on-line
Сейчас на сайте 0 пользователей и 24 гостя.
Вход в систему
Яндекс.Метрика

35. Электростатические взаимодействия. Электрический заряд. Закон Кулона.

 В большинстве учебников физики данный раздел начинается с банальной фразы «еще древние греки заметили, что палочка янтаря, потертая шерстью, притягивает мелкие предметы − перышки, кусочки коры и т.д.» Действительно, в жизни нам приходится встречаться с особым видом взаимодействий тел − электрическими взаимодействиями1.
 Внутренняя природа этих взаимодействий не известна до сих пор, поэтому нам остается только признать объективную реальность − некоторые тела обладают способностью взаимодействовать друг с другом также как «кусочки янтаря, потертые шерстью».
 Безусловно, со времен Древней Греции наши знания об окружающем мире невероятно расширились. Мы знаем, что все тела состоят из молекул, молекулы состоят из атомов, атомы состоят из электронов и ядер, ядра состоят из протонов и нейтронов, протоны и нейтроны состоят из… Впрочем, на этом пока можно остановится, мы и так уже вернулись к электрону, но не к «кусочку» янтаря, а к мельчайшей элементарной частице, способной взаимодействовать с некоторыми другими частицами также как «кусочки янтаря, потертые шерстью».

35.1 Два вида электрических зарядов.

 Если некоторые частицы (или тела) обладают способностью принимать участие в электрических взаимодействиях, то имеет смысл приписать им некоторую характеристику, которая и будет указывать на это их свойство. Такая характеристика получила название электрический заряд. Тела, принимающие участие в электрических взаимодействиях называются заряженными. Таким образом, термин «электрически заряженный» является синонимом выражения «участвует в электрических взаимодействиях». Почему некоторые элементарные частицы обладают электрическим зарядом, а другие нет − никому не известно!
 Дальнейшие рассуждения, основанные на экспериментальных данных, призваны конкретизировать эту характеристику, по возможности, сделать ее количественной.
 История изучения электрических явлений длительна и полна драматизма, …
 Далее мы опишем ряд простых опытов, которые можно провести дома «на кухне», или в школьной лаборатории. При их объяснении мы будем пользоваться теми знаниями, которые получены в течение многими учеными нескольких сотен лет, в результате многочисленных и разнообразных экспериментов.
 Сейчас, мы воспроизведем в очень упрощенной форме некоторые этапы экспериментальных исследований, выводы из которых послужили основой современной теории электрических взаимодействий.
 Для проведения экспериментов, прежде всего, следует научиться получать заряженные тела. Простейший метод достижения этой цели − электризация трением. Например, хорошо электризуется, (то есть приобретает электрический заряд) стекло, если его потереть шелком. Появление электрического заряда проявляется в том, что такая палочка начинает притягивать кусочки бумаги, волоски, пылинки и т.д.
 Также можно установить, что многие другие вещества также электризуются посредством трения. Зная результат заранее, в качестве второго «источника» электричества выберем эбонитовую палочку, потертую шерстью. Назовем электрический заряд, который появляется на стекле − «стеклянным», а заряд на эбоните «смоляным2».


Ш.Ф. ДюфеШарль Франсуа Дюфе (Charles François de Cisternay du Fay; 1698 − 1739) − французский учёный, физик, член Парижской Академии наук (рис.).
 Дюфе добился наибольших успехов в систематизации сведений по электрическим эффектам. Он составил программу для изучения электрических явлений и в результате открыл два рода электрического заряда: «стеклянный» и «смоляной» (сейчас их называют положительным и отрицательным); первым исследовал электрические взаимодействия и доказал, что одноименно наэлектризованные тела отталкиваются друг от друга, а разноименно − притягиваются. В своих экспериментах Дюфе пользовался уже не электроскопом, а электрометром, позволяющим измерить величину заряда. Для обнаружения и примитивного измерения электричества он пользовался версором Гильберта, сделав его намного более чувствительным. Первый наэлектризовал тело человека и «получил» из него электрические искры. Впервые высказал мысль об электрической природе молнии и грома (1735). Исследовал магнитные явления, фосфоресценцию, двойное лучепреломление в кристаллах.
 Далее нам необходим «прибор», который мог бы реагировать на присутствие электрического заряда. Для этого подвесим на нити легкий стаканчик, скрученный из кусочка фольги. Легко проверить, что этот стаканчик не заряжен − чтобы мы не подносили к нему, карандаш, руку, учебник физики и т.д., никакого действия на стаканчик не проявляется.
 Поднесем к незаряженному стаканчику заряженную стеклянную электрическую палочку (рис. 217). Стаканчик притягивается к ней, как и другие мелкие тела. По углу отклонения нити (при известной массе стаканчика и длине нити) можно даже рассчитать силу притяжения. Если стаканчик не соприкоснулся с заряженной палочкой он остается незаряженным, что легко можно проверить экспериментально. Если же стаканчик прикоснется к заряженной палочке, то он резко оттолкнется от нее. Если теперь убрать палочку, стаканчик окажется заряженным, что можно проверить, если поднести к нему другое незаряженное тело. Например, он будет притягиваться к поднесенной руке.

рис. 217

 Аналогичные результаты получаются, если заменить стеклянную палочку, потертую о шелк, эбонитовой палочкой, потертой о шерсть.
 Таким образом, в этих экспериментах различие между «стеклянным» и «смоляным» электричеством не проявляется.

 Не будем пока, обсуждать, почему незаряженный стаканчик притягивается к заряженной палочке, а заряженный стаканчик притягивается к незаряженной руке. Единственный вывод, который мы сделаем из проведенного эксперимента − в результате контакта стаканчик приобрел электрический заряд. Следовательно, электрический заряд может передаваться от одного тела к другому.
Возьмем два одинаковых стаканчика из фольги, подвесим рядом их на нитях одинаковой длины. Если стаканчики зарядить одинаково (либо с помощью стеклянной, либо с помощью эбонитовой палочки), то стаканчики отталкиваются (рис. 218).


рис. 218

Если же стаканчики заряжены различными зарядами, то они притягиваются.
 Таким образом, мы доказываем, что существует, по меньшей мере, два вида электрических зарядов.

 Для дальнейших экспериментов заменим «измерительные стаканчики» более совершенным прибором, который называется электрометр (рис. 219).


рис. 219

 Прибор состоит из металлического стержня и легкой металлической стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Это устройство помещено в металлический корпус, закрытый стеклянными крышками. Угол отклонения стрелки можно измерять с помощью шкалы. Стержень со стрелкой закреплен в корпусе с помощью плексигласовой втулки. Стержень со стрелкой играют ту же роль, что и стаканчики из фольги в предыдущих опытах − при прикосновении заряженного тела к стержню, заряд будет перетекать на стержень и на стрелку, что приведет к ее отклонению. Причем, направление отклонения стрелки не зависит от вида сообщенного заряда.
 Для дальнейших экспериментов будем использовать два одинаковых электроскопа. Зарядим один из них с помощью, например, стеклянной палочки. Далее начнем соединять стержни электрометров с помощью различных материалов. При соединении стержней с помощью деревянной, незаряженных стеклянной, эбонитовой, пластмассовых палочек; текстильных нитей, никаких изменений не происходит − один электрометр остается заряженным, второй незаряженным. Если же соединить стержни с помощью металлической3 проволоки, то оказываются заряженными оба электрометра. Причем, отклонение стрелки первоначально заряженного электрометра уменьшится (рис. 220).

рис. 220

 Из результатов этого опыта можно сделать два важных вывода: во-первых, некоторые материалы (металлы) могут передавать электрический заряд, другие (стекло, пластмасса, дерево) нет; во-вторых, заряд может изменяться, быть больше или меньше. Эти же эксперименты можно повторить с использованием и второго вида («смоляного») электричества. Результаты окажутся такими же − материалы, которые проводят «стеклянное» электричество, проводят и «смоляное». Если «стеклянный» заряд перераспределяется между электрометрами, то также себя ведет и «смоляной» заряд.
 Итак, мы можем разделить материалы на две группы − те, которые передают электрический заряд (эти материалы назвали проводники), и те, которые не передают электрический заряд (их назвали изоляторы). Кстати, стержень электрометра отделен от корпуса с помощью втулки из изолятора, чтобы электрический заряд не «растекался» по корпусу, а оставался на стержне и стрелке.
 Различные отклонения стрелки электрометра однозначно свидетельствуют о том, что сила взаимодействия между заряженными телами может быть различной, поэтому и величины зарядов могут быть различными. Следовательно, заряд можно характеризовать некоторой численной величиной (а не так, как мы говорили ранее − «есть, или нет»).
 Еще один интересный результат − если к стержню заряженного электрометра прикоснуться рукой, то электрометр разряжается − заряд исчезает. Даже на основании этих качественных наблюдений можно объяснить, куда исчезает заряд, при прикосновении руки. Человеческое тело является проводником, поэтому заряд может перетечь в тело человека.
 Для подтверждения этой идеи о количественном характере заряда можно провести следующий опыт. Зарядим один электрометр − заметим угол отклонения стрелки. Соединим его со вторым электрометром − угол отклонения стрелки заметно уменьшится. Уберем контакт между приборами и рукой разрядим второй электрометр, после чего опять соединим электрометры − отклонение стрелки опять уменьшится. Таким образом, электрический заряд можно делить на части. Можно провести и обратный эксперимент − постепенно добавляя заряд электрометру.
 «Смешаем» сейчас, два имеющихся вида электричества. Для этого зарядим один электрометр «стеклянным» электричеством, а второй − «смоляным», стараясь, чтобы начальные отклонения стрелок обоих электрометров были примерно одинаковыми.

рис. 221

 После этого соединим стержни электрометров металлической проволокой (на изолирующей ручке, чтобы заряды не убежали»). Результат этого опыта может вызвать удивление − оба электроскопа разрядились, или «стеклянное» и «смоляное» электричество нейтрализовали, скомпенсировали друг друга.
 Следовательно, оказывается возможным приписать различным видам заряда различные алгебраические знаки − один заряд назвать положительным, второй отрицательным. Разумно предположить, что сила взаимодействия зависит от суммарного заряда. Если первоначально электрометры были заряжены разными видами электричества, но в разной степени (отклонения стрелок − различны), а потом их соединить, то произойдет лишь частичная компенсация зарядов − стрелки будут отклонены, но в гораздо меньшей степени.
 Исторически сложилось, что положительным назвали «стеклянный» заряд, а «смоляной» заряд стал отрицательным3.
 Описанный нами прибор, электрометр, позволяет лишь качественно судить о величине зарядов, проводить с ним количественные измерения невозможно. Попробуйте, например, поднести к заряженному электрометру руку (не прикасаясь к стержню) − отклонение стрелки увеличится! Поднесите к незаряженному стержню заряженную палочку, не прикасаясь к стержню − стрелка отклонится, хотя электрометр не заряжен. К объяснению этих фактов мы вернемся позднее.


Немного истории...
 XVII − XVIII века были временем чрезвычайно быстрого развития учения о явлениях, которые в настоящее время называются электростатическими. Особую известность во второй половине XVII в. получил прибор, построенный OTTO фон Герике (тот самый знаменитый губернатор Магдебурга, прославившийся своими опытами по демонстрации атмосферного давления!). Установка Герике представляла собой шар из серы «величиной с детскую голову», насаженный на ось и приводимый во вращение (рис. 222).

рис. 222

 Натирание шара производилось ладонями рук, Герике удалось заметить слабое свечение наэлектризованного шара в темноте и, что особенно важно, впервые обнаружить явление электрического отталкивания.
 Опыты Герике с серным шаром нашли свое дальнейшее продолжение и развитие. В 1709 году англичанин Хауксби построил электростатическую машину, заменив серный шар стеклянным, так как стекло электризовалось более интенсивно. В 1744 году было предложено применять для натирания шара кожаные подушечки, прижимаемые пружинами к стеклу. В этом же году был изобретен кондуктор для собирания электрических зарядов. Несколько позднее в электростатических машинах трения стеклянный шар был заменен цилиндром для увеличения натираемой поверхности.
В 1755 году была построена первая электростатическая машина со стеклянным диском (рис. 223);

рис. 223

последний был более надежным, чем шар или цилиндр, и прост в изготовлении. Кроме того, для съема заряда вместо проводящих нитей были применены специальные гребенки, а поверхность подушечек стали покрывать амальгамой, что значительно усиливало электризацию. Самая большая дисковая электростатическая машина была построена в Англии в XIX в.: диаметр ее двух дисков достигал 2,27 м, и вращение их производилось паровой машиной.
 Последовали многочисленные эксперименты с электричеством. Опыты с электричеством стали общедоступными, дешевыми и весьма развлекательными.
 Этим воспользовался Стивен Грей (1670 − 1735), проводивший эксперименты, вероятно, для заполнения своего досуга в те последние годы, когда он уже отошел от дел. Он показал, что электричество может распространяться по некоторым телам, и ввел, таким образом, в науку понятие проводника и изолятора, если воспользоваться терминами, введенными несколькими годами позже Жаном Теофилем Дезагюлье (1683 − 1744). Грей открыл также явление электростатической индукции и подтвердил его многочисленными опытами, из которых наибольшее восхищение вызвал опыт с ребенком, которого подвешивали горизонтально на веревках и наэлектризовывали приближением заряженной стеклянной палочки к его ногам.
 Сеансы демонстрации электрических явлений проводились почти повсюду − на площадях и при коро¬левских дворах, учеными и фокусниками, нашедшими в них еще один способ заработка.
На рисунке 224 показан один из таких опытов. Вращающийся стеклянный шар О электризуется от прикосновения рук.

рис. 224

 Человек, стоящий на изолирующей скамеечке, дотрагивается до железного стержня, держа в руке миску с подогретым винным спиртом, который вспыхивает от искры, исходящей из руки дамы.
 Интерес публики привлек к исследованию этих новых явлений большое число ученых, несмотря на насмешки многих скептиков, которые, осуждая, вновь и вновь ставили обычный вопрос: зачем это нужно?
К новым исследованиям обратились не только физики, но и медики. В Венеции, в Турине, в Болонье были предприняты первые попытки применения электричества в медицине.
 Результатом такой популяризации электрических опытов было открытие явления, реализуемого в «лейденской банке», как ее назвал французский физик Жан Нолле (1700 − 1770). В 1745 г. немецкий каноник Эвальд Юрген фон Клейст, пытаясь, по-видимому, изготовить электризованную воду, которая считалась полезной для здоровья, и независимо от него лейденский физик Мушенбрек, продев в горлышко банки с водой гвоздь, дотронулись им до проводника действующей электрической машины; затем, прервав контакт, они притронулись другой рукой к гвоздю и испытали очень сильный удар, вызвавший онемение руки и плеча, а у Мушенбрека даже «все тело содрогнулось, как от молнии».
 Весть об этом опыте быстро распространилась. Его стали повторять во многих местах. Серия опытов Нолле началась с опыта по «содроганию» целой цепи державшихся за руки монахов в картезинском монастыре в Париже. Затем он начал опыты на птицах (рис. 225),

рис. 225

пользуясь простым, но полезным приспособлением − разрядником, применяющимся вплоть до наших дней. Нолле, который всегда следил за модой и стремился к театральным эффектам (его публичные опыты были настоящими представлениями для парижского света), убил с помощью разряда несколько птичек, после чего призывал обращаться с осторожностью с этой новой вещью, которая «может оживать и раздражаться».
1Напомним, что термин электричество происходит от греческого названия янтаря − «электрон».
2Во-первых, эбонит это застывшая смола, а во-вторых, такие термины являются историческими, на заре изучения электрических явлений именно так назывались различные типы электрических зарядов.
3При проведении этого к металлической проволоке нельзя прикасаться голыми руками − иначе электроскоп сразу разряжается. Поэтому лучше использовать металлический стержень на деревянной или пластмассовой ручке.