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.

Понад двадцять п’ять сторіч тому давньогрецький філософ, математик, дослідник природи Фалес (бл. 625 — бл. 547 до н. е.) із міста Мілета натирав хутром шматок бурштину і спостерігав, як після цього бурштин починав притягувати до себе пір’я птахів, пух, соломинки, сухе листя. Саме від грецької назви бурштину — електрон — процес, у результаті якого тіла набувають властивості притягувати до себе інші тіла, назвали електризацією тіл, а тіла, що мають цю властивість, — наелектризованими.

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.

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).

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.

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 + ... qn = const,

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

Якщо двома однаковими тілами, одне з яких заряджене, а друге — незаряджене, доторкнутися одне до одного, то електричний заряд розділиться між ними порівну.

Якщо заряджене й незаряджене тіла будуть різних розмірів, то після контакту заряд ділитиметься нерівномірно: провідник з більшою площею поверхні набуде більшого електричного заряду.

Контрольні запитання

1. Що називають електричним зарядом? 

2. Назвіть одиницю електричного заряду. 

3. Які роди зарядів існують? 

4. Який рід заряду має ебонітова паличка, потерта об вовну? паличка зі скла, потерта об шовк? 

5. Як взаємодіють тіла, що мають однойменні заряди? різнойменні заряди? 

6. З яких частинок складається атом? 

7. Які частинки входять до складу атомного ядра? 

8. Яка частинка має найменший негативний заряд? найменший позитивний заряд? 

9. Як ви розумієте твердження, що електричний заряд є дискретним?

Задачі

1. На тонкій шовковій нитці висить заряджена паперова кулька. Як, маючи ебонітову паличку та шматок вовни, визначити знак електричного заряду кульки?

2. Атом, ядро якого має 12 протонів, утратив 2 електрони. Скільки електронів залишилося в атомі?

3. Скільки надлишкових електронів має бути передано тілу, щоб воно отримало заряд, який дорівнює -1 Кл?

4. Поясніть, чи може тіло мати електричний заряд 1 • 10-19 Кл, 3,2 • 10-19 Кл.

5. Скориставшись додатковими джерелами інформації або власним досвідом, наведіть декілька цікавих прикладів взаємодії заряджених тіл.

6. Визначте силу, з якою тіло масою 5 г притягується до Землі. Яку назву має ця сила? Виконайте схематичний рисунок, на якому зазначте напрямок дії та точку прикладання цієї сили.

7. 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.

8. Чому під час переливання бензину з однієї каністри в іншу він може загорітися, якщо не вжити спеціальних заходів безпеки?

9. 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.

Приклади навчальних цілей

• Опишіть та намалюйте моделі щодо загальних концепцій статичної електрики (передача заряду, індукції, притягування, відштовхування та заземлення)

• Зробіть передбачення щодо сил на відстані для різних конфігурацій заряду

Слово «електрика» походить від слова «електрон» ― так у давній Греції називали бурштин ― скам’яніла смола хвойних дерев.

Коли з бурштину виготовляли прикраси, його натирали, щоб дати каменю блиску. І натертий бурштин виявив дивну особливість: він притягував легкі предмети ― пушинки, волосся, пір’я. це притягання здавалося дивним тому, що воно було першою поміченою людьми «дією на відстані»: адже всі інші впливи тіл одне на одне проявлялися тільки за їхнього безпосереднього контакту.

Здатність бурштину електризуватися була відома давно. Вперше дослідженням цього явища займався великий філософ давнини Фалес Мілетський. Так про це розповідає легенда.

Донька Фалеса пряла шерсть бурштиновим веретеном, виготовленим фінікійськими майстрами. Якось, упустивши веретено у воду, дівчина стала витирати його краєм свого хутряного хітона і помітила, що до веретена, ніби приклеїлись декілька шерстинок. Думаючи, що вони прилипли до веретена тому що воно все ще вологе, вона стала витирати його старанніше. І що ж. шерстинок налипло ще більше. Дівчина звернулася за поясненням до свого батька. Фалес зрозумів, що причина в речовині, з якої виготовлене веретено, і першого ж разу, як до причалу Білета підійшов корабель фінікійських купців, він накупив різних бурштинових виробів і впевнився, що всі вони, якщо їх потерти шерстяною тканиною, притягають легкі предмети, так як магніт притягує залізо.

Давньогрецький вчений Фалес припустив навіть, що бурштин є живим.

Понад два тисячоліття властивість натертого бурштину притягувати предмети створювало йому особливу славу.

Але в XVI столітті англійський вчений Вільям Гілберт виявив, що й інші речовини, наприклад, алмаз, сірка, смола притягують легкі предмети після натирання. Гілберт назвав цю «притягальну силу» електричною ― на честь електрона ― бурштину, у якого її було помічено вперше.