§ 21. Механизм электризации. Электроскоп

Считается, что систематическое изучение электромагнитных явлений первым начал английский ученый У. Гильберт (рис. 21.1). Однако объяснить электризацию тел смогли лишь три столетия спустя. После открытия электрона физики выяснили, что часть электронов может отрываться от атома или присоединяться к нему, превращая нейтральный атом в заряженную частицу — ион. А как происходит электризация макроскопических тел?

Рассматриваем электризацию трением

Вооружившись знаниями о строении атома, рассмотрим процесс электризации трением. Потрем эбонитовую палочку о шерстяную ткань, — как вы уже знаете, палочка приобретет отрицательный заряд. Выясним, почему возникает этот заряд.

Перед трением палочка и шерсть были электрически нейтральными (незаряженными). Однако в случае плотного контакта двух тел, изготовленных из разных материалов, часть электронов переходит с одного тела на другое (расстояния, на которые при этом перемещаются электроны, не превышают межатомных расстояний). Если теперь тела разъединить, то они окажутся заряженными: тело, которое отдало часть своих электронов, будет заряжено положительно, а тело, которое

их получило, — отрицательно. Шерсть удерживает свои электроны слабее, чем эбонит, поэтому при контакте электроны в основном переходят с шерстяной ткани на эбонитовую палочку, а не наоборот. В результате палочка оказывается заряженной отрицательно, а шерсть — положительно. Аналогичного результата можно достичь, если расчесать сухие волосы пластмассовой расческой (рис. 21.2).

Следует отметить, что общепринятое выражение «электризация трением» является не совсем точным, правильнее было бы говорить об электризации касанием, ведь трение нужно лишь для того, чтобы увеличить количество участков плотного контакта тел.

Формулируем закон сохранения электрического заряда

Если перед опытом, описанным в пункте 1, палочка и шерстяная ткань были не заряжены, то после контакта они окажутся заряженными, причем их заряды будут равны по модулю и противоположны по знаку. То есть их суммарный заряд, как и перед опытом, будет равен нулю.

Экспериментально было установлено, что при электризации происходит перераспределение имеющихся электрических зарядов, а не создание новых, то есть выполняется закон сохранения электрического заряда:

Полный заряд электрически замкнутой системы тел остается неизменным при любых взаимодействиях, происходящих в этой системе:

где ^₁, q₂, ..., q_n — заряды тел, образующих электрически замкнутую систему (n — количество таких тел).

Под электрически замкнутой системой тел понимают такую систему, в которую не проникают заряженные частицы извне и которая не теряет «собственные» заряженные частицы.

Заземляем приборы и устройства. Различаем проводники и диэлектрики

Если попробовать наэлектризовать трением металлический стержень, удерживая его в руке, то окажется, что это невозможно. Дело в том, что металлы — это вещества со множеством так называемых свободных электронов, которые легко перемещаются по всему объему металлического тела. Такие вещества называют проводниками. Попытка наэлектризовать металлический стержень, держа его в руке, приведет к тому, что избыточные электроны

очень быстро «убегут» со стержня и он останется незаряженным. «Дорогой для бегства» электронов является сам исследователь, ведь тело человека — это проводник¹¹.

Обычно «конечный пункт» для электронов — Земля, которая также является проводником. Размеры ее огромны, и если заряженное тело соединить проводником с землей, оно станет практически электронейтральным. Ведь тела, заряженные положительно, получат «недостающие» электроны от земли, а с тел, заряженных отрицательно, «избыточные» электроны уйдут в землю.

Технический прием, который позволяет разрядить любое заряженное тело путем соединения этого тела проводником с землей, называют заземлением.

В некоторых случаях, например чтобы передать заряд проводящему телу или сохранить на нем заряд, заземления следует избегать. Для этого используют диэлектрики. В диэлектриках — их еще называют изоляторами — свободные заряженные частицы практически отсутствуют. Поэтому если между землей и заряженным телом поставить барьер в виде изолятора, свободные заряженные частицы не смогут ни покинуть тело, ни попасть на него и тело останется заряженным.

Стекло, оргстекло, эбонит, янтарь, резина, бумага — диэлектрики, поэтому в опытах по электростатике их легко наэлектризовать — заряд с них не стекает.

Узнаём об электризации через влияние

Проведем опыт. Приблизим (не касаясь) отрицательно заряженную эбонитовую палочку к незаряженной металлической сфере, расположенной на изолированной подставке. На миг прикоснемся рукой к части сферы, удаленной от заряженного тела (рис. 21.3, а), а затем уберем заряженную палочку. Отклонение положительно заряженного легкого шарика покажет, что сфера получила положительный заряд (рис. 21.3, б).

Обратите внимание: знак заряда сферы является противоположным знаку заряда эбонитовой палочки.

Поскольку в данном случае непосредственного контакта между заряженным и незаряженным телами не было, описанный процесс называют электризацией через влияние или электростатической индукцией.

Объясняется этот вид электризации так. В результате воздействия электрического поля заряженной палочки свободные электроны перераспределяются по поверхности металлической сферы. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому они отталкиваются от отрицательно заряженной палочки. В результате число электронов станет избыточным на удаленной от палочки части сферы и недостаточным — на ближней (рис. 21.4). Если коснуться сферы рукой, часть свободных электронов перейдет со сферы на тело исследователя, — на сфере возникнет недостаток электронов, и она станет положительно заряженной.

Выяснив механизм электризации через влияние, объясните, почему незаряженное металлическое тело всегда притягивается к телу, имеющему электрический заряд. Например, почему гильза из металлической фольги притягивается как к стеклянной палочке, имеющей положительный заряд (рис. 21.5, а), так и к эбонитовой палочке, заряд которой отрицателен (рис. 21.5, б)? Что произойдет, если гильза прикоснется к палочке?

Сложнее объяснить притяжение к наэлектризованной палочке кусочков бумаги, ведь известно, что бумага — диэлектрик, поэтому практически

не имеет свободных электронов. Дело в том, что электрическое поле заряженной палочки действует на связанные электроны атомов, из которых состоит бумага, вследствие чего изменяется форма электронного облака — оно становится вытянутым (рис. 21.6). В результате на ближней к палочке поверхности бумаги образуется заряд, противоположный по знаку заряду палочки, и поэтому бумага начинает притягиваться к палочке. Описанный процесс называют поляризацией диэлектрика.

Конструируем электроскоп и знакомимся с электрометром

До сих пор для изучения электрических явлений вы использовали подручные средства. Однако ваших знаний уже достаточно, чтобы понять принцип действия приборов, позволяющих изучать заряды тел.

Издавна, чтобы выявить наличие у тела электрического заряда, определить знак заряда тела и оценить значение заряда, используют электроскоп (рис. 21.7). Рассмотрим его устройство.

Любые электрические явления неразрывно связаны с электрическим полем. Вы уже знаете, что наличие электрического поля можно обнаружить по отклонению легкого заряженного шарика. Но шарик — это не очень удобный индикатор, лучше использовать две полоски тонкой бумаги (1). После передачи полоскам одноименного заряда они начнут отталкиваться и их свободные концы разойдутся.

Чтобы сделать прибор как можно более чувствительным, для индикатора (полосок) следует взять очень тонкую бумагу, но тогда на работу прибора могут повлиять сквозняки или даже дыхание наблюдателя. Поэтому полоски помещают в корпус (2) с прозрачными боковыми стенками.

А вот чтобы донести к индикатору заряд, используют проводник — металлический стержень (3). Электрический заряд не должен стекать со стержня на корпус, поэтому в месте их соединения устанавливают барьер из диэлектрика (4).

Наконец, последний элемент конструкции электроскопа — кондуктор (5) — металлический

полый шар, прикрепленный к верхнему концу стержня.

Если к кондуктору электроскопа прикоснуться исследуемым заряженным телом, то часть заряда этого тела попадет на бумажные полоски и они разойдутся (рис. 21.8). Обратите внимание: угол между полосками зависит от значения полученного ими заряда. Этот угол тем больше, чем больше полученный заряд.

Для выявления и оценки значения электрического заряда используют также электрометр (рис. 21.9). В отличие от электроскопа электрометр обязательно имеет металлический корпус, шкалу, благодаря которой можно точнее оценить значение переданного на электрометр заряда, и легкую металлическую стрелку (вместо бумажных полосок).

Подводим итоги

Если электронейтральное (то есть не имеющее заряда) тело отдает часть своих электронов, оно становится заряженным положительно, а если получает электроны, то становится заряженным отрицательно.

При электризации тел происходит перераспределение имеющихся в них электрических зарядов, а не создание новых. Для изолированной системы тел выполняется закон сохранения электрического заряда: полный заряд электрически замкнутой системы тел остается неизменным при любых взаимодействиях, происходящих в этой системе.

Технический прием, позволяющий разрядить любое заряженное тело путем соединения этого тела проводником с землей, называют заземлением.

В результате действия электрического поля на проводник происходит процесс перераспределения зарядов внутри проводника — электростатическая индукция. При действии электрического поля на диэлектрик происходит поляризация диэлектрика.

Электроскоп — прибор для выявления электрического заряда.

Контрольные вопросы    —

1. Что происходит при тесном контакте двух тел, изготовленных из разных материалов? 2. Почему при трении эбонитовой палочки о шерстяную ткань электризуются оба тела? 3. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда. 4. В чем отличие проводников и диэлектриков? 5. Что называют заземлением? 6. Как с помощью отрицательно заряженного тела зарядить другое тело положительно? 7. Объясните, почему любое незаряженное тело всегда притягивается к телу, имеющему электрический заряд. 8. Для чего используют электроскоп? Расскажите о его устройстве и принципе действия. 9. Чем электрометр отличается от электроскопа?

Упражнение № 21

1.    Отличается ли масса незаряженной стеклянной палочки от массы той же палочки, заряженной положительно? Если отличается, то как?

2.    Может ли быть так, что после касания кондуктора заряженного электроскопа каким-либо телом электроскоп окажется незаряженным? Поясните свой ответ.

3.    Электроскопу передали положительный заряд (рис. 1, а), а затем приблизили другую заряженную палочку (рис. 1, б).

Определите знак заряда этой палочки.

4.    Два одинаковых проводящих заряженных шарика коснулись друг друга и сразу же разошлись. Вычислите заряд каждого шарика после соприкосновения, если перед соприкосновением заряд первого шарика был равен -3 · 10^-9 Кл, заряд второго шарика был равен 9 · 10^-9 Кл.

5.    Как с помощью отрицательно заряженного металлического шарика, не уменьшая его заряда, отрицательно зарядить точно такой же, но незаряженный шарик?

6.    Воспользовавшись дополнительными источниками информации, узнайте, для чего используют антистатик и как он «работает».

Экспериментальные задания    --

1.    Из стеклянной банки с капроновой крышкой изготовьте электроскоп (рис. 2). В качестве стержня используйте металлическую спицу. Испытайте электроскоп.

2.    Изготовьте из бумаги маленькие легкие кораблики и опустите их на воду. С помощью наэлектризованной расчески заставьте вашу «флотилию» двигаться.

Видеоопыт. Посмотрите видеоролик и объясните наблюдаемые явления.

Физика и техника в Украине

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» (КПИ) — крупнейшее высшее учебное заведение страны — был создан в конце XIX в. Тогда на четырех отделениях института обучалось всего 360 студентов. Сегодня КПИ, которому в 1995 г. был присвоен статус Национального технического, а в 2007 г. — статус исследовательского университета, насчитывает свыше 40 тыс. студентов, обучающихся на 19 факультетах. В XX в. с институтом были тесно связаны жизнь и деятельность всемирно известных ученых и инженеров: Д. и. Менделеева, Н. Е. Жуковского, К. А. Тимирязева, И. И. Сикорского, С. П. Королева, С. П. Тимошенко, Е. О. Патона, Б. Е. Патона и многих других. С 1992 г. ректор университета — академик НАН Украины Михаил Захарович Згуровский.