Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар
§ 21. Механізм електризації. Електроскоп
Вважають, що систематичне вивчення електромагнітних явищ розпочав англійський учений Вільям Ґільберт (рис. 21.1). Однак пояснити електризацію тіл змогли понад три століття потому. Після відкриття електрона фізики з’ясували, що певні електрони можуть порівняно легко відриватися від атома або приєднуватися до нього, перетворюючи нейтральний атом на заряджену частинку — йон. А от як відбувається електризація макроскопічних тіл, ви дізнаєтесь із цього параграфа.
Рис. 21.1. Вільям Гільберт (1544-1603) — англійський фізик і лікар, засновник науки про електрику
1. Розглядаємо електризацію тертям
Озброївшись знаннями про будову атома, розглянемо процес електризації тертям. Візьмемо ебонітову паличку і потремо її об вовняну тканину. У цьому випадку, як ви вже знаєте, паличка набуває негативного заряду. З’ясуємо, що спричинило появу заряду на паличці.
Перед натиранням і паличка, і вовна є електрично нейтральними (незарядженими). А от у разі щільного контакту двох тіл, виготовлених із різних матеріалів, частина електронів переходить з одного тіла на інше. Якщо після контакту тіла роз’єднати, то вони виявляться зарядженими: тіло, яке віддало частину своїх електронів, буде заряджене позитивно, а тіло, яке їх одержало,— негативно. Вовна втримує свої електрони менш міцно, ніж ебоніт, тому під час контакту електрони в основному переходять з вовняної тканини на ебонітову паличку, а не навпаки. У результаті після роз’єднання паличка виявляється негативно зарядженою, а тканина — позитивно. Аналогічного результату можна досягти, якщо розчесати сухе волосся пластмасовим гребінцем (рис. 21.2).
Рис. 21.2. Перед розчісуванням кількість позитивних зарядів на волоссі й гребінці дорівнює кількості негативних (а). Під час розчісування частина електронів з волосся перейде на гребінець, у результаті чого гребінець зарядиться негативно, а волосся — позитивно (б)
Зазначимо, що загальноприйнятий вираз «електризація тертям» є не зовсім точним, правильніше було б говорити про електризацію через дотик, адже тертя тіл одне об одне потрібно тільки для того, щоб збільшити кількість ділянок їх щільного контакту.
2. Формулюємо закон збереження електричного заряду
Якщо перед дослідом, описаним у пункті 1 цього параграфа, паличка і вовняна тканина були не заряджені, то після контакту вони виявляться зарядженими, причому їхні заряди будуть рівні за модулем і протилежні за знаком. Тобто їхній сумарний заряд, як і перед дослідом, дорівнюватиме нулю.
У результаті численних дослідів фізики з’ясували, що під час електризації відбувається перерозподіл наявних електричних зарядів, а не створення нових. Отже, виконується закон збереження електричного заряду:
Повний заряд електрично замкненої системи тіл залишається незмінним під час усіх взаємодій, які відбуваються в цій системі:
де q1, q2, ..., qn — заряди тіл, що створюють електрично замкнену систему (n — кількість таких тіл).
Під електрично замкненою системою тіл розуміють таку систему, у яку не проникають заряджені частинки ззовні і яка не втрачає «власних» заряджених частинок.
3. Заземлюємо прилади та пристрої. Розрізняємо провідники і діелектрики
Якщо спробувати наелектризувати тертям металевий стрижень, утримуючи його в руці, то виявиться, що це неможливо. Річ у тім, що метали — це речовини з безліччю вільних електронів, які легко переміщуються по всьому об’єму металевого тіла. Такі речовини називають провідниками. Спроба наелектризувати металевий стрижень, тримаючи його в руці, приведе до того, що надлишкові електрони дуже швидко «втечуть» зі стрижня і він залишиться незарядженим. «Дорогою для втечі» електронів є сам дослідник, адже тіло людини — це провідник*. Зазвичай «кінцевий пункт» для електронів — Земля, яка також є провідником. Розміри її величезні, і якщо будь-яке заряджене тіло з’єднати провідником із Землею, то воно стає практично електронейтральним (незарядженим). Адже тіла, заряджені позитивно, одержать деяку кількість електронів від землі, а з тіл, заряджених негативно, надлишкова кількість електронів піде в землю.
Технічний прийом, який дозволяє розрядити будь-яке заряджене тіло шляхом з’єднання цього тіла провідником із Землею, називають заземленням.
У деяких випадках, наприклад, щоб надати заряд провіднику або зберегти на ньому заряд, заземлення слід уникати. Для цього використовують тіла, виготовлені з діелектриків. У діелектриках (їх ще називають ізоляторами) вільні заряджені частинки практично відсутні. Тому якщо між землею і зарядженим тілом поставити бар’єр у вигляді ізолятора, вільні заряджені частинки не зможуть ані покинути провідник, ані потрапити на нього і провідник залишиться зарядженим.
Скло, оргскло, ебоніт, бурштин, гума, папір — діелектрики, тому в дослідах з електростатики їх легко наелектризувати — заряд з них не стікає.
4. Дізнаємося про електризацію через вплив
Проведемо дослід. Наблизимо (не торкаючись!) негативно заряджену ебонітову паличку до незарядженої металевої сфери, розташованої на ізольованій підставці. На мить торкнемося рукою до частини сфери, віддаленої від зарядженого тіла (рис. 21.3, а), а потім приберемо заряджену паличку. Відхилення позитивно зарядженої легкої кульки покаже, що сфера набула позитивного заряду (рис. 21.3, б). Зверніть увагу: знак заряду сфери є протилежним до знака заряду ебонітової палички.
Оскільки в цьому випадку безпосереднього контакту між зарядженим і незарядженим тілами не було, описаний процес називають електризацією через вплив або електростатичною індукцією.
* Через те що тіло людини є провідником, досліди з електрикою можуть виявитися небезпечними для їх учасників!
Рис. 21.3. Електризація сфери через вплив (а); індикатором наявності заряду слугує позитивно заряджена повітряна кулька — вона відхиляється від сфери, отже, сфера (на відміну від палички) заряджена позитивно (б)
Рис. 21.4. Унаслідок дії електричного поля негативно зарядженої палички ближча до неї частина металевої сфери набуває позитивного заряду
Рис. 21.5. До запитання в § 21
Пояснюється цей вид електризації так. Унаслідок дії електричного поля негативно зарядженої палички вільні електрони перерозподіляються по поверхні металевої сфери. Електрони мають негативний заряд, тому вони відштовхуються від негативно зарядженої палички. У результаті кількість електронів стане надлишковою на віддаленій від палички частині сфери і недостатньою — на ближчій (рис. 21.4). Якщо доторкнутися до сфери рукою, то деяка кількість вільних електронів перейде зі сфери на тіло дослідника. Таким чином, на сфері виникає брак електронів, і вона стає позитивно зарядженою.
З’ясувавши механізм електризації через вплив, ви, сподіваємось, зможете пояснити, чому незаряджене металеве тіло завжди притягується до тіла, що має електричний заряд. Наприклад, поясніть, чому гільза, виготовлена з металевої фольги, притягується як до скляної палички, що має позитивний заряд (рис. 21.5, а), так і до ебонітової палички, заряд якої є негативним (рис. 21.5, б). Що відбудеться, якщо гільза торкнеться палички?
Складніше пояснити притягання до наелектризованої палички клаптиків паперу, адже відомо, що папір є діелектриком і тому практично не містить вільних електронів. Річ у тім, що електричне поле зарядженої палички діє на зв’язані електрони атомів, із яких складається папір, унаслідок чого змінюється форма електронної хмари — вона стає витягнутою (рис. 21.6). У результаті на ближчій до палички поверхні паперу утворюється заряд, який за знаком протилежний заряду палички, і тому папір починає притягуватися до палички. Описаний процес називають поляризацією діелектрика.
Рис. 21.6. Унаслідок дії зовнішнього електричного поля форма електронної хмари змінюється. Форма електронної хмари: за відсутності поля (а); за наявності поля (б). На поверхні паперу, ближчій до позитивно зарядженої палички, утворюється негативний заряд (в)
5. Конструюємо електроскоп і знайомимося з електрометром
Дотепер для вивчення електричних явищ ви використовували підручні засоби. Однак ваших знань уже достатньо, щоб зрозуміти принцип дії приладів, які дозволяють вивчати не тільки якісні, але й кількісні характеристики заряджених тіл.
Здавна для виявлення наявності в тіла електричного заряду, визначення знаку заряду тіла та оцінювання значення заряду використовують електроскоп (рис. 21.7). Пояснимо його будову.
Рис. 21.7. Будова електроскопа: 1 — індикатор (паперові смужки); 2 — корпус; 3 — металевий стрижень; 4 — діелектрик; 5 — кондуктор
Будь-які електричні явища нерозривно пов’язані з електричним полем. Ви вже знаєте, що електричне поле можна виявити за відхиленням легкої зарядженої кульки. Проте кулька — це не дуже зручний індикатор, краще використати дві смужки тонкого паперу (1). Після надання смужкам однойменного заряду вони почнуть відштовхуватися, а їхні вільні кінці (внизу) розійдуться в різні боки.
Щоб зробити прилад якомога чутливішим, для індикатора (смужок) доцільно обрати найтонший папір, але тоді на точність вимірювання можуть вплинути протяги або навіть дихання спостерігача. Для захисту смужки розташовують у корпусі (2) з прозорими бічними стінками.
Щоб донести до смужок заряд, використовують провідник — металевий стрижень (3). Щоб електричний заряд не стікав зі стрижня на корпус, у місці їхнього стикання встановлюють бар’єр із діелектрика (4).
Нарешті, останній елемент конструкції електроскопа — кондуктор (5) — металева порожниста куля, яка прикріплена до верхнього кінця стрижня.
Якщо до кондуктора електроскопа доторкнутися досліджуваним зарядженим тілом, то частина заряду цього тіла потрапить на паперові смужки і вони розійдуться (рис. 21.8). Зверніть увагу: кут між смужками залежить від значення одержаного ними заряду. Цей кут тим більший, чим більший одержаний заряд.
Рис. 21.8. Електроскоп незаряджений, і смужки паперу розташовані вертикально (а); після дотикання зарядженого тіла до кондуктора електроскопа смужки розходяться (б)
Для виявлення й оцінювання електричного заряду застосовують також електрометр (рис. 21.9). На відміну від електроскопа, електрометр обов’язково має металевий корпус, шкалу, завдяки якій можна точніше оцінити значення переданого на електрометр заряду, та легку металеву стрілку (замість паперових смужок).
Рис. 21.9. Електрометр
Підбиваємо підсумки
Якщо електронейтральне тіло (тобто таке, що не має заряду) віддає частину своїх електронів, то воно стає зарядженим позитивно, а якщо одержує електрони, то стає зарядженим негативно.
Під час електризації тіл відбувається перерозподіл наявних у них електричних зарядів, а не створення нових. Для ізольованої системи тіл виконується закон збереження електричного заряду: повний заряд електрично замкненої системи тіл залишається незмінним під час усіх взаємодій, які відбуваються в системі.
Технічний прийом, який дозволяє розрядити будь-яке заряджене тіло шляхом з’єднання цього тіла провідником із Землею, називають заземленням.
Під час дії електричного поля на провідник відбувається процес перерозподілу електричних зарядів усередині провідника — електростатична індукція. Під час дії електричного поля на діелектрик відбувається поляризація діелектрика.
Електроскоп — прилад для виявлення електричного заряду.
Контрольні запитання
1. Що і чому відбувається під час щільного контакту двох тіл, виготовлених із різних матеріалів? 2. Чому під час тертя ебонітової палички об вовняну тканину електризуються обидва тіла? 3. Сформулюйте закон збереження електричного заряду. 4. У чому полягає відмінність провідників і діелектриків? 5. Що називають заземленням? 6. Як за допомогою негативно зарядженого тіла зарядити інше тіло позитивно? 7. Поясніть, чому будь-яке електрично ізольоване незаряджене тіло завжди притягується до тіла, яке має електричний заряд. 8. Для чого застосовують електроскоп? Як він сконструйований і яким є принцип його дії? 9. Чим електрометр відрізняється від електроскопа?
Вправа № 21
1. Чи відрізняється маса незарядженої палички з оргскла від маси тієї самої палички, зарядженої позитивно? Якщо відрізняється, то як?
2. Чи може статися так, що після дотику до кондуктора зарядженого електроскопа якимось тілом електроскоп виявиться незарядженим? Поясніть свою відповідь.
3. Електроскопу передали позитивний заряд (рис. 1, а). Потім до нього піднесли не торкаючись іншу заряджену паличку (рис. 1, б). Визначте знак заряду палички.
Рис. 1
4. Дві однакові провідні заряджені кульки торкнулися одна одної й відразу розійшлися. Обчисліть заряд кожної кульки після дотику, якщо перед дотиком заряд першої кульки дорівнював -3 • 10-9 Кл, заряд другої кульки дорівнював 9 • 10-9 Кл.
5. Як за допомогою негативно зарядженої металевої кульки, не зменшуючи її заряду, позитивно зарядити таку саму, але незаряджену кульку? негативно зарядити таку саму кульку?
6. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся, для чого використовують антистатик і як він «працює».
Експериментальні завдання
1. Зі скляної банки з капроновою кришкою виготовте електроскоп (рис. 2). Як стрижень електроскопа можна використати металеву спицю для плетіння, а замість смужок паперу — вузькі смужки фольги. Випробуйте виготовлений вами електроскоп.
Рис. 2
2. Виготовте з легкого паперу маленькі човники та опустіть їх на воду. За допомогою наелектризованого гребінця змусьте вашу «флотилію» рухатися.
Фізика і техніка в Україні
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» (КПІ) — найбільший вищий навчальний заклад країни — було створено наприкінці XIX ст. Тоді на чотирьох відділеннях інституту навчалося лише 360 студентів. Сьогодні КПІ, якому в 1995 р. надано статус Національного технічного, а в 2007 р. — статус дослідницького університету, налічує понад 40 тис. студентів, що здобувають знання на 19 факультетах. Протягом XX ст. з інститутом були тісно пов’язані життя та діяльність усесвітньо відомих учених й інженерів: Д. І. Менделєєва, М. Є. Жуковського, К. А. Тімірязєва, І. І. Сікорського, С. П. Корольова, С. П. Тимошенка, Є. О. Патона, Б. Є. Патона та багатьох інших.