Для школьников.
Термин "Электричество" означает совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием заряженных тел или частиц.
Электрические явления. Два рода электричества
Ещё древние греки, обрабатывая янтарь, заметили, что если янтарь натереть, то он притягивает ворсинки шерсти. обрывки ниток. В обиходе даже появились янтарные палочки, которыми собирали пыль с одежды.
Удивительные свойства янтаря до английского учёного Гильберта (до 1600 г) не привлекали внимание учёных. Гильберт первым обнаружил, что этим свойством обладает очень много веществ - алмаз, сера, кварц и др.
Силу притяжения, которой обладает натёртое тело, Гильберт назвал электрической, а связанные с этим явления - электрическими явлениями.
Сначала электрическими явлениями лишь развлекались, но постепенно ими заинтересовались учёные.
Так, в середине 17 века немецкий учёный Герике сделал большой шар из серы и, вращая, наэлектризовал его трением.
Шар легко притягивал пушинки. Коснувшись шара, пушинки отталкивались от него.
Так было открыто электрическое отталкивание. При электризации шара Герике слышал лёгкое потрескивание, а проводя опыт в темноте, обнаружил слабо мерцающие электрические искры.
Позднее француз Дюфе экспериментировал с наэлектризованным золотым листком. Приблизив к нему наэлектризованную палочку смолы, Дюфе с удивлением заметил, что палочка не оттолкнула листок, а притянула его к себе.
Продолжая опыты, Дюфе пришёл к выводу, что существует два рода электричества. Каждое из них отталкивает электричество того же рода, но притягивает электричество другого рода.
Учёные условились приписывать электрическим зарядам знаки, разделив их на положительные и отрицательные:
Положительно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные тела так же, как стекло, наэлектризованное трением о шёлк. Отрицательно заряженными называют тела, которые действуют так же, как сургуч, наэлектризованный трением о шерсть.
Для электрических исследований были изобретены приборы электроскопы.
Электроскоп состоит из металлического стержня, к которому подвешены очень тонкие алюминиевые или бумажные листки. Стержень укреплён при помощи эбонитовой или янтарной пробки и помещён внутри стеклянной банки.
Если коснуться стержня электрически заряженным телом, то листки оттолкнутся от стержня и отклонятся на некоторый угол.
Чем больший заряд сообщён стержню, тем на больший угол они отклонятся друг от друга.
На следующем рисунке показано, что при соединении стержней двух одинаковых электроскопов (левый электроскоп заряжен, а правый не заряжен) проволокой (верхний рисунок) электрические заряды легко перемещаются по проволоке до тех пор, пока заряды электроскопов не станут равны между собой (заряд левого электроскопа уменьшился, а правого увеличился).
При соединении же стержней электроскопов шёлковой нитью (нижний рисунок) левый электроскоп сохраняет свой заряд, а правый остаётся незаряженным.
Вещества, по которым электрические заряды перемещаются легко, называются проводниками. Вещества, не обладающие этим свойством, называются диэлектриками или изоляторами.
Хорошими проводниками являются все металлы, водные растворы солей и кислот, раскалённые газы и др.
На следующем рисунке показано, что при приближении к заряженному электроскопу пламя свечи, заряд электроскопа уменьшился. Это объясняется тем, что воздух при нагревании делается проводящим, и заряд с электроскопа переходит на окружающие тела.
Хорошими диэлектриками являются янтарь, фарфор, стекло, эбонит, шёлк и газы при комнатной температуре.
Большинство веществ природы не принадлежит ни к проводникам, ни к диэлектрикам. Их называют полупроводниками - по своим свойствам они занимают промежуточное положение.
Натирая и электризуя тела, исследователи долго не обращали внимание на то, что электризуются при этом оба тела, причём противоположными зарядами. Когда это заметили, то стало ясно, что электризация тел - это не создание электрических зарядов, а их разделение
Тела, наэлектризованные равными противоположными зарядами, соприкасаясь, теряют свойство притяжения. Заряды нейтрализуются, то есть на каждом из тел становится поровну положительных и отрицательных зарядов. Это демонстрируется следующим рисунком.
Из рисунка видно, что два одинаковых электроскопа, заряженные одинаковыми разноимёнными зарядами, при соединении их проводником, разряжаются.
Это позволяет сделать важный вывод:
каждое электрически нейтральное тело содержит равные количества положительных и отрицательных зарядов.
Тело окажется наэлектризованным в том случае, если зарядов одного знака будет больше, чем зарядов другого знака (см. Занятие 45).
В 17 веке и начале 18 века проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами.
Были построены первые электрические машины, основанные на электризации трением, которые позволяли разделить электрические заряды, образующиеся от трения вращающегося диска:
С изобретением лейденской банки (в 1745 году) появилась возможность накапливать электрические заряды. Ими можно было заряжать электроскопы.
Лейденская банка представляла из себя обычную стеклянную банку, обёрнутую с внешней и внутренней сторон серебряной фольгой.
Если, например, внешняя фольгу заземлить, а внутренняя соединить с заряженным телом, то на ней накапливалось большое количество электричества.
Соединив внешнюю и внутреннюю фольгу, можно было получить большой разряд.
(Надо всегда помнить, что электрический разряд большой мощности очень опасен, так как человеческое тело является проводником).
Позднее лейденские банки были заменены конденсаторами.
Незаряженный проводник можно зарядить не только прикасаясь им к заряженному телу, но и когда он находится на некотором расстоянии от заряженного тела. Это поясняется следующим рисунком.
Когда проводник не заряжен, лёгкие листки бумаги, укреплённые в любой точке проводнике, не будут отклоняться друг от друга..
Когда к проводнику (на рисунке справа) приближают заряженный шар, то листки, подвешенные на концах проводника (в точках а и в), отклоняются, а в других местах (между точками а и в) не отклоняются
Отклонение листков в точках а и в указывает на появление зарядов в этих местах проводника.
В тех точках проводника, где листки не отклоняются, электрические заряды отсутствуют.
Объяснение этому явлению найдёте в статье "Занятие 52. Явление электростатической индукции".
Взаимодействие заряженных тел. Электрическое поле
Во второй половине 18 века физики многих стран проводили различные опыты с заряженными телами.
Так, в 1785 году Кулоном экспериментально был установил закон взаимодействия неподвижных точечных зарядов на созданных им и изображённым ниже крутильных весах.
На серебряной нити подвешивалась палочка из шёлка.
На одном её конце был бузиновый шарик, на другом, для равновесия, - бумажный кружок, смоченный скипидаром.
К шарику прикасались таким же заряженным шариком, оба получали одинаковый заряд и отталкивались друг от друга.
Шарик на весах закручивал серебряную нить на такой угол, при котором упругая сила кручения уравновешивала электрическую силу отталкивания.
Измеряя углы закручивания при различных зарядах и подсчитав силы отталкивания, Кулон сформулировал закон взаимодействия электрических зарядов (закон Кулона):
Сила взаимодействия пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними
Заряженные тела, находясь на некотором расстоянии друг от друга, взаимодействуют между собой через электрические поля, создаваемые ими (представление об электрическом поле было введено Фарадеем в 30-х годах 19 века).
Электрическое поле можно наблюдать с помощью железных опилок.
На следующем рисунке показано электрическое поле, созданное двумя точечными (положительным и отрицательным) зарядами.
Мелкие частички железных опилок выстраиваются вдоль некоторых линий, названных силовыми линиями.
Подумайте над вопросом: Почему мелкие железные опилки расположатся в электростатическом поле по силовым линиям? Что происходит при этом с частичкой железа?
Силовые линии электростатического поля (созданного неподвижными зарядами) начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.
Рассмотрим характеристики электрического (электростатического) поля, называемые напряжённостью и потенциалом.
Пусть электрическое поле создаётся положительным точечным зарядом.
На некотором расстоянии от него помещён очень малый (пробный) заряд (с индексом ноль).
Под действием электрической силы пробный заряд отталкивается от заряда, создающего электрическое поле.
Отношение силы к величине пробного заряда является силовой характеристикой данной точки электрического поля, называемой напряженностью Е.
Направление вектора напряжённости совпадает с направлением вектора силы.
Наряду с напряжённостью (силовой характеристикой точки электрического поля) существует энергетическая характеристика, называемая потенциалом.
Снова представим электрическое поле, созданное положительным точечным зарядом, в которое (в точку 1) помещён пробный заряд.
Электростатическое поле является потенциальным полем (работа по переносу пробного заряда вдоль замкнутого пути равна нулю).
Отношение потенциальной энергии пробного заряда к величине этого заряда (или потенциальная энергия единичного заряда), помещённого в точку 1 поля, называется потенциалом этой точки:
На следующем рисунке изображено однородное электрическое поле (его силовые линии идут параллельно друг другу).
На одной силовой линии показаны две точки 1 и 2.
Потенциал в точке 1 больше, чем в точке 2, т. е. вектор напряжённости Е направлен в сторону убывания потенциала.
Разность потенциалов между точками 1 и 2 называется ещё электрическим напряжением U.
Следующая формула даёт связь между напряжённостью и быстротой убывания потенциала вдоль силовой линии (между силовой и энергетической характеристиками электрического поля):
Напряжённость электрического поля есть убывания потенциала на единице длины отрезка вдоль силовой линии.
Электрический ток
Если заряженный и незаряженный электроскопы соединить проволокой, то по ней часть зарядов перейдёт на первоначально незаряженный электроскоп.
Этот процесс идёт до тех пор, пока электрические потенциалы электроскопов не сравняются.
(Электрический потенциал характеризует степень электризации заряженных тел).
Направленное движение зарядов в проводе называют электрическим током.
Приведём ещё раз рассмотренный выше рисунок, связывающий две характеристики электрического поля (напряжённость и разность потенциалов, называемую ещё напряжением U).
и формулу относящуюся к нему
Теперь мысленно перенесём этот рисунок внутрь провода, соединяющего заряженный и незаряженный электроскопы (электрическое поле существует не только в воздухе, но и в веществе).
Вектор напряжённости электрического поля в проводе направлен в сторону убывания потенциала.
Свободные электроны в проводе, имеющие отрицательный заряд, под действием электрической силы перемещаются против поля.
Но так как за направление тока условились принимать направленное движение положительных зарядов, то на рисунке показываем, что ток течёт по направлению поля.
Количественной характеристикой тока является сила тока.
Под силой тока понимается заряд, протекающий через поперечное сечение провода за одну секунду:
Какие носители тока существуют в различных проводниках?
Как уже сказано, в металлическом проводнике носителями заряда являются свободные электроны. (Электрон был открыт английским учёным Томсоном в 1897 году при изучении им катодных лучей, излучаемых разогретым катодом в электронно - вакуумных приборах).
Итак, в металле носителями тока являются свободные электроны, которые оторвались от своих атомов, превратив этим атомы в положительно заряженные ионы, которые расположены в узлах кристаллической решётки металла.
В нагретых газах носителями тока являются положительно и отрицательно заряженные ионы и электроны.
В электролитах носителями тока являются положительные и отрицательные ионы (положительные двигаются по полю, а отрицательные - против направления электрического поля).
В полупроводниках носителями тока являются электроны и дырки.
Чтобы ток в проводнике был длительным, надо поддерживать энергию электрического поля в нём - нужны источники тока.
В 1800 году итальянский учёный Вольта, предположив что разнородные металлы при из соприкосновении становятся источниками тока. изобрёл первый источник постоянного тока - гальванический элемент.
(в 1802 году русский учёный Петров построил гальванический элемент значительно большей мощности. Открыв электрическую дугу, Петров указал на возможность её применения для освещения, а также для плавления и сварки металлов).
Действие гальванического элемента объясняется химическими реакциями, энергия которых преобразуется в электрическую. Гальванические элементы характеризуются ЭДС (электродвижущей силой), единицей которой является 1В (один Вольт).
ЭДС первых элементов была очень мала, но её оказалось достаточно, чтобы исследователи открыли законы электрического тока.
Основные законы постоянного тока были установлены немецким физиком Омом.
В 1826 году Ом установил количественную зависимость силы тока от напряжения в однородной электрической цепи:
Сила тока в каком-либо участке проводника пропорциональна напряжению между концами этого участка (закон Ома для участка цепи).
Ом ввёл понятие электрического сопротивления R, которое зависит от размеров: длины провода l, площади его поперечного сечения S и материала (удельного сопротивления) провода. В результате опытов им была получена следующая формула для сопротивления провода:
Ом связал сопротивление проводника с помехами, которые испытывают носители электрического заряда при своём движении по проводнику под действием приложенного электрического напряжения (в проводе такими помехами являются ионы, находящиеся в узлах кристаллической решётки металла)
В 1827 году Омом был сформулирован закон, определяющий силу тока в замкнутой цепи, содержащей внешнюю часть цепи сопротивлением R и источник тока, характеризующийся своей ЭДС и своим (внутренним) сопротивлением r (закон Ома для полной цепи):
Поясним этот закон рисунком
Внутри провода (во внешней части цепи) носители тока двигаются под действием электрических сил, внутри гальванического элемента электрическая цепь замыкается благодаря сторонним силам (силам химической реакции), перемещающим заряды против поля. (см статью "Источники постоянного тока")
В 1836 году английским учёным Фарадеем были открыты законы электролиза.
В 1841 году английский учёный Джоуль установил, что количество выделяющейся в проводе теплоты при прохождении по нему электрического тока пропорционально квадрату силы тока.
Через год этот закон был подтверждён русским физиком и электротехником Ленцем.и носит название закона Джоуля-Ленца:
Таким образом, прохождение тока по проводнику сопровождается его нагреванием.
Это свойство тока стали использовать в нагревательных приборах (будет полезно прочесть статью "Работа тока. Объяснение теплового действия тока электронной теорией. Скорость тока).
Самым важным применением нагревательного действия тока стало электрическое освещение.
В 1872 году русский изобретатель Лодыгин изобрёл лампу накаливания, поместив в стеклянный баллон две толстых медных провода с угольным стерженьком между ними. При пропускании через них тока, стерженёк раскалялся и давал свет.
В 1879 году американский изобретатель Эдисон построил более совершенную лампу накаливания, заменив угольный стержень бамбуковой нитью и откачав воздух из баллона.
В 1890 году Лодыгиным была изобретена лампа накаливания с вольфрамовой нитью, имеющей высокую температуру плавления (3370 градусов Цельсия), поэтому нить можно было нагреть до высокой температуры. А чем выше температура нити, тем большая часть излучаемой ею энергии отдаётся в виде света.
Об истории установления связи между электричеством и магнетизмом будет сказано в следующей статье. Тем самым мы подойдём вплотную к рассмотрению очень важной и большой темы "Электромагнитные волны".
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Как физика объясняет способность ферромагнетиков сильно намагничиваться? Доменная структура ферромагнетиков.
Следующая запись:Как электричество и магнетизм связаны между собой? История и важность открытий в этой области науки (кратко о главном).
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .