Слово «электричество» происходит от греческого слова elektron, что означает «янтарь». Янтарь — это окаменевшая смола деревьев, и древние знали, что если потереть кусочек янтаря тканью, он притягивает мелкие кусочки листьев или пыль. Такой же эффект «янтарности», или статического электричества, как мы это называем сегодня, можно наблюдать, если потереть тканью кусок твердой резины, стеклянный стержень или пластмассовую линейку. Вы легко сможете поднять мелкие кусочки бумаги пластмассовой расческой или линейкой, которую только что энергично потерли даже бумажным полотенцем (Рисунок 16-1). Возможно, вы испытывали действие статического электричества, когда расчесывали волосы или доставали синтетическую блузку или рубашку из сушилки для одежды. А также могли почувствовать удар током, когда дотрагивались до металлической дверной ручки после того, как скользили по сиденью автомобиля или шли по синтетическому ковру. В каждом из этих случаев объект становится «заряженным» в результате трения и, как говорят, приобретает электрический заряд (net electric charge).
Существует два типа электрического заряда, как показывают следующие простые эксперименты. Пластмассовая линейка, подвешенная на нити, энергично натирается тканью для создания заряда. Когда вторая пластмассовая линейка, заряженная таким же образом, подносится близко к первой, обнаруживается, что одна линейка отталкивает другую. Это показано на рис. 16–2a.
Аналогично, если заряженный стеклянный стержень поднести к другому заряженному стеклянному стержню, также наблюдается отталкивающая сила (рис. 16–2b). Однако, если заряженный стеклянный стержень поднести к заряженной пластмассовой линейке, оказывается, что они притягивают друг друга (рис. 16–2c). Заряд на стекле, следовательно, должен отличаться от заряда на пластмассе. Действительно, экспериментально установлено, что все заряженные объекты делятся на две категории: либо они притягиваются к пластмассе и отталкиваются от стекла, либо они отталкиваются от пластмассы и притягиваются к стеклу. Таким образом, существует два, и только два, типа электрического заряда. Каждый тип заряда отталкивает такой же, как он сам, и притягивает противоположный. То есть: разноименные заряды притягиваются, одноименные — отталкиваются.
Два типа электрического заряда были названы положительным и отрицательным американским государственным деятелем, философом и ученым Бенджамином Франклином (1706–1790). Выбор того, какое название присвоить каждому типу заряда, был произвольным. Франклин определил, что заряд на натертом стеклянном стержне будет считаться положительным, а заряд на натертом пластмассовом предмете (или янтаре) — отрицательным. Мы до сих пор следуем этому соглашению.
Франклин утверждал, что когда на одном объекте возникает определенное количество заряда, на другом объекте возникает равное количество заряда противоположного типа. Положительные и отрицательные заряды следует рассматривать алгебраически, так что в процессе любого взаимодействия общее изменение количества заряда остается равным нулю. Например, когда пластмассовую линейку натирают бумажным полотенцем, пластмасса приобретает отрицательный заряд, а полотенце — равное количество положительного заряда. Заряды разделяются, но их сумма остается равной нулю.
Это пример закона, который в настоящее время хорошо установлен: закон сохранения электрического заряда , который гласит, что
суммарное количество электрического заряда, возникающего в любом процессе, равно нулю ;
или, другими словами,
суммарный электрический заряд не может быть создан или уничтожен.
Если один объект (или область пространства) приобретает положительный заряд, то равное количество отрицательного заряда будет найдено в соседних областях или объектах. Нарушений этого закона никогда не наблюдалось, и закон сохранения электрического заряда так же твердо установлен, как законы сохранения энергии и импульса.