стеклянную. (Эбонит – твердое вещество черного цвета, состоящее из серы и каучука.) В результате палочки приобретают электрический заряд.

Поставим опыт

Наэлектризуем одну легкую металлическую гильзу (металлический цилиндр), прикоснувшись к ней заряженной. стеклянной палочкой, а другую гильзу – прикоснувшись к ней заряженной эбонитовой палочкой. Мы увидим, что гильзы начнут притягиваться (рис. 49.2, а).
А вот две гильзы, наэлектризованные с помощью одной и той же палочки, будут всегда отталкиваться – независимо от того, какой палочкой мы пользовались для электризации гильз (рис. 49.2, б, в).

Этот опыт показывает, что электрические заряды бывают двух типов: заряды одного и того же типа отталкиваются, а заряды различных типов притягиваются. Чаще говорят не о типах, а о знаках зарядов, называя их положительными и отрицательными. Дело в том, что заряды противоположных знаков могут компенсировать друг друга (подобно тому, как сумма положительного и отрицательного чисел может быть равной нулю). Итак,

электрические заряды бывают двух знаков – положительные и отрицательные.

Заряд стеклянной палочки, натертой шелком, считают положительным, а заряд эбонитовой пилочки, натертой мехом или шерстью, – отрицательным.
Тела, имеющие заряд одного знака, называют заряженными одноименно, а тела, имеющие заряды разных знаков, называют заряженными разноименно.

Описанный выше опыт показал, что

одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные – притягиваются .

2. а) Могут ли заряды трех шариков быть такими, что любая пара шариков взаимно отталкивается? взаимно притягивается?
б) Можно ли определить, не используя других тел или приборов: каков знак заряда каждого шарика? Имеют ли все шарики заряд одного и того же знака?
в) Опишите опыт, с помощью которого можно определить знак заряда каждого шарика.

Тела, не имеющие электрического заряда, называют незаряженными или электрически нейтральными. Почти все окружающие нас тела являются нейтральными. Но это не означает, что в них нет электрических зарядов!

Наоборот, в любом теле содержится огромное число положительно и отрицательно заряженных частиц, Как суммарный положительный заряд, так и суммарный отрицательный заряд этих частиц колоссален (скоро мы в этом убедимся). Но эти положительный и отрицательный заряды с очень большой точностью компенсируют друг друга.

2. Носители электрического заряда

Электрический заряд переносится только заряженными частицами. Электрического заряда без частиц не существует.

Заряженные частицы называют носителями электрического заряда. Если они могут перемещаться в веществе, их называют свободными носителями электрического заряда или просто свободными зарядами.

Чаще других в роли свободных зарядов выступают электроны. Как вы уже знаете из курса физики основной школы, эти очень легкие отрицательно заряженные частицы движутся вокруг массивного (по сравнению с электронами) положительно заряженного атомного ядра. Именно электроны являются свободными носителями заряда в металлах.

Переносить электрический заряд могут и ионы – атомы, которые потеряли или приобрели один или несколько электронов. (От греческого «ион» - странник.) Потерявший электрон (электроны) атом становится положительно заряженным ионом, а атом с избыточным электроном (электронами) – отрицательно заряженным ионом.

Например, в растворе поваренной соли (NaCl) свободными зарядами являются положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные ионы хлора.

3. В какой ион (положительно илн отрицательно заряженный) превращается атом, потерявший электрон?

4. Как изменяется масса атома, когда он становится: положительным ионом? отрицательным ионом?

Наиболее удаленные от ядра электроны слабее связаны с ядром. Поэтому при тесном контакте двух тел электроны могут переходить с одного тела на другое (рис. 49.3). Это объясняет, почему при трении тела часто электризуются.

В результате электризации в одном теле возникает избыток электронов, и поэтому оно приобретает отрицательный электрический заряд, а в другом теле возникает недостаток электронов, вследствие чего оно приобретает положительный заряд.

3. Проводники и диэлектрики

Вещества, в которых есть свободные носители электрического заряда, называют проводниками.

Хорошими проводниками являются все металлы. Проводниками являются также растворы солей и кислот – такие жидкости называют электролитами. (От греческого «литос» - разложимый, растворимый.) Электролитами являются, например, морская вода и кровь.

В металлах свободными зарядами являются электроны, а в электролитах – ионы.

Вещества, в которых нет свободных носителей электрического заряда, называют диэлектриками.

Диэлектриками являются многие пластмассы и ткани, сухое дерево, резина, стекло, а также многие жидкости – например, керосин и химически чистая (дистиллированная) вода. Газы, в том числе воздух, – также диэлектрики.

Хотя в диэлектриках свободных зарядов нет, это не означает, что они не участвуют в электрических явлениях. Дело в том, что в диэлектриках есть связанные заряды – это электроны, которые не могут перемещаться по всему образцу вещества, но могут перемещаться в пределах одного атома или молекулы.

Как мы увидим ниже, это приводит к тому, что диэлектрики существенно влияют на взаимодействие заряженных тел: например, они могут ослабить его в десятки раз.

Именно благодаря смещению связанных зарядов незаряженные диэлектрические тела (например, кусочки бумаги) притягиваются к заряженным телам. Ниже мы рассмотрим это подробнее.

4. Электризация через влияние

Благодаря тому, что в проводниках есть свободные заряды, проводники можно заряжать, даже не прикасаясь к ним заряженными телами. При этом тела заряжаются зарядами противоположных знаков.

Поставим опыт

Соединим проводником две металлические гильзы 1 и 2, лежащие на деревянном столе. Затем, не убирая проводник, поднесем к гильзе 1 положительно заряженную палочку, ке касаясь ею гильзы (рис. 49.4, а). Часть свободных электронов, притягиваясь к заряженной палочке, переместится с гильзы 2 на гильзу 1. В результате гильза 2 станет заряженной положительно, а гильза 1 – отрицательно.

Не удаляя заряженную палочку, уберем проводник, соединяющий гильзы (рис. 49.4, б). Они останутся заряженными, причем их заряды будут равны по модулю, но противоположны по знаку.

Теперь можно убрать и заряженную палочку: разноименные заряды останутся на гильзах.

Этот способ электризации тел называют электризацией через влияние.

Обратите внимание: электризация через влияние обусловлена перераспределением зарядов. Алгебраическая сумма зарядов тел остается при этом равной нулю: тела приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды.

5. Расскажите подробно, как и почему изменился бы результат описанного опыта, если бы сначала удалили заряженную палочку, а потом – проводник, соединяющий гильзы. Проиллюстрируйте ваш рассказ схематическими рисунками.

6. Объясните, почему в описанном выше опыте человек держит металлическую палочку, соединяющую гильзу, за деревянную ручку. Опишите, что произошло бы, если бы при проведении этого опыта человек держал металлическую палочку непосредственно рукой. Примите во внимание„что человеческое тело является проводником.

5. Почему незаряженные тела притягиваются к заряженным?

Выясним теперь, почему незаряженные тела притягиваются к заряженным.

Поставим опыт

Приблизим к незаряженной металлической гильзе положительно заряженную палочку (рис. 49.5). Свободные электроны гильзы притянутся к положительно заряженной палочке, поэтому на ближней к палочке части гильзы появится отрицательный электрический заряд, а на дальней ее части из-за недостатка электронов возникнет положительный заряд.

В результате гильза будет притягиваться к палочке, потому что отрицательные заряды на гильзе находятся ближе к палочке.

7. Объясните, почему незаряженная металлическая гильза притягивается также к отрицательно заряженной палочке.

Итак, незаряженный проводник притягивается к заряженному телу, имеющему заряд любого знака, вследствие перераспределения свободных зарядов в незаряженном проводнике.

8. На рисунке 49.6 показано взаимодействие гильз А и В, а также гильз В и С. Известно, что гильза А заряжена положительно.
а) Можно ли утверждать, что гильза В заряжена? Если да, то каков знак ее заряда?

в) Можно ли предсказать, как будут взаимодействовать гильзы А и С?

Незаряженный диэлектрик тоже притягивается к телу, имеющему заряд любого знака. Объясняется это смещением связанных зарядов в диэлектрике: на поверхности диэлектрика возникают заряды разных знаков, причем ближе к заряженному телу оказываются заряды противоположного с ним знака. Это и приводит к притяжению.

Ниже мы рассмотрим смещение связанных зарядов в диэлектрике подробнее.

6. Роль электрических взаимодействий

Само существование атомов обусловлено электрическим взаимодействием положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

Электрическую природу имеет также взаимодействие атомов и молекул: благодаря ему атомы объединяются в молекулы, а нз атомов и молекул образуются жидкие и твердые тела. Электрическое взаимодействие нейтральных атомов и молекул объясняется неравномерным распределением электрического заряда в них.

Электрическими взаимодействиями обусловлены и многие процессы в живом организме. В частности, электрической является природа импульсов в нервных клетках, в том числе– в клетках головного мозга.

Электрические взаимодействия во много раз интенсивнее, чем гравитационные. Например, сила электрического отталкивания двух электронов превышает силу их гравитационного притяжения примерно в 4 * 10 42 раз. По сравнению с этим огромным числом кажется крошечной даже постоянная Авогадро! В § 50 мы проверим эту сравнительную оценку сил электрического и гравитационного взаимодействия.

Но если электрическое взаимодействие является таким сильным, почему же мы замечаем его вокруг себя так редко?

Дело в том, что практически все окружающие нас тела электрически нейтральны: огромный суммарный положительный электрический заряд атомных ядер с очень большой точностью компенсируется равным ему по модулю суммарным отрицательным зарядом электронов.

Только благодаря этой компенсации мы и не замечаем, насколько велики силы электрического взаимодействия, «спрятанные» внутри вещества.

Эта взаимная компенсация зарядов в окружающих нас телах не означает, однако, что электрические силы никак не проявляют себя, например, в механических явлениях. На самом деле мы неявно учитывали эти силы при изучении механики.

Как вы помните, в механике рассматривают три вида сил – силы тяготения, силы упругости и силы трения. Две из этих сил – сила упругости и сила трения – обусловлены взаимодействием атомов и молекул, из которых состоят тела, а взаимодействие атомов и молекул, как мы уже знаем, имеет электрическую природу.

Дополнительные вопросы и задания

9. Две одинаковые гильзы висят рядом на нитях одинаковой длины. На красной нити висит заряженная гильза, а на синей – незаряженная. Какая нить сильнее отклонена от вертикали?

10. Две металлические гильзы, висящие рядом на нитях, отталкиваются. Как будут взаимодействовать эти гильзы, если коснуться рукой одной из них?
11. На рисунке 49.7 показано, как взаимодействуют гильзы А и В, а также гильзы В и С.
а) Что можно сказать о заряде гильзы В?
б) Что можно сказать о заряде гильзы С?

12. Легкий металлический шарик подвешен между двумя вертикальными металлическими пластинами, заряды которых имеют противоположные знаки (рис. 49.8). Опишите, что будет происходить после того, как шарик коснется одной из пластин.

10. Элементарный электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей.

Электрические явления.

Любой наблюдательный человек (даже человек каменного века) мог обнаружить, что при трении друг о друга некоторых вещей, сделанных из разных материалов, они приобретают интересное свойство притягивать мелкие предметы: соринки, волосы, пушинки. Наиболее заметно это свойство проявляется у затвердевшей смолы – янтаря при натирании его шерстью. По-гречески янтарь – электрон, поэтому такие явления стали называть электрическими. В отличие от механического взаимодействия тел при непосредственном контакте друг с другом (что видно невооруженным глазом) в электрических явлениях тела механически взаимодействуют, друг с другом не соприкасаясь. Это необычное свойство обратило на себя внимание. Каждый из Вас, снимая свитер или рубашку, слышал, что иногда раздаются щелчки и потрескивания, а в темноте можно даже заметить вспышки света или искорки. После ходьбы по синтетическим ковровым покрытиям не очень приятно прикасаться к металлическим предметам (ручкам дверей, замкам) – возникают весьма чувствительные электрические разряды. Воздействие на руку появляется до того , как она прикоснется к ручке двери или замку.

Грандиозные проявления электричества – молнии – всегда интересовали людей, но в силу их «самостоятельности», то есть невозможности произвести руками человека нечто подобное, молнии объяснялись в различных религиях проявлением гнева высших сил.

При появлении свободного времени у некоторых людей проявились исследовательские интересы, и было установлено, что существует не слишком много способов получить электрически заряженные тела и всего несколько правил, которым подчиняются взаимодействия заряженных тел.

Сколько существует сортов зарядов?

Тела небольших размеров, имеющие электрические свойства, притягиваются или отталкиваются друг от друга. Если одинаковые тела заряжались одним и тем же способом, то они отталкиваются друг от друга. Разные тела, которые приобретают электрические свойства в результате трения друг о друга, притягиваются друг к другу. Для сравнения электрических свойств тел проверялось их взаимодействие с «эталонными» заряженными телами. Одни из них отталкивались от эбонитовой (янтарной) палочки, потертой о шерсть, а другие отталкивались от стеклянной палочки, потертой о шелк. Существуют, таким образом, всего два сорта электрических свойств тел. По аналогии с математическими правилами были введены два знака, характеризующие природу электрических свойств – «плюс» и «минус». Заряд, полученный на стекле, потертом о шелк, назвали положительным, а заряд на эбоните, потертом о шерсть, назвали отрицательным.()

Притяжение и отталкивание

Было выяснено, что тела имеющие заряды разных знаков всегда притягиваются друг к другу. Оказалось, однако, что тела, заряженные зарядами одного знака, иногда друг от друга отталкиваются, иногда притягиваются друг к другу, а в некоторых случаях могут вести себя так, как будто они не заряжены вовсе. Необходимым условием отталкивания заряженных тел является одинаковость знаков их зарядов. Притяжение заряженных тел может иметь место как при одинаковых, так и при разных знаках зарядов тел. Оказывается, что притягиваться могут и такие два тела, одно из которых вовсе не имеет электрического заряда. То есть для притяжения тел достаточным является наличие заряда только на одном теле. Из всего перечисленного выше ясно, что только в одном случае можно четко сделать вывод о характере зарядов на телах. (В каком случае?)

Ответ: если два не соприкасающихся заряженных тела отталкиваются друг от друга, то они точно имеют заряды одного знака!

Заряженные и незаряженные тела могут не только притягиваться или отталкиваться, но и «ориентировать» друг друга. Например, незаряженная палочка, подвешенная на нити горизонтально вблизи заряженного шарика на одной высоте с ним, всегда ориентируется «на шарик». Это означает, что на тело (в рассматриваемом случае на палочку) действует механический момент сил. Объяснение такого «ориентирования» сводится к рассуждению о «притяжении» и «отталкивании» по разному заряженных частей тела.

Еще раз убедимся в том, что незаряженные тела, как и заряженные тела, могут притягиваться друг к другу. Листок бумаги (свернутый в трубочку) подвешивается на нити. Незаряженный листок притягивается к заряженной эбонитовой палочке (или пластиковой бутылке). Два таких незаряженных листочка, подвешенные рядом, притягиваются друг к другу при поднесении к ним заряженной палочки. Механизм их взаимного притяжения аналогичен механизму, который заставляет металлические шарики в магнитном поле выстраиваться в цепочки.

Способы разделения зарядов

Среди причин появления по-разному заряженных тел самой известной является трение тел друг о друга. При отделении современных наклеек от слоя бумаги или пластика разделенные предметы приобретают разные заряды. Тела могут приобрести заряд в результате освещения их светом с достаточно короткими длинами волн. В результате значительного нагрева предметы обычно приобретают положительный заряд. Заряды могут разделяться в результате радиоактивности самого тела или соседних с ним тел.

Разделение зарядов в изначально незаряженных телах происходит, когда они находятся вблизи заряженного тела (в электростатическом поле). Если два проводящих ток тела сначала привести в соприкосновение, а затем вновь «развести» тела на некоторое расстояние, то каждое из тел приобретает заряд. В дальнейшем при количественных исследованиях было установлено, что суммарный электрический заряд изолированной системы тел сохраняется! Этот вывод из экспериментов получил название закона сохранения заряда.

Самое интересное, что заряды всегда появляются парами. Если одно из тел приобрело положительный заряд, то второе тело приобретает отрицательный заряд, причем возникают разные заряды буквально «вместе». Это означает, что такое событие, как одновременное возникновение в разных местах зарядов противоположного знака хотя и не противоречит закону сохранения заряда, но никогда не наблюдается!

Дискретность электрических зарядов

Известно, что если привести в соприкосновение два одинаковых проводящих шарика, один из которых до соприкосновения был заряженным, а другой нет, то после разведения этих шариков на каждом из них будет один и тот же заряд, составляющий половину от первоначального заряда заряженного шарика. Что будет, если делить таким способом заряд снова и снова? Можно ли этот процесс вести бесконечно? Вопрос не лишен смысла, но эксперимент, установивший, что процесс деления не может продолжаться бесконечно, был поставлен иначе. Эксперимент придумал и осуществил Милликен. В нём маленькие капельки масла удерживались в воздухе в состоянии покоя за счет того, что имели электрический заряд, и кроме гравитационного поля на них действовало ещё и электрическое поле. Воздух вместе с капельками освещался ультрафиолетовым светом, и заряды капелек изредка под воздействием света изменялись. Милликен установил, что заряды капелек всегда были равны целому числу, умноженному на некоторый весьма малый заряд, который был назван элементарным зарядом. Его величина в системе СИ равна: 1,6×10-19Кл.

Электроскоп

Для непосредственного наблюдения электрического взаимодействия заряженных тел было придумано множество способов и устройств. Одно из устройств, называемое электроскопом, состоит из стеклянного сосуда, в котором находится металлический стержень с двумя очень легкими металлическими лепестками. Если электроскоп заряжен, то эти лепестки, отталкиваясь друг от друга, расходятся. Это заметно невооруженным глазом. Чем сильнее заряжен электроскоп, тем на больший угол расходятся лепестки.

Эксперименты

Эффектные демонстрации электрического взаимодействия тел можно выполнить с самым простым оборудованием. Для проведения эксперимента нужны: нить, шарик для настольного тенниса , алюминиевая фольга, пустая пластиковая бутылка и сухая бумага. Если в кабинете демонстраций есть эбонитовая и стеклянная палочки, то их тоже можно использовать.

Шарик оборачивается фольгой и подвешивается на нити длиной 1,5 – 2 метра. Бутылка заряжается (отрицательным зарядом) натиранием о бумагу. Незаряженный шарик притягивается к заряженной пластиковой бутылке (и к стеклянной палочке, и к эбонитовой палочке). Если шарик зарядить, прикоснувшись к нему заряженным предметом, то он будет отталкиваться только от предмета с тем же знаком заряда, если находится достаточно далеко от него. (Если же шарик находится близко к заряженному предмету, то он может и притягиваться!)

Существует огромное количество пар материалов и предметов, которые при трении друг о друга разделяют заряды. Пару «сухая газета – резиновый надувной шарик» можно показать в действии. После интенсивного «натирания» шарика газетой он начинает притягиваться к рукам, а если его поднести к потолку, то он остается висеть под потолком.

Еще примеры:

Полиэтиленовый листок, потертый о шерсть прилипает к стене, доске, ладони.

Шелковое белье или синтетические платья иногда ведут себя нежелательным для девушек образом, облепляя ноги и доставляя другие неудобства.

Примеры проявления статического электричества в быту и на производстве:

Пыль собирается на мониторе компьютера и на кинескопе телевизора, а внутри этих приборов она концентрируется на нескольких отдельных деталях. Статическое электричество используется в современных печатающих и копировальных устройствах (ксерокс, лазерный принтер). Для избежания неприятных последствий электрических разрядов машины, перевозящие жидкое горючее (бензин, солярку), в обязательном порядке оборудуются электростатическими разрядниками, которыми служат металлические цепочки, закрепленные на корпусе автомобиля и касающиеся дороги. Для уменьшения или исключения электростатической зарядки тканей (шелка, синтетики) их обрабатывают жидкостью «антистатиком». Высыхая, такая жидкость создает на ткани тонкий слой вещества, по которому электрические заряды могут перемещаться.

Проводящие и непроводящие заряды тела

Существуют вещества и материалы, которые хорошо «передают через себя» электрические заряды, и, соответственно, существуют вещества и материалы, которые делают это плохо. Например, если соединить два одинаковых электроскопа, один из которых (1) был заряжен, а другой (2) – нет, стальной проволокой, то оба через очень малое время будут «показывать», что они заряжены. Правда, каждый будет заряжен в меньшей степени, чем был заряжен первый электроскоп. Если соединить эти же электроскопы деревянной палочкой, то заряд от одного к другому будет передаваться настолько медленно, что этот процесс может растянуться на секунды и даже минуты. Свойство физического тела хорошо или плохо проводить электричество зависит и от природы тела, и от его состояния, и от внешних условий, в которых находится тело.

Мокрые листочки бумаги – проводящие тела, а сухие – непроводящие. Горячий (раскаленный) эбонит – проводит заряды, а при нормальной температуре нет! Сухой воздух при нормальной температуре не проводит заряды (тела, висящие на шелковой нити, долго не разряжаются), а при высокой температуре (в пламени, в стволе молнии) проводит заряды хорошо. Существуют интересные материалы, которые при нормальных температурах проводят электричество плохо, а при понижении температуры до 100К становятся сверхпроводниками. Материалы, плохо проводящие электричество, называют изоляторами.

Для объяснения свойств материалов проводить (или нет) электричество было введено модельное представление о наличии внутри таких материалов «свободных зарядов». Если свободных зарядов много, то материал проводящий – его называют проводником. Если свободных зарядов мало – то этот материал является изолятором. Диапазон отношений концентраций свободных носителей зарядов в соответствии с таким представлением (моделью) в хороших проводниках (серебро) и хороших изоляторах (эбонит) составляет более чем 1020.

Внутреннее строение проводников, изоляторов и других материалов нам предстоит изучить в курсе физики после того, как мы узнаем об устройстве атомов, из которых состоит любое вещество.

Закон взаимодействия неподвижных точечных зарядов

При экспериментальном исследовании электрического взаимодействия в воздухе всего двух одинаковых тел небольших размеров легко установить, что сила, действующая со стороны одного тела на другое, направлена вдоль линии, соединяющей эти два тела.

Количественное изучение взаимодействия заряженных тел привело французского физика Шарля Огюстена Кулона к выводу, что величина силы взаимодействия двух точечных () зарядов в пустом пространстве пропорциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Этот вывод был сделан на основе многочисленных экспериментов с крутильными весами, в которых сила притяжения тел к Земле компенсировалась натяжением нити. Чтобы получить одинаковые по величине и знаку электрические заряды, можно приводить в соприкосновение одинаковые заряженные проводящие шарики.

(Описание устройства и работы крутильных весов есть в учебниках.)

Кулон использовал шарики (плоды) бузины. Устанавливая шарики на определенном расстоянии друг от друга, Кулон сообщал им одинаковые по знаку заряды, и шарики отталкивались и удалялись друг от друга. Для восстановления прежнего расстояния между ними нить, на которой висел на коромысле один из шариков, закручивалась экспериментатором. Угол поворота был пропорционален возникающему «крутильному» моменту сил.

Если радиус вектор, соответствующий двум точкам пространства, в которых находятся маленькие (точечные) тела обозначить символом (), то установленный Кулоном закон взаимодействия можно представить в виде математической записи:

Здесь F12 – это сила, с которой тело 1 действует на тело 2, q1 и q2 – это заряды тел, а К – это некоторая постоянная величина. Если заряды тел имеют один и тот же знак, то, как показывает формула, тела отталкиваются, если же знаки зарядов тел разные, то они притягиваются.

Силы электрического взаимодействия нескольких точечных тел, как выяснилось, складываются как векторы, то есть подчиняются принципу суперпозиции. Общая сила, действующая на одно тело со стороны других тел, есть сумма векторов сил, действующих на это тело со стороны всех остальных тел по отдельности.

Электрическое поле.

Два заряженных тела малых размеров взаимодействуют в свободном (от других тел) пространстве так, что куда бы мы ни поместили второе тело, первое «чувствует» его присутствие. Причем из вида закона взаимодействия (для электростатики закона Кулона) следует, что сила всегда пропорциональна заряду тела.

Очень давно (Майклом Фарадеем) была высказана идея о том, что каждый заряд создает вокруг себя в пространстве «нечто», что в свою очередь воздействует на другие заряды. Это «нечто» было названо «полем». Аналог такого «поля» - излучение лампочки фонарика в воздухе во все стороны. Яркость света зависит от расстояния до фонарика. «Видно» фонарик всюду, но по мере удаления от него свет становится все слабее. «Поле», созданное в пространстве, обладает относительной самостоятельностью. Оно, например, может существовать и после того, как сам его источник уже исчез. Многие из звезд, которые мы видим на небе, светят тем светом, который был испущен многие миллионы лет назад. Оказалось, что идея поля весьма плодотворна, а впоследствии выяснилось, что и сам свет представляет собой электромагнитное поле.

Описывать взаимодействие зарядов мы будем так:

Заряд (или заряды) создали в пространстве электрическое поле, а оно в свою очередь действует на помещенный в него заряд. Теперь «забудем» о том, что поле было создано зарядами. Будем говорить так: «На заряд, помещенный в электрическое поле, действует сила, величина которой пропорциональна заряду, а направление определяется полем». Поле в каждой точке пространства характеризуется «напряженностью» – это векторная величина, равная отношению силы, действующей на малый (пробный) заряд, к величине этого заряда. ()

Идея электрического поля очень хорошо «объясняет» как осуществляется передача зарядов через проводники: при наличии электрического поля в проводнике свободные заряды приходят в движение и это является причиной перераспределения зарядов.

Силовые линии электрического поля

Для отображения на плоских рисунках структуры электрического поля, распределенного в трехмерном пространстве, существует несколько приемов. Один из них состоит в том, что на плоскости рисуются линии, касательные к которым в каждой точке совпадают по направлению с направлением проекции на плоскость рисунка вектора напряженности электрического поля, существующего в данной точке. На линию наносятся стрелочки, которые показывают направление проекции вектора напряженности поля. Эти линии получили название «силовых линий электрического поля», хотя такая линия не показывает величины вектора напряженности поля. Если на плоскость рисунка попадает положительный точечный заряд, то в непосредственной близости от него силовые линии «выходят» из него. Для отрицательного точечного заряда ситуация прямо противоположная: силовые линии «входят» в него.

Рисунок силовых линий только качественно описывает структуру электрического поля. Например, поле точечного заряда, расположенного в плоскости рисунка изображается прямыми линиями, которые проходят через точку, в которой находится заряд. Точно такой же рисунок будет и для бесконечной прямой линии равномерно заряженной по длине, которая пересекает плоскость рисунка перпендикулярно ей. Однако в первом случае величина поля зависит от расстояния по закону 1/R2 , а во втором случае по закону 1/R. Точно такой же рисунок будет и для любого тонкого заряженного отрезка, перпендикулярного плоскости рисунка, который лежит на линии, пересекающей плоскость в заданной точке. В этом случае закон изменения величины поля не совпадает ни с 1/R2 , ни с 1/R1.

Почему электрометр «чувствительнее» электроскопа? Два тела притягиваются друг к другу в результате действия электрических сил. Следует ли из этого, что эти тела имеют заряды разных знаков? Необходимым условием для того, чтобы на незаряженное тело в электрическом поле действовала сила электрического происхождения, является неоднородность внешнего электрического поля. Если напряженность электрического поля направлена вдоль линии А – В и увеличивается при смещении от А к В, то вблизи какой точки (А или В) на незаряженный проводящий шарик малого диаметра будет действовать большая электрическая сила? Если к «идущим» песочным часам поднести магнит, то они продолжат работать, а если поднести заряженную эбонитовую палочку, то часы останавливаются. Почему? Почему после долгой работы телевизора на его экране остается слой пыли? В одном материале концентрация свободных зарядов равна N. При наличии электрического поля Е свободные заряды в этом материале движутся со средней скоростью V. Во втором материале при наличии в нем электрического поля Е/2 свободные заряды движутся со средней скоростью V/3. Какова концентрация свободных носителей во втором материале, если оба материала проводят электрические заряды одинаково хорошо (то есть у них одинаковая удельная проводимость или одинаковое удельное сопротивление) ? В некотором материале (газе) свободные носители возникают парами в результате теплового движения молекул и в среднем через время Т «рекомбинируют» при встречах свободных носителей разных знаков. Ежесекундно в единице объема рождается N пар. Нарисуйте качественную зависимость тока от величины электрического поля в проводнике из этого материала. Поясните, почему эта зависимость выглядит именно так, как Вы ее нарисовали. Нагревом материала пренебречь. Почему, проводя эксперименты с заряженными бусинками на крутильных весах, Кулон использовал заряды одного знака, а не противоположных? Решая теоретически задачу, предполагают, что два тела малых размеров находятся на большом и фиксированном расстоянии друг от друга. Тела заряжены и действуют друг на друга с Кулоновскими силами. Заряды тел изменяют и вычисляют отношение Кулоновских сил взаимодействия. Может ли это отношение быть точно равным π (20,5)? В космосе находятся 4 одинаковых точечных заряда Q. Три из них соединены попарно тремя непроводящими нитями одинаковой длины L. Четвертый заряд находится на одинаковом расстоянии от каждого из оставшихся трех зарядов. Каковы силы натяжения нитей, если система находится в равновесии?

Существует один вид взаимодействия, для построения физической теории (модели) которого пришлось ввести три сорта пар «зарядов». Их даже не стали называть зарядами, а придумали новое обозначение «цвет» и «антицвет». Эта теория так и называется «хромодинамика» (квантовая). Описывает теория ядерное взаимодействие. А частицы, которые обладают этими «цветами»–зарядами, называются…, впрочем, почитайте о них самостоятельно!

Этот вектор имеет начало в точке 1 и заканчивается в точке 2.

Заряд должен быть малым (пробным) для того, чтобы при его появлении не изменилось распределение зарядов на телах. Этим обеспечивается «невозмущающее» измерение напряженности электростатического поля.

Закон Кулона показывает, что сила электрического взаимодействия проявляется только между двумя заряженными телами. Действительно, если в формуле (10.1) положить , то и при любом значении . Мы знаем, однако, что заряженное тело (например, натертая палочка сургуча) способно притягивать не наэлектризованные тела, например, кусочки бумаги (рис. 21) или металлической фольги.

Рис. 21. Притяжение незаряженных кусочков бумаги к заряженному сургучу

Насадим бумажную или металлическую стрелку на острие, укрепленное на изолирующей подставке так, чтобы стрелка легко могла вращаться на острие. Если вблизи такой стрелки поместить заряженное тело, то она немедленно повернется так, что ось ее будет направлена к заряженному телу (рис. 22). Повернув стрелку рукой и вновь отпустив, мы обнаружим, что она снова возвращается в прежнее положение. Какой конец стрелки окажется обращенным к заряженному телу – дело случая, но никогда стрелка не останавливается так, чтобы ось ее составила заметный угол с направлением па заряженное тело.

Рис. 22. Заряженное тело действует на незаряженную стрелку из металла или из бумаги, поворачивая ее

Для объяснения этих взаимодействий между заряженными и незаряженными телами нужно вспомнить явление индукции (§8) и закон Кулона (§ 10). Все тела (кусочки бумаги, стрелки) вблизи заряженного тела испытывают электризацию через влияние (индукцию), в результате которой имеющиеся в этих телах заряды перераспределяются так, что в одной части тела накапливаются избыточные заряды одного знака, а в другой – другого (рис. 23 и 24).

Рис. 23. Объяснение притяжения заряженным сургучом незаряженных кусочков бумаги

Рис. 24. Объяснение действия заряженного тела на незаряженную стрелку

При этом ближе к влияющему заряженному телу оказываются заряды, знак которых противоположен знаку его заряда; одноименные же заряды скапливаются в избытке на отдаленном конце. Взаимодействие заряда тела с индуцированными (наведенными) зарядами происходит по закону Кулона. Поэтому каждое тело с индуцированными зарядами одновременно и притягивается и отталкивается заряженным телом. Но отталкивание, имеющее место между зарядами, находящимися на большем расстоянии, слабее, чем притяжение. В результате «незаряженные» тела поворачиваются и притягиваются заряженным телом, как это и наблюдается на опыте.

План урока:

1. Обобщить ранее полученные знания об электризации тел на основе электронной теории.
2. Групповая и индивидуальная работа:

работа с тестом;
Создать мини – проекты “Использование статического электричества и борьба с ним”.

3. Мини – конференцию по защите проектов.
4. Итоги урока.
5. Домашнее задание.

На доске.

Цель занятия дл учителя:

Систематизировать и обобщить знания учащихся об электризации тел. На основе электронной теории объяснить процесс электризации тел.

Задачи для учителя:

создание условий, пробуждающих самообразовательную активность учащихся;
продолжить развитие умений наблюдать физические явления, проверять теоретические положения с помощью эксперимента, пользоваться приборами;
акцентировать внимание на необходимости соблюдения техники безопасности для предотвращения пожаров и аварий на производстве и в быту.

Для учащихся:

Цель занятия: вспомнить понятия электрического заряда и его свойств; объяснить явление электризации; рассмотреть практическую направленность полученных знаний.

Задачи:

1. Образовательные:

На основе электронной теории объяснить процесс электризации тел;
Изучение практической направленности полученных знаний;
Формирование мотивации и опыта учебно- познавательной и практической деятельности.

2. Развивающие:

Способствовать развитию умения анализировать, выдвигать гипотезы, предположения, строить прогнозы, наблюдать и экспериментировать;
Способствовать развитию логического мышления;
Развитие умения выражать речью результаты собственной мыслительной деятельности.

3. Воспитательные:

способствовать формированию научного мировоззрения;
пробуждать познавательный интерес к предмету и окружающим явлениям;
развитие способностей к сотрудничеству, общению, работе в коллективе;
формировать умение критически, но объективно оценивать предметы, явления, поступки и действия (свои и чужие).

Методическая: показать возможность практического применения знаний, полученных на уроках физики.

Методы и приемы:

Методы словесной передачи информации и слухового восприятия информации (приемы: беседа, рассказ, дискуссия);
Методы наглядной передачи информации и зрительного восприятия информации (приемы: наблюдение, демонстрация опыта, презентация);
Методы передачи информации с помощью с помощью практической деятельности и тактильного кинестического его восприятия (экспериментальная работа в группах);
Методы стимулирования и мотивации учащихся (приемы: создание проблемной ситуации, проблемное изложение, частично-поисковая деятельность, групповая исследовательская деятельность, создание ситуации успеха, создание ситуации взаимопомощи);
Методы контроля (приемы фронтальный опрос, тестирование, самооценка).

Принципы: научности, последовательности, природосообразности, доступности, развития личности, коллективизма.

Средства обучения:

ПК, проектор, экран;
электрометры, палочки из оргстекла и эбонита, шерстяные лоскутки, проводник, воронки пластмассовая и металлическая, штатив, пластина из оргстекла, пластмассовая прозрачная коробка с перцем.
рабочие листы, карточки учета активности работы на уроке, бланки опорных конспектов.

Ход урока.

Здравствуйте.

Сегодня на уроке нам с вами предстоит:

Обобщить ранее полученные знания об электризации тел на основе электронной теории;
Поработать с тестом;
Создать мини – проекты о пользе и вреде электричества. И провести мини – конференцию по защите проектов.

Открываем тетради и записываем тему урока. “Объяснение электрических явлений” (сл. №1) . И так основная задача нашего урока на основе знаний об электроне и строении атома дать объяснение электризации тел при соприкосновении, существование проводников и диэлектриков, а так же объяснить притяжение незаряженных проводников (тел) к заряженным телам.

I. Актуализация знаний.

Но сначала давайте вспомним ряд положений вытекающих из электронной теории.

1. Из чего состоят все тела? (атомов ) сл. №2 (1)
2. Каково строение атома? (положительное ядро состоящее из протонов и нейтронов, вокруг ядра движутся электроны, которые могу покидать свои оболочки ) сл. №2 (2)
3. Каков заряд электрона? (отрицательный ) сл. №2 (3)
4. Каков заряд протона? (положительный ) сл. №2 (4)
5. Тогда получается, что все тела изначально заряжены. (При каком условии тело незаряженное)
6. При каком условии тело будет заряжено положительно?
7. При каком условии тело будет заряжено отрицательно?
8. Следовательно, тело заряжается, когда оно приобретает или теряет электроны.
9. Слайд №3 (1), сл. №3 (2) Каким знаком заряжается эбонитовая палочка? А каким шерсть? (вопросы на слайде)
10. Электроны с шерсти переходят на эбонитовую палочку.
11. Следовательно заряды не создаются, а только разделяются.
12. Почему электроны переходят с шерсти на эбонит, а не наоборот?

II. Объяснение явления притяжения незаряженного тела к заряженному.

13. Посмотрите на рисунок и ответьте, заряжен ли шарик? Если заряжен, какой знак имеет шарик? Ответ обоснуйте.
14. Электрическое поле действует только на заряженное тело.
15. Опыт с незаряженной гильзой. Почему незаряженная гильза сначала притянулась, а затем начала отталкиваться?

И так мы с вами вспомнили ряд положений вытекающих из электронной теории и дали им объяснение. Так же мы с вами выяснили, почему незаряженное тело сначала притягивается к заряженному телу, а затем от него отталкивается.

III. Работа в группах и индивидуально.

Дальнейшая наша работа будет проходить следующим образом. Сейчас мы с вами сформируем 4 группы исследователей, которые начнут работать над проектами, каждая группа будет выполнять свой проект со своей конкретной темой. Но все они созвучны с темой нашей конференции “Использование статического электричества и борьба с ним”. 2 группы делают проекты, которые доказывают, что статистическое электричество может служить человеку и 2 группы делают проекты, которые доказывают, что статистическое электричество может причинять вред, и расскажут, как с ним бороться.

Остальные ребята садятся за компьютеры для выполнения проверочного теста.

Объясняю, как работать с тестом;
Иду к группам исследователей. Работа идет в течении 12 минут. Затем все садятся по местам и идет защита проектов.

IV. Защита проектов (10 минут)

А сейчас я всех приглашаю на конференцию “Использование статического электричества и борьба с ним”.

Мы постоянно находимся в океане электрических разрядов, создаваемых многочисленными машинами, станками и самим человеком. Эти разряды, конечно, не такие мощные, как природные молнии, поэтому мы не замечаем их, если не считать лёгких уколов, которые иногда испытываем, коснувшись рукой металлического предмета или другого человека. Но ведь такие разряды существуют и могут так же, как и большие молнии, вызывать пожары и взрывы, приводить к значительным убыткам, повреждениям и увечьям, если мы не будем знать, отчего они возникают и как от них защищаться.

А как от них защититься нам расскажу ребята, выполнявшие проекты о вреде статистического электричества. (заслушивается защита проектов ) Приложение

Но ведь статистическое электричество может служить человеку. Давайте заслушаем защиту проектов по данному вопросу. (заслушивается защита проектов ) приложение 10, 11.

Большое спасибо!

И так ребята сегодня мы с вами еще раз вспомнили, строение атома, какие заряды существуют в природе, как они взаимодействуют, объяснили электризацию тел на основе электронной теории, и выполнили 4 проекта о пользе и вреде статистического электричества.

V. Домашнее задание.

Возможно мы с вами больше не увидимся, поэтому я даю вам задание почаще находиться в области отрицательных ионов, которые будут притягивать к вам “положительных” людей в общении с которыми вы получите положительное настроение и положительные эмоции, такие, которые я приобрела при общении с вами. Я благодарю вас за урок. Желаю удачи на следующих уроках. До свидания!

Рис. 21. Притяжение незаряженных кусочков бумаги к заряженному сургучу

Рис. 22. Заряженное тело действует на незаряженную стрелку из металла или из бумаги, поворачивая ее

Рис. 23. Объяснение притяжения заряженным сургучом незаряженных кусочков бумаги

Рис. 24. Объяснение действия заряженного тела на незаряженную стрелку

12.1. Поднесите заряженную палочку поочередно: к кусочку ваты, лежащему на стеклянной пластинке, и к такому же кусочку ваты, положенному на деревянный стол. Почему кусочки ваты притягиваются к палочке во втором случае сильнее, чем в первом? Обратите внимание на то, что дерево гораздо лучший проводник, чем стекло.