Фізика. Повторне видання. 8 клас. Барʼяхтар (2025)

§ 29. Механізм електризації. Електроскоп

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ. Чи стикалися ви з явищем, що продемонстровано на рисунку? В яку пору року воно частіше відбувається? Що спричиняє появу цього явища? Чи існують запобіжні заходи?

1. Як зарядити волосся позитивним зарядом?

У разі щільного контакту двох незаряджених тіл, виготовлених із різних матеріалів, частина електронів може перейти з одного тіла на інше. У такому випадку після роз’єднання ці тіла 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 (рис. 29.1). Аналогічного результату можна досягти, якщо розчесати сухе волосся пластмасовим гребінцем (рис. 29.2).

Рис. 29.1. Результати електризації тертям ебонітової палички і вовняної тканини

Рис. 29.2. 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)

Іноді електризація може мати більш негативні наслідки, ніж зіпсована зачіска. Уявіть, морозний зимовий день, і ви одягнені в декілька шарів одягу з різних матеріалів. Дуже ймовірно, що ваш одяг та тіло наелектризуються. Тому, коли ви торкаєтеся дверної ручки, яка зазвичай не заряджена, електрони починають швидко перетікати між долонею і ручкою — виникає електричний розряд. Розряд заявить про себе характерним тріском. Іноді, коли заряд великий (близько 600 нКл), тріск буде супроводжуватися невеликою іскрою та неприємним поколюванням у долоні.

У кожному з наведених прикладів йшлося про так звану електризацію тертям. Існують також інші способи наелектризувати тіло. Про деякі з них ви дізнаєтесь із цього параграфа, а також під час подальшого вивчення фізики.

2. Чи можна наелектризувати металевий стрижень, утримуючи його в руці?

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 сама людина, адже її тіло — 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 поверхнею Землі, 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 поверхнею Землі та 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 із них не стікає.

* Через те що тіло людини є провідником, досліди з електрикою можуть виявитися небезпечними для їх учасників та учасниць!

А ЯК НАСПРАВДІ?

Блогер описав враження від візиту на станцію технічного обслуговування з метою пофарбувати своє авто:

— Мене прийняв дуже ввічливий менеджер та розповів, що станція нещодавно почала використовувати новітній метод електростатичного фарбування, при якому значно знижуються витрати фарби та посилюється її зчеплення. Це досягається завдяки тому, що фарба являє собою порошок, який розпилюється у вигляді негативно заряджених частинок.

Стоп! Я добре вчив фізику в школі. Фарба, яка буде нанесена на моє авто, відпаде. Уже перші частинки зарядять поверхню негативно. А як відомо, «мінус» відштовхується від «мінуса». Тобто наступні частинки фарби навіть не долетять до мого авто.

Хто, на вашу думку, є правим у цій дискусії?

3. У якому випадку електризацію називають електростатичною індукцією?

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. 29.3, а), а потім приберемо заряджену паличку. Відхилення позитивно зарядженої легкої кульки покаже, що сфера набула позитивного заряду (рис. 29.3, б). Зверніть увагу: знак заряду сфери є протилежним до знака заряду ебонітової палички.

Рис. 29.3. 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)

Оскільки в цьому випадку безпосереднього контакту між зарядженим і незарядженим тілами не було, описаний процес називають електризацією через вплив або електростатичною індукцією.

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. 29.4). 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.

Рис. 29.4. Унаслідок дії електричного поля негативно зарядженої палички ближча до неї частина металевої сфери набуває позитивного заряду

ДОСЛІДЖЕННЯ

Що знадобиться: клаптик фольги, повітряна кулька, нитка.

Об’єднайтеся в команди. Зробіть із фольги гільзу і закріпіть її на нитці. Наелектризуйте повітряну кульку, наприклад, тертям об волосся. Піднесіть кульку до гільзи і спостерігайте за її поведінкою. Поясніть покроково спостережувані явища. Намалюйте пояснювальну схему і презентуйте результати роботи іншим командам.

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. 29.5). 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. 29.5. Форма електронної хмари: за відсутності поля (а); за наявності поля (б). На поверхні паперу, ближчій до позитивно зарядженої палички, утворюється негативний заряд (в)

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...

У польоті літаки зазвичай електризуються. Особливо швидко електричні заряди накопичуються при польоті в хмарах, коли відбувається постійний контакт із крапельками води або кристаликами льоду. Зрозуміло, що конструктори враховують потенційну небезпеку цього явища. Зокрема, літак конструюють таким чином, щоб зменшити можливість розрядів між його окремими елементами. По-друге, на фюзеляжі та крилах є частини, що виступають. Вони сприяють «стіканню» зарядів у повітря. Нарешті, нанесення провідних покриттів на окремі частини конструкції дозволяє оптимізувати розподіл зарядів по поверхні літака. Усі ці заходи гарантують пасажирам безпечний політ. Навіть коли в літак влучає блискавка, пілоти в більшості випадків у змозі самостійно впоратися з проблемою.

4. Для чого використовують електроскоп?

Здавна для виявлення наявності в тіла електричного заряду, визначення знака заряду тіла та оцінювання значення заряду використовують електроскоп (рис. 29.6).

Рис. 29.6. Будова електроскопа: 1 — індикатор (паперові смужки); 2 — корпус; 3 — металевий стрижень; 4 — діелектрик; 5 — кондуктор

Якщо до кондуктора електроскопа доторкнутися досліджуваним зарядженим тілом, то частина заряду цього тіла потрапить на паперові смужки і вони розійдуться (рис. 29.7). Зверніть увагу: кут між смужками залежить від значення одержаного ними заряду. Цей кут тим більший, чим більший одержаний заряд.

Рис. 29.7. 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. 29.8). На відміну від електроскопа, електрометр обов’язково має металевий корпус, шкалу, завдяки якій можна порівнювати значення переданого на електрометр заряду, та легку металеву стрілку (замість паперових смужок).

Рис. 29.8. Електрометр

• Заряд якого знака отримав електроскоп, його смужки і кондуктор у результаті досліду, що продемонстровано на рисунку? Чому смужки електроскопа розійшлися?

ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Що і чому відбувається під час щільного контакту двох тіл, виготовлених із різних матеріалів? 2. У чому полягає відмінність провідників і діелектриків? 3. Що називають заземленням? 4. Як за допомогою негативно зарядженого тіла зарядити інше тіло позитивно? 5. Поясніть, чому будь-яке електрично ізольоване незаряджене тіло завжди притягується до тіла, яке має електричний заряд. 6. Для чого застосовують електроскоп? Як він сконструйований? 7. Чим електрометр відрізняється від електроскопа?

ВПРАВА № 29

1. Чи відрізняється маса незарядженої палички з оргскла від маси тієї самої палички, зарядженої позитивно? Якщо відрізняється, то як?

2. Визначте знак заряду електроскопа, а також кондуктора і паперових смужок у всіх випадках (рис. 1).

Рис. 1

3. Чи може статися так, що після дотику до кондуктора зарядженого електроскопа якимось тілом електроскоп виявиться незарядженим? Поясніть свою відповідь.

4. На рис. 2 продемонстровано дослід, який легко відтворити в домашніх умовах. Опишіть і поясніть спостережуване явище. Запропонуйте предмети, якими можна замінити паличку в цьому дослідженні. Зазначте помилку, якої припустився ілюстратор.

Рис. 2

5. Електроскопу передали позитивний заряд (рис. 3, а). Потім до нього піднесли, не торкаючись, іншу заряджену паличку (рис. 3, б). Визначте знак заряду палички.

Рис. 3

6. До незарядженої гільзи, що виготовлена з металевої фольги, підносять, не торкаючись, скляну паличку, яка має позитивний заряд (рис. 4). Оберіть три правильні твердження.

Рис. 4

А Частина гільзи, що ближча до палички, набуватиме позитивного заряду
Б Частина гільзи, що ближча до палички, набуватиме негативного заряду
В Гільза буде залишатися незарядженою
Г Під дією електричного поля палички електрони гільзи будуть рухатися вгору
Д Під дією електричного поля палички електрони гільзи будуть рухатися вниз
Е Гільза набуватиме негативного заряду
Є Гільза набуватиме позитивного заряду

7. 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, а заряд другої кульки становив 9 • 10^-9 Кл.

8. Як за допомогою негативно зарядженої металевої кульки, не зменшуючи її заряду, позитивно зарядити таку саму, але незаряджену кульку? негативно зарядити таку саму кульку?

9. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про Вільяма Гільберта (1544-1603) — англійського фізика і лікаря, засновника науки про електрику (рис. 5).

Рис. 5

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

1. Зі скляної банки з капроновою кришкою виготовте електроскоп (див. рисунок). Як стрижень електроскопа можна використати металеву спицю для плетіння, а замість смужок паперу — вузькі смужки фольги. Випробуйте виготовлений вами електроскоп.

2. Виготовте з легкого паперу маленькі човники та пустіть їх на воду. За допомогою наелектризованого гребінця змусьте вашу «флотилію» рухатися.