Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар

Розділ II. Електричні явища. Електричний струм

  • Ви бачили, що наелектризоване волосся притягується до гребінця, а тепер з’ясуєте, чому та коли це відбувається
  • Ви багато разів користувалися електричними пристроями, а тепер дізнаєтеся, що називають електричним колом, і зможете його скласти
  • Ви знаєте про існування електричного струму, а тепер довідаєтеся, за яких умов він може існувати
  • Ви щодня споживаєте електричну енергію, а тепер навчитеся розраховувати її кількість і вартість
  • Ви неодноразово спостерігали блискавку, а тепер зможете пояснити, чому вона виникає і як від неї вберегтися

Частина 1. Електричний заряд. Електричне поле. Електричний струм

§ 19. Електричний заряд та електромагнітна взаємодія

Гірничі інженери та військові називають зарядом вибухівку; інколи слово «заряд» використовують для визначення «запасу почуттів» (заряд бадьорості). А що таке електричний заряд?

1. Знайомимося з електромагнітною взаємодією

Будову атома — елементарного складника будь-якої речовини — ви вже вивчали в курсах природознавства, фізики, хімії. Отже, згадаємо: атом будь-якої речовини складається з ядра, навколо якого розташовані електрони.

Зрозуміло, що без взаємного притягання електронів і ядра атом розпався б. Можна було б припустити, що таке притягання зумовлене гравітаційною взаємодією. Але це не так: електрони та ядро занадто легкі, гравітаційна взаємодія між ними дуже слабка і є недостатньою для того, щоб утримати електрони біля ядра. Доведено, що атом не розпадається завдяки взаємодії іншого типу — її називають електромагнітною взаємодією.

Але ж ядро й електрони, з яких складається атом, відкриті порівняно недавно, близько 100 років тому. Невже науковці не знали про існування електромагнітної взаємодії раніше? Звичайно ж, знали.

Понад двадцять п’ять сторіч тому давньогрецький філософ, математик, дослідник природи Фалес (бл. 625 — бл. 547 до н. е.) із міста Мілета натирав хутром шматок бурштину і спостерігав, як після цього бурштин починав притягувати до себе пір’я птахів, пух, соломинки, сухе листя. Саме від грецької назви бурштину — електрон — процес, у результаті якого тіла набувають властивості притягувати до себе інші тіла, назвали електризацією тіл, а тіла, що мають цю властивість, — наелектризованими.

З повсякденного життя ми добре знаємо, що після розчісування сухого волосся пластмасовим гребінцем останній набуває властивості притягувати до себе волосся, ворсинки, клаптики паперу тощо. Аналогічної властивості набуває ебонітова паличка в результаті тертя об вовну або паличка з оргскла, якщо її потерти об шовк чи папір (рис. 19.1).

Рис. 19.1. Щоб наелектризувати паличку з оргскла, достатньо потерти її аркушем паперу (а). Після нетривалого тертя паличка починає притягувати до себе різні дрібні предмети (б)

2. Дізнаємося про електричний заряд

Досліди показують, що наелектризовані тіла притягують не тільки легкі ворсинки, соломинки, клаптики паперу, але й металеві предмети, грудочки землі й навіть тоненькі струмені води або олії. Зверніть увагу, що інтенсивність електромагнітної взаємодії може бути різною. Так, у досліді, зображеному на рис. 19.2, а, струмінь води відхиляється більше, ніж у досліді на рис. 19.2, б.

Рис. 19.2. Інтенсивність електромагнітної взаємодії наелектризованої палички та струменя води може бути різною

Проведіть подібні досліди. Замість палички зручно використати пластмасовий гребінець, наелектризувавши його розчісуванням волосся.

Щоб мати можливість кількісно визначати інтенсивність електромагнітної взаємодії, було введено фізичну величину — електричний заряд.

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

Електричний заряд позначають символом q. Одиниця електричного заряду в СІ — кулон (названа на честь французького фізика Шарля Кулона): [q] = 1 Кл.

Ця одиниця — похідна від основних одиниць СІ (визначення кулона подано в § 27).

Про наелектризоване тіло говорять, що тілу надано електричний заряд — тіло заряджене.

Електризація — це процес набуття макроскопічними тілами електричного заряду.

3. Вивчаємо основні властивості електричного заряду

1. Існують два роди електричних зарядів — позитивні і 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 або папір, — позитивним.

2. Тіла, що мають заряди одного знака, відштовхуються; тіла, що мають заряди протилежних знаків, притягуються (рис. 19.3).

Рис. 19.3. Однойменно заряджені паперові смужки відштовхуються (а); різнойменно заряджені — притягуються (б)

3. Носієм електричного заряду є частинка — електричний заряд не існує окремо від частинки. Під час електризації тіло приймає або віддає деяку кількість частинок, що мають електричний заряд*. Однією з негативно заряджених частинок є електрон, а однією з позитивно заряджених — протон (протони входять до складу атомного ядра).

Зазвичай під час електризації тіло приймає або віддає деяку кількість електронів.

4. Електричний заряд є дискретним, тобто електричні заряди фізичних тіл кратні певному найменшому (елементарному) заряду:

де q — заряд фізичного тіла; N — натуральне число; e — елементарний заряд.

Носієм елементарного негативного заряду є електрон. Цей заряд позначають символом е, а значення записують так: е = -1,6 • 10-19 Кл**. Носієм елементарного позитивного заряду є протон. Заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона: qp = +1,6 • 10-19 Кл.

Як ви вважаєте, чи може фізичне тіло мати заряд 0,5е? -17,7е? 198е?

5. І мікрочастинки, і макроскопічні тіла можуть мати заряд (позитивний або негативний), а можуть бути нейтральними. Наприклад, нейтральними частинками — частинками, заряд яких дорівнює нулю, — є нейтрони (вони разом із протонами складають ядро атома). До складу атомів входять протони та електрони, які мають заряд, проте самі атоми є нейтральними, оскільки в них кількість електронів збігається з кількістю протонів.

Підбиваємо підсумки

Електричний заряд — це фізична величина, яка характеризує властивість частинок і тіл вступати в електромагнітну взаємодію. Заряд позначають символом q і вимірюють у кулонах (Кл).

* Далі частинки, які мають електричний заряд, називатимемо зарядженими частинками.

** е = 1,6 • 10-19 Кл — це приблизне значення елементарного заряду, округлене до десятих. На сьогоднішній день за допомогою сучасних приладів значення елементарного заряду визначено з більшою точністю.

Процес набуття електричного заряду макроскопічними тілами називають електризацією. Під час електризації тіло зазвичай приймає або віддає деяку кількість електронів.

Розрізняють два роди електричних зарядів: позитивні і негативні. Однойменно заряджені тіла відштовхуються, а різнойменно заряджені — притягуються.

Електричний заряд є дискретним: існує мінімальний (елементарний) електричний заряд, якому кратні всі електричні заряди тіл і частинок. Електричний заряд не існує окремо від частинки; носієм елементарного негативного заряду є електрон, позитивного — протон.

Контрольні запитання

1. Що називають електричним зарядом? 2. Назвіть одиницю електричного заряду. 3. Які роди зарядів існують? 4. Який рід заряду має ебонітова паличка, потерта об вовну? паличка зі скла, потерта об шовк? 5. Як взаємодіють тіла, що мають однойменні заряди? різнойменні заряди? 6. З яких частинок складається атом? 7. Які частинки входять до складу атомного ядра? 8. Яка частинка має найменший негативний заряд? найменший позитивний заряд? 9. Як ви розумієте твердження, що електричний заряд є дискретним?

Вправа №19

1. На рисунку зображено позитивно заряджене тіло й підвішені на нитках кульки 1 і 2, що мають заряди невідомих знаків. Визначте знаки зарядів кульок 1 і 2.

2. На тонкій шовковій нитці висить заряджена паперова кулька. Як, маючи ебонітову паличку та шматок вовни, визначити знак електричного заряду кульки?

3. Атом, ядро якого має 12 протонів, утратив 2 електрони. Скільки електронів залишилося в атомі?

4. Скільки надлишкових електронів має бути передано тілу, щоб воно отримало заряд, який дорівнює -1 Кл?

5. Скориставшись додатковими джерелами інформації або власним досвідом, наведіть декілька цікавих прикладів взаємодії заряджених тіл.

6. Визначте силу, з якою тіло масою 5 г притягується до Землі. Яку назву має ця сила? Виконайте схематичний рисунок, на якому зазначте напрямок дії та точку прикладання цієї сили.

Експериментальне завдання

Складіть план дослідження характеру взаємодії заряджених тіл. Як об’єкти для дослідження візьміть паперову та поліетиленову смужки розміром близько 4x15 см, поліетиленову смужку розміром 2x3 см, підвішену на нитці, пластмасову ручку. Проведіть відповідний експеримент.

Фізика і техніка в Україні

Харківський національний університет ім. В. Н. Каразіна (ХНУ), заснований у листопаді 1804 р., — один із найстаріших університетів Східної Європи. Історія ХНУ є невід’ємною частиною інтелектуальної, культурної та духовної історії нашої країни. З Харківським університетом пов’язані імена таких усесвітньо відомих науковців та просвітителів, як Π. П. Гулак-Артемовський, О. М. Ляпунов, Μ. І. Костомаров, Μ. П. Барабашов, Μ. М. Бекетов, Д. І. Багалій, А. М. Краснов, М. В. Остроградський, В. А. Стеклов, О. О. Потебня, О. В. Погорелов та багато інших. Харківський університет — єдиний в Україні, де навчались або працювали три лауреати Нобелівської премії — біолог І.І. Мечников, фізик Л. Д. Ландау, економіст Саймон Кузнець.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.