Теорія 1. Електричні явища. Електризація тіл. Електричний заряд.
Електричні явища вивчали видатні вчені, дослідники та інженери. Наприклад, Ш. Кулон, А. Вольта, Г. Ерстед, Г. Ом, Дж. Максвелл, вітчизняні вчені, дослідники та інженери І. Пулюй, Ф. Піроцький, Є. Патон, Б. Патон та ін.
Електричні явища здавна цікавили людину. Так, ще давньогрецький учений Ф. Мілецький помітив, що шматок бурштину, натертий вовною, притягує дрібні легкі предмети. Надалі вчені-фізики дослідили, що такі властивості мають, наприклад, скляна паличка, натерта папером, або ебонітова паличка, натерта сукном чи хутром. Такі явища і назвали на початку XVII ст. електричними (від грецького електрон, бурштин), а процес отримання заряджених тіл – електризацією.
Майже через 2000 років після дослідів Фалеса лікар англійської королеви Вільям Гілберт (1544-1603) встановив, що електричні властивості має не лише бурштин, але й інші речовини (скло, смола, графіт тощо). Фактично Гілберту ми зобов'язані зародженням науки про електрику.
Першу електростатичну машину побудував німецький учений Отто фон Геріке (1602-1686). Куля, виготовлена з розплавленої сірки, приводилася в обертання спеціальним приводом і під час обертання натиралася долонями. Наелектризувавшись, вона притягувала до себе аркуші паперу, пластинки із золота, срібла й навіть струмені води й масла.
№1. Пластину з оргскла електризуємо об аркуш паперу й підносимо до дрібних клаптиків паперу (можна вирізати забавні фігурки й стиплером прикріпити до їхнього нижнього краю скріпки, тоді фігурки підніматимуться).
Важливо зазначити, що під час тертя електризуються обидва тіла.
№2. Ту саму пластину натираємо об шматок гуми. Переконуємося, що клаптики паперу прилипають і до гуми.
Електрична взаємодія (на відміну від гравітаційної) – це не тільки притягування, а й відштовхування.
№3. Ебонітову паличку електризуємо тертям і підносимо спочатку до одного «султанчика», а потім до другого. Підносячи «султанчики» один до одного, будемо спостерігати відштовхування їхніх смужок.
№4. Другий «султанчик» електризуємо скляною паличкою, потертою об шовк. Підносячи його до першого «султанчика», будемо спостерігати притягування їхніх смужок.
Цими дослідами ми підтверджуємо існування в природі електричних зарядів двох родів – позитивних і негативних.
Тіла, які мають електричні заряди одного знака, взаємно відштовхуються, а тіла, які мають заряди протилежного знака, взаємно притягуються.
Досліди, що ілюструють взаємодію наелектризованих тіл.
Взаємне притягання (відштовхування) смужок двох «султанчиків», наелектризованих за допомогою електрофорної машини.
Шматочок вати поміщаємо між кульками розрядника електрофорної машини. Отримавши заряд від однієї кульки й відштовхнувшись від неї, шматочок вати летить до іншої кульки і, перезаряджаючись, повертається назад.
Металеву кулю, закріплену на ізольованому штативі, заряджаємо від електрофорної машини й сиплемо на неї шматочки дрібно нарізаного паперу. Отримавши від кулі однойменний заряд, шматочки паперу відскакують від неї в різні боки.
Пушинку (або шматок вати) кладемо на пластмасову наелектризовану лінійку, потім здуваємо її, а лінійку швидко переміщаємо вниз під пушинку й спостерігаємо за її парінням в електричному полі.
Дві повітряні кульки електризуємо тертям об папір і спостерігаємо їхнє взаємне відштовхування. Можна піднести кульки до стелі або стіни й спостерігати їхнє «прилипання» до цих тіл. Якщо одну з кульок натерти папером, а другу – вовною, то вони почнуть притягуватися: котимо по столі одну кульку, а за нею слідом котиться її друга.
Прилад, за допомогою якого можна з'ясувати, наелектризовані тіла чи ні, називають електроскопом (від грец. електрон і скопео – спостерігати, виявляти).
№5. Демонструється електроскоп і пояснюється принцип його дії.
№6. Заряджений електроскоп з'єднують із незарядженим, використовуючи для цього по черзі дерев'яну лінійку, пластмасову лінійку, металевий стрижень на ізольованій ручці.
За здатністю проводити електричні заряди всі речовини умовно поділяються на провідники (метали, ґрунт, розчини солей і кислот) і непровідники, або діелектрики (порцеляна, ебоніт, скло, гази, пластмаси). Деякі речовини провідність яких залежить від зовнішніх умов (температури, освітленості, наявності домішок), відносять до напівпровідників.
Заземлення – з’єднання тіла із землею провідником з метою зняття з нього електричних зарядів.
Електричний заряд.
Як відомо з курсу фізики 7 класу, атом – це найменша частинка даного хімічного елементу. Електрон і протон – не єдині елементарні частинки. Елементарними ми вважаємо ті частинки, які з сучасної точки зору не складаються з більш простих. Як помітив італійський фізик Енріко Фермі, поняття «елементарний» належить швидше до рівня наших знань, ніж до природи частинок. У міру того як розвивалася наука, багато елементарних частинок переходили в розряд неелементарних.
Деякі елементарні частинки, крім маси, мають і заряд.
Електричний заряд – це міра властивості елементарних частинок взаємодіяти одна з одною із силами, обернено пропорційними квадрату відстані між ними, які на багато порядків перевищують силу їхнього взаємного тяжіння.
Так, наприклад, в атомі Гідрогену електрон притягується до ядра із силою, що в 1039 разів перевищує силу їхнього гравітаційного тяжіння.
Важливо запам'ятати таке:
– електричний заряд не існує сам по собі. Частинка може й не мати заряду, але носієм заряду може бути тільки частинка;
– заряди елементарних частинок можуть відрізнятися знаками, модуль же зарядів однаковий;
– вибір знака заряду умовний. Однойменні заряди відштовхуються, різнойменні - притягаються;
– елементарні частинки мають найменший можливий електричний заряд (1,6∙10-19 Кл).
Електризація тіл. У цілому атом електричне нейтральний, оскільки число протонів у ядрі атома дорівнює числу електронів. Якщо електрична нейтральність тіла порушена, то воно називається наелектризованим.
Для електризації тіла необхідно, щоб на ньому був створений надлишок або нестача електричних зарядів того чи іншого знака. Електризація здійснюється різними способами, найпростішим із яких є електризація зіткненням.
Демонструючи й пояснюючи явище електризації, підкреслюю, що під час взаємодії заряди не виникають, а відбувається лише їхній перерозподіл.
Через тертя об повітря електризується обшивка літаків. Тому перед посадкою їх розряджають за допомогою металевого троса, який опускають на землю.
Під час перевезення бензину заряджаються стінки цистерни, тому за бензовозом тягнеться землею металеве коло, а за легковими автомобілями – смуги з провідної гуми.
Як боротися?
З небажаною електризацією в побуті та в промисловості борються, підвищуючи вологість повітря в приміщенні, натираючи підлогу й стіни антистатичною мастикою.
Практично не електризується одяг із природного волокна – бавовни та льону.
Як використовувати?
Статична електрика використовується людиною:
– для лікування органів дихання спеціальними електроаерозолями;
– для очищення повітря від пилу й сажі за допомогою електростатичних фільтрів;
– в електрокопіювальних пристроях (наприклад, у ксероксі);
– для фарбування тканин у фарбувальнях;
– для копчення риби на спеціалізованих комбінатах (у спеціальних камерах контейнер з рибою заряджають позитивним зарядом, а електроди – негативним, що значно прискорює процес копчення).
Якого кольору електрон?
Член-кореспондент АН УРСР Олександр Ілліч Ахієзер читав теорію поля в курсі теоретичної фізики. Вловивши момент утоми аудиторії, він раптом запитав: «А якого кольору електрон?» Студенти оживилися, завели суперечку про колір електрона. Дочекавшись, коли аудиторія затихне, Ахіезер сказав приблизно так: «Киньте сперечатися. Електрон зеленого кольору. Чому? Ви ж дивилися в осцилограф. Якого кольору картинки? Зеленого. Хто їх намалював? Електрон. Отже, електрон зеленого кольору». Жарт усі зрозуміли.
Розглянемо електризацію через вплив.
Наелектризоване тіло отримує електричний заряд. Вводимо поняття електричного заряду як фізичної величини, що характеризує властивість тіл і елементарних частинок вступати в електричні взаємодії. Прийнято вважати, що існують два типи заряду – позитивний та негативний (вибір назви умовний). Заряд, що виникає при натиранні скла шовком, називають позитивним і позначають «+», а заряд, що виникає під час натирання ебонітової палички сукном чи хутром – негативним і позначають «-». Унаслідок виконання дослідів учні роблять висновок, що явище електризації підлягає закону збереження електричного заряду: під час електризації тіл у замкнених системах сумарний електричний заряд залишається незмінним. Звертаємо увагу учнів, що заряд може передаватися від одного тіла до іншого.
Демонструємо принцип дії найпростішого приладу для порівняння та вивчення електричних зарядів – електроскопа.
Досліди з електризації показали наявність двох типів електричної взаємодії – притягання та відштовхування. Дослідним шляхом з'ясували, що тіла, виготовлені з однакового матеріалу та наелектризовані в однаковий спосіб, відштовхуються. Демонструємо учням відштовхування однойменно заряджених тіл та притягання різнойменно заряджених тіл.