Фізика. 8 клас. Головко

Розділ 2. Електричні явища. Електричний заряд

Усім вам добре відомі слова «електрика», «електричний струм», «електричні явища». Значення фізичних процесів, що з ними пов’язані, важко переоцінити. Побут сучасної людини неможливо уявити без використання електрики: світіння електричних ламп, роботи електричних двигунів, мобільних телефонів, комп’ютерів тощо. Перша згадка про електрику датується VI ст. до н. е., коли Фалес Мілетський, натираючи шматок бурштину сухою тканиною, отримав статичну електрику (від грец. elektron — бурштин). Проте стрімкий розвиток науки про електричні явища розпочався з винайденням у 1799 р. гальванічного елемента італійським фізиком Алессандро Вольта. Вивчаючи цей розділ фізики, ви ознайомитеся з будовою та принципом дії різноманітних електричних приладів, які використовуються в побуті та техніці, глибше зрозумієте явища навколишнього світу.

§ 18. Електричні явища. Електризація тіл

• Електричні явища
• Електричний заряд
• Електризація тіл
• Закон збереження електричного заряду

ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА. Дивне й незрозуміле завжди приваблювало людину. Ще легіонери Юлія Цезаря та моряки Христофора Колумба помітили, що поблизу вістер списів і загострених частин щогл кораблів під час негоди іноді з’являються дивні світіння блакитного, зеленого або фіолетового кольору, які супроводжуються потріскуванням (рис. 18.1). Згодом подібні світіння моряки стали називати вогнями святого Ельма. Оскільки вогні зазвичай з’являлися тоді, коли пік шторму вже позаду, моряки раділи їм і сприймали як щасливий знак, вірячи, що святий Ельм узяв корабель під своє заступництво і він обов’язково повернеться в рідну гавань.

На стінах давньоєгипетських храмів можна побачити зображення священної риби яка вражає жертву на відстані, — нільського сома (рис. 18.2, а). Подібну здатність має й електричний скат (рис. 18.2, б), що може паралізувати невеликих риб, які пропливають повз нього.

У північних країнах та в Арктиці можна спостерігати дивне й красиве електричне явище — полярне сяйво (рис. 18.3). Добре знайоме вам потріскування під час знімання синтетичного одягу — це також електричне явище.

Рис. 18.1. Вогні святого Ельма

Рис. 18.2. Риби, здатні виробляти електрику: а) нільський сом; б) електричний скат

Рис. 18.3 Полярне сяйво в Норвегії

Наразі важко уявити наше життя без електричних явищ. Вони забезпечують людині тепло, світло, допомагають у побуті, дають можливість спілкуватися на великих відстанях. Електричні явища застосовуються під час лікування та урізноманітнюють наше дозвілля. Людина винайшла багато способів одержання електричної енергії, навчилася зберігати її, передавати на великі відстані й використовувати для різних потреб. Проте, перш ніж навчитися користуватися електричними явищами, необхідно було їх ретельно вивчити.

Багато видатних учених досліджували електричні явища. Французький фізик Ш. Кулон встановив основний закон електростатики. Італійський вчений А. Вольта винайшов принципово нове джерело постійного струму, яке відіграло вирішальну роль у подальших дослідженнях електричних і магнітних явищ. Англійський дослідник М. Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції, покладене в основу сучасного виробництва електроенергії. Англієць Дж. Максвелл створив теорію електромагнітного поля.

Вивченню електричних явищ присвячена наукова діяльність і багатьох українських учених. Серед них М. Боголюбов, В. Бар’яхтар, М. Голоняк, 3. Храпливий, М. Леонтович, І. Пулюй та багато інших. Їхні наукові здобутки відомі далеко за межами України.

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ЗАРЯД. З досвіду вам відомо, що під час розчісування волосся пластмасовим гребінцем він набуває властивості притягувати до себе волосся, маленькі шматочки паперу тощо.

Рис. 18.4. Гребінець притягує волосся та дрібненькі шматочки паперу; скляна паличка, потерта об шовк та повітряна кулька натерта об хутро відхиляють тоненький струмінь води

Подібні властивості виявляються й у багатьох інших тіл, наприклад, скляної палички, потертої об шовк, ебонітової палички, потертої об сукно, повітряної кульки, натертої хутром. Напевно, ви звертали увагу, що волосини під час розчісування притягуються до гребінця, але відштовхуються між собою (рис. 18.4).

Наведені явища є проявом електромагнітної взаємодії, яка відбувається між зарядженими тілами, тобто тілами, що мають електричний заряд. Чим більшого значення заряду набувають тіла, тим інтенсивніше вони притягуються або відштовхуються між собою.

Електричний заряд — це фізична величина, яка характеризує властивості фізичних тіл або частинок речовини вступати в електромагнітну взаємодію.

Електричний заряд є джерелом і мірою електромагнітної взаємодії. Можуть існувати тіла та частинки без заряду, проте заряд без тіла чи частинки існувати не може. Електричний заряд позначається латинською літерою q (від англ. quantity — кількість). Одиницею електричного заряду в СІ є кулон (Кл), названий на честь французького вченого Ш. Кулона, тобто

[q] = Кл.

Досліди показують, що під час електризації всі тіла, що беруть участь у цьому процесі, отримують електричний заряд. Наприклад, як скляна паличка, так і шовк, набувають властивості притягувати шматочки паперу.

Розрізняють два види електричного заряду. Фізики домовилися називати заряд, що виникає на склі при натиранні його шовком, позитивним і позначати знаком «+», а заряд, що виникає при натиранні ебоніту або бурштину хутром чи вовною, вважати негативним і позначати знаком «-» (рис. 18.5). Вибір назви цих зарядів був історичною випадковістю. Так, заряд, який названо позитивним, з тим самим успіхом можна було б назвати і негативним.

Рис. 18.5. Позитивний заряд утворюється на склі, потертому об шовк, негативний — на ебоніті, потертому об хутро

Рис. 18.6. Взаємодія зарядів

Термін «заряд» часто вживають для позначення маленького зарядженого тіла чи зарядженої частинки. Яким же чином взаємодіють між собою електричні заряди? Однойменні (ті, що мають однакову назву) заряди відштовхуються, а різнойменні притягуються (рис. 18.6).

ЕЛЕКТРИЗАЦІЯ ТІЛ. Розглянуті вище фізичні явища, в результаті яких тіла набувають властивості притягуватися, називають електризацію.

Електризацією називають процес, у результаті якого тіла набувають електричного заряду.

Тіло може набувати електричного заряду не тільки внаслідок тертя, а й під час дотику до нього іншим, наелектризованим, тілом. При цьому частина електричного заряду переходить з одного тіла на інше. Отже, наелектризувати тіло можна внаслідок тертя з іншим тілом або стикання електрично нейтрального тіла (яке не має електричного заряду) з наелектризованим. Є й інші способи електризації тіл, наприклад, нагріванням, опроміненням тощо. Про них ви дізнаєтеся у подальшому.

Ви вже знаєте з курсу фізики сьомого класу, що атом складається з ядра (воно має позитивний заряд), навколо якого рухаються негативно заряджені електрони. Атомне ядро утворюється з протонів (частинок, що мають позитивний заряд) та нейтронів (електрично нейтральних частинок). Крім того, заряд протона за значенням дорівнює зарядові електрона.

За нормальних умов атом є електрично нейтральною частинкою, оскільки сумарний заряд усіх електронів дорівнює заряду ядра, тобто кількість електронів у атомі збігається з кількістю протонів у його ядрі (нагадаємо, що для цього достатньо визначити порядковий номер хімічного елемента в таблиці Менделєєва) (рис. 18.7).

Рис. 18.7. Будова атомів: а) Гідрогену; б) Гелію; в) Карбону

Рис. 18.8. Атом та йон Гелію

Таким чином, щоб електрично нейтральний атом перетворити на заряджену частинку, необхідно порушити баланс між протонами і електронами. Це може відбутися внаслідок того, що атом або втратить електрони, або набуде надлишкових електронів.

Якщо атом втрачає частину електронів, то перетворюється на позитивно заряджену частинку — позитивний йон (рис. 18.8).

Коли атом набуває надлишкових електронів, він перетворюється на негативний йон.

Тобто йон — це заряджена частинка, яка утворилася з атома внаслідок втрати ним електронів або набування надлишкової їх кількості. Зверніть увагу, що в процесі електризації тіл протони не можуть залишати атоми, оскільки утримуються в ядрі силами, що в сотню разів перевищують сили електромагнітної взаємодії. Отже, у процесі електризації тіло або втрачає частину електронів, або набуває надлишкових.

З огляду на це заряд, якого набуває тіло внаслідок електризації, можна визначити як добуток заряду електрона е та кількості електронів Ν, яких набуло чи втратило тіло:

q = eN.

Значення електричного заряду електрона: е = -1,6 • 10^-19 Кл.

Під час щільного контакту тіл одне тіло набуває електронів, а друге — втрачає. Виявляється, що під час тертя з різними речовинами одна і та сама речовина може набувати заряду різних знаків. Наприклад, під час тертя скла і шовку скло набуває позитивного заряду, а шовк негативного. Якщо скло терти об азбест, то воно набуде негативного заряду. При цьому заряд азбесту буде позитивним. Причиною такого явища є те, що в різних речовинах електрони по-різному притягуються до ядра: в одних сильніше, в інших — слабше. Ті атоми, в яких електрони перебувають далі від ядра й слабше ним утримуються, легше втрачаються. Такі атоми перетворюються на позитивні йони.

ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО ЗАРЯДУ. В результаті взаємного тертя електрично нейтральних тіл, які утворюють замкнуту систему, заряди перерозподіляються між тілами. На скільки зменшиться кількість електронів у одному тілі, на стільки ж збільшиться в іншому. Повний заряд такої системи не зміниться і надалі дорівнюватиме нулю. Під час стикання зарядженого тіла з електрично нейтральним заряд перерозподілиться між тілами, проте сумарний заряд тіл лишиться сталим. Отже справедливим є закон збереження електричного заряду.

Повний (сумарний) електричний заряд тіл, що утворюють замкнену систему, залишається сталим:

q₁ + q₂ + ... q_n = const,

де q₁, q₂, ..., q_n — електричні заряди тіл, частинок тощо.

Головне в цьому параграфі

Електричний заряд — це фізична величина, яка є кількісною мірою властивості фізичних тіл або частинок речовини вступати в електромагнітну взаємодію.

Електричний заряд позначається латинською літерою q.

Одиницею електричного заряду в СІ є кулон (Кл), тобто [q] = Кл.

Заряд, що виникає на склі під час натирання його шовком, домовились називати позитивним і позначати знаком «+»; заряд, що виникає при натиранні ебоніту (бурштину) шерстю, домовилися вважати негативним і позначати знаком «-».

Однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні притягуються.

Якщо атом втрачає частину електронів, то він перетворюється на позитивно заряджену частинку — позитивний йон. Якщо атом набуває надлишкових електронів, то перетворюється на негативний йон.

Заряд, якого набуває тіло внаслідок електризації, можна визначити як добуток заряду електрона е та кількості електронів N, яких набуло чи втратило тіло:

q = eN.

Значення електричного заряду електрона становить е = -1,6 • 10^-19 Кл.

Сумарний електричний заряд тіл у замкненій системі залишається сталим: q₁ + q₂ + ... + q_n = const.

Запитання для самоперевірки

• 1. Наведіть приклади електричних явищ.
• 2. Що називають електричним зарядом?
• 3. Які види електричного заряду існують у природі?
• 4. Що називають електризацією?
• 5. Назвіть способи електризації тіла.
• 6. Як визначити кількість електронів у атомі?
• 7. Яка частина атома несе негативний заряд, а яка — позитивний?
• 8. Чим можна пояснити електризацію тіл під час тертя? Під час дотику зарядженого тіла з електрично нейтральним?

Домашній експеримент

Рис. 18.9. Електростатичні повітряні кульки

1. Візьміть пластмасовий гребінець і розчешіть ним волосся або потріть його об хутро чи сукно. Піднесіть його до маленьких шматочків паперу. Опишіть та поясніть явище, яке спостерігається при цьому.

2. Візьміть надуту повітряну кульку. Потріть її об папір. Піднесіть кульку до стіни або стелі кімнати. Якщо кульку гарно наелектризувати, вона «прилипне» до стіни або до стелі (рис. 18.9). Поясніть це явище.

Вправа до § 18

• 1(п). Поясніть, що відбудеться з атомом Оксигену, коли він втратить два електрони. Назвіть частинку, що утворилася внаслідок цього, та вкажіть її заряд.
• 2(п). Вкажіть, на якому рисунку графічно зображено атом, позитивний іон, негативний іон.
• 3(c). Поясніть, як теоретично зміниться маса тіла, зарядженого позитивним зарядом, якщо до нього доторкнутися негативно зарядженою ебонітовою паличкою.
• 4(c). Поясніть, чи може тіло мати електричний заряд 1 • 10^-19 Кл, 3,2 • 10^-19 Кл.
• 5(д). Модуль заряду однієї з двох однакових металевих кульок у З рази більший за модуль заряду іншої. Кульки доторкнули одну до одної, після чого повернули до початкових положень. Вкажіть, як зміниться модуль заряду кожної з кульок після дотику. Розгляньте випадки, коли кульки заряджені: а) однойменно; б) різнойменно.
• 6(д). Чому під час переливання бензину з однієї каністри в іншу він може загорітися, якщо не вжити спеціальних заходів безпеки?
• 7(в). Під час електризації тертям ебонітова паличка набула 4 • 10¹² електронів. Визначте електричний заряд на паличці. На скільки збільшилася маса палички? Маса електрона 9,1 • 10^-31 кг.