Фізика. Рівень стандарту. Повторне видання. 10 клас. Бар’яхтар

Розділ IV. Електричне поле

§ 40. Абетка електростатики

Усі види сил пружності й тертя мають електромагнітну природу; життєдіяльність рослин, організмів тварин і людей базується на електромагнітних взаємодіях. Вивчає цю взаємодію електродинаміка — наука про властивості електромагнітного поля, через яке здійснюється взаємодія електрично заряджених тіл або частинок. Якщо електрично заряджені тіла або частинки перебувають у спокої, їх взаємодія розглядається в розділі електродинаміки, який називають електростатикою. З основами електростатики ви ознайомились у курсі фізики 8 класу. А от щоб іти далі, необхідно згадати базові поняття.

1. Що таке електричний заряд

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

Одиниця електричного заряду в СІкулон: [q] = 1 Кл (С).

1 кулон дорівнює заряду, який проходить через поперечний переріз провідника за 1 секунду, якщо сила струму в провіднику становить 1 ампер:

1 Кл = 1 А • с (1 C = 1 A • s).

Основні властивості електричного заряду

1. Існують два роди електричних зарядів — позитивні й 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 зі скла, потертій об шовк, — позитивним.

2. Тіла, що мають заряди одного знака, відштовхуються; тіла, що мають заряди протилежних знаків, притягуються.

3. Носієм електричного заряду є частинка — електричний заряд не існує окремо від неї.

4. Електричний заряд є дискретним, тобто електричні заряди фізичних тіл кратні певному найменшому (елементарному) заряду. Носій найменшого негативного заряду — електрон. Цей заряд зазвичай позначають символом е; його значення: е = -1,6 • 10-19 Кл. Носій найменшого позитивного заряду — протон. Заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона. Якщо q — заряд тіла, е — заряд електрона, N — ціле число, то |q| = N|e|.

2. Як був виміряний заряд електрона

Перше досить точне вимірювання елементарного заряду здійснив американський фізик-експериментатор Роберт Ендрус Міллікен (1868-1953) на початку XX ст. Схему його досліду подано на рис. 40.1. У простір між зарядженими пластинами, заряд на яких можна було плавно змінювати, вчений впорскував масло. При впорскуванні утворювалися дуже маленькі крапельки, частина з яких несла негативний заряд.

Багато разів повторюючи вимірювання (історики стверджують, що досліди тривали майже 4 роки), Міллікен з’ясував, що кожного разу заряд q краплі був кратним деякому найменшому заряду: е = -1,6 • 10-19 Кл. Тобто q = Ne, де N — ціле число.

Досліджувані краплі були заряджені негативно, тобто мали надлишкову кількість електронів. Тому вчений зробив висновок, що найменший заряд — це заряд електрона.

Важливий результат роботи Міллікена — не тільки визначення заряду електрона, а й доведення дискретності електричного заряду.

3. Що відбувається під час електризації

Електризація — це процес одержання електричного заряду макроскопічними тілами або їх частинами.

Є кілька способів електризації, серед них — електризація тертям (трибоелектрика). Ви вже знаєте, що в процесі електризації тертям відбувається тісний контакт двох тіл, виготовлених із різних матеріалів, і частина електронів переходить з одного тіла на інше. Після роз’єднання тіл виявляється, що тіло, яке віддало частину своїх електронів, заряджене позитивно, а тіло, яке одержало ці електрони, заряджене негативно (рис. 40.2).

Рис. 40.2. Під час електризації тертям частина електронів зі скляної палички перейде на клаптик шовку, в результаті чого скляна паличка набуде позитивного заряду, а клаптик шовку — негативного

За будь-якого способу електризації тіл відбувається перерозподіл наявних в них електричних зарядів, а не поява нових. Це твердження є наслідком одного з найважливіших законів природи — закону збереження електричного заряду:

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

q1 + q2 + ... + qn = const,

де q1, q2, ..., qn — заряди тіл, які утворюють систему; n — кількість тіл.

Таким чином, якщо перед електризацією тертям скляної палички об шовкову тканину і паличка, і тканина були незарядженими, то після тертя вони виявляться зарядженими, причому їхні заряди будуть однаковими за модулем і протилежними за знаком. Тобто їхній сумарний заряд, як і перед дослідом, дорівнюватиме нулю.

4. Що визначає закон Кулона

Французький фізик Шарль Кулон (1736-1806) експериментально встановив закон, який став основним законом електростатики і був названий на його честь, — закон Кулона:

Сила F взаємодії двох нерухомих точкових зарядів q1 і q2 прямо пропорційна добутку модулів цих зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані r між ними:

Коефіцієнт пропорційності k чисельно дорівнює силі, з якою взаємодіють два точкові заряди по 1 Кл кожний, розташовані у вакуумі на відстані 1 м один від одного.

Зверніть увагу!

• У законі Кулона йдеться про добуток модулів зарядів, оскільки знаки зарядів впливають лише на напрямок сили.

• Сили, з якими взаємодіють точкові заряди, зазвичай називають кулонівськими силами.

• Кулонівські сили напрямлені вздовж прямої, яка з'єднує точкові заряди, що взаємодіють.

• Якщо треба визначити силу взаємодії зарядів у випадку, коли взаємодіють три заряди чи більше, спочатку визначають сили взаємодії певного заряду з кожним із решти зарядів, а потім розраховують їхню результуючу.

• Якщо заряди перемістити з вакууму в діелектрик, то сила їхньої взаємодії зменшиться в ε разів, де ε — діелектрична проникність діелектрика (див. § 43).

5. Учимося розв'язувати задачі

Задача. На прямій, яка з’єднує позитивний заряд q1 і негативний заряд q2, кожен із яких дорівнює за модулем 5 • 10-7 Кл, розташований заряд q3 = -1 • 10-8 Кл. Відстань r1 між зарядами q1 і q3 дорівнює 6 см, відстань r2 між зарядами q2 і q3 дорівнює 3 см. Обчисліть силу, яка діє на заряд q3, якщо він розташований між зарядами q1 і q2.

Контрольні запитання

1. Що називають електричним зарядом? 2. Назвіть одиницю електричного заряду. 3. Які роди зарядів існують? 4. Як взаємодіють тіла, що мають заряди одного знака? протилежних знаків? 5. Яка частинка має найменший негативний заряд? найменший позитивний заряд? 6. Як ви розумієте твердження, що електричний заряд є дискретним? 7. Хто і як першим виміряв заряд електрона? 8. Якщо електронейтральне тіло віддасть частину своїх електронів, заряд якого знака воно матиме? 9. Чому під час електризації тертям електризуються обидва тіла? 10. Сформулюйте закон збереження електричного заряду. 11. Сформулюйте закон Кулона.

Вправа № 40

1. Як поводиться ваше волосся відразу після того, як ви стягнули через голову светр, виготовлений, наприклад, з акрилу? Чому?

2. Як зміниться сила взаємодії двох зарядів, якщо відстань між ними збільшити в 4 рази, а модуль кожного заряду збільшити в 2 рази?

3. Дві однакові маленькі металеві кульки заряджені так, що модуль заряду однієї з них у 5 разів більший, ніж модуль заряду іншої. Кульки змусили торкнутись одна одної і розвели на початкову відстань. У скільки разів змінилася сила взаємодії кульок, якщо перед дотиком вони були заряджені однойменно? різнойменно?

4. На шовковій нитці підвісили маленьку кульку, яка має заряд 5 • 10-8 Кл і масу 2 г. Після того як знизу до неї піднесли другу заряджену кульку, сила натягу нитки, що діє на першу кульку, збільшилась у 2 рази. Визначте відстань між кульками, якщо їхня заряди рівні за модулем.