Электрические заряды. Закон сохранения электрического заряда

Закон сохранения электрических зарядовПовседневным явлением, в котором обна­руживается факт существования в природе электрических зарядов, яв­ляется процесс электризации тел при соприкосновении. Для изучения яв­лений электризации проделаем сле­дующие опыты.

Отрежем полоску бумаги шири­ной около 1 см. Поднеся к полоске какой-нибудь пластмассовый предмет, например, ручку, убедимся, что они не взаимодействуют друг с дру­гом. Положив полоску на тетрадь, проведем по ней несколько раз пласт­массовой ручкой с легким нажимом. Затем возьмем полоску бумаги в одну руку, а ручку — в другую и будем их сближать. Бумажная полоска изги­бается в сторону ручки, т. е. между бумажной полоской и ручкой возни­кают силы притяжения.

Очевидно, что наблюдаемые в опыте силы притяжения между бу­мажной полоской и пластмассовой ручкой не являются силами всемир­ного тяготения, так как возникают только после соприкосновения тел и не зависят от их масс. Этот новый тип взаимодействия тел называется электростатическим взаимодействием. Электростатическое взаимодей­ствие тел объясняется существова­нием электрических зарядов. Про­цесс возникновения электрических зарядов на телах при соприкосновении (а также при некоторых дру­гих процессах, которые будут рас­смотрены ниже) называется электри­зацией тел.

Два вида электрических зарядов.

Продолжим опыты по изучению взаи­модействия электрических зарядов. Отрежем две полоски бумаги шири­ной около 1 см. Сближая полоски, убеждаемся, что между ними нет заметных сил взаимодействия. Поло­жив полоски рядом на тетрадь, про­ведем по ним пластмассовой ручкой несколько раз с легким нажимом. Чтобы полоски не изгибались, пе­ревернем их и столько же раз про­ведем ручкой но другой стороне по­лосок.

Взяв полоски в руки, станем сбли­жать их. Опыт показывает, что при сближении полоски изгибаются, от­талкиваясь друг от друга. Следовательно, в отличие от сил все­мирного тяготения, которые всегда являются силами притяжения, при электростатическом взаимодействии электрических зарядов могут наблю­даться как силы притяжения, так и силы отталкивания.

Способность электрических заря­дов в одних случаях к взаимному притяжению, в других – к отталки­ванию объясняется существованием двух различных видов зарядов. Один из них назвали положительным, а другой — отрицательным. Заряды обозначают буквой q или Q.

Очевидно, что при соприкоснове­нии с одной и той же пластмассовой ручкой на обеих одинаковых полос­ках бумаги появляются электричес­кие заряды одного знака. Эти полос­ки отталкиваются, следовательно, между электрическими зарядами одинакового знака действуют силы отталкивания. Между электрическими зарядами противоположных знаков действуют силы притя­жения.

Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электрометр. Электро­метр состоит из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Стержень со стрелкой закреплен в плексигласовой втулке и помещен в металлический корпус цилиндра ческой формы, закрытый стеклян­ными крышками.

Натиранием о мех или бумагу сообщим заряд эбонитовой палочке, а затем прикоснемся палочкой к стержню электрометра. Мы увидим, что стрелка электрометра отклоняет­ся на некоторый угол. Поворот стрелки объясняется тем, что при соприкосновении заряженно­го тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяют­ся по стрелке и стержню. Силы оттал­кивания, действующие между одноименными электрическими зарядами на стержне и стрелке, вызывают по­ворот стрелки. Наэлектризуем эбонитовую палочку еще раз и вновь коснемся ею стержня электрометра. Опыт показывает, что при увеличе­нии электрического заряда на стержне угол отклонения стрелки от верти­кального положения увеличивается. Следовательно, по углу отклонения стрелки электрометра можно сулить о значении электрического заря­да, переданного стержню электро­метра.

Закон сохранения электрического заряда.

Воспроизведем теперь опы­ты, результаты которых в свое время послужили основой для создания современного учения об электриче­стве. Опыты, результаты которых лежат в основании построения теории, называют фундаментальными.

Установим на демонстрационном столе два одинаковых электрометра. На стержне одного из них укрепим металлический диск и поставим на него второй такой же диск с ручкой из изолятора. Между дисками по­местим прослойку из сукна. Взяв­шись за ручку, совершим несколь­ко движений верхним диском по прослойке и поднимем верхний диск.

После удаления верхнего диска стрелка электрометра отклоняется, обнаруживая появление электричес­кого заряда на диске и стержне электрометра. При­коснемся верхним диском к стержню второго электрометра. Опыт показы­вает, что стрелка второго электро­метра после прикосновения отклоня­ется примерно на такой же угол, что и стрелка первого электрометра. Это значит, что в результате электризации при сопри­косновении электрические заряды по­явились на двух соприкасающихся телах — на первом диске с сукном и на втором диске.

Теперь выполним последнюю часть опыта — соединим проводни­ком стержни первого и второго электрометров. При этом стрелки первого и второго электрометров воз­вращаются в вертикальное положение. Наблюдаемая в опыте взаимная нейтрализация электри­ческих зарядов показывает, что сум­марный электрический заряд на двух дисках равен нулю.

Опыты с применением самых точ­ных приборов для измерения электрических зарядов показали, что в результате электризации тел при соприкосновении на них всегда возникают электрические заряды, равные по модулю и противоположные по знаку.

Электрические заряды могут по­являться на телах не только в ре­зультате электризации при сопри­косновении тел, но и при других взаи­модействиях, например под воздей­ствием света. Однако внутри изолированной системы при любых взаи­модействиях алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной: q1 + q2 + q3 + q4 + … + qn = const.

Изолированной (или замкнутой) системой тел, мы будем называть систему тел, в которую не выводятся извне и не выводятся из нее электрические заряды.

Этот экспериментально установ­ленный факт называется законом сохранения электрического заряда.

Нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает электричес­кий заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда всегда сопровождается появле­нием равного по модулю отрицательного заряда. Ни положительный, ни отрицательный заряд не могут исчез­нуть в отдельности, они могут лишь взаимно нейтрализовать друг друга, если равны по модулю.

Электрические заряды и строение вещества.

Опыт показывает, что ней­тральные атомы и молекулы любого химического вещества могут стать заряженными частицами — положи­тельными или отрицательными иона­ми. Следовательно, электрическими зарядами обладают частицы, из которых состоят атомы и моле­кулы.

Как известно, в состав любого атома входит положительно заря­женное ядро и отрицательно заря­женные электроны. В нейтральном атоме суммарный заряд электронов в точности равен заряду атомного ядра. Тело, состоящее из нейтраль­ных атомов и молекул, имеет сум­марный электрический заряд, рав­ный нулю.

Если в результате какого-либо взаимодействия часть электронов пе­реходит от одного тела к другому, то одно тело приобретает отрицатель­ный электрический заряд, а второе — равный по модулю положительный электрический заряд. При соприко­сновении двух разноименно заряжен­ных тел избыточное число электронов переходит с отрицательно заряжен­ного тела к телу, у которого часть атомов не имела полный комплект электронов на своих оболочках.