§ 19. Електричний заряд та електромагнітна взаємодія

Гірничі інженери та військові називають зарядом вибухівку; інколи слово «заряд» використовують для визначення «запасу почуттів» (заряд бадьорості). А що таке електричний заряд?

Знайомимося з електромагнітною взаємодією

Будову атома — елементарного складника будь-якої речовини — ви вже вивчали в курсах природознавства, фізики, хімії. Отже, згадаємо: атом будь-якої речовини складається з ядра, навколо якого рухаються електрони.

Зрозуміло, що без взаємного притягання електронів і ядра атом розпався б. Можна було б припустити, що таке притягання зумовлене гравітаційною взаємодією. Але це не так: електрони та ядро занадто легкі, а гравітаційна взаємодія відчутна тільки в тому випадку, якщо хоча б одне з тіл, що взаємодіють, має велику масу, наприклад таку, яку має зоря чи планета. Атом не розпадається завдяки взаємодії іншого типу — її називають електромагнітною.

Але ж ядро й електрони, з яких складається атом, відкриті порівняно недавно, менш ніж 150 років тому. Невже науковці не знали про існування електромагнітної взаємодії раніше? Звичайно ж, знали.

Понад двадцять п’ять сторіч тому давньогрецький філософ, математик, дослідник природи Фалес (бл. 625 — бл. 547 до н. е.) із міста Мілета натирав хутром шматок бурштину і спостерігав, як після цього бурштин починав притягувати до себе пір’я птахів, пух, соломинки, сухе листя. Саме від грецької назви бурштину — електрон — процес, у результаті якого тіла набувають властивість притягувати інші тіла, назвали електризацією тіл, а тіла, що мають цю властивість,— наелектризованими.

З повсякденного життя ми добре знаємо, що після розчісування сухого волосся пластмасовим гребінцем останній набуває властивості притягувати до себе ворсинки, клаптики паперу, волосся тощо. Аналогічної властивості набуває ебонітова паличка в результаті тертя об вовну або паличка з оргскла, якщо її потерти об шовк чи папір (рис. 19.1).

Дізнаємося про електричний заряд

Рис. 19.1. Щоб наелектризувати паличку з оргскла, достатньо потерти її аркушем паперу (а). Після нетривалого тертя паличка починає притягувати до себе різні дрібні предмети (б)

Рис. 19.2. Інтенсивність електромагнітної взаємодії наелектризованої палички та струменя води може бути різною

Досліди показують, що наелектризовані тіла притягують не тільки ворсинки, соломинки, клаптики паперу, але й металеві предмети, грудочки землі й навіть тоненькі струмені води або олії. Зверніть увагу, що інтенсивність електромагнітної взаємодії, наприклад, наелектризованої палички і води може бути різною: в досліді, зображеному на рис. 19.1, а, струмінь води відхиляється більше, ніж у досліді, зображеному на рис. 19.2, б.

Проведіть подібні досліди. Замість палички зручно використати пластмасовий гребінець, наелектризувавши його розчісуванням волосся.

Щоб мати можливість кількісно визначати інтенсивність електромагнітної взаємодії, було введено фізичну величину — електричний заряд.

Електричний заряд — це фізична величина, яка характеризує властивість частинок і тіл вступати в електромагнітну взаємодію.

Позначають електричний заряд символом q. Одиниця електричного заряду в CI — кулон (названа на честь французького фізика Шарля Кулона):

Ця одиниця є похідною від основних одиниць CI (визначення кулона буде подане в § 27 підручника).

Про наелектризоване тіло говорять, що тілу надано електричний заряд. Отже, електризація — це процес набуття макроскопічними тілами електричного заряду.

Вивчаємо основні властивості електричного заряду

1. Існують два роди електричних зарядів — позитивні та негативні. Електричний заряд такого роду, як заряд, отриманий на бурштині або ебонітовій паличці, потертих об вовну,

прийнято називати негативним, а такого роду, як заряд, отриманий на паличці з оргскла, потертій об папір,— позитивним.

2.    Тіла, що мають заряди одного знака, відштовхуються; тіла, що мають заряди протилежних знаків, — притягуються (рис. 19.3).

3.    Носієм електричного заряду є частинка — електричний заряд не існує окремо від частинки. Тобто під час електризації тіло приймає або віддає деяку кількість частинок, що мають електричний заряд³. Однією з негативно заряджених частинок є електрон, а однією з позитивно заряджених — протон (ця частинка входить до складу атомного ядра).

Зазвичай під час електризації тіло приймає або віддає деяку кількість електронів.

4.    Електричний заряд є дискретним, тобто електричні заряди фізичних тіл кратні певному найменшому (елементарному) заряду:

де q — заряд фізичного тіла; N — ціле число; е — елементарний заряд.

Рис. 19.3. Однойменно заряджені паперові смужки відштовхуються (а);різнойменно заряджені — притягуються (б)

Носієм найменшого негативного заряду є електрон. Цей заряд зазвичай позначають символом е, а значення записують так: е = -1,610 ¹⁹ Кл. Носієм найменшого позитивного заряду є протон. Заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона:    = +1,6-10"¹⁹.

Як ви вважаєте, чи може фізичне тіло мати заряд 0,5б? -17,7с? 198б?

5. І мікрочастинки, і макроскопічні тіла можуть мати заряд (позитивний або негативний), а можуть бути нейтральними. Наприклад, нейтральними частинками — частинками, заряд яких дорівнює нулю, — є нейтрони (вони разом із протонами складають ядро атома). До складу атомів входять протони та електрони, які мають заряд, проте самі атоми є нейтральними, оскільки в них кількість електронів збігається з кількістю протонів.

Підбиваємо підсумки

Електричний заряд — це фізична величина, що характеризує властивість частинок і тіл вступати в електромагнітну взаємодію. Заряд позначають символом q і вимірюють у кулонах (Кл).

Процес набуття електричного заряду макроскопічними тілами називають електризацією. Під час електризації тіло зазвичай приймає або віддає деяку кількість електронів.

Розрізняють два роди електричних зарядів: позитивні та негативні заряди. Однойменно заряджені тіла відштовхуються, а різнойменно заряджені — притягуються.

Електричний заряд є дискретним: існує мінімальний (елементарний) електричний заряд, якому кратні всі електричні заряди тіл і частинок. Електричний заряд не існує окремо від частинки; носієм елементарного негативного заряду є електрон, позитивного — протон.

Контрольні запитання

Ί. Що називають електричним зарядом? 2. Назвіть одиницю електричного заряду. 3. Які роди зарядів існують? 4. Який рід заряду має ебонітова паличка, потерта об вовну? паличка з оргскла, потерта об шовк?

5. Як взаємодіють тіла, що мають однойменні заряди? різнойменні заряди? б. З яких частинок складається атом? 7. Які частинки входять до складу атомного ядра? 8. Яка частинка має найменший негативний заряд? найменший позитивний заряд? 9. Як ви розумієте твердження, що електричний заряд є дискретним?

Вправа № 19

1.    На рисунку зображені позитивно заряджене тіло й підвішені на нитках кульки 1 і 2, що мають заряди невідомих знаків. Визначте знаки зарядів кульок 1 і 2.

2.    На тонкій шовковій нитці висить заряджена паперова кулька. Як, маючи ебонітову паличку та шматок вовни, можна визначити знак електричного заряду кульки?

3.    Атом, ядро якого має 12 протонів, утратив 2 електрони. Скільки електронів залишилося в атомі?

4.    Скільки надлишкових електронів має бути передано тілу, щоб воно отримало заряд, який дорівнює -1 Кл?

5.    Скориставшись додатковими джерелами інформації або власним досвідом, наведіть декілька цікавих прикладів взаємодії заряджених тіл.

, 6. Визначте силу, з якою тіло масою 5 г притягується до Землі. Яку назву має ця сила? Виконайте схематичний рисунок, на якому зазначте напрямок дії цієї сили.

Експериментальне завдання

Складіть план дослідження характеру взаємодії заряджених тіл. Як об’єкти для дослідження візьміть паперову та поліетиленову смужки розміром близько 4 X 15 см, поліетиленову смужку розміром 2x3 CM, підвішену на нитці, пластмасову ручку. Проведіть відповідний експеримент.

Фізика і техніка в Україні

Харківський національний університет ім. В. Н. Каразіна (ХНУ), заснований у листопаді 1804 р., — один із найстаріших університетів Східної Європи. Історія ХНУ є невід'ємною частиною інтелектуальної, культурної та духовної історії нашої країни. З Харківським університетом пов'язані імена таких усесвітньо відомих науковців та просвітителів, як Π. П. Гулак-Артемовський, О. М. Ляпунов, Μ. І. Костомаров, Μ. П. Варабашов, Μ. М. Бекетов, Д. І. Багалій, А. М. Краснов, М. В. Остроградський, В. А. Стеклов, О. О. Потебня, О. В. Погорелоета багато інших. Харківський університет — єдиний в Україні, де навчались або працювали три лауреати Нобелівської премії — біолог /. /. Мечников,фізик ЯД Ландау, економіст Саймон Кузнець.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бар'яхтар