§ 19. Электрический заряд и электромагнитное взаимодействие

Горные инженеры и военные называют зарядом взрывчатку; иногда слово «заряд» используют для определения «запаса чувств» (заряд бодрости). А что такое электрический заряд?

Знакомимся с электромагнитным взаимодействием

Строение атома вы уже изучали в курсах природоведения, физики, химии. Вспомним: атом любого вещества состоит из ядра, вокруг которого расположены электроны.

Понятно, что без взаимного притяжения электронов и ядра атом распался бы. Можно предположить, что такое притяжение обусловлено гравитационным взаимодействием. Но это не так: электроны и ядро очень легкие, и гравитационное взаимодействие между ними слишком слабое — оно недостаточно для того, чтобы удержать электроны около ядра. Атом не распадается благодаря взаимодействию другого вида — его называют электромагнитным взаимодействием.

Но ведь ядро и электроны, из которых состоит атом, открыты учеными относительно недавно, менее 150 лет тому назад. Неужели о существовании электромагнитного взаимодействия ученые не знали раньше? Конечно, знали.

Более двадцати пяти веков назад древнегреческий философ, математик, исследователь природы Фалес (ок. 625 — ок. 547 до н. э.) из города Милета натирал мехом кусок янтаря и наблюдал, как после этого янтарь начинал притягивать к себе птичьи перья, пух, соломинки, сухую листву. Греческое название янтаря — электрон, поэтому процесс, в результате которого тело приобретает свойство притягивать к себе другие тела, назвали электризацией, а само тело— наэлектризованным.

Из повседневной жизни мы знаем, что после расчесывания сухих волос пластмассовой расческой последняя электризуется — приобретает свойство притягивать к себе ворсинки, обрывки бумаги и т. п. Аналогичное свойство приобретает и эбонитовая палочка в результате трения о шерсть или палочка из оргстекла, если ее потереть о шелк или бумагу (рис. 19.1).

Узнаём об электрическом заряде

Наэлектризованные тела притягивают не только легкие ворсинки, соломинки, обрывки бумаги, но и металлические предметы, комочки земли и даже тонкие струи воды или масла. Обратите внимание, что интенсивность электромагнитного взаимодействия может быть разной. Так, в опыте, изображенном на рис. 19.2, а, струя воды отклоняется больше, чем в опыте, изображенном на рис. 19.2, б.

Проведите подобные опыты. Вместо палочки удобно использовать пластмассовую расческу, наэлектризовав ее расчесыванием волос.

Чтобы иметь возможность количественно описывать интенсивность электромагнитного взаимодействия, была введена физическая величина — электрический заряд.

Электрический заряд — это физическая величина, характеризующая свойство тел и частиц вступать в электромагнитное взаимодействие.

Электрический заряд обозначают символом q. Единица электрического заряда в СИ — кулон (названа в честь французского физика Шарля Кулона):

[q] = 1 Кл.

Данная единица является производной от основных единиц СИ (определение кулона будет дано в § 27).

О наэлектризованном теле говорят, что оно имеет электрический заряд — тело заряжено.

Электризация — это процесс приобретения макроскопическими телами электрического заряда.

Изучаем основные свойства электрического заряда

1. Существует два рода электрических зарядов — положительные и отрицательные. Электрический заряд такого рода, как заряд, полученный на янтаре или эбонитовой

палочке, потертых о шерсть, принято называть отрицательным, а такого рода, как заряд, полученный на палочке из стекла, потертой о шелк или бумагу, — положительным.

2.    Тела, имеющие заряды одного знака, отталкиваются; тела, имеющие заряды противоположных знаков, притягиваются (рис. 19.3).

3.    Носителем электрического заряда является частица — электрический заряд не существует отдельно от частицы. Во время электризации тело принимает или отдает некоторое количество частиц, имеющих электрический заряд⁹.

Обычно при электризации тело принимает или отдает некоторое число электронов.

4.    Электрический заряд является дискретным, то есть электрические заряды физических тел кратны определенному наименьшему (элементарному) заряду:

где q — заряд тела; N — целое число; e — элементарный заряд.

Носителем наименьшего отрицательного заряда является электрон. Этот заряд обозначают символом е: e = -1,610^-19 Кл.

Носителем наименьшего положительного заряда является протон. Заряд протона по модулю равен заряду электрона: q_p=+1,6 10¹⁹ Кл. ?    ческое

тело иметь заряд 0,5e? -17,7e? 198e?

5. И микрочастицы, и макроскопические тела могут иметь заряд (положительный или отрицательный), а могут быть нейтральными. Нейтральной частицей — частицей, заряд которой равен нулю, — является нейтрон (нейтроны и протоны образуют ядро атома).

Таким образом, в состав атома входят нейтральные нейтроны и имеющие заряд протоны и электроны. Сам атом нейтрален, так как число электронов в нем равно числу протонов.

к Подводим итоги

- Электрический заряд — это физическая величина, характеризующая свойство частиц и тел вступать в электромагнитное взаимодействие. Заряд обозначают символом q и измеряют в кулонах (Кл).

Процесс получения электрического заряда макроскопическими телами называют электризацией. При электризации тело обычно присоединяет или отдает некоторое количество электронов.

Различают два рода электрических зарядов: положительные и отрицательные. Одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные — притягиваются.

Электрический заряд является дискретным: существует минимальный (элементарный) электрический заряд, которому кратны все электрические заряды любых заряженных тел и частиц. Электрический заряд не существует отдельно от частицы; носителем элементарного отрицательного заряда является электрон, положительного — протон.

Контрольные вопросы    —

1. Что называют электрическим зарядом? 2. Назовите единицу электрического заряда. 3. Какие роды зарядов существуют? Приведите примеры.

4. Как взаимодействуют тела, имеющие одноименные заряды? разноименные заряды? 5. Из каких частиц состоит атом? ядро атома? 6. Какая частица имеет наименьший отрицательный заряд? наименьший положительный заряд? 7. Как вы понимаете утверждение, что электрический заряд является дискретным?

Упражнение № 19

1.    На рисунке изображены положительно заряженное тело и подвешенные на нитях шарики 1 и 2. Определите знаки зарядов шариков.

2.    На тонкой шелковой нити висит заряженный бумажный шар. Как, имея эбонитовую палочку и кусочек шерсти, определить знак электрического заряда шара?

3.    Атом, в ядре которого 12 протонов, потерял 2 электрона. Сколько электронов осталось в атоме?

4.    Сколько избыточных электронов передано телу, если его заряд равен -1 Кл?

5.    Воспользовавшись дополнительными источниками информации или собственным опытом, приведите несколько интересных примеров взаимодействия заряженных тел.

6.    Определите силу, с которой тело массой 5 г притягивается к Земле. Как называют эту силу? Выполните схематический рисунок, на котором укажите направление действия и точку приложения этой силы.

Экспериментальное задание

Составьте план исследования взаимодействия заряженных тел. В качестве объектов для исследования возьмите бумажную и полиэтиленовую полоски размером примерно 4 х15 см, подвешенную на нити полиэтиленовую полоску размером 2 х3 см, пластмассовую ручку. Проведите соответствующий эксперимент.

Видеоопыт. Посмотрите видеоролик и объясните наблюдаемое явление.

Физика и техника в Украине

Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина (ХНУ), основанный в ноябре 1804 г., — один из старейших университетов Восточной Европы. История ХНУ является неотъемлемой частью интеллектуальной, культурной и духовной истории нашей страны. С Харьковским университетом связаны имена таких всемирно известных ученых и просветителей, как П. П. Гу-лак-Артемовский, А. М. Ляпунов, Н. И. Костомаров, Η. П. Барабашов, Η. Н. Бекетов, Д. И. Багалей, А. Н. Краснов, М. В. Остроградский, В. А. Стеклов, А. А. Потебня, А. В. Погорелов, и многих других. Харьковский университет — единственный в Украине, где учились или работали три лауреата Нобелевской премии — биолог И. И. Мечников, физик Л. Д. Ландау, экономист Саймон Кузнец.

С 1998 г. ректор ХНУ — академик НАН Украины Виль Савбанович Бакиров.