07. Объяснение электрических явлений (Ерюткин Е. С.)

Повторение основных свойств заряженных тел

Начнем с того, что вспомним, что было открыто советским ученым А. Ф. Иоффе (рис. 1) и американским ученым Р. Э. Милликеном (рис. 2) независимо друг от друга. Проведя ряд экспериментов, каждому из них удалось установить массу и заряд электрона, которые соответственно равны:

Модуль заряда электрона был назван элементарным зарядом, и было установлено, что такой заряд является неделимым, т. е. меньшего заряда в природе нет. Поскольку любой заряд, как из кирпичиков, состоит из элементарных зарядов, то значение любого заряда можно разделить на величину элементарного заряда без остатка.

Стоит упомянуть, что величина заряда тела характеризует его взаимодействие с другим заряженным телом и что заряды разделены на два типа: положительные и отрицательные. При этом одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Обозначение заряда:;

Единица измерения заряда: Кл (кулон).

Замечание. Единица измерения заряда названа в честь французского физика Шарля Кулона (рис. 3), который внес большой вклад в изучение электричества.

Заряд тела имеет важное свойство: он может делиться, причем, достаточно много раз пока не дойдет до значения элементарного заряда, который неделим (на практике такая ситуация практически невозможна). Деление заряда происходит путем передачи части заряда от одного тела к другому.

Для понимания процессов возникновения зарядов у тел необходимо знать устройство атома. Открытие современной модели атома принадлежит английскому ученому Э. Резерфорду (рис. 4). Согласно этой модели, которая носит название «планетарная» (рис. 5), атом состоит из массивного положительно заряженного ядра, состоящего из протонов и нейтронов, и вращающихся вокруг ядра отрицательно заряженных электронов. Поскольку количество протонов в ядре атома, находящегося в основном состоянии, равно количеству электронов, вращающихся по орбитам, то атом в целом электронейтрален.

Замечание. Заряд протона по модулю равен заряду электрона, но противоположного знака (положительный), стандартное обозначение:

После установления факта нейтральности атома в его основном состоянии возникает вопрос: возможно ли другое состояние атома, при котором он имеет заряд. Такое состояние возможно и возникает оно в случае отделения электронов от атома либо при присоединении избыточных электронов, в таком случае атом становится заряженным, и его называют ионом. Если атом приобрел избыточные электроны, то его заряд становится отрицательным, и его называют анионом, а если он потерял электроны, то его заряд становится положительным, и его называют катионом.

Все упомянутые нами факты и понятия используются при объяснении электрических явлений, несколько примеров которых мы ниже приведем.

Отметим то, что во множестве опытов нас не интересуют знаки зарядов, которые присутствуют у тел, а более важной характеристикой является процесс движения заряда и значение модуля заряда, т. е. его численная величина.

Взаимодействие бумажного султана со стеклянной палочкой

Начнем объяснение различных электрических явлений с процесса электризации тел, с которым мы уже сталкивались ранее. Электризация – это процесс разделения электрических зарядов в результате соприкосновения тел.

Если взять стеклянную палочку и потереть ею о поверхность бумаги, то произойдет разделение зарядом между бумагой и палочкой, и они приобретут заряды. В результате трения часть электронов переходит от стеклянной палочки к бумаге, и палочка приобретает положительный заряд (из-за недостатка электронов), а бумага – отрицательный (из-за избытка электронов).

Этот факт можно проверить на примере взаимодействия заряженной стеклянной палочки с бумажным султаном. Если поднести наэлектризованную палочку к султану, но не прикасаться ею, то будет заметно явление притяжения полосок бумаги к палочке, что объясняет взаимодействием электронов, которые находятся в бумажных полосках, с зарядом палочки. Это явление демонстрирует притяжение разноименных зарядов (вспомним, что притяжение незаряженных тел к заряженным объясняется не так просто, и с более подробным объяснением можно познакомиться в конспекте к первому уроку в данной теме или далее в конспекте). Если же прикоснуться заряженной палочкой к металлическому стержню, на котором закреплен султан, то часть заряда палочки передастся стержню, который наэлектризует бумажные полоски, и они начнут отталкиваться друг от друга. Это явление демонстрирует отталкивание одноименных зарядов.

Взаимодействие проводящей гильзы со стеклянной палочкой

Следует вспомнить, что с точки зрения строения атомов, среди веществ можно выделить два принципиальных типа: проводники и диэлектрики. Вещества, атомы которых сильно взаимодействуют с электронами, практически не подвержены возможности терять электроны из орбит атомов, и называются диэлектриками (непроводниками электричества). Вещества, атомы которых наоборот несильно сдерживают электроны, могут их свободно передавать другим атомам, и называются проводниками (например, металлы).

Для следующего опыта возьмем гильзу, изготовленную из фольги, и стеклянную палочку. После натирания палочки листом бумаги и поднесения ее к гильзе можно заметить, что гильза сначала притянется к поверхности палочки, а затем оттолкнется от нее. Если после этого еще раз поднести заряженную палочку к гильзе, то она уже будет только отталкиваться от нее. Объясняется такое явление аналогично с явлением взаимодействия палочки с бумажным султаном, о котором говорилось ранее. Кроме того, опыт с гильзой мы уже проводили в первом уроке темы. Приведем еще раз объяснение этого явления.

Поскольку гильза является проводником, то, оказавшись во внешнем электрическом поле, в ней наблюдается явление разделения заряда. Оно проявляется в том, что свободные электроны в материале гильзы перемещаются в сторону, которая наиболее близка к положительно заряженной палочке. В результате гильза становится разделенной на две условные области (рис. 6): одна заряжена отрицательно (там, где избыток электронов), другая – положительно (там, где недостаток электронов). Поскольку отрицательная область гильзы расположена ближе к положительно заряженной палочке, чем ее положительно заряженная часть, то будет преобладать притяжение между разноименными зарядами, и гильза притянется к палочке. После этого оба тела приобретут одноименный заряд и оттолкнутся.

Такое явление возможно благодаря свойству электронов перемещаться при воздействии на них электрического поля. Поскольку электроны изначально находятся на орбитах атомов, то основой любых электрических процессов является перераспределение зарядов в атомах.

В природе существует огромное разнообразие электрических явлений, наиболее эффектными из которых являются, пожалуй, молнии. Интересен тот факт, что, несмотря на быстрое развитие современной науки, некоторые из этих явлений оказываются еще недостаточно изученными и объясненными, например, это относится к феномену шаровой молнии. Но наука не стоит на месте, и мы упорно движемся к всеобъемлющему познанию мира, если таковое вообще возможно…

На следующем уроке мы изучим новое для нас электрическое явление – электрический ток.

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.

2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал Physbook.ru (Источник)

2. Уроки по физике и астрономии (Источник)

3. YouTube (Источник)

Домашнее задание

1. Стр. 72: вопросы № 1–5; Стр. 73: упражнение № 12. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

2. Для того чтобы наэлектризовать латунный стержень, его необходимо держать в резиновых перчатках. Почему?

3. Легкий пенопластовый шарик притягивается к заряженной положительно стеклянной палочке. Обязательно ли шарик заряжен отрицательно? Ответ поясните.

4. Подготовьте доклад о ключевых исторических открытиях в области электростатики.