§ 21. Механізм електризації. електроскоп

Рис. 21.1. Вільям Ґільберт (1544-1603) — англійський фізик і лікар, засновник науки про електрику

Вважають, що систематичне вивчення електромагнітних явищ розпочав англійський учений В. Ґільберт (рис. 3.1). Однак пояснити електризацію тіл змогли більш ніж через три сторіччя. Після відкриття електрона фізики з'ясували, що частина електронів може порівняно легко відриватися від атома або приєднуватися до нього, перетворюючи нейтральний атом на заряджену частинку — йон. А от як відбувається електризація макроскопічних тіл, ви дізнаєтеся з цього параграфа.

ГШ Розглядаємо електризацію тертям

Озброївшись знаннями про будову атома, розглянемо процес електризації тертям. Візьмемо ебонітову паличку і потремо її об вовняну тканину. У цьому випадку, як ви вже знаєте, паличка набуває негативного заряду. З’ясуємо, що спричинило виникнення цього заряду.

Перед натиранням і паличка, і вовна є електрично нейтральними. А от у разі щільного контакту двох тіл, виготовлених із різних матеріалів, частина електронів переходить з одного тіла на інше. (Відстані, на які при цьому переміщуються електрони, не перевищують міжатомних відстаней.) Якщо після контакту тіла роз’єднати, то вони виявляться зарядженими: тіло, яке віддало частину своїх електронів, буде заряджене позитивно, а тіло, яке їх одержало,— негативно. Вовна втримує свої електрони менш міцно, ніж ебоніт, тому під час контакту електрони в основному переходять з вовняної тканини на ебонітову паличку, а не навпаки.

У результаті після роз’єднання паличка виявляється негативно зарядженою, а вовна — позитивно. Аналогічного результату можна досягти, якщо розчесати сухе волосся пластмасовим гребінцем (рис. 21.2).

Рис. 21.2. Перед розчісуванням кількість позитивних зарядів на волоссі й гребінці дорівнює кількості негативних (а); під час розчісування частина електронів з волосся перейде на гребінець, у результаті чого гребінець зарядиться негативно, а волосся — позитивно (6)

Слід зазначити, що загальноприйнятий вираз «електризація тертям» є не зовсім точним, правильніше було б говорити про «електризацію через дотик», адже тертя тіл одне об одне потрібно тільки для того, щоб збільшити кількість ділянок їхнього щільного контакту.

Формулюємо закон збереження електричного заряду

Якщо перед дослідом, описаним у п. 1 цього параграфа, паличка і вовняна тканина були не заряджені, то після контакту вони виявляться зарядженими, причому їхні заряди будуть рівними за модулем і протилежними за знаком. Тобто їхній сумарний заряд, як і перед дослідом, дорівнюватиме нулю.

У результаті численних дослідів фізики з’ясували, що під час електризації відбувається перерозподіл наявних електричних зарядів, а не створення нових. Отже, виконується закон збереження електричного заряду:

Повний заряд замкненої системи тіл залишається незмінним під час усіх взаємодій, які відбуваються в цій системі:

Під замкненою системою розуміють таку систему тіл, які взаємодіють тільки одне з одним, тобто не взаємодіють з іншими тілами.

Заземлюємо прилади та пристрої. Розрізняємо провідники та діелектрики

Якщо спробувати наелектризувати тертям металевий стрижень, утримуючи його в руці, то виявиться, що це неможливо. Річ у тім, що метали — це речовини з безліччю так званих вільних електронів, які легко переміщуються по всьому об’єму фізичного тіла. Такі речовини називають провідниками. Спроба наелектризувати металевий стрижень, тримаючи його в руці, приведе до того, що надлишкові електрони дуже швидко «втечуть» зі стрижня і він залишиться незарядженим. «Дорогою для втечі» електронів є сам

дослідник, адже тіло людини — це провідник⁵. Зазвичай «кінцевий пункт» для електронів — Земля, яка також є провідником. Розміри її величезні, тому будь-яке заряджене тіло, якщо його з’єднати провідником із землею, через деякий час стане практично електронейтральним (незарядженим). Тіла, заряджені позитивно, одержать деяку кількість електронів від землі, а з тіл, заряджених негативно, надлишкова кількість електронів піде в землю. Технічний прийом, що дозволяє розрядити будь-яке заряджене тіло шляхом його з’єднання із землею, називається заземленням.

Рис. 21.3. Електризація сфери через вплив (а); індикатором наявності заряду слугує позитивно заряджена повітряна кулька — вона відхиляється від сфери, отже, сфера теж заряджена позитивно (б)

У деяких випадках, наприклад, щоб надати заряд провіднику або зберегти на ньому заряд, заземлення слід уникати. Для цього використовують тіла, виготовлені з діелектриків. У діелектриках (їх ще називають ізоляторами) вільні електрони практично відсутні. Тому якщо між землею і зарядженим тілом поставити бар’єр у вигляді ізолятора, то вільні електрони не зможуть покинути провідник (або потрапити на нього) і провідник залишиться зарядженим.

Скло, оргскло, ебоніт, бурштин, гума, папір — діелектрики, тому в дослідах з електростатики їх легко наелектризувати — заряд з них не стікає.

Дізнаємося про електризацію через вплив

Проведемо дослід. Наблизимо негативно заряджену ебонітову паличку до незарядженої металевої сфери, розташованої на ізольованій підставці. На короткий час торкнемося рукою до частини сфери, віддаленої від зарядженого тіла (рис. 21.3, a), a потім приберемо заряджену паличку. Відхилення позитивно зарядженої легкої кульки покаже, що сфера набула позитивного заряду (рис. 21.3, б).

Зверніть увагу: знак заряду сфери є протилежним до знака заряду ебонітової палички.

Оскільки в цьому випадку безпосереднього контакту між зарядженим і незаря-дженим тілами не було, описаний процес називають електризацією через вплив або електростатичною індукцією.

Пояснюється цей вид електризації так. Внаслідок дії електричного поля негативно зарядженої палички вільні електрони перерозподіляються по поверхні металевої сфери. Електрони мають негативний заряд, тому вони відштовхуються від негативно зарядженої палички. У результаті кількість електронів стане надлишковою на віддаленій від палички частині сфери і недостатньою — на ближчій (рис. 21.4). Якщо доторкнутися до сфери рукою, то деяка кількість вільних електронів перейде зі сфери на тіло дослідника. Таким чином, на сфері виникає брак електронів, і вона стає позитивно зарядженою.

З’ясувавши механізм електризації через вплив, ви, сподіваємось, зможете пояснити, чому незаряджене металеве тіло завжди притягується до тіла, що має електричний заряд. Наприклад, поясніть, чому гільза, виготовлена з металевої фольги, притягується як до скляної палички, що має позитивний заряд (рис. 21.5, а), так і до ебонітової палички, заряд якої є негативним (рис. 21.5, б). Що відбудеться, якщо гільза торкнеться палички?

Складніше пояснити притягання до наелектризованої палички клаптиків паперу, адже відомо, що папір є діелектриком і тому практично не містить вільних електронів. Річ у тім, що електричне поле зарядженої палички діє на зв’язані електрони атомів, із яких складається папір, унаслідок чого змінюється форма електронної хмари — вона стає витягнутою (рис. 21.6). У результаті на ближчій до палички частині клаптика паперу утворюється заряд, який за знаком протилежний заряду палички, і тому папір починає притягуватися до палички.

Конструюємо електроскоп і знайомимося з електрометром

Дотепер для вивчення електричних явищ ви використовували підручні засоби. Однак ваших знань уже достатньо, щоб зрозуміти принцип дії приладів, які дозволяють вивчати не тільки якісні, але й кількісні характеристики заряджених тіл.

Здавна для виявлення наявності в тіла електричного заряду, визначення знаку заряду тіла та оцінювання значення заряду використовують електроскоп (рис. 21.7). Пояснимо його будову.

Будь-які електричні явища нерозривно пов’язані з електричним полем. У § 20 ішлося про те, що електричне поле можна виявити за відхиленням легкої зарядженої кульки. Проте кулька — це не дуже зручний індикатор, краще використати дві смужки тонкого паперу (І).

Рис. 21.7. Будова електроскопа: 7 — індикатор (паперові смужки);

2    — металевий стрижень;

3    — корпус; 4 — діелектрик; 5 — кондуктор

Рис. 21.6. Внаслідок дії зовнішнього електричного поля форма електронної хмари змінюється. Форма електронної хмари: за відсутності поля (а);за наявності поля (б).На частині паперу, ближчій до позитивно зарядженої палички, утворюється негативний заряд (в)

Після надання смужкам однойменного заряду вони почнуть відштовхуватися і їхні вільні кінці внизу розійдуться в різні боки.

Щоб зробити прилад якомога чутливішим, для індикатора (смужок) доцільно обрати найтонший папір, але тоді на точність вимірювання можуть вплинути протяги або навіть дихання спостерігача. Для захисту смужки розташовують у корпусі (3) з прозорими бічними стінками.

А от щоб донести до смужок заряд, використовують провідник: до одного кінця металевого стрижня (2) прикріплюють смужки, а другий кінець виводять назовні. Щоб електричний заряд не стікав зі стрижня на корпус, у місці їхнього стикання встановлюють бар’єр із діелектрика (4).

Нарешті, останній елемент конструкції електроскопа — кондуктор (5) — металева порожниста куля, яка прикріплена до верхнього кінця стрижня.

Якщо до кондуктора електроскопа доторкнутися досліджуваним зарядженим тілом, то частина заряду цього тіла потрапить на паперові смужки і вони розійдуться (рис. 21.8).

Зверніть увагу, що кут між смужками залежить від значення одержаного ними заряду. Цей кут тим більший, чим більший одержаний заряд. Така залежність дозволяє модернізувати електроскоп і застосовувати його не тільки для якісних, але й для кількісних вимірювань. Для цього на передній стінці корпусу розміщують шкалу, завдяки якій можна оцінювати значення переданого на електроскоп заряду, а паперові смужки замінюють легкою металевою стрілкою. Такий прилад називають електрометром (рис. 21.9).

Підбиваємо підсумки

Якщо електронейтральне тіло (тобто таке, що не має заряду) віддає частину своїх електронів, то воно стає зарядженим позитивно, а якщо одержує електрони, то стає зарядженим негативно.

Під час електризації тіл відбувається перерозподіл наявних у них електричних зарядів, а не створення нових. Для ізольованої системи тіл або частинок виконується закон збереження електричного заряду: повний заряд замкненої системи тіл або частинок залишається незмінним під час усіх взаємодій, які відбуваються в системі.

За електричними властивостями речовини поділяють на провідники і діелектрики. Технічний прийом, що дозволяє розрядити будь-яке заряджене тіло шляхом з’єднання цього тіла провідником із землею, називають заземленням.

Електризацію, під час якої немає безпосереднього контакту між тілами, називають електризацією через вплив або електростатичною індукцією.

Електроскоп — прилад для виявлення електричного заряду.

Контрольні запитання

Ί. Що і чому відбувається під час щільного контакту двох тіл, виготовлених із різних матеріалів? 2. Чому під час тертя ебонітової палички об вовняну тканину електризуються обидва тіла? 3. Сформулюйте закон збереження електричного заряду. 4. У чому полягає відмінність провідників і діелектриків? 5. Що називають заземленням? 6. Як за допомогою негативно зарядженого тіла зарядити інше тіло позитивно?

7. Поясніть, чому будь-яке незаряджене тіло завжди притягується до тіла, що має електричний заряд. 8. Для чого застосовують електроскоп? Як він сконструйований і яким є принцип його дії? 9. Чим електрометр відрізняється від електроскопа?

Вправа №21

1.    Чи відрізняється маса незарядженої палички з оргскла від маси тієї самої палички, зарядженої позитивно? Якщо відрізняється, то як?

2.    Чи може статися так, що після дотику до кондуктора зарядженого електроскопа якимось тілом електроскоп виявиться незарядженим? Поясніть свою відповідь.

3.    Електроскопу передали позитивний заряд (рис. 1, а). Потім до електроскопа піднесли іншу заряджену паличку (рис. 1, б). Визначте знак заряду цієї палички.

4.    Дві однакові провідні заряджені кульки торкнулися одна одної й відразу ж розійшлися. Обчисліть заряд кожної кульки після дотику, якщо перед дотиком заряд першої кульки становив -3 · 10“⁹ Кл, заряд другої кульки становив 9 · 10~⁹ Кл.

5.    Як за допомогою негативно зарядженої металевої кульки, не зменшуючи її заряду, негативно зарядити іншу таку саму кульку?

6.    Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся, для чого використовують антистатик і як він «працює».

Експериментальні завдання

1.    Зі скляної банки з капроновою кришкою виготовте електроскоп (рис. 2). Як стрижень електроскопа можна використати спицю для плетіння, а замість смужок паперу — вузькі смужки фольги. Випробуйте виготовлений вами електроскоп.

2.    Виготовте з легкого паперу маленькі човники та опустіть їх на воду. За допомогою наелектризованого гребінця змусьте вашу «флотилію» рухатися.

Відеодослід. Перегляньте відеоролик і поясніть спостережуване явище.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бар'яхтар