Электризация тел. Два рода зарядов. Закон Кулона

Явление электризации известно со времен Древней Греции (Фалес Милетский, VI век до н.э.), где было замечено, что потертый о шерсть янтарь («электрон») притягивает легкие пылинки и перышки.

Тело, приобретшее после натирания способность притягивать другие тела, называют наэлектризованным (заряженным), а процесс — электризацией. При электризации трением ВСЕГДА электризуются ОБА соприкасающихся тела (например, эбонитовая палочка и сукно) противоположными по знаку зарядами.

В природе существует ровно два рода электрических зарядов, условно названных Бенджамином Франклином:

• Положительный (+) — заряд, возникающий на стеклянной палочке, потертой о натуральный шелк.

• Отрицательный (-) — заряд, возникающий на эбонитовой или янтарной палочке, потертой о шерсть.

Одноименные заряды взаимно отталкиваются (+ и +, - и -), а разноименные — взаимно притягиваются (+ и -).

Планетарная модель атома (Резерфорд, 1911 г.): в центре атома находится положительно заряженное ядро, состоящее из протонов (заряд +e) и нейтронов (0). Вокруг ядра по квантовым орбитам движутся отрицательно заряженные электроны (заряд -e).

Элементарный электрический заряд (e) — наименьший неделимый электрический заряд в природе: e = 1.6 · 10⁻¹⁹ Кл. В нейтральном атоме число электронов в точности равно числу протонов в ядре (атом в целом электрически нейтрален).

Сущность электризации: электроны обладают ничтожной массой и способны переходить от одного тела к другому при контакте. Тело, отдавшее электроны, заряжается положительно (недостаток электронов). Тело, принявшее электроны, заряжается отрицательно (избыток электронов).

Закон сохранения электрического заряда: в электрически изолированной замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается строго постоянной при любых взаимодействиях:

q₁ + q₂ + ... + q_n = const.

По способности проводить электрические заряды все вещества разделяют на три группы:

1. Проводники — вещества, содержащие огромное количество свободных носителей заряда (в металлах — свободные электроны; в электролитах — положительные и отрицательные ионы). Все металлы, водные растворы солей и кислот, графит, почва и человеческое тело — отличные проводники.

2. Диэлектрики (изоляторы) — вещества, в которых практически отсутствуют свободные заряды (все электроны прочно связаны со своими ядрами). Фарфор, стекло, эбонит, резина, сухой воздух, дистиллированная вода, пластмассы — диэлектрики.

3. Полупроводники (кремний, германий) — занимают промежуточное положение, их проводимость сильно растет при нагревании и освещении (основа всей микроэлектроники и процессоров).

Электроскоп — простейший индикатор наличия электрического заряда, основанный на отталкивании двух одноименно заряженных подвижных лепестков из тонкой алюминиевой фольги.

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до других тел.

В 1785 году Шарль Кулон на крутильных весах экспериментально установил фундаментальный закон электростатики.

Закон Кулона: сила взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей заряды:

Коэффициент пропорциональности в СИ: k = 1 / (4πε₀) ≈ 9 · 10⁹ Н · м² / Кл². В среде с диэлектрической проницаемостью ε сила Кулона ослабляется в ε раз: F_ср = F_вак / ε.

Каким образом заряды взаимодействуют через пустоту? Майкл Фарадей доказал: вокруг любого неподвижного электрического заряда существует материальная среда особого вида — электрическое поле.

Свойства электрического поля:

1. Поле материально, непрерывно в пространстве и распространяется со скоростью света (c ≈ 300 000 км/с);

2. Главное свойство поля: оно действует с механической кулоновской силой на любой внесенный в него электрический заряд: F = q · E;

3. Для наглядного изображения поля используют силовые линии (линии напряженности) — линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором силы, действующей на положительный заряд.

Силовые линии электростатического поля начинаются на положительных зарядах (+) и заканчиваются на отрицательных зарядах (-) либо уходят в бесконечность.