Фізика. 8 клас. Пістун

§ 22. Електризація тіл. Закон збереження заряду

  • Як можна визначити, що тіло наелектризоване?
  • Як взаємодіють однойменно заряджені тіла; різнойменно заряджені тіла?

1. Ви вже знаєте, що тіла є зарядженими або наелектризованими, якщо в результаті тертя вони набули властивість притягувати легкі предмети. Явище, коли тіла отримують електричні заряди, називають електризацією. З’ясуємо причину цього явища.

Зарядити тіло можна не тільки тертям, а й іншими способами. Так, легка кулька з фольги заряджається від дотику до неї іншого зарядженого тіла. Наведемо ще один приклад. Якщо поставити на скляну пластинку чавунну гирю і «побити» її кілька разів шматочком хутра, то з’єднаний з гирею електроскоп зафіксує наявність на ній заряду (рис. 54, а).

Рис. 54

Зарядженим виявиться і шматочок хутра, що можна встановити, доторкнувшись ним до іншого електроскопа (рис. 54, б).

2. Нагадаємо, що при терті скляної палички об шовк паличка отримує позитивний заряд. Як це може статися? Адже до початку досліду і паличка, і шматочок шовку були нейтральні, в чому легко переконатися за допомогою електроскопа. Можна висунути гіпотезу: в результаті тертя негативний заряд переходить зі скляної палички на шовк, паличка стає позитивно зарядженою, а шматочок шовку — негативно зарядженим.

3. Щоб підтвердити або спростувати будь-яку гіпотезу, її треба перевірити за допомогою експерименту. Проведемо дослід. До підвішеної на нитці скляної палички піднесемо шматочок шовку, по якому її попередньо потерли. Паличка до нього притягнеться (рис. 55, а). Це підтверджує припущення про те, що паличка і шовк отримують заряди протилежного знака. Оскільки скляна паличка заряджена позитивно, то можна зробити висновок, що шовк заряджений негативно. Будемо вважати, що одного експерименту недостатньо, він може дати випадковий результат. Проведемо інший дослід: до негативно зарядженої ебонітової палички піднесемо той самий шматочок шовку. Паличка від нього відштовхнеться (рис. 55, б). Можна зробити той самий висновок: шовк заряджений негативно.

Рис. 55

Таким чином, в результаті електризації, в якій обов’язково беруть участь два тіла, відбувається перерозподіл зарядів. При цьому електризуються обидва тіла, набуваючи заряди протилежних знаків.

4. Для того, щоб пояснити, чому при електризації тіло стає зарядженим, виконаємо дослід. Використовуємо для цього електрометр, на який зверху надіто порожнисту металеву кулю. Наелектризуємо тертям одна до одної дві пластинки — ебонітову і плексигласову. Помістимо спочатку одну з них усередину порожнистої кулі електрометра і переконаємося, що він зарядився (рис. 56, а). Потім помістимо всередину кулі другу пластинку. Результат буде таким самим: стрілка електрометра відхилиться на такий самий кут. Це переконує нас у тому, що внаслідок тертя одна до одної зарядилися обидві пластинки. Тепер помістимо всередину кулі одночасно обидві заряджені пластинки (рис. 56, б). Електрометр в цьому випадку не виявляє заряду - стрілка його не відхиляється.

Даний дослід дозволяє ще раз переконатися не тільки в тому, що тіла при електризації набувають заряди протилежних знаків, а й у тому, що ці заряди рівні за модулем. Саме тому стрілка електрометра при внесенні всередину кулі двох пластинок, які торкалися одна до одної, залишається на нулі (див. рис. 56, б). Інакше кажучи, алгебраїчна сума зарядів обох пластинок до і після електризації дорівнює нулю.

Рис. 56

5*. Знаючи будову атома, можна пояснити, що відбувається при електризації тіл. Атом може втратити один електрон або декілька електронів. Відокремившись від одного атома, ці електрони можуть приєднатися до іншого. Цим і пояснюється, що на одному тілі може утворитися надлишок електронів, а на іншому — нестача; в першому випадку тіло стає негативно зарядженим, у другому — позитивно.

6. Розглянемо ще один спосіб електризації тіл, що відрізняється від електризації тертям або дотиком.

Проведемо дослід. Піднесемо позитивно заряджену скляну паличку до незарядженої кульки із фольги, але доторкатися до неї не будемо. Кулька, як це не дивно, відхилиться від свого початкового положення і притягнеться до палички (рис. 57, а). Ще більш дивно, що ця незаряджена кулька притягнеться до палички і в тому випадку, якщо до неї піднести (не доторкаючи) негативно заряджену ебонітову паличку (рис. 57, б). Якщо наелектризовані палички забрати, то кулька повернеться у своє початкове положення. За допомогою електрометра можна переконатися, що кулька під час досліду залишалася незарядженою.

Рис. 57

Щоб пояснити цей факт, досить пригадати, що негативно заряджені електрони можуть вільно переміщатися в металевому провіднику. Оскільки електрони мають негативний заряд, то вони притягуються до позитивно зарядженої палички і тому їх стає надлишок на ближній від палички частині кульки. На дальній від палички частині кульки буде їх нестача.

Описаний спосіб електризації тіл називають електризацією через вплив, або електростатичною індукцією. А такі заряди часто називають індукованими.

7. Під час експерименту (див. рис. 52) ні позитивні, ні негативні заряди не утворювалися при терті. Вони існували в кожній із пластинок уже до досліду. При цьому позитивний заряд кожної з пластинок дорівнював її негативному заряду. Тому пластинки спочатку були електрично нейтральні.

У результаті тертя електрони перейшли з плексигласової пластинки на ебонітову. Плексигласова пластинка виявилася зарядженою позитивно (через нестачу електронів), а ебонітова — негативно (через їх надлишок).

Таким чином, при електризації заряди не утворюються, а тільки перерозподіляються .

Слід, однак, відразу ж зробити одне дуже важливе уточнення: алгебраїчна сума зарядів зберігається тільки в замкнутій системі. Замкнута система являє собою сукупність тіл, ізольованих від інших об’єктів. Так, у розглянутих дослідах з електризації - це два тіла: скляна паличка і шматок шовку; ебонітова паличка і шматок хутра; плексигласова і ебонітова пластинки.

Тепер можна сформулювати закон збереження електричного заряду.

Алгебраїчна сума електричних зарядів тіл у замкнутій системі залишається сталою:

Це один із найважливіших законів природи (його називають фундаментальним).

Закон збереження електричного заряду має дуже глибокий фізичний зміст. Якщо кількість зарядів не змінюється, то виконання цього закону очевидне. Однак у старших класах ви дізнаєтеся, що частинки можуть народжуватися і зникати, утворюючи нові заряджені частинки, можуть взаємно перетворюватися. Але найголовніше — у всіх цих складних процесах закон збереження електричного заряду завжди виконується!

Запитання для самоперевірки

  • 1. Що таке електризація тіл?
  • 2. Чому при терті двох тіл одне до одного заряджаються обидва тіла?
  • 3. Поясніть, чому електрометр, зображений на рисунку 56, а), розрядився (див. рис. 56, б).
  • 4. Чи рівні модулі зарядів наелектризованих пар тіл? Чому в звичайному стані тіла електрично нейтральні?
  • 5. Сформулюйте закон збереження електричного заряду. Наведіть приклади, що підтверджують цей закон.
  • 6*. Чи можна зарядити тіло, не доторкаючись до нього іншим зарядженим тілом?
  • 7. Чи завжди справедливий закон збереження електричного заряду?
  • 8. Як ви думаєте, чи є таке формулювання закону збереження електричного заряду правильним: «Сума зарядів усіх частинок залишається незмінною»?

Завдання 22

  • 1. Електризація тіл відбувається і в природі, і в побуті. Поясніть наступні приклади. Після посадки літака до нього не можна відразу ж приставляти металевий трап. Тому в деяких випадках спочатку опускають на землю металевий трос, з’єднаний з корпусом літака, і вже потім підганяють трап. Чому? Чому при розчісуванні волосся пластмасовим гребінцем чисте волосся прилипає до нього?
  • 2. Виріжте дві однакові смужки: одну - з паперу, іншу - з поліетиленової плівки. Складіть їх разом, покладіть на стіл і міцно притисніть рукою. Потім розведіть смужки і спробуйте знову наблизити їх одну до одної. Що ви спостерігаєте? Поясніть це явище.
  • 3. Надуйте дитячу гумову кульку. Потріть її об вовну, хутро або, найкраще, по власному волоссю. Кулька почне прилипати до вашого тіла, до стіни і т. д. Поясніть явище, що спостерігається.
  • 4. Чому ворсинки і пил прилипають до одягу при чищенні його щіткою?
  • 5*. Розгляньте уважно рисунок 58. Чистим сухим піском заповнюють скляну воронку, в яку вставлено металевий стержень, з’єднаний з одним із електрометрів. Проходячи через воронку, пісок падає в металеву посудину, з’єднану з іншим електрометром. Стрілки обох електрометрів фіксують наявність електричного заряду, рівного за модулем. Поясніть явище, що спостерігається.

Рис. 58

  • 6. При електризації тертям пластинок з ебоніту і плексигласу одна до одної на плексигласовій пластинці виявився заряд 10-9 Кл. Який заряд буде на ебонітовій пластинці?