КОНСПЕКТ ЛЕКЦИИ ПО ТЕМЕ ДВА РОДА ЗАРЯДОВ. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ТЕЛ. ЗАКОН КУЛОНА. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА

ДВА ВИДА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ
 Если некоторые частицы (или тела) обладают способностью принимать участие в электрических взаимодействиях, то имеет смысл приписать им некоторую характеристику, которая и будет указывать на это их свойство. Такая характеристика получила название электрический заряд. Тела, принимающие участие в электрических взаимодействиях называются заряженными. Таким образом, термин «электрически заряженный» является синонимом выражения «участвует в электрических взаимодействиях». Почему некоторые элементарные частицы обладают электрическим зарядом, а другие нет − никому не известно!
 Дальнейшие рассуждения, основанные на экспериментальных данных, призваны конкретизировать эту характеристику, по возможности, сделать ее количественной.
 История изучения электрических явлений длительна и полна драматизма, …
 Далее мы опишем ряд простых опытов, которые можно провести дома «на кухне», или в школьной лаборатории. При их объяснении мы будем пользоваться теми знаниями, которые получены в течение многими учеными нескольких сотен лет, в результате многочисленных и разнообразных экспериментов.
 Сейчас, мы воспроизведем в очень упрощенной форме некоторые этапы экспериментальных исследований, выводы из которых послужили основой современной теории электрических взаимодействий.
 Для проведения экспериментов, прежде всего, следует научиться получать заряженные тела. Простейший метод достижения этой цели − электризация трением. Например, хорошо электризуется, (то есть приобретает электрический заряд) стекло, если его потереть шелком. Появление электрического заряда проявляется в том, что такая палочка начинает притягивать кусочки бумаги, волоски, пылинки и т.д.
 Также можно установить, что многие другие вещества также электризуются посредством трения. Зная результат заранее, в качестве второго «источника» электричества выберем эбонитовую палочку, потертую шерстью. Назовем электрический заряд, который появляется на стекле − «стеклянным», а заряд на эбоните «смоляным2».
Шарль Франсуа Дюфе (Charles François de Cisternay du Fay; 1698 − 1739) − французский учёный, физик, член Парижской Академии наук (рис.).
 Дюфе добился наибольших успехов в систематизации сведений по электрическим эффектам. Он составил программу для изучения электрических явлений и в результате открыл два рода электрического заряда: «стеклянный» и «смоляной» (сейчас их называют положительным и отрицательным); первым исследовал электрические взаимодействия и доказал, что одноименно наэлектризованные тела отталкиваются друг от друга, а разноименно − притягиваются. В своих экспериментах Дюфе пользовался уже не электроскопом, а электрометром, позволяющим измерить величину заряда. Для обнаружения и примитивного измерения электричества он пользовался версором Гильберта, сделав его намного более чувствительным. Первый наэлектризовал тело человека и «получил» из него электрические искры. Впервые высказал мысль об электрической природе молнии и грома (1735). Исследовал магнитные явления, фосфоресценцию, двойное лучепреломление в кристаллах.
 Далее нам необходим «прибор», который мог бы реагировать на присутствие электрического заряда. Для этого подвесим на нити легкий стаканчик, скрученный из кусочка фольги. Легко проверить, что этот стаканчик не заряжен − чтобы мы не подносили к нему, карандаш, руку, учебник физики и т.д., никакого действия на стаканчик не проявляется.
 Поднесем к незаряженному стаканчику заряженную стеклянную электрическую палочку (рис. 217). Стаканчик притягивается к ней, как и другие мелкие тела. По углу отклонения нити (при известной массе стаканчика и длине нити) можно даже рассчитать силу притяжения. Если стаканчик не соприкоснулся с заряженной палочкой он остается незаряженным, что легко можно проверить экспериментально. Если же стаканчик прикоснется к заряженной палочке, то он резко оттолкнется от нее. Если теперь убрать палочку, стаканчик окажется заряженным, что можно проверить, если поднести к нему другое незаряженное тело. Например, он будет притягиваться к поднесенной руке.

рис. 217
Аналогичные результаты получаются, если заменить стеклянную палочку, потертую о шелк, эбонитовой палочкой, потертой о шерсть.
Таким образом, в этих экспериментах различие между «стеклянным» и «смоляным» электричеством не проявляется.
Не будем пока, обсуждать, почему незаряженный стаканчик притягивается к заряженной палочке, а заряженный стаканчик притягивается к незаряженной руке. Единственный вывод, который мы сделаем из проведенного эксперимента − в результате контакта стаканчик приобрел электрический заряд. Следовательно, электрический заряд может передаваться от одного тела к другому.
Возьмем два одинаковых стаканчика из фольги, подвесим рядом их на нитях одинаковой длины. Если стаканчики зарядить одинаково (либо с помощью стеклянной, либо с помощью эбонитовой палочки), то стаканчики отталкиваются (рис. 218).

рис. 218
Если же стаканчики заряжены различными зарядами, то они притягиваются.
Таким образом, мы доказываем, что существует, по меньшей мере, два вида электрических зарядов.
Для дальнейших экспериментов заменим «измерительные стаканчики» более совершенным прибором, который называется электрометр (рис. 219).

рис. 219
 Прибор состоит из металлического стержня и легкой металлической стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Это устройство помещено в металлический корпус, закрытый стеклянными крышками. Угол отклонения стрелки можно измерять с помощью шкалы. Стержень со стрелкой закреплен в корпусе с помощью плексигласовой втулки. Стержень со стрелкой играют ту же роль, что и стаканчики из фольги в предыдущих опытах − при прикосновении заряженного тела к стержню, заряд будет перетекать на стержень и на стрелку, что приведет к ее отклонению. Причем, направление отклонения стрелки не зависит от вида сообщенного заряда.
 Для дальнейших экспериментов будем использовать два одинаковых электроскопа. Зарядим один из них с помощью, например, стеклянной палочки. Далее начнем соединять стержни электрометров с помощью различных материалов. При соединении стержней с помощью деревянной, незаряженных стеклянной, эбонитовой, пластмассовых палочек; текстильных нитей, никаких изменений не происходит − один электрометр остается заряженным, второй незаряженным. Если же соединить стержни с помощью металлической3 проволоки, то оказываются заряженными оба электрометра. Причем, отклонение стрелки первоначально заряженного электрометра уменьшится (рис. 220).

рис. 220
 Из результатов этого опыта можно сделать два важных вывода: во-первых, некоторые материалы (металлы) могут передавать электрический заряд, другие (стекло, пластмасса, дерево) нет; во-вторых, заряд может изменяться, быть больше или меньше. Эти же эксперименты можно повторить с использованием и второго вида («смоляного») электричества. Результаты окажутся такими же − материалы, которые проводят «стеклянное» электричество, проводят и «смоляное». Если «стеклянный» заряд перераспределяется между электрометрами, то также себя ведет и «смоляной» заряд.
 Итак, мы можем разделить материалы на две группы − те, которые передают электрический заряд (эти материалы назвали проводники), и те, которые не передают электрический заряд (их назвали изоляторы). Кстати, стержень электрометра отделен от корпуса с помощью втулки из изолятора, чтобы электрический заряд не «растекался» по корпусу, а оставался на стержне и стрелке.
 Различные отклонения стрелки электрометра однозначно свидетельствуют о том, что сила взаимодействия между заряженными телами может быть различной, поэтому и величины зарядов могут быть различными. Следовательно, заряд можно характеризовать некоторой численной величиной (а не так, как мы говорили ранее − «есть, или нет»).
 Еще один интересный результат − если к стержню заряженного электрометра прикоснуться рукой, то электрометр разряжается − заряд исчезает. Даже на основании этих качественных наблюдений можно объяснить, куда исчезает заряд, при прикосновении руки. Человеческое тело является проводником, поэтому заряд может перетечь в тело человека.
 Для подтверждения этой идеи о количественном характере заряда можно провести следующий опыт. Зарядим один электрометр − заметим угол отклонения стрелки. Соединим его со вторым электрометром − угол отклонения стрелки заметно уменьшится. Уберем контакт между приборами и рукой разрядим второй электрометр, после чего опять соединим электрометры − отклонение стрелки опять уменьшится. Таким образом, электрический заряд можно делить на части. Можно провести и обратный эксперимент − постепенно добавляя заряд электрометру.
 «Смешаем» сейчас, два имеющихся вида электричества. Для этого зарядим один электрометр «стеклянным» электричеством, а второй − «смоляным», стараясь, чтобы начальные отклонения стрелок обоих электрометров были примерно одинаковыми.

рис. 221
 После этого соединим стержни электрометров металлической проволокой (на изолирующей ручке, чтобы заряды не убежали»). Результат этого опыта может вызвать удивление − оба электроскопа разрядились, или «стеклянное» и «смоляное» электричество нейтрализовали, скомпенсировали друг друга.
 Следовательно, оказывается возможным приписать различным видам заряда различные алгебраические знаки − один заряд назвать положительным, второй отрицательным. Разумно предположить, что сила взаимодействия зависит от суммарного заряда. Если первоначально электрометры были заряжены разными видами электричества, но в разной степени (отклонения стрелок − различны), а потом их соединить, то произойдет лишь частичная компенсация зарядов − стрелки будут отклонены, но в гораздо меньшей степени.
 Исторически сложилось, что положительным назвали «стеклянный» заряд, а «смоляной» заряд стал отрицательным3.
 Описанный нами прибор, электрометр, позволяет лишь качественно судить о величине зарядов, проводить с ним количественные измерения невозможно. Попробуйте, например, поднести к заряженному электрометру руку (не прикасаясь к стержню) − отклонение стрелки увеличится! Поднесите к незаряженному стержню заряженную палочку, не прикасаясь к стержню − стрелка отклонится, хотя электрометр не заряжен. К объяснению этих фактов мы вернемся позднее.
 Немного истории...
 XVII − XVIII века были временем чрезвычайно быстрого развития учения о явлениях, которые в настоящее время называются электростатическими. Особую известность во второй половине XVII в. получил прибор, построенный OTTO фон Герике (тот самый знаменитый губернатор Магдебурга, прославившийся своими опытами по демонстрации атмосферного давления!). Установка Герике представляла собой шар из серы «величиной с детскую голову», насаженный на ось и приводимый во вращение (рис. 222).

рис. 222
 Натирание шара производилось ладонями рук, Герике удалось заметить слабое свечение наэлектризованного шара в темноте и, что особенно важно, впервые обнаружить явление электрического отталкивания.
 Опыты Герике с серным шаром нашли свое дальнейшее продолжение и развитие. В 1709 году англичанин Хауксби построил электростатическую машину, заменив серный шар стеклянным, так как стекло электризовалось более интенсивно. В 1744 году было предложено применять для натирания шара кожаные подушечки, прижимаемые пружинами к стеклу. В этом же году был изобретен кондуктор для собирания электрических зарядов. Несколько позднее в электростатических машинах трения стеклянный шар был заменен цилиндром для увеличения натираемой поверхности.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ТЕЛ. ЗАКОН КУЛОНА. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА.
Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным. Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной — электрическим зарядом, который обозначается q. Единица электрического заряда — кулон (Кл). 1 кулон — это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. Один вид заряда назвали положительным, носителем элементарного положительного заряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен Заряд частиц всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда.
Полный заряд замкнутой системы (в которую не входят заряды извне), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел, остается постоянной: q1 + q2 + ... + qn = const. Электрический заряд не создается и не исчезает, а только переходит от одного тела к другому. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда. Никогда и нигде в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц — электронов — от одних тел к другим.
Электризация — это сообщение телу электрического заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разнородных веществ и при облучении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.
В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка — положительный.
Законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов изучает электростатика.
Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном и читается так: модуль силы взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

г — расстояние между ними, k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц, в СИ
Величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды Е. Для среды с диэлектрической проницаемостью е закон Кулона записывается следующим образом:

В СИ коэффициент k принято записывать следующим образом:
— электрическая постоянная, численно равная
С использованием электрической постоянной закон Кулона имеет вид:
Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Кулоновские силы можно изобразить графически (рис. 20, 21).

ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться в электрическом поле, называют свободными зарядами, а вещества, содержащие их, - проводниками. Проводниками являются металлы, жидкие растворы и расплавы электролитов. Свободными зарядами в металле являются электроны внешних оболочек атомов, потерявшие с ними связь. Эти электроны, называемые свободными электронами, могут свободно двигаться по металлическому телу в любом направлении. В растворах солей свободными зарядами служат положительно и отрицательно заряженные ионы.
В условиях электростатики, т.е., когда электрические заряды неподвижны, напряжённость электрического поля внутри проводника всегда равна нулю. Действительно, если предположить, что поле внутри проводника всё-таки есть, то тогда на находящиеся в нём свободные заряды будет действовать электрические силы, пропорциональные напряжённости поля, и эти заряды начнут двигаться, а значит, поле перестанет быть электростатическим. Таким образом, электростатическое поле внутри проводника отсутствует.
Исчезновение внутри проводника электростатического поля происходит следующим образом. Пусть металлический проводник в форме шара вносят в электрическое поле, напряжённость которого в данной области постоянна, т.н. однородное поле. Как только это произойдёт, свободные электроны проводника под действием электрических сил начнут перемещаться (см. стрелки на рис. 36а), в результате чего одна часть проводника зарядится положительно, а другая – отрицательно. Этот процесс перемещения закончится тогда, когда образовавшиеся заряды на противоположных частях шара создадут внутри проводника такое поле, которое полностью компенсирует внешнее электрическое поле. После этого напряжённость электрического поля внутри шара станет равной нулю, и свободные заряды опять станут неподвижными. При этом переместившиеся заряды изменят поле снаружи проводника (рис. 36б), а его силовые линии станут перпендикулярными поверхности шара, т.к. составляющая вектора напряжённости, параллельная поверхности проводника, вызвала бы движение его свободных зарядов. Явление, приводящее к исчезновению электростатического поля внутри проводника, называют электростатической индукцией.
Вещества, в которых нет свободных зарядов, называют диэлектриками или изоляторами. Примерами диэлектриков могут служить различные газы, некоторые жидкости (вода, бензин, спирт и др.), а также многие твёрдые вещества (стекло, фарфор, плексиглас, резина и др.).
Существуют два вида диэлектриков – полярные и неполярные. В молекуле полярного диэлектрика положительные заряды находятся преимущественно в одной её части («+» полюс), а отрицательные – в другой («-» полюс). У неполярного диэлектрика положительные и отрицательные заряды одинаково распределены по молекуле.
Во внешнем поле на разноимённые полюса молекулы полярного диэлектрика действуют противоположно направленные силы (F и –F на рис. 36в), которые стараются повернуть молекулу вдоль вектора напряжённости поля. Внешнее поле действует также и на молекулу неполярного диэлектрика, перемещая внутри неё разноимённые заряды в разные стороны, в результате чего эта молекула становится похожей на молекулу полярного диэлектрика, ориентируясь тоже вдоль линий поля. Таким образом, во внешнем поле заряды в молекулах диэлектрика смещаются в направлении действия электрических сил (рис. 36г). Это явление называют поляризацией диэлектрика.
При поляризации диэлектрика на его противоположных по отношению к внешнему полю поверхностях появляются разноимённые электрические заряды, называемые связанными. Связанные заряды создают в диэлектрике электрическое поле, вектор напряжённости которого направлен противоположно вектору внешнего поля, в результате чего электрическое поле внутри диэлектрика уменьшается в e раз. Величину e называют диэлектрической проницаемостью диэлектрика, которая равна для воздуха - 1,0006, бензина – 2,3, плексигласа – 3,4, стекла - от 5 до 10, а для воды – 81.
Вопросы для повторения:
Что такое свободные заряды, проводники и диэлектрики?
Опишите явление электростатической индукции.
Что такое поляризация диэлектрика?