1. Особенности взаимодействия заряженных тел
Вам уже знакомы два различных рода веществ, которые отличаются по свойствам получения и передачи заряда: проводники и диэлектрики. На основании этих свойств устроены приборы по определению наличия и измерению заряда у тел. Однако, по ходу изучения свойств заряженных тел возникает серьезный вопрос: каким образом передается взаимодействие между зарядами и возникает сила электрического притяжения или отталкивания без непосредственного контакта между телами? Т. е. заряженные тела могут находиться на некотором расстоянии, при этом взаимодействовать с определенной силой без непосредственного прикосновения и без наличия какого-либо промежуточного звена друг между другом.
Ранее в процессе изучения физики мы уже привыкли к тому, что если тела взаимодействуют, то они либо обязательно прикасаются друг к другу, например, человек переносит коробку (рис. 1), либо контактируют через какое-то промежуточное звено, например, человек кидает во что-то камнем (рис. 2). Во втором случае именно камень будет выступать в роли промежуточного звена, которое передает взаимодействие от бросающего его человека к предмету, в который он попадет.
Рис. 1.
Рис. 2.
В случае с взаимодействием заряженных тел, как было уже отмечено, тела не контактируют и между ними не наблюдается никакого тела, которое бы передавало действие от одного тела другому. Следует отметить, что в прошлом году мы уже сталкивались с подобной силой взаимодействия – это сила притяжения Земли (сила тяжести), она также действует на все тела, даже которые оторвались от ее поверхности, и направлена на притяжение их обратно. Однако, ранее не возникал вопрос, каким же образом в этом случае передается взаимодействие, пожалуй, потому что все настолько к этому явлению привыкли, что оно не вызывает вопросов и кажется очевидным. Объяснение такого рода взаимодействий обладает схожими чертами, и частично понять его мы попробуем на примере объяснения электрического взаимодействия тел.
|
|
2. Электрическое поле
В 19 веке английские ученые М. Фарадей (1791–1867) и Д. К. Максвелл (1831–1879) (рис. 3 и 4) пришли к выводу, что существует отличающееся от вещества свойство материи, которое назвали электрическим полем.
Рис. 3. М. Фарадей
Рис. 4. Д. К. Максвелл
Электрическое поле – форма материи, посредством которой осуществляется электрическое взаимодействие заряженных тел, оно окружает любое заряженное тело и проявляет себя по действию на заряженное тело.
Исходя из этого определения, можно пояснить принцип взаимодействия двух заряженных тел: вокруг одного заряженного тела образуется электрическое поле и вокруг другого тела образуется свое электрическое поле, поля контактируют, и именно благодаря такому промежуточному звену передается электрическое взаимодействие между заряженными телами.
3. Опыты по демонстрации действия электрического поля
Для того чтобы убедиться в том, что гипотеза о существовании электрического поля не опровергается экспериментами, можно провести уже знакомый нам опыт. Для этого необходимо взять бумажный султан, закрепленный на металлическом стержне, стеклянную палочку и лист бумаги. После электризации стеклянной палочки путем трения о бумажный лист передадим от нее прикосновением заряд металлическому стержню и увидим уже известный нам эффект – лепестки султана, отталкиваясь друг от друга, начнут подниматься. При этом, для демонстрации действия электрического поля необходимо еще раз потереть стеклянную палочку и поднести ее к наэлектризованному султану. Мы увидим, как его лепестки начнут отклоняться от палочки – с одной стороны это будет подтверждением известного нам правила, что одноименно заряженные теля отталкиваются, а с другой – что мы имеем возможность наблюдать действие электрического поля.
|
|
После наблюдения описанного опыта может возникнуть сомнение, что было продемонстрировано не действие электрического поля, а некоторое свойство воздуха, в котором мы всегда находимся и проводим эксперименты. Чтобы опровергнуть такое толкование электрических взаимодействий, проведем опыт с электрометром. Стандартным образом зарядим электрометр с помощью наэлектризованной стеклянной палочки, а затем поднесем вновь заряженную палочку к стеклу электрометра и, не касаясь его, заметим, что стрелка начнет колебаться, т. е. взаимодействовать с палочкой. Этот опыт доказывает то, что передача электрического взаимодействия не зависит от воздуха, поскольку реагирующая на заряженную палочку стрелка электрометра находится за стеклом.
Поскольку электрическое поле является одним из видов материи, то оно обладает определенными свойствами:
– создается вокруг покоящегося электрического заряда;
– определяется по действию на другой электрический заряд.
Отметим, что понятие электрического поля глобально по отношению ко всем электрическим взаимодействием и все электрические взаимодействия сопровождаются образованием электрического поля.
|
|
В дальнейшем мы более подробно остановимся на том факте, что электрическое поля является составной частью более сложного вида материи электромагнитного поля. Но сейчас мы уже можем отметить, что вся материя мира разделяется на два типа: вещество и поле.
4. Теории об электрическом заряде
Что же такое электрический заряд? Ответ был найден учеными далеко не сразу. Существовало множество теорий. И только в конце XIX века физики пришли к окончательному ответу на этот важнейший с точки зрения науки вопрос.
До этого предполагали, что тела заряжаются из-за движения специальной заряженной жидкости: якобы, когда она покидает тело, то оно заряжается отрицательно, а когда попадает в него, то наоборот. По другой теории, внутри тела находилось всегда сразу две жидкости. Если одна из них вытекала, то другая оказывалась в избытке, что и приводило к появлению электрического заряда.
Чтобы разобраться с электрическим зарядом, нам необходимо дать ответ на следующий вопрос: до какой степени можно делить электрический заряд? Чтобы понять суть этого вопроса, рассмотрим следующий эксперимент.
5. Опыт для демонстрации деления электрического заряда
Возьмём два незаряженных электрометра. Также возьмём стеклянную палочку и потрём её о бумагу. Как мы уже знаем из предыдущих уроков, палочка приобретёт заряд. Сообщим теперь с помощью наэлектризованной палочки заряд одному из электрометров. Теперь возьмём металлический стержень (на изолированной ручке) и соединим с помощью него шары обоих электрометров. Как мы уже знаем, в результате заряд разделится между электрометрами. Снимем заряд со второго электрометра (опять же, мы уже знаем, как это делается: достаточно просто прикоснуться к шару электрометра пальцем).
Повторим эксперимент. Ситуация повторится с той лишь разницей, что заряд на первом электрометре уменьшился приблизительно в 2 раза (он перешёл на второй электрометр, откуда мы его «забрали»).
И снова снимем заряд со второго электрометра. И снова заряд на первом электрометре уменьшился практически в 2 раза.
Возникает вопрос, до каких пор мы можем повторять указанные действия? Электрометры не позволяют нам ответить на этот вопрос, так как являются достаточно неточными приборами с большой погрешностью в измерениях. Как же поступили физики в этой ситуации? Ответ на поставленный вопрос практически одновременно и независимо друг от друга дали два учёных – американский физик Р. Э. Милликен (Рис. 5) и русский физик А. Ф. Иоффе (Рис. 6), поэтому их опыты так и называются: опыты Иоффе-Милликена.
Рис. 5. Р. Э. Милликен Источник
Рис. 6. А. Ф. Иоффе
6. Масса и заряд электрона
Иоффе и Милликен независимо друг от друга с помощью определённых приборов сумели определить заряд электрона – мельчайшей частицы, до которой можно делить электрический заряд. Милликену, в частности, удалось определить и массу этой элементарной частицы.
В конце XIX века благодаря исследованию ядерных превращений удалось открыть частицу – электрон. Такое название она получила вследствие того, что обладает минимальным электрическим зарядом. В результате опытов Иоффе-Милликена стало известно, что масса электрона равна 
, а его заряд (который условились считать отрицательным) равен 
. Обозначается это так:
;
.
Это характеристики самой маленькой частицы, обладающей электрическим зарядом. До более мелких значений электрический заряд разделить не удалось. Поэтому заряд электрона – минимальный электрический заряд. Все остальные заряды кратны заряду электрона (то есть делятся на него без остатка). Это означает, что, к примеру, заряд не может быть равен 
.
Домашнее задание
1. Ф.Я.Божинова, Н.М.Кирюхин, Е.А.Кирюхина. Физика, 9 класс, «Ранок», Харьков, 2009. § 3 читать.
2. Упражнение 3, задание 1 (дать ответ на вопрос письменно).