Электричество

Электричество

В физике существует интересный раздел, который называется электродинамикой. Он занимается изучением электромагнитного поля - особой формы материи, с помощью которой происходит взаимодействие между электрически заряженными частицами.

Термин «электричество» произошёл от греческого «электрон», что в переводе означает «янтарь». И это объяснимо, ведь первое знакомство с электричеством состоялось, когда греческий философ Фалес Милетский в VII веке до н. э. обнаружил, что янтарь начинает притягивать к себе некоторые лёгкие предметы, если потереть его о шерсть.

Электрический заряд

Электричество

Электрический заряд

Основное понятие в электродинамике - электрический заряд. Это физическая величина, характеризующая способность тел создавать вокруг себя электрическое поле и воздействовать с его помощью на другие заряженные тела, то есть участвовать в электромагнитном взаимодействии.

Само существование электрических зарядов, их движение и взаимодействие являются причиной явления, которое называется электричеством.

Проведём очень простой опыт. Для этого нам понадобятся 2 листа бумаги и стеклянная палочка. Один лист разрежем на мелкие кусочки. Потрём палочку о целый лист бумаги. Затем приблизим её к нарезанным  кусочкам и увидим, что они прилипают к палочке. Такой же результат мы получим, если проведём пластмассовой расчёской по сухим волосам, а затем поднесём её к нарезанной бумаге. Эти опыты - пример электрического взаимодействия.

В конце XVI века тела, притягивающие другие лёгкие предметы после натирания, назвали наэлектризованными.

В 1729 г. французский физик Шарль Франсуа Дюфе открыл 2 вида электрических зарядов. Они получили название: «стеклянный» и «смоляной», так как один появлялся при трении стекла о шёлк, а другой - смолы о шерсть. В те времена не делали различий между ними. Но позже их назвали положительным и отрицательным зарядами. Также было доказано, что тела, заряженные одноимёнными зарядами, отталкиваются, а разноимённо заряженные тела притягиваются.

Как же появляется электрический заряд?

При трении двух электрически нейтральных тел (диэлектриков) часть зарядов переходит от одного тела к другому. Так происходит, потому что атомы и молекулы одного вещества имеют более сильное притяжение, чем атомы и молекулы другого, и поэтому они способны «оторвать» у него электроны. И в результате электроны переходят с одного тела на другое, и заряды разделяются. Одно тело, на котором возникает избыток электронов, оказывается заряженным отрицательно, а другое приобретает положительный заряд. Процесс разделения зарядов в результате контакта двух или более тел, называют электризацией.

Но электризация возникает не только при трении. Другой способ - электризация прикосновением. Для этого опыта нам понадобится «бумажный султан» - прибор, представляющий собой нарезанные бумажные ленточки, перевязанные посередине и прикреплённые к металлическому стрежню. 

Электричество

Бумажный султан

Он напоминает цветок с завядшими листьями. Но стоит только прикоснуться к нему заряженной стеклянной палочкой, как лепестки разойдутся в стороны, и наш «цветок» превратится в шар. Ленточки получили одинаковые заряды, которые оттолкнули их друг от друга. Прикоснёмся к ним рукой. Лепестки опадут снова, потому что их заряд перешёл на нас, и они стали электрически нейтральными.

Существует также электризация индукцией (наведением).

Поставим рядом 2 металлических шара так, чтобы они соприкасались. Шары не заряжены. Поднесём к одному из них, не касаясь его поверхности, наэлектризованную стеклянную палочку, имеющую положительный заряд. После этого, не убирая палочки, раздвинем шары. Оба шара окажутся заряженными разноимённо.

Электричество

Электричество

Наведение заряда индукцией

В чём же причина того, что произошло с шарами? Всё объясняется тем, что атом металла состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого движутся электроны. Они образуют «электронное облако». Так как их притяжение к ядру довольно слабое, то они могут отделяться от своих атомов и переходить к другим. Поэтому когда мы приближаем положительно заряженную палочку к одному из шаров, электроны начинают притягиваться к ней и перетекать в этот шар, и в нём образуется избыточный отрицательный заряд. Другой шар окажется заряженным положительно.

Электризация может возникнуть и в одном теле. В электрически нейтральном теле заряды распределены равномерно. Но в результате наведения в одной части тела станет больше положительных зарядов, а в другой будет избыток отрицательных. Если разъединить эти части, то они будут заряжены разноимённо. Если увеличивать расстояние между ними, совершая работу по разделению, то разность потенциалов между ними будет возрастать.

Но наведением (индукцией) можно наэлектризовать не все вещества, а только те, которые имеют свободные электроны. Заряды в них могут переноситься в другие части или другие тела. Такие вещества называют проводниками.

Пластмассовые, деревянные или резиновые тела свободных электронов не имеют, поэтому не могут проводить заряд. Такие вещества называются диэлектриками. Диэлектрики электризуются только трением.

В начале XX века американский физик Роберт Эндрюс Милликен опытным путём установил, что электрический заряд любого тела состоит из целого числа элементарных зарядов, приблизительно равных 1,6 · 10-19 Кл. Заряд электрона равен одному отрицательному элементарному заряду. А заряд элементарной частицы - протона равен одному положительному элементарному заряду.

Закон сохранения электрического заряда

Это один из важнейших законов физики наряду с законом сохранения энергии и законом сохранения импульса.

Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц в электрически изолированной системе остаётся величиной постоянной независимо от процессов, происходящих в ней.

q1 + q2 + q3 + … + qn  = const

Электроскоп

Электричество

Электроскоп

Обнаруживают электрические заряды и определяют их величину с помощью прибора, который называется электроскопом. Самый простой электроскоп состоит из электрода и прикреплённых к нему 2 листочков фольги. Если прикоснуться заряженным предметом к электроду, то заряды начинают стекать по нему на фольгу. Листочки получают одинаковый заряд и отклоняются друг от друга.

Простейший электроскоп можно изготовить из обычной бутылки с широким горлом, закрыв это горло пробкой, в которую вставлен металлический стержень с прикреплёнными к нему двумя узкими полосками бумаги.

Для измерения величины электрических зарядов используют другой прибор, называемый электрометром. Он похож на электроскоп. Но вместо листочков фольги к стержню прикреплена вращающаяся стрелка со шкалой. Стержень и стрелка получают одинаковые заряды от заряженной палочки. По углу отклонения стрелки определяют величину заряда.

Электричество 

Электрометр

Взаимодействие неподвижных заряженных частиц изучает раздел электродинамики, который называется электростатикой.

Закон Кулона

Электричество

Шарль Огюсте́н де Куло́н

Это основной закон электростатики. Он описывает, как  зависит сила взаимодействия между неподвижными точечными электрическими зарядами от их величины и расстояния между ними.

Важно помнить, что закон справедлив только для неподвижных зарядов, если расстояние между заряженными телами намного больше их размеров.

Если заряженное тело имеет настолько малые размеры, что ими можно пренебречь по сравнению с расстоянием, на котором рассматривается воздействие заряда, то такой заряд считается точечным.

Закон Кулона является фундаментальным законом. Он был выведен экспериментальным путём.

Для изучения взаимодействия точечных зарядов Кулон придумал крутильные весы. Они состояли из вертикальной шёлковой нити, к которой подвешивался рычаг. На одном его конце был закреплён лёгкий шарик, на другом - противовес. Всё это помещалось в стеклянный цилиндр, в крышке которого было отверстие. В него вставлялся стержень с закреплённым бузиновым шариком. Шарику, прикреплённому к рычагу, сообщался заряд.  Он передавался бузиновому шарику, и они начинали отталкиваться. Рычаг поворачивался, а нить закручивалась до тех пор, пока силы отталкивания не уравновешивались силами упругости закрученной нити. По углу поворота рычага определяли крутящий момент сил притяжения и отталкивания.

Электричество

Опыт Кулона

Свой закон Шарль Огюсте́н де Куло́н, учёный-физик и военный инженер, сформулировал в 1785 г. следующим образом:  «Модуль силы, с которой взаимодействуют два точечных заряда в вакууме, прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними».

F = k·| q1 , q2|/r2

Сила взаимодействия направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, следовательно, является векторной величиной.

Электричество 

где Электричество  - сила, с которой первый заряд действует на второй;

q1 , q2 - величина зарядов;

Электричество - вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2, и равный расстоянию между этими зарядами;

k - коэффициент пропорциональности.

Согласно третьему закону Ньютона сила, с которой первый заряд действует на второй, равна силе, действующей со стороны второго заряда на первый.

Если знаки зарядов одинаковы, сила взаимодействия является силой отталкивания, а если разные, то силой притяжения.

В честь учёного единица величины электрического заряда названа Кулоном. Его имя носит и открытый им закон.

Статическое электричество

Электричество

Наэлектризованная расчёска

Если на поверхности или внутри диэлектриков или на изолированных проводниках появляются свободные электрические заряды, то возникает явление, которое называется статическим электричеством. С ним мы постоянно сталкиваемся в повседневной жизни.

При контакте тела (трении) о шерстяную вещь она получает положительный заряд, а тело - отрицательный. При расчёсывании волос пластмассовой расчёской волосы заряжаются положительно, а расчёска - отрицательно. Полиэтиленовые пакеты накапливают отрицательный заряд.

Электрический разряд

Электричество

Грозовой разряд в атмосфере

Если тело человека наэлектризовано, и он дотронется до металлического предмета - трубы отопления или холодильника, произойдёт моментальная разрядка, и человек получит удар током. Но хотя величина статического напряжения может быть очень высокой, ток при мгновенном разряде имеет небольшую величину. Поэтому статический заряд особой опасности для человека не представляет. Но он может создать массу проблем для электронных приборов, нарушив их нормальную работу. Поэтому необходим комплекс мер, защищающих эти приборы от статического электричества.

В природе статическое электричество накапливается в грозовых облаках. Если два облака имеют разные заряды, между ними образуется гигантский электрический разряд. И во время грозы мы видим яркую вспышку - молнию, сопровождающуюся громом. Чаще всего молния возникает между заряженным облаком и озоновым слоем Земли и дальше уходит в землю.