Электрические взаимодействия

1. Два знака электрических заряда

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?
б) Что можно сказать о заряде гильзы С?
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 * 10⁴² 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.