Электростатика

На этой странице вы узнаете

• Как обычный фен может положительно влиять на наши волосы?
• Насколько важно сохранять заряд в теле человека?
• Как благодаря электростатике была смоделирована возможность зарождения жизни на Земле?

Сэр Джеймс Джинс, британский физик-теоретик, как-то сказал: «Обсуждать, сколько места занимает электрон, наверное, так же бессмысленно, как высчитывать, сколько места занимает страх, тревога или неуверенность». Конечно, мы и не ставим такую амбициозную цель. Однако мы вполне сможем разобраться с жизнью электрических зарядов. Сегодня мы познакомимся с одной из тем раздела электростатики.

Электрический заряд 

Когда мы вспоминаем слово электростатика? Например, когда одежда «бьет» нас током, и иногда при этом даже видно маленькие искорки. То есть мы можем предположить связь этого явления с электричеством, электрическим зарядом. Сегодня мы узнаем, что лежит в основе этого явления. 

Электростатика — раздел учения об электричестве, в котором изучается взаимодействие неподвижных электрических зарядов.

Для начала нам стоит разобраться, что из себя представляет электрический заряд.

Электрический заряд — это физическая величина, определяющая способность тел принимать участие во взаимодействиях с другими заряженными телами. Обозначается буквой q и измеряется в Кулонах (Кл).

Несмотря на великое разнообразие веществ, в природе существует только два вида электрических зарядов, которые мы называем положительными (+) и отрицательными (−). 

Заряд атома

Чтобы познакомиться с понятием атома, нужно отмотать время далеко назад. Еще около 2500 лет назад в Древней Греции люди задумались о том, из чего состоит все, что нас окружает и мы сами. Некоторые философы считали, что если взять что-то и разделить на маленькие части, то останется самая мелкая часть, которую невозможно уже будет разделить. Другими словами, они верили в существование неделимых частиц, которые назвали атомами.

Все вещества состоят из атомов. Но даже он состоит из других частиц, то есть имеет свое строение.

Эрнест Резерфорд в 1911 году сравнил строение атома с устройством Солнечной системы. Такая модель строения атома еще называется планетарной. В центре атома находится положительно заряженное ядро. На очень большом расстоянии от него движутся отрицательно заряженные электроны по своим орбитам, как планеты вокруг Солнца. А электромагнитное поле — поле, создаваемое заряженными телами, посредством которого они как раз взаимодействуют друг с другом — удерживает электроны на орбите ядра. В основе современной модели строения атома лежит именно планетарная модель. 

Атом — мельчайшая частица химического элемента, состоящая из ядра и электронов и имеющая ничтожно малую массу. 

Ядро гораздо меньше атома, однако практически вся масса последнего сосредоточена именно в ядре. Оно состоит из протонов и нейтронов. Протоны заряжены положительно, а нейтроны не имеют заряда (они нейтральны). Поэтому общий заряд ядра положительный.

Весь атом заряжен нейтрально (заряд равен 0), так как количество его положительно заряженных протонов равно числу отрицательно заряженных электронов. 

Запомним, из чего состоит атом:

• электроны — заряженные частицы, которые имеют самый маленький отрицательный заряд;
• ядро — центральная часть атома, которая состоит из:
  ○ нейтронов — частиц, которые не имеют заряда;
  ○ протонов — положительно заряженных частиц.

До середины XX в. ученые считали нейтроны и протоны мельчайшими частицами, пока не обнаружили внутри них новые, еще более маленькие частицы, называемые кварками, о которых вы узнаете в ВУЗе. 

Ионы

В случае, если баланс между протонами и электронами по какой-то причине был нарушен, атом превращается в ион.

Ион — частица, которая имеет электрический заряд.

Ионы встречаются во всех агрегатных состояниях вещества: твердом, жидком и газообразном. Подробнее об этом можно прочитать в статье «Количество теплоты и фазовые переходы».

Когда атом теряет один или несколько электронов у него становится положительных частиц больше, чем отрицательных. Такой атом называют положительным ионом (катионом). Но возможно и обратное. Один или несколько электронов могут присоединиться к атому. Тогда мы получим отрицательный ион (анион).

Процесс превращения атома в ион называется ионизацией. Это происходит при высоких температурах, давлении или электромагнитном излучении.

Как обычный фен может положительно влиять на наши волосы? Некоторые фены оснащены генераторами ионов, встроенными в корпус устройства. Они высвобождают большое количество отрицательно заряженных частиц, которые затем попадают вместе с потоком воздуха на наши волосы. Это защищает их от пересушивания, делает более мягкими и пластичными. Волосы перестают электризоваться, так как отрицательными частицами скомпенсирован избыточный положительный заряд. Однако стоит помнить, что ионизация обеспечивает лишь более щадящее просушивание, лечебно-восстановительной функции она не несет.

Теперь сравним атом и ион: 

В телах носителями заряда могут являться как электроны, так и положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы).

Далее разберемся, как заряженные частицы взаимодействуют между собой.

Взаимодействие электрических зарядов

Взаимодействие любых заряженных частиц называется электромагнитным взаимодействием. 

Что нам надо знать об этом взаимодействии:

• Когда тело приобретает электрический заряд, это называется электризацией.
• Наличие у тела электрического заряда означает, что оно способно вступать в электромагнитное взаимодействие с другими заряженными телами. 
• Электрический заряд мы можем обнаружить с помощью прибора, который называется электроскоп.

Электроскоп — это простейший прибор для обнаружения электрических зарядов.

Существует два основных вида электромагнитного взаимодействия: одноименные заряды отталкиваются, разноименные — притягиваются.

Положительно заряженные атомы притягивают к себе отрицательно заряженные. И наоборот если оба атома имеют одинаковый заряд, то они будут отталкиваться друг от друга. Это и есть проявление сил электростатического притяжения и отталкивания.

С электрическим зарядом мы встречаемся каждый раз, когда гладим кота или надеваем шерстяной свитер. В обоих случаях шерстинки встают дыбом. Давайте вспомним простой забавный опыт с расческой. Если мы причешемся расческой, а затем поднесем ее к кусочкам бумаги, то они будут притягиваться. 

Попробуем разобраться, что происходит в этот момент. Есть материалы, такие как волосы или шерсть кота, янтарь или эбонит, которые очень легко теряют электроны, приобретая тем самым положительный заряд. Если потереть расческу о такой материал, часть электронов передается расческе, и она приобретет отрицательный заряд. У кусочков бумаги, кроме отрицательного, есть еще и положительный заряд. А как мы только что выяснили — разноименные заряды притягиваются. 

Когда тело приобретает способность притягивать к себе другие тела, говорят, что оно заряжено или что ему сообщили электрический заряд.

Таким образом, мы сейчас рассмотрели основное свойство электрических зарядов — электрический заряд может передаваться от одного тела к другому.

Закон сохранения зарядов

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной. 

Именно так звучит этот закон. Сейчас объясним его более простыми словами.

Вернемся к опыту с наэлектризованной расческой. Как мы уже узнали, при трении о волосы или шерсть кота, некоторая часть самых подвижных заряженных частиц (электронов) передается расческе, в результате чего расческа становится заряжена отрицательно. Но что при этом происходит с волосами? Они оказываются заряженными положительно. Кроме того, противоположные по знаку заряды тел — расчески и волос — равны по величине.

Сколько электронов покинуло волосы, перенося свой суммарный отрицательный заряд на расческу, столько же протонов образовало положительный заряд на волосах. Таким образом, при любом контакте тел их полный электрический заряд не меняется.

Заряды тел не создаются, а лишь перераспределяются между телами. Во всех случаях перемещаются только электроны. А в остальном строение иона не меняется.

Общее число электронов у тел, участвующих в процессе передачи электрического заряда, остается неизменным. В этом и есть смысл закона сохранения зарядов.

Насколько важно сохранять заряд в теле человека? Если бы в теле человека зарядов одного знака было на 0,01% больше, то сила взаимодействия между ними была бы такая, как у Земли и Солнца. В этом случае человек бы не смог существовать. Сила притяжения его бы просто раздавила, он бы «схлопнулся», все атомы стремились бы друг к другу, и в итоге образовалось бы какое-то подобие черной дыры, но это немного уже другая история…

Как и положено почти всем законам физики для закона сохранения заряда существует формула. Этот тоже не исключение.

\(q_1+q_2+q_3…+q_n=const\) , где \(q_1, q_2\) и т. д. — заряды частиц.

А раз мы получили формулу, то следует закрепить ее на практике. Задачи на эту тему встречаются в КИМ №8 ОГЭ и КИМ №12 ЕГЭ.

Задача. На непроводящий стол положили 2 одинаковых заряженных шарика. Заряд первого равен 2 Кл, заряд второго равен 4 Кл. Затем эти шарики соединили проводом. Чему оказался равен заряд каждого шарика?

Решение.Сначала найдем суммарный заряд наших шариков:
\(q_{общ}=q_1+q_2=2+4=6\) Кл.

Теперь вспомним закон сохранения заряда, согласно ему суммарный заряд шариков должен оставаться постоянным. Шарики одинаковые, поэтому заряд между ними после соединения проводником разделится поровну и станет равным:
\(q’=\frac{q_{общ}}{2}=\frac{6}{2}=3\) Кл.

Ответ: 3 Кл

Делимость заряда: практика

А теперь предлагаем провести эксперимент, чтобы ближе познакомиться с таким физическим явлением, как делимость заряда.

Нам потребуется оборудование: 2 незаряженных электрометра (не путать с электроскопом), стеклянная палочка, листок бумаги, металлический стержень на изолированной ручке.

Начинаем:

1. Возьмем стеклянную палочку, натрем ее бумагой и сообщим электрический заряд одному из электрометров через палочку. Для этого просто подведем палочку к одному из электрометров, не касаясь его. Мы увидим, что стрелка электрометра отклоняется от первоначального положения, то есть на ней появился заряд.

2. Затем возьмем металлический стержень и соединим с помощью него 2 электрометра. Стрелка второго электрометра отклонится от первоначального положения, следовательно, мы разделили заряд поровну между двумя электрометрами. 

3. Теперь давайте снимем заряд у одного из электрометров: достаточно просто прикоснуться рукой. 

4. Повторим эксперимент. Соединим два электрометра металлическим стержнем. Обратим внимание, как изменилось показание обоих электрометров: оно снова уменьшилось ровно в два раза. 

Из эксперимента следует, что заряд между двумя электрометрами всегда распределяется поровну. Если эту операцию повторить еще несколько раз, то заряд на электрометрах полностью пропадет (станет ничтожно маленьким).

И сразу возникает вопрос, как электрометр получил заряд, когда мы подвели к нему наэлектризованную палочку в самом начале опыта? Ведь мы даже не касались электрометра! Все дело в явлении электростатической индукции. 

Электростатическая индукция — явление наведения собственного электрического поля на тело вследствие воздействия внешнего электрического поля.

Другими словами, когда мы подводим стеклянную палочку к электрометру, электрончики начинают «перебегать» по корпусу электрометра‎ поближе к палочке, то есть на самый верх прибора, потому что она имеет избыточный положительный заряд, это и есть явление электростатической индукции.

Как благодаря электростатике была смоделирована возможность зарождения жизни на Земле? Два ученых — Стэнли Миллер и Гарольд Юри — в 1953 году показали, что органические соединения (основа всего живого на Земле) могут быть получены путем пропускания электрического разряда, имитирующего разряды молний, через газ, который близок по химическому составу «первобытной» атмосфере Земли. На протяжении последующих 50 лет другие исследователи повторили эти опыты и получили те же результаты. Подробнее об этом вы можете прочитать в нашей статье по биологии «Гипотезы происхождения жизни на Земле».

Элементарный электрический заряд

В процессе выполнения опыта по делению электрического заряда мы пришли к тому, что в какой-то момент заряд на электрометрах, казалось бы, полностью пропадает. То есть он становится настолько маленьким, что его невозможно дальше разделить. Такой заряд называют элементарным электрическим зарядом.

Элементарный электрический заряд — это физическая постоянная, минимальная порция электрического заряда, наблюдающегося в природе.

Впервые элементарный заряд был экспериментально измерен Робертом Милликеном в 1910 году. 

Частица, которая содержит в себе минимальный отрицательный заряд — это электрон. А минимальный положительный заряд у протона.  

Модуль элементарного электрического заряда \(e= 1,6022 · 10^{-19}\) Кл.

Обычно ограничиваются двумя значащими цифрами \(e= 1,6 · 10^{-19}\) Кл.

Таким образом, 

заряд электрона \(e=-1,6· 10^{-19}\) Кл;
заряд протона \(p=+1,6· 10^{-19}\) Кл.

Закон Кулона

Основным законом электростатики считается закон Шарля Кулона. Он был открыт в 1785 году. Этот ученый первым смог измерить силу взаимодействия электрических зарядов. Его исследование заложило основы электростатики.

Идея эксперимента заключалась в том, что при соприкосновении заряженного и незаряженного металлических шариков, электрический заряд делился между ними поровну. Опыты показали, что сила, с которой отталкиваются два шарика, убывает в том же отношении, в каком возрастает квадрат расстояния между ними.

Кулон также установил, что сила взаимодействия зарядов прямо пропорциональна величине каждого заряда. С помощью крутильных весов (см. изображение выше) он измерял силу при некотором заряде на шарике. Затем приводил заряженный шарик в соприкосновение с таким же незаряженным — заряд распределялся поровну между ними. При уменьшении заряда в 2, 4, 8 и т.д. раз сила взаимодействия уменьшалась, соответственно, в 2, 4, 8 и т.д. раз.

В своих экспериментах Кулон использовал шарики ничтожно малых размеров по сравнению с расстояниями между ними. Когда размер заряженного тела настолько маленький, что этим размером можно пренебречь, мы используем термин точечный заряд.

Закон Кулона: Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме пропорциональна произведению величин (модулей) этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

То есть чем ближе заряды друг к другу, тем сильнее они взаимодействуют. К тому же, чем больше величина зарядов, тем они также более значимо друг на друга влияют.

Сила взаимодействия зарядов названа кулоновской силой в честь своего первооткрывателя. Она является силой притяжения, если знаки зарядов разные, и силой отталкивания, если эти знаки одинаковы, как мы уже упоминали выше.

Формула силы Кулона выражается так:

\(F=k\frac{|q_1|*|q_2|}{r^2}\), где \(F\) — сила Кулона (Н); \(q\) — величина зарядов тел (Кл); \(r\) — расстояние между заряженными телами (м); \(k\) — коэффициент пропорциональности в законе Кулона, который равен \(9*10^9(\frac{H*м^2}{Кл^2})\).

Единица измерения силы F — Н (Ньютон).

Закон Кулона действует только при соблюдении ограничений, которые следуют из его определения. Заряды должны быть:

• неподвижными,
• точечными,
• расположены в вакууме.

Задачи, в которых используется эта формула, достаточно распространены, они могут встретиться в КИМ №12, №15—17, №28—29 ЕГЭ. Давайте попрактикуемся в решении одной из них.

Задача. Два металлических заряженных шара находятся на расстоянии 4 м друг от друга. Сила их взаимодействия равна 9 нН. Найдите модуль заряда первого шара, если заряд второго шара равен 4 нКл.

Решение.
Сила, которая действует на шары, называется силой Кулона, запишем формулу для нее:
\(F=k\frac{|q_1|*|q_2|}{r^2}\).

Необходимо найти модуль заряда первого шара. Выведем его из данной формулы:
\(|q_1|=\frac{r^2*F}{k*|q_2|}\)

Прежде чем перейти к расчетам, нужно все величины перевести в единицы СИ:
\(9\) нН = \(9 *10^{-9}\) Н;
\(4\) нКл = \(4 * 10^{-9}\) Кл.

Подставим полученные значения в формулу, которую мы вывели для нахождения модуля заряда первого шара:
\(|q_1|=\frac{r^2*F}{k*|q_2|}=\frac{16*9*10^{-9}}{9*10^9*4*10^{-9}}=4\) Кл.

Ответ: 4 Кл

Закон Кулона используется во многих процессах и устройствах, в том числе:

1. Для введения диэлектриков в конденсатор (увеличивает его емкость). Подробнее об этом можно узнать в статье «Конденсаторы».
2. В принципе действия громоотвода.
3. В ускорителе заряженных частиц — устройстве используемом для проведения опытов над частицами на высоких скоростях.

Вот мы сделали первые шажочки, чтобы освоить такую большую и, казалось бы, сложную тему, как электричество. На явлениях электростатики все начинается, но что ждет нас в дальнейшем? Узнать, что общего у электрического тока с водой и многое другое о нем, вы можете в статье «Законы постоянного тока». 

Термины

Агрегатное состояние — физическое состояние вещества, зависящее от соответствующего сочетания температуры и давления.

Изолированная система — это система, в которую из внешней среды через ее границы не проникают заряженные частицы.

Конденсатор — устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.

СИ — это международная система единиц измерения физических величин.

Эбонит — твердый черный материал из резиновых смесей, может использоваться как диэлектрик (вещество, не проводящее электрический ток) ввиду своих свойств.

Электрометр — это прибор, служащий для измерения электрического потенциала.

Фактчек

• Атом состоит из положительно заряженного ядра, на большом расстоянии от которого движутся отрицательно заряженные электроны.
• Ядро атома состоит из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (частиц, не имеющих электрического заряда).
• Атом может потерять несколько электронов и стать положительным ионом (катионом) или приобрести несколько электронов и стать отрицательным ионом (анионом).
• Закон сохранения заряда: в изолированной системе алгебраическая сумма всех тел остается постоянной. 
• Элементарный заряд открыл Роберт Милликен. Модуль элементарного электрического заряда \(e=1,6· 10^{-19}\) Кл.
• Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме пропорциональна произведению величин (модулей) этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Проверь себя

Задание 1.
Как называется неделимая частица, которая имеет очень маленькую массу и размер?

1. ион
2. катион
3. атом
4. молекула

Задание 2.
Как называется частица, которая имеет электрический заряд?

1. молекула
2. ион
3. атом
4. кулон

Задание 3.
Какая из представленных формул для силы Кулона является верной?

1. \(F = \frac{q1*q2}{r^2}\)
2. \(F = k \frac{q1*q2}{r}\)
3. \(F = k \frac{|q1|*|q2|}{r^2}\)
4. \(F = k \frac{q1*q2}{2r}\)

Задание 4.
В каких единицах измеряется сила Кулона?

1. Амперы
2. Вольты
3. Кулоны
4. Ньютоны

Задание 5.
Элементарный электрический заряд — это … порция электрического заряда.

1. средняя
2. минимальная
3. максимальная
4. постоянная

Ответы: 1. — 3; 2. — 2; 3. — 3; 4. — 4; 5. — 2.