Урок 54. Применение закона Кулона, 10.04.2020 (записать в тетради тему и дату урока).
Сокращения: УЭ – учебный элемент.
|
УЭ |
Учебный материал с указанием цели и заданий |
Комментарий для обучающихся |
|
УЭ0 |
Входной контроль. Цель: проверка знаний по теме «Электризация, электрический заряд и его свойства». Задание выполнить в рабочих тетрадях. Каждый ученик выполняет свой вариант. Например, Антошкина А. стоит первой в журнале. Значит, она выполняет вариант 1. |
Работа по вариантам (смотри после таблицы). Фотографируем и отправляем либо через сетевой город (если возможно), либо по e-mail: [email protected] |
|
УЭ1 |
Цель: применение закона сохранения электрического заряда и закона Кулона при решении задач разного уровня сложности. При решении задач по данной тематике используются формулы: q1 + q2 + … + qn = const F = k Примеры. №1 Одинаковые металлические шарики, заряженные зарядами q и 4q, находятся на расстоянии r друг от друга. Шарики привели в соприкосновение. На какое расстояние их следует снова развести, чтобы сила взаимодействия между ними осталась прежней? Дано: q1 = q Решение. q2 = 4q Когда шарики привели в соприкосновение, заряды на них перераспределились и разделились поровну, т.е. r1 = r Найти: r2. По условию задачи: F1 = F2, т.е. k После сокращений, получаем: r2 = 1,25r. Ответ: r2 = 1,25r. №2 (решить самостоятельно в рабочей тетради). Два заряженных тела с зарядами –10 нКл и 16 нКл находятся на расстоянии 10 см друг от друга. Заряды приводят в соприкосновение. На какое расстояние их надо развести, чтобы сила взаимодействия между ними удвоилась. №3 Заряды 40 нКл и –10 нКл расположены на расстоянии 10 см друг от друга. Какой надо взять третий заряд и где его следует поместить, чтобы равнодействующая сил, действующих на него со стороны двух других зарядов, была бы равна нулю? Дано: q1 = 40 нКл Решение. F2 F1 r = 10 см q1 q2 q3 Н r x Так как заряды q1 и q2 разноимённые и |q1| |q2|, то третий заряд на расположить следует расположить за вторым на расстоянии х от него (смотри рисунок). Расставим силы, действующие на третий заряд со стороны первых двух. По условию задачи: F1 = F2 или k |
Учебник: §86. Записать в рабочую тетрадь. Решить в рабочей тетради. |
, k = 9
109 
– постоянная Кулона, ɛ — диэлектрическая проницаемость вещества.
= 
. Применим закон сохранения электрического заряда: q1 + q2 = 2
.
= k
. Подставляя выражения для зарядов, получаем: k
= k
.
q2 = –10 нКл Сделаем чертёж
айти: х, q3.
= k
. После сокращений и преобразований дробей получаем: |
№4 (решить самостоятельно в рабочей тетради). Заряды 90 нКл и 10 нКл расположены на расстоянии 4 см друг от друга. Какой надо взять третий заряд и где его следует поместить, чтобы равнодействующая сил, действующих на него со стороны двух других зарядов, была бы равна нулю? №5 Два заряда по 25 нКл каждый, расположенные на расстоянии 24 см друг от друга, образуют электростатическое поле. С какой силой это поле действует на заряд 2 нКл, помещённый в точку, удалённую на 15 см от каждого из зарядов, если заряды, образующие поле, одноимённые? Д q3 = 2 нКл α/2 r = 24 см х = 15 см x x Н F Из анализа условия задачи делаем вывод, что заряды расположены в вершинах равнобедренного треугольника (смотри рисунок). Расставим силы, действующие на заряд q3 и найдём их равнодействующую по правилу параллелограмма. Расставим заряды и расстояния на рисунке. Так как q1 = q2, то |F1| = |F2|. Для определения модуля равнодействующей силы, действующей на третий заряд со стороны первых двух, воспользуемся теоремой косинусов: |F| = = F1 Ответ: 24 мкН. №6 (решить самостоятельно в рабочей тетради). Два заряда по 25 нКл каждый, расположенные на расстоянии 24 см друг от друга, образуют электростатическое поле. С какой силой это поле действует на заряд 2 нКл, помещённый в точку, удалённую на 15 см от каждого из зарядов, если заряды, образующие поле, разноимённые? |
Решить в рабочей тетради. Решить в рабочей тетради. |
|
|
УЭ2 |
ДЗ: §86 (внимательно изучить материал, примеры решённых задач); ЗСР (№№3-5). Кто планирует сдавать ЕГЭ выполнить ещё задание ЕГЭ (стр.289). |
Выполнить в рабочих тетрадях, сфотографировать и выслать на проверку не позднее 15.04.2020 до 15.00 либо через сетевой город (если возможно), либо по e-mail: [email protected] |
Вариант 1
В любом теле – огромное количество электронов. В капле воды, например, их около 1023. Почему же тела нейтральны в обычном состоянии?
Вариант 2
Почему незаряженные металлические опилки притягиваются к заряженному телу?
Вариант 3
Возможно ли в процессе электризации трением образование электрического заряда одного знака? Почему?
Вариант 4
Могут ли тела электризоваться при соприкосновении без трения? Почему?
Вариант 5
При каком условии можно наэлектризовать латунную палочку?
Вариант 6
Электрический заряд, имеющийся на проводящем шаре необходимо разделить на три равные части. Как это осуществить?
Вариант 7
Что имеет большую массу: атом азота или положительный ион азота? Атом натрия или отрицательный ион натрия?
Вариант 8
Если поднести на нити заряженное тело к незаряженному, то они сначала притянутся друг к другу, а после соприкосновения будут отталкиваться. Почему?
Вариант 9
Зёрнышко риса притягивается к отрицательно заряженному телу. Можно ли утверждать, что зёрнышко заряжено положительно? Ответ обосновать.
Вариант 10
Атомы металлов, вступая в химические реакции, сравнительно легко «отдают» электроны. Какими ионами они при этом становятся?
Вариант 11
При натирании сургуча шерстью сургуч заряжается отрицательно. Как вследствие электризации изменяется масса сургуча и шерсти?
Вариант 12
Существует ли гравитационное притяжение между одноимённо заряженными телами? Если да, то почему его обычно не учитывают?
Вариант 13
Правильно ли выражение: «При трении создаются заряды?» Почему?
Вариант 14
Можно ли на концах эбонитовой палочки получить одновременно два разноимённых заряда? Как это сделать?
Вариант 15
Почему мельчайшие капельки одеколона, разбрызгиваемого пульверизатором, оказываются наэлектризованными?
Вариант 16
На тонкой шёлковой нити висит заряженная бумажная гильза. Как узнать знак заряда гильзы, имея каучуковую расчёску?
Вариант 17
Можно ли при электризации трением зарядить одно тело? Почему?
Вариант 18
Как с помощью отрицательно заряженного металлического шара зарядить положительно другой такой же шар, не изменяя заряда первого шара?
Вариант 19
На тонких шёлковых нитях подвешены две одинаковые лёгкие бумажные гильзы. Одна из них заряжена, а другая – нет. Как определить, какая из них заряжена?
Вариант 20
Может ли атом водорода лишиться, заряда, равного 1,5 заряда электрона? Почему?
Вариант 21
Почему при быстром перематывании плёнки на магнитофоне она приобретает способность «прилипать» к различным предметам?
Вариант 22
Атом хлора принял два электрона. Как называется полученная частица? Каков её заряд?
Вариант 23
Тело приобрело положительный заряд. Что произошло с массой этого тела? Почему?
Вариант 24
Почему заряженный электрометр разряжается быстрее в пыльном помещении?
Вариант 25
Как можно изменить заряд на заряженном электрометре не меняя знака заряда на нём?
Вариант 26
Как получить заряды разного знака, не имея в своём распоряжении ничего, кроме эбонитовой палочки и куска шерстяной материи?
Вариант 27
Почему металлический стержень нельзя наэлектризовать, если держать его в руке?
Вариант 28
Существуют ли в свободном состоянии частицы с зарядом меньшим, чем у протона? Почему?
Вариант 29
Является ли нейтральным атом гелия, если вокруг его ядра обращается один электрон? Если нет, то как называется такая частица и каков её заряд?
Вариант 30
Что произойдёт, если к электроскопу, заряженному отрицательно, поднести, не прикасаясь к нему, положительно заряженную палочку из стекла? Обосновать свой ответ.
Вариант 31
Какой заряд приобретает атом железа, если он потерял один электрон?
Вариант 32
Каков знак заряда земной поверхности непосредственно под облаком, если последнее заряжено положительно?
Определение
Электризацией называется процесс разделения электрических зарядов и накопление их в определенных местах предметов и тел. Явление происходит в результате трения, соприкосновения тел или в результате электростатической индукции. Простыми словами, когда рядом расположен какой-то предмет, обладающий электрическим полем.
Напомним
: в физике выделяют два рода зарядов – положительные и отрицательные, или протоны и электроны. Между ними возникает электрическое поле. Одноименные заряды притягиваются, а разноименные отталкиваются.
Явление наблюдается на источниках питания и не только. На диэлектриках накапливаются заряды, все видели это в опытах, иллюстрирующих явление с эбонитовыми и стеклянными палочками, которые демонстрировали на уроках физики в школе.
Изначально все атомы, из них состоит всё что нас окружает, электрически нейтральны. В результате явления электризации на поверхности предметов появляются положительные или отрицательные заряды. Напомним школьный опыт: если потереть эбонитовую палочку шерстяной тканью, после прекращения трения палочка останется заряженной. Тогда говорят, что тело электризовано.
Таким образом, во время трения электроны переходили с одного предмета на другой. В результате, после прекращения трения избыточные электроны остались «не на своих» телах и получился избыточный заряд, и оно перестало быть нейтральным. В результате трения палочки о шерсть или мех на её поверхности образовался отрицательный заряд.
Статическое электричество в быту
Пенопластовые шарики прилипли к кошачьей шерсти из-за статического электричества
Статическое электричество широко распространено в обыденной жизни. Если, например, на полу лежит ковер из шерсти, то при трении об него человеческое тело может получить отрицательный электрический заряд, в то время как ковёр получит положительный. Другим примером может служить электризация пластиковой расчески, которая после причёсывания получает минус-заряд, а волосы получают плюс-заряд. Накопителем минус-заряда нередко являются полиэтиленовые пакеты, полистироловый пенопласт. Накопителем плюс-заряда может являться сухая полиуретановая монтажная пена, если её сжать рукой.
Когда человек, тело которого наэлектризовано, дотрагивается до металлического предмета, например, трубы отопления или холодильника, накопленный заряд моментально разрядится, а человек почувствует лёгкий удар током.
Электростатический разряд происходит при очень высоком напряжении и чрезвычайно низких токах. Даже простое расчёсывание волос в сухой день может привести к накоплению статического заряда с напряжением в десятки тысяч вольт, однако ток его освобождения будет настолько мал, что его зачастую невозможно будет даже почувствовать. Именно низкие значения тока не дают статическому заряду нанести человеку вред, когда происходит мгновенный разряд.[2]
С другой стороны, такие напряжения могут быть опасны для элементов различных электронных приборов — микропроцессоров, транзисторов и т. п. Поэтому при работе с радиоэлектронными компонентами рекомендуется принимать меры по предотвращению накопления статического заряда.
Условия возникновения явления и способы передачи зарядов
Мы рассказали, как объясняется это явление в природе, а теперь давайте рассмотрим, как можно наэлектризовать тела. Сразу отметим, что выполнение всех условий необязательно – электризация может происходить по тем или иным причинам, разделим их на две основных группы:
Первая — это механическое взаимодействие. При трении расстояние между предметами сопоставимо расстоянию между молекулами в нём. Так как электроны в одном из тел слабее связаны с ядром – они переходят «вырываются» на другое тело. Другими способами электризации являются удар и соприкосновение.
Вторая группа — электризация влиянием, то есть явление наблюдается при воздействии на тело внешних сил, среди которых:
- Электрическое поле. В результате воздействия поля на проводник на его поверхности появляются заряды, причем чем меньше радиус изгиба поверхности – тем больше зарядов здесь скопится. Так на острие будет больше всего зарядов, подробнее этот вопрос мы рассматривали в статье https://samelectrik.ru/kak-raspredelyayutsya-zaryady-v-provodnike-pri-protekanii-toka.html и здесь https://samelectrik.ru/chto-takoe-provodniki-poluprovodniki-i-dielektriki.html
- Воздействие светом. Открыто профессором А.Г. Столетовым в 1888 году, заключается в том, что при воздействии светом на цинк, алюминий, цезий, натрий, свинец, калий и другие металлы они теряют электроны и становятся заряженными положительно.
- Теплом. При нагревании металла электронам сообщается энергия достаточная для того чтобы покинуть пределы металла, в результате он приобретает положительный заряд.
- Химическая реакция. При наличии двух электродов из разных металлов происходят окислительно-восстановительные реакции, в результате один из них становится заряженным положительно, а второй – отрицательно. Подробнее мы это рассматривали в статье про анод и катод.
- Под давлением. В пьезоэлектриках (кварц, сегнетовая соль, фосфат аммония), при механическом воздействии (сжатии или растяжении), на гранях образуются положительные и отрицательные заряды.
Это и есть основные виды электризации.
Три способа электризации тел
Электрически нейтральное тело можно наэлектризовать разными способами:
- трением;
- прикосновением;
- наведением (электростатической индукцией).
Электризация трением
Электризация трением происходит, когда вы трёте один предмет о другой.
Электризация прикосновением
При взаимодействии двух тел, одно из которых наэлектризовано, незаряженное тело получает электрический заряд, если к нему прикоснуться заряженным. Если поднести пластмассовую ручку, обладающую положительным зарядом, к нейтральному стержню электроскопа, то произойдёт перераспределение заряда. Электроны стержня будут притягиваться положительным зарядом ручки (перетекать на ручку). Соответственно, на стержне образуется недостаток электронов, то есть положительный заряд. Причём равный по величине заряду ручки.
Электризация наведением (электростатическая индукция)
Этот способ электризации означает, что вы подносите заряженный предмет к изолированному проводнику, но не прикасаетесь к нему. Тогда на проводнике появляются заряды, притом на той его части, которая ближе к предмету, эти заряды противоположного знака. А на дальнем конце образуется заряд того же знака, что и на заряженном предмете.
При удалении заряженного предмета заряды на проводнике пропадают. Но если до удаления предмета разделить проводник на две части, то заряды на них сохранятся.
Какие законы физики связаны с электризацией
Явление электризации связано с такими физическими законами как:
- Закон Кулона. Описывает силу, с которой взаимодействуют заряды. Таким образом можно определить, как сильно наэлектризованные тела притягиваются друг к другу.
- Закон сохранения заряда. В нём сказано, что алгебраическая сумма зарядов в замкнутой системе неизменна. Это говорит о том, что избыточные заряды на электризованных предметах не появляются из ниоткуда, а переходят с тела на тело.
Мы уже рассматривали эти законы, вы можете ознакомиться подробнее в соответствующих статьях, на которые мы сослались.
Молнии
Основная статья: Молния
В результате движения воздушных потоков, насыщенных водяными парами, образуются грозовые облака, являющиеся носителями статического электричества. Электрические разряды образуются между разноименными заряженными облаками или, чаще, между заряженным облаком и озоновым слоем земли, с последующим разрядом на землю. При достижении критической разности потенциалов происходит разряд молнии между облаками, на земле или в околокосмическом слое планеты. Для защиты от молний устанавливаются молниеотводы, проводящие разряд напрямую в землю.
Помимо молний, грозовые облака могут вызывать на изолированных металлических предметах опасные электрические потенциалы из-за электростатической индукции.
В 1872 году экспедицией под руководством географа Генри Ганнетта[en] была покорена 13-я по высоте гора штата Монтана (США)[en]. Ей дали название Электрический пик
, так как у первопроходцев-покорителей, находящихся на вершине, после грозы начали сыпаться искры из пальцев рук и волос на голове[3][4][5].
Делимость электрического заряда. Электрон
В эксперименте с электрометрами металлическим стержнем часть заряда переносится от одного электрометра на другой. Из опыта видно, что заряд делится. Если коснуться стержня второго электрометра рукой, то заряд с него снимется, и распределится по всему телу (человеческое тело является хорошим проводником электричества). Если снова соединить приборы стержнем из металла, оставшийся заряд опять разделится. При повторении тех же шагов заряд каждый раз будет делиться. Кажется, что этот процесс будет происходить до бесконечности.
Заряды постепенно настолько уменьшаются, что электрометр уже не в состоянии их измерить. Уже очень точные опыты показали, что делить заряд до бесконечности нельзя, существует наименьший электрический заряд, который поделить уже нельзя. Называют его элементарным зарядом с абсолютной величиной e. Заряды измеряют в кулонах (Кл) в честь Шарля Кулона, французского физика.
Элементарным электрическим зарядом с отрицательным знаком обладает частица электрон (греч. «еlectron» – «янтарь»).
Передача (проведение) электричества
Все ли вещества могут одинаково передавать электрический заряд? Ответ можно получить с помощью двух электрометров, металлического стержня и эбонитовой палочки. Стержень и палочка крепятся к пластмассовой ручке.
- а – сообщить первому электрометру заряд, коснувшись шарика каким-либо заряженным телом;
- б – стержнем из металла соединить оба электрометра. Половина заряда с первого электрометра перейдет на второй;
- в – соединить электрометры эбонитовой палочкой. Перехода заряда не наблюдается.
Вещества, способные проводить электрические заряды, как в случае под буквой б, называются проводниками (металлы, кислотные, щелочные и солевые растворы). Вещества, с помощью которых нельзя передать заряды, называются диэлектриками (изоляторами). Хорошие диэлектрики – это резина, стекло, эбонит, фарфор, пластмассы, воздух и др.
В повседневной жизни
Вокруг нас постоянно происходит электризация тел. При трении некоторых предметов она становится настолько высокой, что к ним притягиваются даже габаритные тяжелые детали. В домашних условиях наблюдать процесс электризации можно следующим образом:
- Одеваем домашние тапочки матерчатые, только не с резиновой подошвой. Натираем длительно ногами по ковру или деревянному полу. И если коснуться кончиком пальцев с напарником, то получите разряд. В темноте будет видно как он сверкает.
- Часто незаземленные холодильники и стиральные машины тоже бились статическим электричеством. Это происходило по причине трения вращающихся частей.
- Электризуются ладони после трения их о ту же шерсть или шелк. Одежда на человеке притягивает разного рода пушинки, ворсинки по причине электризации. Девочки убирают её спреями-антистатиками, чтобы юбка не липла к ногам во время ходьбы.
( 1 оценка, среднее 4 из 5 )
Электроскоп
- Школьникам: Сотка, Фоксфорд, Тетрика, Skysmart, Алгоритмика.
- Английский: Инглекс, Skyeng, Puzzle, Novakid.
- Взрослым: Skillbox, Нетология, Geekbrains, Яндекс, SkillFactory, Уроки легенд, Skypro.
В подавляющем большинстве случаев заряженные тела выглядят точно так же, как и незаряженные. Поэтому визуально определить наличие заряда не получится. Понадобится специальный прибор.
Принцип действия электроскопа
В предыдущем разделе показано, что тела могут заряжаться не только трением. Если незаряженного предмета коснуться заряженным, то первый приобретет электрический заряд.
Если подвесить на нити легкий предмет (кусочек алюминиевой фольги) и коснуться ее заряженной палочкой, то в первый момент фольга притянется к палочке, а когда тела соприкоснутся, оттолкнется от нее. Этот эффект легко объяснить:
- до соприкосновения кусочек фольги был электрически нейтральным (не имеющим заряда), и притянулся к заряженной отрицательно эбонитовой палочке;
- в момент соприкосновения фольга зарядилась отрицательно, и тут же два одинаково заряженных тела оттолкнулись.
Этот эффект можно использовать для обнаружения заряженных тел. На этом принципе построен прибор, который называется электроскоп.
Устройство электроскопа для практического применения
Электроскоп представляет собой металлический корпус, передняя и задняя поверхности которого выполнены из прозрачного материала (стекла). В верхней части установлена изолирующая пробка (из резины, пластмассы и т.п.). Сквозь пробку пропущен металлический стержень, к концу которого прикреплены легкие полоски (лепестки) из алюминиевой фольги. На внешнем конце может быть укреплен металлический шарик.
В начале опыта электроскоп разряжен. Если к шарику прибора поднести заряженный предмет (например, эбонитовую палочку, получившую отрицательный заряд), то заряд через металлический стержень перетечет на листочки из фольги. Они окажутся заряженными одинаково, и силы взаимодействия заставят их разойтись. То же самое произойдет, если шарика коснуться положительно заряженной стеклянной палочкой, лепестки окажутся заряженными положительно, и также разойдутся в разные стороны.
Для повышения чувствительности электроскопа можно откачать воздух из его корпуса. В вакууме ничто не будет мешать металлическим лепесткам отклоняться, и чувствительность прибора повысится.
Что можно определить с помощью электроскопа
С помощью электроскопа можно определить, имеет ли тело электрический заряд или оно электрически нейтрально. Но с этим прибором можно провести и другие опыты по изучению свойств наэлектризованных тел.
Если зарядить электроскоп положительным зарядом, его лепестки разойдутся. Если теперь коснуться стержня отрицательно заряженной палочкой, листочки сойдутся, но, скорее всего, не до конца. Объясняется это тем, что отрицательный заряд скомпенсировал положительный. Но так как зарядить обе палочки строго одинаково не получится, то:
- если отрицательный заряд меньше положительного, полной компенсации не произойдет, и у лепестков останется небольшой положительный заряд, который заставит лепестки разойтись на небольшой угол;
- если положительный заряд больше отрицательного, то электроскоп немного перезарядится в отрицательную сторону, и листочки снова немного разойдутся.
Другой опыт демонстрирует возможность передачи заряда с помощью металлической перемычки. Если зарядить один электроскоп, а затем соединить стержни посредством металлического стержня, то второй электроскоп получит часть заряда от первого – его лепестки разойдутся на определенный угол. А заряд первого электроскопа снизится – угол расхождения листочков уменьшится.
Электрометр
Еще одна разновидность прибора для определения наличия заряда и для измерения его величины – электрометр. Кардинально по устройству и принципу действия он не отличается от электроскопа. В нем к металлическому стержню вместо легких лепестков прикреплена легкая стрелка, которая может легко вращаться на шарнире.
Заряд сообщается стрелке и стержню, после чего они начинают взаимно отталкиваться. Это вызывает вращение стрелки. Чем больше заряд, тем на больший угол отклоняется стрелка. Относительное значение заряда можно, как и в электроскопе, считать по шкале. В отличие от электроскопа, электрометр позволяет проводить оценочные измерения и других электрических величин.
Электроскоп («электро» – электрический, «скопио» – наблюдаю) — прибор для обнаружения электрических зарядов и приблизительного определения их величины. Заряженный электроскоп, в том числе, позволяет обнаружить, каким зарядом (положительным или отрицательным) наэлектризовано то или иное тело.
В основу работы данного прибора положен тот факт, что одноименно заряженные тела отталкиваются.
Устройство электроскопа
Электроскоп, который мы собираемся рассмотреть, состоит из двух золотых листочков внутри корпуса (см. рисунок 1 ниже). Золотые листочки не имеют контакта с корпусом. Они висят на металлическом стержне в центре корпуса. Изолятор обеспечивает изоляцию металлического стержня (а значит, и двух золотых листочков) от корпуса. В этой конструкции оба золотых листочка подвижны.
По отклонению листочков электроскопа можно определить также, увеличился или уменьшился его заряд. Чем больше угол, на который разойдутся листочки электроскопа при его электризации, тем сильнее он наэлектризован. Значит, тем больший электрический заряд на нём находится.
В конструкции, которая очень похожа на эту (рисунок 1 — справа), подвижным является только металлическая стрелка, которая также связана с областью вне корпуса с помощью металлического стержня. Эта конструкция также называется стрелочным электроскопом. Если конструкция также имеет калиброванную шкалу, то весь прибор называется электрометром.
Другими словами, электрометром можно назвать прибор, основной частью которого является легкая металлическая стрелка (чаще всего алюминиевая), которая может вращаться вокруг вертикальной оси. По углу отклонения стрелки электрометра можно судить о величине заряда, переданного стержню электрометра. Проградуированным прибором можно определять значения электрического заряда.
Еще одна конструкция электроскопа описана в школьном учебнике по физике за 8 класc [1]:
Электроскоп представляет собой стеклянный баллон, внутри которого сквозь пробку вставлен металлический стержень. К концу стержня прикреплены легкие бумажные листочки. Снаружи к стержню прикреплен металлический шарик. При передаче шарику электроскопа, например, отрицательного заряда мы заряжаем этим зарядом листочки электроскопа. Одноименно заряженные листочки расходятся на некоторый угол, тем больший, чем больше переданный электроскопу заряд.
Как работает электроскоп?
Теперь вы знаете конструкцию электроскопа. Но как именно работает электроскоп? Для этого нам понадобятся знания о электростатической индукции и отталкивании одноименных электрических зарядов. Рассмотрим эти явления ниже.
Электростатическая индукция (электризация через влияние).
Чтобы объяснить суть электростатической индукции, представьте, что перед вами два металлических стержня (см. рисунок 2). Один из двух стержней не заряжен, а другой несет положительный заряд.
Теперь мысленно возьмите в руку положительно заряженный металлический стержень. Что произойдет, если вы используете этот заряженный стержень, чтобы приблизиться к незаряженному металлическому стержню, не касаясь его? Положительные заряды в заряженном стержне притягивают отрицательные заряды и отталкивают положительные заряда в незаряженном стержне. Поскольку два металлических стержня не соприкасаются, никакие носители отрицательного заряда не могут «перескочить» с незаряженного стержня на заряженный. Это означает, что правый конец незаряженного стержня заряжен положительно, а левый — отрицательно, но в целом металлический стержень остается незаряженным. Этот тип переноса заряда называется электростатической индукцией.
Закон Кулона.
На данный момент не хватает только ответа на вопрос, почему одноименные заряды отталкиваются друг от друга и как эти два явления (электростатическая индукция и отталкивание одноименных зарядов) объясняют принцип работы электроскопа.
Тот факт, что одноименные заряды отталкивают друг друга, был экспериментальным наблюдением. Шарль Огюстен де Кулон смог вывести математическую зависимость для силы, действующей между двумя зарядами на определенном расстоянии, путем эксперимента с вращающимися весами. Эта математическая зависимость называется законом Кулона (сила называется — силой Кулона). Как формулируется этот закон, — для данной статьи не важно. Важно лишь то, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга.
Как это все работает в электроскопе?
Мы выше описали необходимые нам явления. Теперь давайте посмотрим, как они объясняют принцип работы электроскопа.
Два золотых листочка соединены с «внешним миром (областью вне корпуса)» с помощью металлического стержня. В начале они не заряжены и висят вертикально вниз.
Теперь возьмите предмет, который вы хотите проверить на наличие электрического заряда. Предположим, что объект электрически заряжен. Вы начинаете приближать его к металлическому стержню. Это приводит к смещению заряда внутри металлического стержня. Электростатическая индукция приводит к тому, что два золотых листочка имеют заряд одного и того же знака.
В результате два листочка отталкиваются друг от друга, и вы, тем самым, успешно демонстрируете электрический заряд. Обратите внимание, что вы знаете только то, что объект электрически заряжен. Однако вы не можете утверждать, является ли он положительно или отрицательно заряженным.
Возможно, вам интересно, как можно определить, является ли объект (тело) положительно или отрицательно заряженным. Для этого вы заряжаете электроскоп отрицательно (рисунок 5), например, через контакт, что приводит к некоторому отталкиванию золотых листочков друг от друга. Если теперь вы поднесете предмет близко к металлическому стержню, и золотые листочки будут отталкиваться друг от друга сильнее, то вы узнаете, что предмет заряжен отрицательно. С другой стороны, если отталкивание меньше, то объект заряжен положительно.
Действие электрометра основано на отталкивании одноимённо заряженных тел. Если сообщить стержню электрический заряд любого знака — например, коснувшись сферы заряженной палочкой, то часть заряда через металлическую ось перейдёт со стержня на стрелку, вследствие чего стрелка начнёт отталкиваться от стержня и отклонится на некоторый угол.
Типы электроскопов.
Помимо электроскопа с золотыми листочками, существует множество различных конструкций. К ним относятся стрелочный электроскоп, двойной стрелочный электроскоп, электроскоп с фольгой, капиллярный электрометр. Хотя все конструкции звучат по-разному, основные принципы их работы схожи с теми, которые мы объяснили вам в этой статье.
Список использованной литературы
- Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.