Электрический заряд. Два типа зарядов

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД. ДВА ТИПА ЗАРЯДОВ.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЗАРЯДА. ЗАКОН КУЛОНА

Электрический заряд. Два типа зарядов

Начнем наше знакомство с электрическими явлениями с очень простых опытов.

1-й опыт. Потрем эбонитовую палочку кусочком шерстяной ткани, а затем прикоснемся этой палочкой к легкой бумажной гильзе. Мы увидим, что бумажная гильза будет отталкиваться от эбонитовой палочки (рис. 1.1,а ). Если этой же палочкой прикоснуться ко второй бумажной гильзе, а затем подвесить обе гильзы рядом, то они будут отталкиваться друг от друга (рис. 1.1,б ), значит, между гильзами возникают силы отталкивания. Обозначим гильзы на этом рисунке цифрой 1.

Рис. 1.2

3-й опыт. Теперь подвесим рядом две бумажные гильзы (рис. 1.3): 1 (которая была в соприкосновении с эбонитовой палочкой, потертой о шерсть) и 2 (которая соприкасалась со стеклянной палочкой, потертой о шелк). Гильзы притягиваются, значит, между гильзами 1 и 2 возникает сила притяжения.

Рассмотренный нами тип взаимодействия был известен еще в древности и получил название электрического взаимодействия.

При трении заряжаются электричеством (или приобретают заряды) тела, которые потом взаимодействуют. Экспериментально установлено, что существуют два типа зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

Исторически было принято заряды, которые получает стеклянная палочка при трении о шёлк, называть положительными , а заряды, которые получает эбонитовая палочка при трении о шерсть, – отрицательными . (Могли бы назвать и наоборот.)

Основные понятия электростатики

Заряд есть неотъемлемое свойство некоторых элементарных частиц, наиболее важными из которых являются электрон и протон.

Заряды электронов и протонов одинаковы по величине и называются элементарными зарядами .

Существуют два вида зарядов, условно называемые положительными и отрицательными . Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

Заряд протона считается положительным и обозначается +е , а заряд электрона – отрицательным и обозначается –е .

Заряд тела равен алгебраической сумме зарядов элементарных частиц, составляющих тело. Если эта сумма равна нулю, тело называется электрически нейтральным .

Обычно электроны и протоны распределены в теле в равных количествах и с одинаковой плотностью. Поэтому алгебраическая сумма зарядов в каждом элементарном объеме тела равна нулю и каждый такой объем (и тело в целом) электрически нейтрален.

Если создать в теле избыток частиц какого-либо знака, то тело окажется заряженным. Заметим, что при трении эбонитовой палочки о шерсть на палочке создается избыток электронов , и она заряжается отрицательно. На стеклянной палочке при трении о шёлк создается избыток протонов (или недостаток электронов , так как именно электроны ушли со стекла в шёлк), поэтому стекло заряжается положительно.

Всякий заряд образуется совокупностью элементарных зарядов, поэтому всегда можно записать:

q = ±Ne , (1.1)

где N – натуральное число.

Экспериментально установлено, что величина заряда не зависит от скорости, с которой он движется. Кроме того, элементарные заряды могут возникать и исчезать. Но! Всегда возникают и исчезают одновременно два элементарных заряда разных знаков.

Например, электрон и позитрон (положительно заряженный электрон) при столкновении аннигилируют , т.е. превращаются в нейтральные частицы, называемые g-фотонами. В свою очередь, g-фотон, пролетая вблизи атомного ядра, может превратиться в пару электрон + позитрон.

Система называется электрически изолированной , если через ограничивающую ее поверхность не проникают заряженные частицы.

Закон сохранения элементарного заряда:

Суммарный заряд электрически изолированной системы не может измениться.

Закон Кулона

Если размерами заряженного тела можно пренебречь по сравнению с расстояниями до других тел, то такое тело называется точечным зарядом.

Закон Кулона:

Два неподвижных точечных заряда взаимодействуют в вакууме между собой с силой, прямо пропорциональной величине каждого из зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними .

Сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряды (рис. 1.4).

В скалярной форме закон Кулона имеет вид

, . (1.2)

В векторной форме закон Кулона имеет вид

. (1.3)

Заметим, что формула (1.3) однозначно определяет не только величину, но и направление силы!

Вектор по абсолютной величине равен единице, а по направлению совпадает с вектором . (В математике такой вектор называется ортом вектора .)

Электрический заряд является физической величиной, которая присуща некоторым элементарным частицам. Он проявляет себя через силы притяжения и отталкивания между заряженными телами посредством электромагнитного поля. Рассмотрим физические свойства заряда и виды зарядов.

Общее представление об электрическом заряде

Материя, которая имеет отличный от нуля электрический заряд, активно взаимодействует с электромагнитным полем и, в свою очередь, создает это поле. Взаимодействие заряженного тела с электромагнитным полем является одним из четырех типов силовых взаимодействий, которые известны человеку. Говоря о зарядах и видах зарядов, следует отметить, что с точки зрения стандартной модели электрический заряд отражает способность тела или частицы обмениваться носителями электромагнитного поля - фотонами - с другим заряженным телом или электромагнитным полем.

Одна из важных характеристик различных видов заряда - сохранение их суммы в изолированной системе. То есть общий заряд сохраняется сколь угодно длительное время независимо от типа взаимодействия, которое имеет место внутри системы.

Электрический заряд не является непрерывным. В экспериментах Роберта Милликена была продемонстрирована дискретная природа электрического заряда. Виды зарядов, существующие в природе, могут быть положительными или отрицательными.

Положительные и отрицательные заряды

Носителями двух видов зарядов являются протоны и электроны. По историческим причинам заряд электрона считается отрицательным, имеет значение -1 и обозначается -e. Протон имеет положительный заряд +1 и обозначается +e.

Если тело содержит больше протонов, чем электронов, то оно считается положительно заряженным. Ярким примером положительного вида заряда в природе является заряд стеклянной палочки после того, как ее потрут шелковой тканью. Соответственно, если тело содержит больше электронов, чем протонов, оно полагается отрицательно заряженным. Этот вид электрического заряда наблюдается на пластиковой линейке, если ее потереть шерстью.

Отметим, что заряд протона и электрона хоть и очень маленький, он не является элементарным. Обнаружены кварки - "кирпичики", образующие элементарные частицы, которые имеют заряды ±1/3 и ±2/3 относительно заряда электрона и протона.

Единица измерения

Виды зарядов, как положительные, так и отрицательные, в международной системе единиц СИ измеряются в кулонах. Заряд в 1 кулон - это очень большой заряд, который определяется как проходящих за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока в нем, равной 1 ампер. Одному кулону соответствует 6,242*10 18 свободных электронов. Это означает, что заряд одного электрона равен -1/(6,242*10 18) = - 1,602*10 -19 кулона. Это же значение, только со знаком плюс, характерно для другого вида зарядов в природе - положительного заряда протона.

Краткая история электрического заряда

Еще со времен античной Греции известно, что если потереть кожу о янтарь, то он приобретает способность притягивать к себе легкие тела, например, солому или перья птиц. Это открытие принадлежит греческому философу Фалесу Милетскому, который жил 2500 лет назад.

В 1600 году английский медик Уильям Гилберт заметил, что многие материалы ведут себя подобно янтарю, если их потереть. Слово "янтарь" в древнегреческом языке звучит как "электрон". Гилберт стал использовать этот термин для всех подобных явлений. Позже появились другие термины, такие как "электричество" и "электрический заряд". В своих работах Гилберт также смог различить магнитные и электрические явления.

Открытие существования притяжения и отталкивания между электрически заряженными телами принадлежит физику Стефану Грею. Первым ученым, который предположил существование двух видов электрических зарядов, был французский химик и физик Шарль Франсуа Дюфе. Явление электрического заряда также подробно исследовал Бенджамин Франклин. В конце XVIII века французский физик Шарль Огюстен де Кулон открыл свой знаменитый закон.

Тем не менее все указанные наблюдения смогли оформиться в стройную теорию электричества только к середине XIX века. Здесь следует отметить важность работ Майкла Фарадея по изучению процессов электролиза и Джеймса Максвелла, который полностью описал электромагнитные феномены.

Современные представления о природе электричества и дискретном электрическом заряде обязаны своим существованием работам Джозефа Томсона, который открыл электрон, и Роберта Милликена, который измерил его заряд.

Магнитный момент и электрический заряд

Виды заряда выделил еще Бенджамин Франклин. Их два: положительный и отрицательный. Два заряда одинакового знака отталкиваются, а противоположного - притягиваются.

С появлением квантовой механики и физики элементарных частиц было показано, что помимо электрического заряда частицы обладают магнитным моментом, который носит название спина. Благодаря электрическим и магнитным свойствам элементарных частиц в природе существует электромагнитное поле.

Принцип сохранения электрического заряда

В соответствии с результатами множества экспериментов, принцип сохранения электрического заряда гласит, что не существует ни какого-либо способа разрушения заряда, ни его создания из ничего, и что в любых электромагнитных процессах в изолированной системе полный электрический заряд сохраняется.

В результате процесса электризации общее количество протонов и электронов не изменяется, существует лишь разделение зарядов. Электрический заряд может появиться в какой-либо части системы, где раньше его не было, но общий заряд системы при этом все равно не изменится.

Плотность электрического заряда

Под плотностью заряда понимается его количество на единицу длины, площади или объема пространства. В связи с этим говорят о трех типах его плотности: линейной, поверхностной и объемной. Поскольку существует два вида заряда, плотность также может быть положительной и отрицательной.

Несмотря на то что электрический заряд квантован, то есть является дискретным, в ряде опытов и процессов количество его носителей настолько велико, что можно считать, что они распределены по телу равномерно. Это хорошее приближение позволяет получить ряд важных экспериментальных законов для электрических явлений.

Исследуя на крутильных весах поведение двух точечных зарядов, то есть таких, для которых расстояние между ними значительно превышает их размеры, Шарль Кулон в 1785 году открыл закон взаимодействия между электрическими зарядами. Этот закон ученый сформулировал следующим образом:

Величина каждой силы, с которой взаимодействуют два точечных заряда в покое, прямо пропорциональна произведению их электрических зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния, разделяющего их. Силы взаимодействия направлены вдоль линии, которая соединяет заряженные тела.

Отметим, что закон Кулона от вида зарядов не зависит: изменение знака заряда лишь изменит направление действующей силы на противоположное, сохранив при этом ее модуль. Коэффициент пропорциональности в законе Кулона зависит от диэлектрической постоянной среды, в которой рассматриваются заряды.

Таким образом, формула для кулоновской силы записывается в следующем виде: F = k*q 1 *q 2 /r 2 , где q 1, q 2 - величины зарядов, r - расстояние между зарядами, k = 9*10 9 Н*м 2 /Кл 2 - коэффициент пропорциональности для вакуума.

Константа k через универсальную диэлектрическую постоянную ε 0 и диэлектрическую постоянную материала ε выражается следующим образом: k = 1/(4*pi*ε*ε 0), здесь pi - число пи, а ε > 1 для любой среды.

Закон Кулона не справедлив в следующих случаях:

• когда заряженные частицы начинают двигаться, и особенно когда их скорости приближаются к около световым скоростям;
• когда расстояние между зарядами мало по сравнению с их геометрическими размерами.

Интересно отметить, что математический вид закона Кулона совпадает с таковым для закона всемирного тяготения, в котором роль электрического заряда играет масса тела.

Способы передачи электрического заряда и электризация

Под электризацией понимается процесс, в результате которого электрически нейтральное тело приобретает отличный от нуля заряд. Этот процесс связан с перемещением элементарных носителей заряда, чаще всего электронов. Наэлектризовать тело можно с помощью следующих способов:

• В результате контакта. Если заряженным телом прикоснуться к другому телу, состоящему из проводящего материала, то последнее приобретет электрический заряд.
• Трение изолятора о другой материал.
• Электрическая индукция. Суть этого явления заключается в перераспределении электрических зарядов внутри тела за счет воздействия электрического внешнего поля.
• Явление фотоэффекта, при котором электроны вырываются из твердого тела за счет воздействия на него электромагнитного излучения.
• Электролиз. Физико-химический процесс, который происходит в расплавах и растворах солей, кислот и щелочей.
• Термоэлектрический эффект. В данном случае электризация возникает за счет градиентов температуры в теле.

Цель урока:

Образовательная: Формирование начальных представлений об электрическом заряде, о взаимодействии заряженных тел, о существовании двух видов зарядов.
Изучение и выяснение сущности процесса электризации тел.
Воспитательная:
Воспитание любознательности, эмоциональной и доброжелательной атмосферы.
Воспитание умения работать в коллективе.
Развивающая:
Выделять электрические явления в природе и технике.
Определять знак заряда наэлектризованного тела.
Познакомить с краткими историческими сведениями изучения электрических зарядов.

Тип урока: открытие новых знаний

Ход урока.

Организационный момент

Актуализация знаний

Объяснение нового материала

Закрепление

Итог урока. Рефлексия

Оргмомент

Первичный инструктаж по ТБ.

II . Мотивация учебной деятельности

Учитель демонстрирует загадочный эксперимент: «Танцующие человечки».

Учитель:

Ребята, сейчас я покажу вам фокус. Внимательно следите за всеми моими действиями, а в конце моего эксперимента попробуем ответить на мой вопрос.

На демонстрационный стол учитель ставит оборудование с «Танцующими человечками»

Ш. Актуализация знаний

Учитель:

И так, мы закончили изучение темы «Изменение агрегатных состояний вещества», сейчас повторим пройденный материал. На интерактивной доске нанесена сетка кроссворда. Я задаю вопрос и номер вертикальной клетки, в которую надо ученику начинать записывать ответ на вопрос. Когда вы правильно заполните весь кроссворд, то в 10 столбце будет написано слово, которое является темой сегодняшнего урока.

На каждый вопрос будут отвечать разные ученики

Вопросы:

Скалярная физическая величина, которая в данном разделе представлена как «Количество теплоты» (энергия)

Явление передачи внутренней энергии от одного тела к другому или от одной его части к другой (теплопроводность)

Процесс, протекающий с выделением большого количества теплоты при соединении атомов в молекулы (горение)

Один ход поршня в двигателе внутреннего сгорания (такт)

Физическая величина, которая остается постоянной во время процесса перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое (температура)

Разновидность теплового двигателя (турбина)

Составная часть теплового двигателя в качестве всего выступает атмосфера (холодильник)

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное (парообразование)

Изобретатель универсальной паровой машины. (Уатт)

Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое (конденсация)

Интенсивное парообразование, при котором внутри жидкости растут и поднимаются пузырьки пара (кипение)

Изменение материи (явление)

Новый материал

Учитель:

Сначала мы узнаем легенду об электризации, а затем проведем эксперимент.

Выступление

В VI веке до нашей эры древние греки очень любили украшения и мелкие поделки из янтаря, названного ими за его цвет и блеск «электрон» - что значит «солнечный камень». Дочь Фалеса пряла шерсть янтарным веретеном, изделием финикийских мастеров. Как-то, уронив веретено в воду, девушка стала обтирать его краем своего шерстяного хитона и заметила, что к веретену пристало несколько шерстинок. Думая, что они прилипли к веретену, потому что оно все еще влажно, она принялась вытирать его еще сильнее. И что же? Шерстинок налипало тем больше, чем сильнее натиралось веретено. Девушка обратилась за разъяснением этого явления к отцу. Философ не смог сразу объяснить происходящее своей дочери, но похвалив за внимательность, обещал подумать. Вечером Фалес, пробуя очистить веретено, заметил, что при натирании веретена в темноте видны искры. «Тут есть о чём подумать и поразмыслить с моими учениками», - решил Фалес. Фалес понял, что причина в веществе, из которого сделано веретено, и в первый же раз, как к пристани Милета подошел корабль финикийских купцов, он накупил различных янтарных изделий и убедился, что все они, будучи натерты шерстяной материей, притягивают легкие предметы, подобно тому, как магнит притягивает железо. А явление замеченное дочерью Фалес назвал электричеством от слова электрон (янтарь).

Речь идет о распространённом явлении в природе и в жизни людей – электризации тел.

Почему это произошло? В чем суть физического явления? Это нам предстоит выяснить на сегодняшнем уроке.

В тетрадях записываем: тему урока. Сформулируйте цель нашего урока.

Только ли янтарь может притягивать другие тела?

В начале семнадцатого века английский ученый Уильям Гильберт выяснил, что при трении могут электризоваться многие вещества: алмаз, сапфир, сургуч, и что притягивают они не только пушинки, но и металлы, дерево, воду, масло ….

Давайте проверим. (Опыт показывает учитель).

Опыт 1: Наэлектризованная эбонитовая палочка подносится к деревянной линейке. (Линейка, лампа, вкрученная в патрон на подставке, эбонитовая палочка, потертая о мех)

Результат: Линейка начинает вращаться.

Опыт 2: Наэлектризованная стеклянн ая палочка (или плексигласовая линейка, потертая о бумагу или шелк) подносится к живому комнатному цветку.

Результат : Листочки отклоняются к палочке.

Опыт 3: Видеоролик (Шарик и вода)

Результат : Струйка отклоняется к шарику.
Что мы наблюдали в процессе опытов? (После обсуждения опытов, делаем выводы).

Явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела , с 17 века называют электризацией. Или говорят: Это процесс сообщения телу электрического заряда.

Электризация тел происходит при их соприкосновении (при контакте). (При трении увеличивается их площадь соприкосновения).

Электризация может происходить не только в результате трения, но и другими способами:

СОПРИКОСНОВЕНИЕМ, УДАРОМ (например, резиновый шланг резко ударить о массивный предмет и поднести к электроскопу),

ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ СВЕТА.

Раздел теории электричества, в котором изучается взаимодействие неподвижных электрических зарядов называется электростатикой (от электро... и статика от греч. statike - учение о равновесии) .

В 17 веке немецким ученым Отто фон Герике было замечено, что, кроме притяжения, существует электрическое отталкивание. А помогла ему в этих исследованиях сделанная им первая электростатическая машина.

В настоящее время эта машина выглядит так (показать ) и называется электрофорная машина. Чуть позже познакомимся с ней поближе.

В электризации всегда участвует не менее 2-х тел. При этом электризуются оба тела.

Наэлектризованные тела либо притягиваются, либо отталкиваются.

Проверим в действии электрофорную машину. К шарикам электрофорной машины подсоединяем бумажные султанчики, которые находятся на изолирующих подставках.

Опыт 5. (Помогает ученик ). Вращая ручку машины, наблюдаем за их поведением.

А) султанчики подсоединены к одному полюсу машины (листочки султанов отталкиваются);

Б) султанчики подсоединены к разным полюсам машины (листочки султанов притягиваются);

Результат : в природе существуют два вида электрических зарядов.

Какие выводы вы сделали из этой серии экспериментов?

Как проявляется электризация тел? (Электризация проявляется в виде притяжения или отталкивания тел ). Сколько тел участвует в электризации? Как ведут себя тела, имеющие заряды одного вида? Разного вида?

В природе существуют два вида электрических зарядов.

Тела, имеющие электрические заряды одного вида - отталкиваются, а тела, имеющие заряды разного вида - притягиваются.

Шарль Дюфе добился наибольших успехов в систематизации сведений по электрическим эффектам. Шарль Франсуа Дюфе (1698-1739) - французский физик открыл в 18 веке (1733) существование двух видов электричества, которое назвал " стеклянным" и "смоляным ".

Первое возникает на стекле, горном хрустале, драгоценных камнях, шерсти, волосах и т. д.; второе - на янтаре, шелке, бумаге и т. п. При этом установил, что однородные электричества отталкиваются, а разнородные притягиваются.

Представление о положительном и отрицательном зарядах было введено в 1747 году Франклином. Эбонитовая палочка от электризации о шерсть и мех заряжается отрицательно. Заряд, который образуется на стеклянной палочке, потертой о шелк, Франклин назвал положительным.

Стеклянное электричество (стеклянная палочка) - положительное.

Смоляное (эбонитовая палочка) – отрицательное.

Нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает заряд одного знака . Заряды появляются парами. Появление положительного заряда всегда сопровождается появлением отрицательного. И наоборот. Это и есть закон сохранения электрического заряда. Положительный заряд в физике обозначается +q или q. Отрицательный заряд – -q.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойства заряженных тел взаимодействовать друг с другом . Измеряется в кулонах (в честь Ш.Кулона.)

Обратите внимание, что приобретаемый заряд тела – относителен. То есть, он зависит от материала взаимодействующих тел. Например, нейлон, потертый о стекло, зарядится отрицательно. Но если его потереть о резину, то он зарядится положительно.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда .

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.

Перенос заряда с заряженного тела на электрометр

Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком в 1785 г. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка 10 –9 Н.

Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами .

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

Закрепление материала

Выполнение теста.

Решение задач.

1. С какой силой взаимодействуют два заряда по 10 нКл, находящихся на расстоянии 3 см друг от друга?

F= k |q1| |q2|/r2 F= 10-3 H

2. На каком расстоянии друг от друга заряды 1мкКл и 10нКл взаимодействуют с силой 9мН?

F= k|q1||q2|/r2 r2= k|q1||q2|/F; r= 10 cм

Рефлексия. Итог урока.

Что мы узнали? Чему научились? Достигли мы цели урока? Что было сложным? Где в жизни могут вам пригодиться знания, которые вы получили на уроке?

Домашнее задание: §§

** подготовить сообщения «Первые исследователи по изучению природы молнии», «Использование взаимодействия наэлектризованных тел в технике» (дифференцированно)

Оценивание деятельности учащихся на уроке

Темы кодификатора ЕГЭ : электризация тел, взаимодействие зарядов, два вида заряда, закон сохранения электрического заряда.

Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.

Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение - гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.

1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные тела (имеющие электрический заряд ).

2. Гравитационное взаимодействие - это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.

3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.

Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда . Электрический заряд - это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы . Единицей измерения заряда является кулон (Кл).

Два вида заряда

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия - притяжение и отталкивание - удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные .

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды разных знаков друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1 ; подвешенным на нитях шарикам сообщены заряды того или иного знака.

Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации ) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен Кл. Величина

называется элементарным зарядом . Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:

Если , то тело имеет избыточное количество электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же , то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на больше.

Электризация тел

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация - это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.

Один из способов электризовать тело - сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк - отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть - положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением . С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову;-)

Другой тип электризации называется электростатической индукцией , или электризацией через влияние . В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других - отрицательные.

Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис. 2 . На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд . Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая - положительно.

Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3 (изображение с сайта en.wikipedia.org).

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.

Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней - положительный.

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд - хорошо известная вам молния.

Закон сохранения заряда

Вернёмся к примеру электризации трением - натирании палочки тканью. В этом случае палочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после взаимодействия.

Мы видим здесь закон сохранения заряда , который гласит: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими телами :

Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.

При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряженных частиц ушло с палочки - столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элементарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно сохраняется!

Например, на рис. 5 показан процесс , при котором порция электромагнитного излучения (так называемый фотон ) превращается в две заряженные частицы - электрон и позитрон . Такой процесс оказывается возможным при некоторых условиях - например, в электрическом поле атомного ядра.

Рис. 5. Рождение пары электрон–позитрон

Заряд позитрона равен по модулю заряду электрона и противоположен ему по знаку. Закон сохранения заряда выполнен! Действительно, в начале процесса у нас был фотон, заряд которого равен нулю, а в конце мы получили две частицы с нулевым суммарным зарядом.

Закон сохранения заряда (наряду с существованием наименьшего элементарного заряда) является на сегодняшний день первичным научным фактом. Объяснить, почему природа ведёт себя именно так, а не иначе, физикам пока не удаётся. Мы можем лишь констатировать, что эти факты подтверждаются многочисленными физическими экспериментами.

Подвесив на двух нитях лёгкие шарики из фольги и коснувшись каждого из них стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, можно увидеть, что шарики оттолкнутся дpуг от друга. Если потом коснуться одного шарика стеклянной палочкой, потёpтой о шёлк, а другого эбонитовой палочкой, потёpтoй о мех, то шарики притянутся дpуг к другу. Это означает, что стеклянная и эбонитовая палочки при трении приобретают заряды разных знаков , т.е. в природе существуют два рода электрических зарядов , имеющих противоположные знаки: положительный и отрицательный. Условились считать, что стеклянная палочка, потёртая о шёлк, приобретает положительный заряд , а эбонитовая палочка, потёртая о мех, приобретает отрицательный заряд .

Из описанного опыта также следует, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом . Такое взаимодействие зарядов называют электрическим. При этом одноимённые заряды, т.е. заряды одного знака, отталкиваются друг от друга, а разноимённые заряды притягиваются друг к другу.

На явлении отталкивания одноимённо заряженных тел основано устройство электроскопа - прибора, позволяющего определить, заряжено ли данное тело, и электрометра , прибора, позволяющего оценить значение электрического заряда.

Если заряженным телом коснуться стержня электроскопа, то листочки электроскопа разойдутся, поскольку они приобретут заряд одного знака. То же произойдёт со стрелкой электрометра, если коснуться заряженным телом его стержня. При этом, чем больше заряд, тем на больший угол отклонится стрелка от стержня.

Из простых опытов следует, что сила взаимодействия между заряженными телами может быть больше или меньше в зависимости от величины приобретённого заряда. Таким образом, можно сказать, что электрический заряд, с одной стороны, характеризует способность тела к электрическому взаимодействию, а с другой стороны, является величиной, определяющей интенсивность этого взаимодействия.

Заряд обозначают буквой q , за единицу заряда принят кулон : [q ] = 1 Кл .

Если коснуться заряженной палочкой одного электрометра, а затем этот электрометр соединить металлическим стержнем с другим электрометром, то заряд, находящийся на первом электрометре, поделится между двумя электрометрами. Можно затем соединить электрометр с ещё несколькими электрометрами, и заряд будет делиться между ними. Таким образом, электрический заряд обладает свойством делимости . Пределом делимости заряда, т.е. наименьшим зарядом, существующим в природе, является заряд электрона . Заряд электрона отрицателен и равен 1,6*10 -19 Кл . Любой другой заряд кратен заряду электрона.