Два види електричних зарядів

Якщо деякі частинки (або тіла) мають здатність брати участь в електричних взаємодіях, то має сенс приписати їм деяку характеристику, яка і буде вказувати на це їх властивість. Така характеристика отримала назву електричний заряд. Тіла, які беруть участь в електричних взаємодіях називаються зарядженими. Таким чином, термін «електрично заряджений» є синонімом виразу «бере участь в електричних взаємодіях». Чому деякі елементарні частинки мають електричним зарядом, а інші ні – нікому не відомо!

Подальші міркування, засновані на експериментальних даних, покликані конкретизувати цю характеристику, по можливості, зробити її кількісної.

Історія вивчення електричних явищ тривала і сповнена драматизму, …

Далі ми опишемо ряд простих дослідів, які можна провести вдома «на кухні», або в шкільній лабораторії. При їх поясненні ми будемо користуватися тими знаннями, які отримані протягом багатьма вченими кількох сотень років, в результаті численних і різноманітних експериментів.

Зараз, ми відтворимо в дуже спрощеній формі деякі етапи експериментальних досліджень, висновки з яких послужили основою сучасної теорії електричних взаємодій.

Для проведення експериментів, перш за все, слід навчитися отримувати заряджені тіла. Найпростіший метод досягнення цієї мети – електризація тертям. Наприклад, добре електризується, (тобто набуває електричний заряд) скло, якщо його потерти шовком. Поява електричного заряду виявляється в тому, що така паличка починає притягувати шматочки паперу, волоски, порошинки і т.д.

Також можна встановити, що багато інших речовини також електризуються допомогою тертя. Знаючи результат заздалегідь, в якості другого «джерела» електрики виберемо ебонітову паличку, потерту шерстю. Назвемо електричний заряд, який з’являється на склі – «скляним», а заряд на ебоніті «смоляним [1]».

Далі нам конче потрібен «прилад», який міг би реагувати на присутність електричного заряду. Для цього підвісимо на нитки легкий стаканчик, скручений з шматочка фольги. Легко перевірити, що цей стаканчик не заряджений – щоб ми не підносили до нього, олівець, руку, підручник фізики і т.д., ніякої дії на стаканчик не проявляється.

Піднесемо до незаряджені стаканчику заряджену скляну електричну паличку (рис. 141). Стаканчик притягається до неї, як і інші дрібні тіла. За куту відхилення нитки (при відомій масі стаканчика і довжині нитки) можна навіть розрахувати силу тяжіння. Якщо стаканчик НЕ стикнувся з зарядженої паличкою він залишається незарядженим, що легко можна перевірити експериментально. Якщо ж стаканчик доторкнеться до зарядженої палички, то він різко оттолкнется від неї. Якщо тепер прибрати паличку, стаканчик виявиться зарядженим, що можна перевірити, якщо піднести до нього інше незаряджене тіло. Наприклад, він буде притягатися до піднесеної руці.

Аналогічні результати виходять, якщо замінити скляну паличку, потерту про шовк, ебонітовою паличкою, потертій об вовну.

Таким чином, в цих експериментах відмінність між «скляним» і «смоляним» електрикою не проявляється.

Не будемо поки, обговорювати, чому незаряджений стаканчик притягається до зарядженої палички, а заряджений стаканчик притягається до незарядженою руці. Єдиний висновок, який ми зробимо з проведеного експерименту – в результаті контакту стаканчик придбав електричний заряд. Отже, електричний заряд може передаватися від одного тіла до іншого.

Візьмемо два однакових стаканчика з фольги, підвісимо рядом їх на нитках однакової довжини. Якщо стаканчики зарядити однаково (або з допомогою скляної, або за допомогою ебонітовою палички), то стаканчики відштовхуються (рис, 142). Якщо ж стаканчики заряджені різними зарядами, то вони притягуються.

Таким чином, ми доводимо, що існує, щонайменше, два види електричних зарядів.

Для подальших експериментів замінимо «вимірювальні стаканчики» більш досконалим приладом, який називається електрометрії (рис. 143). Прилад складається з металевого стержня і легкої металевої стрілки, яка може обертатися навколо горизонтальної осі. Це пристрій поміщено в металевий корпус, закритий скляними кришками. Кут відхилення стрілки можна вимірювати за допомогою шкали. Стрижень зі стрілкою закріплений в корпусі за допомогою плексигласу втулки. Стрижень зі стрілкою грають ту ж роль, що і стаканчики з фольги в попередніх дослідах – при дотику зарядженого тіла до стрижня, заряд буде перетікати на стрижень і на стрілку, що призведе до її відхиленню. Причому, напрямок відхилення стрілки не залежить від виду повідомленого заряду.

З результатів цього досвіду можна зробити два важливих висновки: по-перше, деякі матеріали (метали) можуть передавати електричний заряд, інші (скло, пластмаса, дерево) немає; по-друге, заряд може змінюватися, бути більше або менше. Ці ж експерименти можна повторити з використанням і другого виду («смоляного») електрики. Результати виявляться такими ж – матеріали, які проводять «скляне» електрику, проводять і «смоляне». Якщо «скляний» заряд перерозподіляється між електрометрією, то також поводиться і «смоляний» заряд.

Отже, ми можемо розділити матеріали на дві групи – ті, які передають електричний заряд (ці матеріали назвали провідники), і ті, які не передають електричний заряд (їх назвали ізолятори). До речі, стрижень електрометрії відділений від корпусу за допомогою втулки з ізолятора, щоб електричний заряд не «розтікався» по корпусу, а залишався на стрижні і стрілкою.

Різні відхилення стрілки електрометра однозначно свідчать про те, що сила взаємодії між зарядженими тілами може бути різною, тому і величини зарядів можуть бути різними. Отже, заряд можна характеризувати деякої чисельної величиною (а не так, як ми говорили раніше – «є, або ні»).

Ще один цікавий результат – якщо до стрижня зарядженого електрометрії доторкнутися рукою, то електрометрії розряджається – заряд зникає. Навіть на підставі цих якісних спостережень можна пояснити, куди зникає заряд, при дотику руки. Людське тіло є провідником, тому заряд може перетекти в тіло людини.

Для підтвердження цієї ідеї про кількісний характері заряду можна провести наступний досвід. Зарядимо одна електрометрії – зауважимо кут відхилення стрілки. З’єднаємо його з другим електрометром – кут відхилення стрілки помітно зменшиться. Приберемо контакт між приладами і рукою розрядимо друге електрометрії, після чого знову з’єднаємо електрометрії – відхилення стрілки знову зменшиться. Таким чином, електричний заряд можна ділити на частини. Можна провести і зворотний експеримент – поступово додаючи заряд електрометрії.

«Змішаємо» зараз, два наявних види електрики. Для цього зарядимо одна електрометрії «скляним» електрикою, а другий – «смоляним», намагаючись, щоб початкові відхилення стрілок обох електрометрів були приблизно однаковими. Після цього з’єднаємо стрижні електрометрів металевим дротом (на ізолюючої ручці, щоб заряди не втекли »). Результат цього досвіду може викликати здивування – обидва електроскопа розрядилися, або «скляне» і «смоляне» електрику нейтралізували, компенсували один одного (рис. 145). Отже, виявляється можливим приписати різним видам заряду різні алгебраїчні знаки – один заряд назвати позитивним, другий негативним. Розумно припустити, що сила взаємодії залежить від сумарного заряду. Якщо спочатку електрометрії були заряджені різними видами електрики, але різною мірою (відхилення стрілок – різні), а потім їх з’єднати, то відбудеться лише часткова компенсація зарядів – стрілки будуть відхилені, але в набагато меншому ступені.

Історично склалося, що позитивним назвали «скляний» заряд, а «смоляний» заряд став негативним [3].

Описаний нами прилад, електрометрії, дозволяє лише якісно судити про величину зарядів, проводити з ним кількісні виміри неможливо. Спробуйте, наприклад, піднести до зарядженого електрометрії руку (не торкаючись до стрижня) – відхилення стрілки збільшиться! Піднесіть до незаряджені стрижню заряджену паличку, не торкаючись до стрижня – стрілка відхилиться, хоча електрометрії не заряджений. До пояснення цих фактів ми повернемося пізніше.

Посилання на основну публікацію