Если янтарь, стекло, твердую резину, авторучку, гребень и многие другие предметы потереть о некоторые материалы, эти предметы приобретают способность притягивать к себе волосы, шерсть, корпию, сухие листья и бузинные шарики. Как говорят, эти предметы электрически заряжаются.
Заряд, образующийся на стекле при трении его о шелк, называется положительным. Заряд, образующийся на твердой (вулканизированной) резине при трении ее о кошачью шерсть, называется отрицательным.
Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Незаряженные тела называются нейтральными.
Тот факт, что заряженное тело притягивает нейтральные кусочки бумаги, позволяет установить присутствие электрического заряда на теле, но не дает еще возможности определить его знак, поскольку точно так же притягиваются и разноименно заряженные тела.
Таким образом, одного лишь свидетельства притяжения недостаточно для установления знака заряда. Это позволяет сделать лишь отталкивание двух заряженных тел, так как в данном случае оба тела имеют одноименный заряд. Тем самым, зная заряд одного из этих тел, мы узнаем и знак заряда другого тела.
Прибор, служащий для обнаружения заряда на телах и для установления его знака, называется электроскопом.
Если палочка имеет положительный заряд, то она будет отталкиваться телами, имеющими заряд того же знака. Если палочка имеет отрицательный заряд, то ее будут отталкивать все отрицательно заряженные тела. Недостатком такого устройства является его низкая чувствительность, не позволяющая обнаруживать малые заряды.
Прибор для определения величины и рода заряда на телах
Электроскоп с бузинными шариками
Очень простой и чувствительный электроскоп можно сделать из бузинного шарика, подвесив его на шелковой нити. Этот шарик сначала заряжают тем родом электричества, который, как предполагается, имеет измеряемое тело.
Если шарик притягивается телом, то опыт надо повторить, зарядив шарик электричеством противоположного знака. Если после этого шарик оттолкнется от тела, то это означает, что тело имеет заряд того же знака, что и шарик.
Простой электроскоп с шариками
Электроскоп с металлическими листочками
Более чувствительным, чем бузинный, является электроскоп с металлическими листочками. Он обычно состоит из двух очень тонких листочков алюминия, станиоля или золота, прикрепленных к одному концу латунного стержня, который закрепляется в пробке (сделанной из серы) и вставляется в стеклянный баллон.
Баллон служит опорой для латунного стержня, а также предохраняет листочки от потоков воздуха. К другому концу латунного стержня обычно припаивается латунный диск или шар.
Электроскоп с металлическими листочками
Если к шару электроскопа поднести положительный или отрицательный заряд, то листочки разойдутся, даже если этот заряд находится еще на расстоянии в полметра от электроскопа. Отсюда ясно, что нейтральное тело может зарядиться просто под влиянием другого близко расположенного заряженного тела.
Этот метод зарядки тела называется электризацией влиянием, а заряд, приобретенный телом, наведенным, или индуцированным.
Если отдалить заряженное тело от электроскопа, листочки его опадут, что указывает на потерю ими заряда.
Этот электроскоп, как и бузинный шарик, позволяет обнаружить присутствие электрического заряда и точно так же не дает возможности установить его знак. Как же в таком случае электроскоп используется для определения рода заряда, находящегося на заряженном теле?
Передача заряда электроскопу соприкосновением с заряженным телом
Если прикоснуться отрицательно заряженной палочкой к электроскопу, а затем убрать палочку, то листочки электроскопа разойдутся и останутся в том же положении, указывая, что на них присутствуют одноименные заряды.
Очевидно, заряды с заряженной палочки вследствие их взаимного отталкивания «перетекли» на шарик электроскопа и тем самым оттолкнули отрицательные заряды, уже находившиеся на электроскопе, как можно дальше, вплоть до самых листочков.
В этом случае говорят, что заряд переходит на электроскоп, а электроскоп заряжается соприкосновением, причем заряд остается на электроскопе. Можно ли считать, что этот заряд имеет тот же знак, что и на заряженной палочке?
Если теперь поднести к электроскопу заряд того же знака, что и заряд самого электроскопа, скажем, отрицательный, то листочки электроскопа разойдутся еще более, указывая, что на них появилось еще больше зарядов.
Этого можно было бы ожидать потому, что отрицательные заряды в верхней части электроскопа отталкиваются отрицательными зарядами на палочке и уходят на листочки.
Что произойдет с листочками, если к отрицательно заряженному электроскопу поднести положительно заряженную палочку?
Передача заряда электроскопу влиянием
Поднесем заряженный стержень к незаряженному электроскопу, но не доведем их до соприкосновения. В то же время прикоснемся пальцем к противоположной стороне шарика электроскопа.
Затем отведем палец от шарика и, наконец, удалим заряженный стержень. Мы обнаружим, что на электроскопе остался заряд, причем знак его противоположен заряду стержня. Откуда взялся этот заряд на электроскопе?
Поскольку возникший на электроскопе заряд равноименен с зарядом стержня, он не мог перейти с последнего. Может быть, он перешел из пальца? Но как это могло произойти?
Мы сталкиваемся здесь с первым таинственным явлением при изучении электричества. Из этого и ряда других экспериментов возникает несколько вопросов. Откуда перешел на электроскоп наведенный заряд? Почему заряженное тело притягивает нейтральные тела? Что происходит при электризации тел трением?
Электризация тел
Электронная теория
1. Вещество состоит в основном из двух типов заряженных частиц, называемых электронами и протонами.
а) Все электроны совершенно одинаковы, они имеют ничтожную массу и находятся в постоянном движении вокруг атомных ядер. Они имеют единичный отрицательный заряд.
б) Все протоны совершенно одинаковы. Они имеют массу, примерно в 2000 раз большую массы электрона, находятся в ядрах атомов и обладают единичным положительным зарядом.
2. Вещества отличаются друг от друга разными количествами и расположением этих фундаментальных частиц.
3. Электроны благодаря своей ничтожной массе и тому, что существуют вне атомных ядер, движутся значительно быстрее протонов.
4. Все вещества в обычных условиях содержат равные количества электронов и протонов. Значит, сумма всех отрицательных зарядов равна сумме всех положительных зарядов, и вещество в целом электрически нейтрально.
5. Когда нейтральное тело приобретает электроны от какого-либо внешнего источника, оно получает отрицательный заряд. Таким образом, тело является заряженным отрицательно, если обладает избыточным, по сравнению с нормальным, числом электронов.
6. Когда нейтральное тело теряет электроны, оно получает положительный заряд. Таким образом, тело является заряженным положительно, если имеет недостаток электронов.
7. Следовательно, тело получает электрический заряд, приобретая или теряя электроны.
Как электронная теория объясняет явления, имеющие место при электризации двух тел трением
Когда резиновая палочка потерта о кошачью шерсть, палочка, как уже нам известно, заряжается отрицательно, а шерсть — положительно. Точно так же, если провести по волосам пластмассовым гребнем, то он зарядится отрицательно, а волосы — положительно.
Как объясняет появление этих зарядов электронная теория? Согласно этой теории, часть энергии, затраченной на взаимное трение нейтральных тел, переходит в энергию движения некоторого числа электронов с шерсти к палочке; это делает шерсть положительно, а палочку — отрицательно заряженной.
Шерсть удерживает входящие в ее состав электроны менее прочно, чем резина. Это и есть причина того, почему электроны переходят с шерсти на резину, а не в обратном направлении.
Незаряженный электроскоп
Заряженный электроскоп
Как электронная теория объясняет притяжение между заряженным и нейтральным телами
Нейтральный шарик бузины имеет равные количества протонов и электронов. Если поднести к нему палочку с отрицательным зарядом, то некоторое число электронов шарика должно будет оттолкнуться от электронов палочки и уйти на дальнюю его часть, в результате чего заряды протонов на передней части шарика окажутся нескомпенсированными.
Так как положительная сторона шарика оказывается ближе к заряженной палочке, чем отрицательная сторона, то сила притяжения будет больше силы отталкивания. В результате шарик притянется к заряженной палочке.
Но почему же в таком случае, как только шарик соприкасается с палочкой, он тут же отталкивается? Очевидно, когда шарик приходит в контакт с отрицательно заряженной палочкой, некоторые, хотя и не все, избыточны электроны переходят с палочки на шарик благодаря притяжению протонами. В результате шарик теперь имеет больше электронов, чем протонов, а значит, приобретает отрицательный заряд.
Как электронная теория объясняет электризацию электроскопа влиянием
Это — вопрос, на который мы не могли дать ответа до того, пока не ввели в рассмотрение электронную теорию. Согласно последней, когда отрицательно заряженную палочку подносят к электроскопу, некоторое число электронов на его шаре под действием сил отталкивания уходит в листочки электроскопа. Тем самым шар электроскопа заряжается положительно, а оба листочка — отрицательно. В результате листочки расходятся друг от друга.
Если затем палочку удалить, то электроны возвращаются на свои «прежние» места, восстанавливается равномерное их распределение в шаре и листочках электроскопа, так что последний снова становится нейтральным. Однако, если коснуться шарика пальцем, когда возле него еще находится стержень, а затем отвести палец раньше палочки, электроскоп заряжается положительно.
Это означает, что электроны уходят с электроскопа, причем, очевидно, через посредство пальца.
Отрицательные заряды палочки отталкивают заряды того же знака в стержне электроскопа, заставляют их течь на палец. В результате на электроскопе наводится заряд.
Заряд с палочки (индуцирующий заряд) не может переходить на электроскоп, поскольку палочка не соприкасалась с ним.
Преимущество этого способа обнаружения заряда заключается в том, что в нем меньше возможная опасность повреждения листочков электроскопа вследствие слишком сильного их взаимного отталкивания.
Итоги и выводы
1. Для обнаружения заряда и определения его знака используется электроскоп.
2. Когда тело заряжается путем поднесения к нему другого заряженного тела, то возникающий заряд называется наведенным.
3. Согласно электронной теории, все вещества содержат положительно заряженные частицы, называемые протонами, и отрицательно заряженные частицы, называемые электронами.
4. Тело, имеющее отрицательный заряд, имеет больше электронов, чем протонов. В положительно заряженном теле число протонов превышает число электронов. Если же эти числа одинаковы, тело является нейтральным.
Смотрите также: Как устроены и работают электростатические генераторы