Вопросы для самоконтроля

Задания для самоконтроля

1. Тело потеряло 20 Кл

2. Тело прибрело 30 Кл отрицательного заряда и 30 Кл положительного заряда.

Пример 1.3

Точечный заряд q = +4π·8,85·10 –12 Кл находится в среде с относительной диэлектрической проницаемостью e = 10 . Определить напряжённость электрического поля в
точке, которая находится на расстоянии 0,05 м от заряда.

Решение.

Подставив в (1.3) значение силы из выражения (1.2),
находим расчётную формулу напряжённости:

(1.3а )

.

Подставив значения физических величин, получаем:

.

Пробный заряд, помещённый в данную точку поля, обладает потенциальной энергией (по аналогии с материальным телом, поднятым над землёй, на которое действует сила тяжести). Для энергетической характеристики электрического поля введено понятие потенциала электрического поля в данной его точке, под которым понимается физическая величина, численно равная отношению потенциальной энергии, ко­торой обладает пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к значению этого заряда , то есть

Пример 1.4

Точечный заряд q = +4π·8,85·10 –11 Кл находится в среде, относительная диэлектрическая проницаемость которой равна e = 10 . Определить потенциал точки электрического поля, находящейся на расстоянии 0,01 м от заряда.

Решение.

Потенциал точки электрического поля определяется по выражению (1.4). Потенциальную энергию пробного заряда, внесённого в данную точку поля, находим по выражению:

П пр = F пр r , (1.4а )

где F пр – сила, действующая на пробный заряд, Н ;

r – расстояние до заряда, м .

Силу, действующую на пробный заряд, находим по выражению (1.2).

Подставив в (1.4) выражения (1.4а ) и (1.2), находим расчётную формулу потенциала в данной точке:

. (1.4б )

Подставляем численные значения физических величин в (1.4б ) и находим потенциал:

.

Электрическое поле заряда можно изобразить графически с помощью сило­вых и эквипотенциальных линий. Силовая линия электрического поля – это траектория движения свободного пробного заряда в этом поле. Эквипотенциальная линия – это линия, соединяющая точки электрического поля с одинаковыми потенциалами. Представим на плоскости электрическое поле положительного точечного заряда (рис.1.5).

Для энергетической характеристики электрического поля введено также
по­нятие напряжения электрического поля, под которым понимается разность
по­тенциалов , т.е.

U 12 = j 1 – j 2 ,

(1.5)

где j 1 ,j 2 – потенциалы точек 1 и 2 электрического поля, В ;

U 12 – напряжение между точками электрического поля, В .

Графически напряжение электрического поля изображается стрелкой, направленной от большего потенциала к меньшему потенциалу (рис.1.6).

Вопросы для самоконтроля

1. В чём суть явления взаимодействия заряженных тел?

2. Посредством чего взаимодействуют заряды?

3. Сформулируйте закон взаимодействия заряженных тел.

4. Выполните математическую запись закона Кулона.

5. Укажите единицы физических величин, описывающих закон Кулона.

6. Что такое электрическая постоянная? Укажите её значение.

7. Дайте определение пробного заряда.

8. Дайте определение напряжённости электрического поля.

9. Дайте определение потенциала электрического поля.

10. Что такое силовая линия электрического поля?

11. Что такое эквипотенциальная линия электрического поля?

12. Как графически изображается электрическое поле?

13. Дайте определение напряжения электрического поля.

Задания для самоконтроля

1. В электрическое поле положительного точечного заряда q 1 = 30 Кл внесли малый пробный заряд q 2 = 4π × 8,85 × 10 -12 Кл . Среда, в которой находятся заряды, имеет относительную диэлектрическую проницаемость ε = 20 . Заряды находятся на расстоянии 0,1 м . Определить силу, действующую на пробный заряд.

2. Отрицательный точечный заряд q 3 = 4π × 8,85 × 10 –12 Кл создаёт электрическое поле в среде с относительной диэлектрической проницаемостью ε = 10 . Определить напряжённость электрического поля на расстоянии 0,01 м от заряда.

3. Определить потенциал в точке поля, указанной в задании 2.

4. Изобразить силовую линию отрицательного заряда.

5. Изобразить эквипотенциальную линию отрицательного заряда.

6. Потенциалы точек 1 и 2 электрического поля соответственно равны 20 В и 10 В .
Определить напряжение электрического поля между указанными точками.

И закон Ленца – Джоуля

Явление теплового действия электрического тока. При столкновении
за­рядов с молекулами (атомами) они отдают им часть своей энергии, увеличи­вая скорость теплового движения молекул (атомов), что приводит к нагрева­нию
проводника при прохождении по нему электрического тока.

Закон теплового действия тока открыли русский физик Эмилий Ленц и
английский физик Джеймс Джоуль . Согласно этому закону количество тепла, которое выделяется в проводнике, прямо пропорционально сопротивлению проводника, квадрату силы электричес­кого тока и времени его действия .

Математическая запись закона теплового действия тока :

Пример 1.9

По проводнику, сопротивление которого равно 100 Ом , проходит электрический ток силой 10 А в течение 100 секунд . Определить количество тепла, которое выделится в проводнике за это время.

Решение.

Подставляем значения физических величин в выражение (1.10) и находим количество тепла:

W = 100 · 10 2 ·100 = 1 000 000 Дж = 1 000 кДж = 1 МДж .

Для удобства энергетической характеристики источников и приёмников электрической энергии ввели понятие мощности электрического тока , под кото­рой понимается количество электрической энергии, выделяемой в проводнике в единицу времени , т.е.

В технической системе единиц электрическая энергия измеряется в кВт×ч ,
найдём соотношение энергий 1 кВт×ч и 1 Дж :

1 кВт×ч = 1000 Вт × 3600 с = 3 600 000 Дж .

Пример 1.10

В проводнике, по которому проходит электрический ток, за 100 секунд выделяется 220 000 Дж тепловой энергии. Определить мощность электрического тока.

Решение.

Подставляем значение указанных физических величин в выражение (1.11) и находим мощность электрического тока:

Вопросы для самоконтроля

1. В чём суть явления теплового действия тока?

2. Сформулируйте закон теплового действия тока.

3. Выполните математическую запись закона Ленца – Джоуля.

4. Дайте определение мощности электрического тока.

5. Укажите единицы физических величин,
характеризующих явление теплового действия тока.

Задания для самоконтроля

1. По проводнику, который имеет сопротивление 200 Ом , проходит ток силой 10 А
в течение 1 минуты . Определить энергию, которая выделяется в проводнике.

2. Определить мощность электрического тока в задании 1.

Пример 1.11

Линейный резистор имеет сопротивление 10 Ом . Построить вольт-амперную характеристику указанного элемента.

Решение.

Расчёт вольт-амперной характеристики ведём по выражению (1.9) для двух точек: U = 0 , I = 0 и U = 100 B , I = 10 A .

По расчётным данным двух точек строим вольт-амперную характеристику в виде прямой линии, проходящей через эти точки (рис.1.8а ).

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение электрической цепи.

2. Какие элементы электрической цепи являются основными?

3. Какие элементы электрической цепи являются вспомогательными?

4. Что такое вольт-амперная характеристика элемента электрической цепи?

5. Какие элементы электрической цепи называются линейными?

6. Что такое линейная электрическая цепь?

Пример 1.13

Для расчётной схемы, приведенной на рис.1.12, известно:

Е 1 = 24 В , Е 2 = 6 В , R 1 = 2 Ом , R 2 = 1 Ом , R = 3 Ом .

Определить силу тока в цепи.

Решение.

Силу тока в цепи находим по выражению (1.21):

.

Обобщённый закон Ома

Найдём взаимосвязь между током I , напряжением U 34 , сопротивлением R 2 и э.д.с. Е 2 на участке цепи между точками 3 и 4 (рис.1.12). Для этого выразим потенциал точки 4 через потенциал точки 3:

где U – напряжение на участке цепи, В ;

åE – алгебраическая сумма э.д.с. на участке цепи, В ;

åR – сумма сопротивлений на участке цепи, Ом ;

I – сила тока на участке цепи, А .

Пример 1.14

Задан участок цепи, расчётная схема которого приведена на рис.12а .

Для указанной расчётной схемы известно:

R 1 = 2 Ом , R 2 = 8 Ом , E 1 = 17 B , E 2 = 47 B , U = 50 B .

Определить силу тока в цепи.

Решение.

Силу тока в цепи определяем по выражению (1.26):

.

Вопрос для самоконтроля

1. Сформулируйте обобщённый закон Ома.

Баланс мощностей

В электрической цепи соблюдается закон сохранения энергии , по кото­рому энергия ниоткуда не берется и никуда не исчезает, а переходит из одного вида в другой . Источник вырабатывает электрическую энергию, преобразуя, например,
механическую энергию.

Запишем мощность (количество выработанной энер­гии в единицу времени) источника:

В проводах, в резисторах электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию. Потери мощности в резисторах (проводах):

где R – сопротивление резистора, Ом ;

I – сила тока в резисторе, А ;

U – напряжение на резисторе, В ;

P – потери мощности в резисторе, Вт .

В электрической цепи (рис.1.12) преобразование мощности осуществляется следующим образом. Генератор развивает мощность:

частично выделяется в аккумуляторе и расходуется на нагрев аккумулятора:

частично выделяется в регулировочном реостате и расходуется на его нагрев:

Перепишем (1.35) в другом виде:

Е 1 I – Е 2 I = R 1 I 2 + RI 2 + R 2 I 2 . (1.37)

Вопрос для самоконтроля

1. Как составить баланс мощностей?

Линия электропередачи

Исследуем режим работы линии электропередачи постоянного тока, приняв следующие условия: генератор идеальный, все сопротивлении линии покажем на расчётной схеме в одном месте, сопротивление нагрузки будем изменять от µ до 0. Расчётная схема показана на рис.1.13.

Мощность источника:

Напряжение на зажимах потребителя:

Найдём силу тока, при которой мощность потребителя будет максимальной. Для этого возьмем производную от Р н по I и приравняем её к нулю:

Сравнив (1.43) и (1.44) видим, что мощность нагрузки будет максимальной, если

R Л = R Н.

(1.45)

Таким образом, максимальную мощность потребителю можно
передать при условии : сопротивление линии равно сопротивлению нагрузки . Коэффициент полезного действия при этом будет равен 50 % ,
так как половина мощности, кото­рую развивает источник, будет теряться в линии.

Пример 1.15

Для расчётной схемы, приведенной на рис.1.13 известно:

Е = 200 В , R л = 2 Ом , сопротивление нагрузки изменяется от 0 до ∞ .

Определить сопротивление нагрузки, при котором ей будет передана максимальная мощность, и найти эту мощность.

Решение.

Максимальная мощность, которая может быть передана нагрузке, возможна при условии:

R н = R л = 2 Ом .

Находим силу тока в цепи в этом случае:

.

Находим максимальную мощность, которую можно передать нагрузке:

Р макс = R н I 2 = 2 × 50 2 = 5 000 Вт = 5 кВт .

Вопрос для самоконтроля

1. При каком условии по линии можно передать нагрузке максимальную мощность?
Чему будет равен к.п.д. линии в этом случае?

Тема 1

ЛИНЕЙНые НЕРАЗВЕТВЛёННые электрические ЦЕПи
ПОСТОЯННОГО ТОКА

Явление электризации тел и закон сохранения заряда

Явление электризации тел. Вещества, из которых состоит окружающий нас мир, слагаются из простых элементов – атомов. Каждый атом состоит из ядра,
вокруг которого по орбитам вращаются электроны. Ядро находится в центре атома и заряжено положительно, оно состоит из протонов (имеют положительный заряд) и нейтронов (не имеют заряда). Электроны заряжены отрицательно и движутся на большом расстоянии от ядра (если представить себе атом размером с
10-копеечную монету, то расстояние между ядром и ближайшими электронами будет равно 1 км ).

В обычном состоянии все тела электрически нейтральны, то есть число электронов в любом теле равно числу протонов в нём, поэтому сумма всех отрицательных зарядов в теле равна сумме всех положите­льных зарядов. При плотном сопри­косновении двух тел (расстояние между телами примерно равно расстоянию между атомами или молекулами тела) электроны, входящие в состав атомов одного тела, могут переходить к атомам другого тела вследствие того, что энергия связи их с ядром в атомах различных химических элементов может быть неодинаковой.
В результате одно тело теряет некоторое количество электронов и заряжается
по­ложительно, а другое тело получает эти электроны и заряжается отрицательно. Следовательно, электризация тела заключается в потере или приобретении
телом некоторого количества электронов. Электрические заряды не создаются и не исчезают, они только могут пере­ходить от одного тела к другому.

Закон сохранения электрических зарядов состоит в том, что алгебраичес­кая сумма зарядов системы не изменяется со временем.

Математическая запись закона выглядит так:

q 1 + q 2 + … + q n = const,

(1.1)

где q 1 , q 2 ,…, q n – заряды, Кл .

Пример 1.1

В замкнутой системе имеются два тела. Первое тело имеет заряд +0,1 Кл . Второе тело нейтрально. В результате взаимодействия этих тел второе тело отдало первому
заряд –0,1 Кл . Как зарядились тела? Проверьте закон сохранения заряда.

Решение.

До взаимодействия закон сохранения заряда запишется так:

q 1 + q 2 = const;

0,1 + 0 = 0,1 .

После взаимодействия первое тело стало нейтральным, а второе тело приобрело заряд +0,1 Кл . Поэтому после взаимодействия закон сохранения заряда запишется так:

q 1 + q 2 = const;

0 + 0,1 = 0,1 .

Введём понятие точечного заряда , под которым будем понимать
заряженное тело, размерами которого в данных условиях можно
пренебречь . Поэтому реа­льное тело с совокупностью огромного количества
элементарных зарядов (рис.1.1) можно условно заменить точкой с зарядом (рис.1.2), который равен сумме элементарных зарядов этого тела (по аналогии с материальной точкой в механике).

Вопросы для самоконтроля

1. В чём суть явления электризации тел?

2. Сформулируйте закон сохранения заряда.

3. Выполните математическую запись закона.

4. Дайте определение точечного заряда.

Задания для самоконтроля

1. Тело потеряло 20 Кл отрицательного заряда. Какой заряд приобрело это тело?

2. Тело прибрело 30 Кл отрицательного заряда и 30 Кл положительного заряда.
Какой результирующий заряд приобрело это тело?

§1.Электризация тел

В этом уроке обсудим такое понятие, как электричество, и узнаем, откуда произошло это слово.

Сейчас невозможно представить себе современный мир без электричества, а тем более без компьютера, холодильника, телевизора, электроосвещения и т. д. Все названные приборы, работают с использованием электрического тока и окружают нас в нашей жизни повсеместно. Изначально не зависящие полностью от электричества технологии, например такие, как двигатель внутреннего сгорания, постепенно становятся историей, электродвигатели активно занимают их место. Так откуда же произошло такое слово, как «электричество»?

Слово «электрический» произошло от слова «электрон» (греч.), оно в переводе означает «янтарь» (ископаемая смола). Хотя, конечно же, следует заметить, что непосредственной связи между янтарем и всеми электрическими явлениями нет, так как же появилась такая ассоциация у древних ученых?

По одной из легенд, дочь известного философа Древней Греции Фалеса Милетского, который жил в IV до нашей эры, пряла шерсть веретеном, изготовленным из дорогого камня – янтаря. Она сказала Фалесу, что не может очистить веретено от мелких кусочков шерсти, пуха, ниток. Причем, чем больше она чистит своим шерстяным хитоном, тем больше мусора прилипает к веретену. Фалес не смог сразу ответить дочери на вопрос.

Вечером он решил попробовать очистить веретено и увидел, что при натирании его в темноте заметны искры. «Тут есть о чём подумать и поразмыслить с моими учениками», – сказал Фалес.

Явление, которое было замечено девушкой, Фалес назвал электричеством (от слова электрон – «янтарь»).

При натирании кусочка янтаря о шерстяной клочок ткани или стеклянной палочки о бумагу можно услышать легкое потрескивание, а в темноте даже увидеть маленькие искорки, причем сама палочка способствует притяжению к себе мелких предметов.

Про тело, которое притягивает к себе другие тела после натирания, говорят, что ему сообщен электрический заряд или что оно наэлектризовано.

Электризация – явление, в котором тела приобретают свойства притягивать другие тела.

Тела, сделанные из разных веществ, могут электризоваться. Так, можно легко наэлектризовать натиранием о шерсть палочки из серы, эбонита, пластмассы. Тела натирают лишь только для того, чтобы увеличивать площадь их соприкосновения.

В электризации всегда участвуют два тела, и оба при этом электризуются. Так, при натирании стеклянной палочки и листка бумаги электризуются и палочка, и бумага. Следовательно, бумага, как и стекло, притягивает к себе мелкие предметы.

Электрическим зарядом обладает тело, которое притягивает или отталкивает другие тела. О таком теле говорят, что оно заряжено (имеет заряд).

Заряд – это свойство тел или способность к электромагнитному взаимодействию .

Электроскоп –прибор, который позволяет обнаружить наличие у тела заряда и оценить его.

Проводящий изолированный стержень является основной частью электроскопа, на нем закрепляется стрелка, которая способна свободно вращаться. Когда появляется заряд, стрелка и стержень заряжаются зарядами одного знака, вследствие чего они, отталкиваясь, создают угол отклонения, значение которого пропорционально полученному заряду.

§2. Способы электризации тел

Электризация тел происходит в различных случаях.

Способы электризации тел:

· трение

· соприкосновение

· удар

Рассмотрим некоторые из них.

Эбонит получит отрицательный заряд, а шерсть – положительный заряд, если потереть эбонитовую палочку о шерсть. С помощью электроскопа обнаруживается наличие этих зарядов. Для достижения такого результата необходимо коснуться стержня электроскопа эбонитовой палочкой или шерстяной тряпкой. В этом случае часть заряда испытуемого тела переходит к стержню. Обратите внимание, что происходит кратковременный электрический ток.

Можно рассмотреть взаимодействие двух бумажных гильз, подвешенных на нити, один заряженный от эбонитовой палочки, а другой – от шерстяной тряпочки.

Заметим, что они притягиваются друг к другу. А это значит, что тела с разноименными зарядами притягиваются. Электрические заряды может передать не каждое вещество.

Проводниками называют вещества, через которые передаются заряды, а вещества, через которые заряды не передаются, называют непроводниками – диэлектриками (изоляторами). Это можно выяснить с помощью электроскопа, если соединить его с заряженным телом, веществами различного рода.

Описывая электризацию трением, для опыта всегда берутся только хорошие изоляторы – янтарь, эбонит, стекло, шелк. Вопрос – почему? Поясним: в изоляторах заряд где возник, там и остается, и не может через всю поверхность тела перейти на другие тела, соприкасающиеся с ним. Если оба трущиеся тела – металлы с изолированными ручками, то опыт не удастся, так как невозможно отделить их друг от друга сразу по всей поверхности.

Из-за шероховатости поверхности тел в момент отрыва должны оставаться какие-то последние точки соприкосновения, через которые в последний момент сбегают избыточные электроны, и оба металла становятся не заряженными.

Рассмотрим электризацию соприкосновением. Если погрузим шарик из парафина в дистиллированную воду, а затем вынем оттуда, то и парафин, и вода будут заряжены.

Так почему же электризация воды и парафина произошла без трения? Разъясним: оказывается, что при электризации трением лишь увеличивается площадь соприкосновения и уменьшается расстояние между атомами трущихся тел. В опыте с водой и парафином шероховатости не могут помешать сближению их атомов.

Таким образом, можно сказать, что трение не является обязательным условием для электризации тел. Какова же причина того, что происходит электризация в этих случаях?

§3. Принцип работы электрофорной машины

Работа электрофорной машины основана на электризации тела через влияние. Наэлектризованное тело взаимодействует с любым электрически нейтральным проводником.

При сближении таких тел за счет электрического поля заряженного тела во втором теле происходит перераспределение зарядов. Заряды, которые по знаку противоположны заряженному телу, располагаются ближе к заряженному телу. Далее от заряженного тела в проводнике (гильза или цилиндр) располагаются одноименные с заряженным телом заряды.

Расстояние до положительных и отрицательных зарядов в цилиндре от шара разное, поэтому преобладают силы притяжения, цилиндр отклоняется в сторону наэлектризованного тела. В том случае, если коснуться рукой дальней стороны тела от заряженного шара, то тело прыгнет к заряженному шару. Уменьшая силы отталкивания, электроны перескакивают к руке.

§4. Краткий итог урока

Электризацией называют явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела.

Электризация может происходить следующими способами:

· соприкосновением;

· через влияние;

· при ударе;

· трением.

Вещества бывают: электроположительные и электроотрицательные.

Можно предугадать, какие заряды получат взаимодействующие тела, если знать принадлежность веществ.

Трение лишь увеличивает площадь соприкосновения.

Вещества – проводники и диэлектрики.

Изоляторы накапливают заряды в местах соприкосновения (там, где они образовались).

Заряды в проводниках распределяются равномерно по всему объему.

Литература:

1. Пёрышкин А.В. Физика 8.- М.: Дрофа, 2004.

2. Кабардин О.Ф. Справочник по физике. - М.: Дрофа, 1997.

3. Лукашик В.И. Сборник задач по физике. – М.: Яхонт, 2000.

Для визуального оформления использовались источники:

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство образования и высшей школы Республики Коми

Управление образования администрации МО «Городской округ Усинск»

Муниципальная средняя общеобразовательная школа 5

Реферат

по физике

на тему: «Электрические явления »

Введение

Основная часть

Заключение

Список использованной литератуы

Введение

Электричество - совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически зараженных тел или частиц, Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля (в случае неподвижных электрических зарядов - электростатические поля). Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т.е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие(учение о магнетизме, т.о., является составной частью общего учения об электричестве). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат уравнения Максвелла.

Законы классической теории электричества охватывают огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди 4 типов взаимодействий (электромагнитных, гравитационных, сильных и слабых), существовавших в природе, электромагнитные занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц противоположенных знаков, взаимодействие между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационных и слабых, а с другой - являются дальнодействующими в отличии от сильных взаимодействий, Строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (хим. Силы) и образование конденсированного вещества определяются электромагнитным взаимодействием.

Цель Реферата в том, чтобы показать, что человечество не мыслит своё существование на Земле без электричества.

Историческая справка . Простейшие электрические и магнитные явления известны ещё с глубокой древности. Были найдены минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь(от греческого электрон, отсюда термин электричества), потертый о шерсть, притягивает легкие предметы (электризация трением). Однако лишь в 1600 У. Гильберт впервые установил различия между электрическими и магнитными явлениями, Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, а также установил, что земной шар - гигантский магнит.

В 17 - 1-й пол. 18 вв. проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, основанные на электризации тернием, установлено существование электрических зарядов двух родов (Ш. Дюфе), обнаружена электропроводность металлов (англ. Ученый С. Грей). С изобретением первого конденсатора - лейденские банки (1745) - появилась возможность накапливать большие электрические заряды. В 1747-53 Б. Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрел молниеотвод.

Во 2-й пол. 18 в. Началось количественное изучение электрических и магнитных явлений, Появились первые измерительные приборы - электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш. Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов (работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879). Этот основой закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод измерение электрических зарядов по силам взаимодействия между ними, Кулон установил также закон взаимодействия между полюсами длинных магнитов и ввёл понятие о магнитных зарядах, сосредоточенных на концах магнитов.

Следующий этап в развитии науки об электричестве связан с открытием в кон. 18 в. Л. Гальвани «животного электричества» и работами А. Вольты, который правильно истолковал опыты Гальвани присутствием в замкнутой цепи 2 разнородных металлов в жидкости и изобрел первый источник электрического тока - гальванический элемент(вольтов столб 1800), создающий непрерывный(постоянный) ток в течение длительного времени, В 1802 В.В. Петров, построив гальванический элемент значительно большей мощности, открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал на возможность применения её для освещения, а также для плавления и сварки металлов. Г. Дэви электролизом водных растворов щелочей получил (1807) неизвестные ранее металлы - натрий и калий. Дж. П. Джоуль установил (1841), что количество теплоты, выделяемой в проводнике электрическим током, пропорциональна квадрату силы тока; этот закон был обоснован (1842) точными экспериментами Э. Х. Ленца (закон Джоуля - Ленца). Г.Ом установил (1826) количество зависимости электрического тока от напряжения в цепи. К. Ф. Гаусс сформулировал (1830) основную теорему электростатики (теорема Гаусса).

Наиболее фундаментальное открытие было сделано Х. Эрстедом в 1820; он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку - явление, свидетельствовавшее о связи между электричеством и магнетизмом. Вслед за этим в том же году А. М. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов(закон Ампера) Он показал также, что свойства постоянных магнитов могут быть объяснены на основе предположения о том, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные электрические токи(молекулярные токи). Т. О., согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействиям токов, магнитных же зарядов не существует. Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной частью учений об электричестве

Со 2-й четв. 19 в. Началось быстрое проникновение электричества в технику. В 20-х гг. появились первые электромагниты. Одним из первых применений электричества был телеграфный аппарат, в 30 - 40-х гг. построены электродвигатели и генераторы тока, а в 40-х гг. - электрические осветительные устройства и т. д. Практическое применения электричества в дальнейшем всё более возрастало, что в свою очередь оказало существенное влияние на учение об электричестве.

В 30 - 40-х гг. 19 в. В развитие науки об электричестве внёс большой вклад М.

Фарадей- творец общего учения об электромагнитных явлениях, в в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действие электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения [до Фарадея»обыкновенное» (полученное при электризации трением), атмосферное, «гальваническое», магнитное, термоэлектрическое, «животное» и др. виды электричества]. В 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную - возбуждения электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Это явление (наблюдавшееся в 1832 также Дж. Генри) составляет фундамент электротехники. В 1833-34 Фарадей установил законы электролиза; эти его работы положили начало электрохимии. В дальнейшем он, пытаясь найти взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков (1837), явления парамагнетизма и диамагнетизма (1845), магнитное вращение плоскости поляризации света (1845) и др.

Фарадей впервые ввёл представление об электрических и магнитных полях. Он отрицал концепцию дальнодействия, сторонники которой считали, что тела непосредственно (через пустоту) на расстояние действуют друг на друга. Согласно идеям Фарадея, взаимодействия между зарядами и токами осуществляется посредством промежуточных агентов: заряды и токи создают в окружающем пространстве электрические или магнитные поля, с помощью которых взаимодействие передается от точки к точке (концепция близкодействия). В основе его представлений об электрических и магнитных полях лежало понятие силовых линий, которые он рассматривал, как механические образования в гипотетической среде - эфире, подобные растянутым упругим нитям или шнурам.

Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля не сразу получили признание, Первая математическая формулировка законов электромагнитной индукции была дана Ф Нейманом в 1845 на языке концепции дальнодействия. Им же были введены важные понятия коэффициентов само- и взаимодукции токов. Значение этих понятий полностью раскрылось позднее, когда У. Томсон (лорд Кельвин) развил (1853) теории электрических колебаний в контуре, состоящем из конденсатора (электроёмкость) и катушки (индуктивность.

Большое значения для развития учения об электричестве имело создание новых приборов и методов электрических измерений, а также единая система электрических и магнитных единиц измерений, созданная Гауссом и В. Вебером (система единиц гаусса). В 1846 Вебер указал на связь силы тока с плотностью электрических зарядов в проводнике и скоростью их упорядочного перемещения. Он установил также закон взаимодействия движущихся точечных зарядов, который содержал новую универсальную электродинамическую постоянную, представляющею собой отношение электростатических и электромагнитных единиц заряда и имеющею размерность скорости. При экспериментальном определении (Вебер и Ф. Кольрауш, 1856) этой постоянной было получено значение, близкое к скорости света; это явилось определенным указанием на связь электромагнитных явлений с оптическими.

В 1861 - 73 учение об электричестве получило своё развитие и завершение в работах Дж. К. Максвелла. Опираясь на эмпирические законы электромагнитных явлений,и введя гипотезу о порождение магнитного поля переменным электрическим полем, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем. При этом он, подобно Фарадею, рассматривал электромагнитные явления как некоторую форму механических процессов в эфире. Главное новое следствие, вытекающее из этих уравнений,- существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света. Решающее подтверждение теория Максвелла нашла в 1886-89, когда Г. Герц экспериментально установил существование электромагнитных волн. После его открытия были предприняты попытки установить связь с помощью электромагнитных волн, завершившиеся созданием радио, и начались интенсивные исследования в области радиотехники.

В конце 19- начале 20 вв. начался новый этап в развитии теории электричества. Исследования электрических разрядов увенчались открытием Дж. Дж. Томсоном дискретности электрических зарядов. В 1897 он измерил отношение заряда электрона к его массе, а в 1898 определил абсолютную величину заряда электрона. Х. Лоренц, опираясь на открытия Томсона и выводы молекулярнокинетической теории, заложил основы электронной теории строения вещества (уравнения Лоренца -Максвелла). В классической электронной теории вещество рассматривается как совокупность электрических заряженных частиц, движение которых подчинено законом классической механике. Уравнение Максвелла получаются из уравнений электронной теории статическим усреднением.

Попытки применение законов классической электродинамики к исследованию электромагнитных процессов в движущихся средах натолкнулись на существенные трудности. Стремясь разрешить их, А. Эйнштейн пришел (1905) к теории относительности. Эта теория окончательно опровергла идею существования эфира, наделённого механическими свойствами. После создания теории относительности стало очевидно, что законы электродинамики не могут быть сведены к законам классической механики.

На малых пространственно-временных интервалах становятся существенными квантовые свойства электромагнитного поля, не учитываемые классической теорией электричества. Квантовая теория электромагнитных процессов - квантовая электродинамика - была создана во 2-й четв. 20 века. Квантовая теория вещества и поля уже выходит за пределы учения об электричестве, изучает более фундаментальные проблемы, касающиеся законов движения элементарных частиц и их строения.

С открытием новых фактов и создание новых теорий значение классического учения об электричестве не уменьшилось, были определены лишь границы применимости классической электродинамики. В этих пределах уравнения Максвелла и классическая электронная теория сохраняют силу, являясь фундаментом современной теории электричества. Классическая электродинамика составляет основу большинства разделов электротехники, радиотехники, электроники и оптики (исключение составляет квантовая электроника). С помощью её уравнений было решено огромное число задач теоретического и прикладного характера. В частности, многочисленные проблемы поведения плазмы в лабораторных условиях и в космосе решаются с помощью уравнений Максвелла.

ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ТЕЛ. СТРОЕНИЕ АТОМА ЛЕГЕНДА ОБ ОТКРЫТИИ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ

Древние греки очень любили украшения и мелкие поделки из янтаря, названного ими за его цвет и блеск «электрон» - что значит «солнечный камень». Отсюда произошло, правда много позже, и самое слово электричество.

Способность янтаря электризоваться была известна давно. Впервые исследованием этого явления занялся знаменитый философ древности Фалес Милетский. Вот как об этом рассказывает легенда.

Дочь Фалеса пряла шерсть янтарным веретеном, изделием финикийских мастеров. Как-то, уронив веретено в воду, девушка стала обтирать его краем своего шерстяного хитона и заметила, что к веретену пристало несколько шерстинок. Думая, что они прилипли к веретену, потому что оно все еще влажно, она принялась вытирать его еще сильнее. И что же? Шерстинок налипало тем больше, чем сильнее натиралось веретено. Девушка обратилась за разъяснением этого явления к отцу. Фалес понял, что причина в веществе, из которого сделано веретено, и в первый же раз, как к пристани Милета подошел корабль финикийских купцов, он накупил различных янтарных изделий и убедился, что все они, будучи натерты шерстяной материей, притягивают легкие предметы, подобно тому, как магнит притягивает железо.

Получение и обнаружение электрических зарядов. Вы можете повторить опыт дочери Фалеса Милетского. Янтарные изделия для этого иметь не обязательно -- воспользуйтесь любым стеклянным или пластмассовым предметом.

Потрите, например, пластмассовую расческу о газету. Поднесите ее к соринкам, шерстинкам, маленьким кусочкам бумаги. Какое явление вы наблюдаете? Как оно называется? Отличается ли эта расческа чем-нибудь от той, которую не натирали?

Наличие электрического заряда на расческе можно проверить с помощью следующих самодельных приборов:

1. Соберите из двух деревянных палочек, дощечки и пластилина штатив, подобный тому, который показан на рисунке 81. Чувствительной частью прибора, обнаруживающего наличие электрического заряда, может служить легкая бумажная бабочка, которую надо подвесить на шелковой нити к штативу.

Натрите стеклянный или пластмассовый предмет газетой или шелковой материей. Поднесите его к бабочке. Пронаблюдайте, как бабочка притянется к наэлектризованному предмету.

Вырежьте из картона фигурку «человечка» и приколите кнопкой к ее плечу подвижную, вырезанную из тонкой папиросной бумаги руку. Расширьте немного прокол, чтобы рука могла свободно вращаться. Укрепите «человечка» на подставке или на нити. Подносите к нему наэлектризованные тела. Человечек будет вытягивать руку, указывая ею на электрический заряд (рис.1).

*3. Вырежьте из фольги фигурку «человечка». Можно для этого использовать также тонкий картон, оклеенный фольгой. В этом случае удобнее вначале оклеить картон, а потом вырезать из него ножницами фигурку. Подвесьте ее на шелковой нитке, руки вставьте в прорезь, сделанную у плеча (руки изготовьте из того же материала, что и фигурку).

Прикоснувшись к «человечку» наэлектризованным телом, вы увидите, как он разведет руки в стороны (рис. 2). Дотронувшись до «человечка» пальцем, убедитесь, что он опускает руки. Объясните наблюдаемое явление.

Как называется прибор, модель которого вы сделали?

ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ТРЕНИЕМ НА ПРОИЗВОДСТВЕ И В БЫТУ

Технический прогресс не только расширяет возможности человека, его власть над природой, но одновременно ставит множество новых проблем. Так, например, сегодня в различных отраслях промышленности используются сильные электрические поля, широко внедряется в быт синтетика, а синтетические материалы обладают способностью накапливать электрические заряды. И приходится решать проблемы, связанные с влиянием электрических полей на технологические процессы, на организм человека.

Вот несколько примеров.

На одном из целлюлозно-бумажных комбинатов некоторое время не могли установить причину частых обрывов быстро движущейся бумажной ленты. Были приглашены ученые. Они выяснили, что причина заключалась в электризации ленты при трении ее о валки.

Такая «самопроизвольная» электризация весьма опасна, так как может стать причиной пожара.

При трении о воздух электризуется самолет. Поэтому после посадки к самолету нельзя сразу же приставлять металлический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолет «разряжают»: опускают на землю металлический трос, соединенный с обшивкой самолета, и разряд происходит между землей и концом троса.

Разряды электричества возникают и тогда, когда человек ходит по полимерным покрытиям полов современной квартиры, синтетическим коврам или снимает с себя нейлоновую одежду.

Есть ли способы и средства для борьбы с накоплением электрических зарядов? Безусловно, есть.

На производстве -- это тщательное заземление станков, машин, применение токопроводящих пластиков для полов, увлажнение воздуха, использование различного рода «нейтрализаторов» (по условиям производства -- индукционных, электрических, радиоизотопных, электроаэрозольных и др.).

В домашних условиях устранить заряды статического электричества довольно легко, повышая относительную влажность воздуха квартиры до 60--70% (для этого можно использовать электрические увлажнители). Электризация устраняется, если к воде, которой протирают пластиковые полы, добавить гидрофильные вещества, например хлорид кальция, а также если протирать электризующиеся поверхности глицерином. Химическая промышленность сейчас выпускает препарат «Антистатик», который снимает электрический заряд с синтетической одежды.

При соприкосновении наэлектризованного тела с заземленной поверхностью происходит электрический разряд. Влияние его на организм человека также изучается.

В результате исследований, проведенных в Ленинграде, было установлено, что разрядный ток силой до 20 мкА не вызывает заметных физиологических сдвигов в организме человека даже при длительном воздействии. Следовательно, разряды, возникающие в быту и при большинстве технологических процессов в результате соприкосновения наэлектризованного человеческого тела с заземленной поверхностью, не опасны для здоровья.

Следует отметить, что электризация синтетического белья, возникающая во время носки, оказывается даже полезной. Например, известно, что поливинилхлоридное белье помогает при лечении некоторых болезней.

Сильные электрические поля используются в медицине при создании электроаэрозолей. Они представляют собой лекарственные или другие биологические вещества, распыленные в электростатическом поле и обладающие целым рядом свойств, выгодно отличающих их от обычных аэрозолей: капельки электроаэрозоля сильнее измельчаются, меньше слипаются, при определенных условиях они глубже проникают в легкие (вплоть до мельчайших легочных ячеек -- альвеол), создавая в них запасы постепенно всасывающихся лекарственных или биологически активных веществ.

ОПЫТ ИОФФЕ И МИЛЛИКЕНА

В начале XX в. советский физик Абрам Федорович Иоффе и американский ученый Роберт Милликен (независимо друг от друга) проделали опыты, доказавшие существование частиц, имеющих наименьший электрический заряд, и позволившие измерить этот заряд.

В чем заключался опыт, вам известно из учебника. Мы хотим рассказать немного о жизни и деятельности этих физиков и процитировать отрывки из их книг, где они рассказывают о своем эксперименте.

Абрам Федорович Иоффе родился в 1880 г. на Украине в г. Ромны. Окончил Петербургский технологический институт в 1902 г. и уехал в Германию продолжать образование. Он учился в Мюнхенском университете, который окончил в 1905 г. Его учителем был знаменитый В. Рентген. В 1906 г. Иоффе вернулся в Россию с дипломом доктора философских наук Мюнхенского университета и начал научно-педагогическую деятельность в Петербургском политехническом институте. В 1915 г. ему присвоили степень доктора Петербургского университета за исследование упругих и электрических свойств кварца.

После Октябрьской революции по его предложению и под его руководством во вновь созданном Государственном институте рентгенологии и рентгенографии организуется физико-технический отдел. Обстановка, в которой пришлось вести работу, была сложной: шла гражданская война; молодое Советское государство находилось в кольце врагов, которых поддерживали капиталисты всего мира; голод; разруха; старые научные кадры не все приняли революцию, часть уехала за границу; научные связи с другими странами почти полностью прерваны. И в это время А. Ф. Иоффе при содействии А. В. Луначарского создал в Петрограде научное учреждение, которое стало родоначальником большого числа научно-исследовательских институтов нашей страны.

В 1921 г. физико-технический отдел Государственного института рентгенологии и рентгенографии выделился в самостоятельный Физико-технический институт, руководителем которого стал А. Ф. Иоффе. А впоследствии из этого института выделились и стали самостоятельными научными учреждениями Украинский физико-технический институт, Уральский физико-технический институт, Институт химической физики и многие другие.

Видные ученые нашей страны И. В. Курчатов, П. Л. Капица, Н. Н. Семенов, Л. Д. Ландау, Б. П. Константинов, И. К. Кикоин и многие другие начинали свою научную работу под руководством А. Ф. Иоффе, считают себя его учениками и всегда с большой теплотой и любовью вспоминают о нем.

«Абрам Федорович Иоффе с первых дней революции встал на сторону Советской власти, он стал одним из выдающихся руководителей фронта физического образования и науки. Огромный талант ученого, педагога, организатора, а также доброжелательное отношение к людям, личное обаяние, преданность общественным интересам -- все это определило неоценимый вклад А. Ф. Иоффе в развитие советской физики. Многие мои товарищи -- физики, как и я сам,-- считают и называют академика Иоффе отцом советской науки, и это мнение, я верю, будет общепризнанным в истории советской науки»,-- писал академик Б. П. Константинов.

Научная деятельность Иоффе была широка и многообразна. Он был прекрасным экспериментатором, занимался вопросами физики полупроводников, много внимания уделял внедрению результатов научных исследований, принимал участие в разработке военной техники, в частности им был предложен принцип радиолокации для обнаружения неприятельских самолетов, интересовали его и возможности использования достижений науки в сельском хозяйстве.

Большая научная и организаторская деятельность А. Ф. Иоффе получила широкое признание в стране. Он был избран действительным членом Академии наук СССР, ему было присвоено звание Героя Социалистического Труда, звание заслуженного деятеля науки СССР, он был удостоен Государственной премии первой степени, награжден двумя орденами Ленина. Многие зарубежные академии и университеты избрали его своим почетным членом.

Роберт Милликен родился в 1868 г. в штате Иллинойс в семье священника. Детство его прошло в маленьком городке Маквокета. В 1893 г. он поступил в Колумбийский университет, затем учился в Германии.

В 28 лет его пригласили преподавать в Чикагский университет. Вначале он занимался почти исключительно педагогической работой и только в сорок лет начал научные исследования, принесшие ему мировую славу.

«Одним из первых в ряду блестящих экспериментаторов, основавших и обосновавших новую физику, следует назвать Роберта Милликена... Характерной чертой исследований Милликена является их совершенно исключительная точность. Милликен во многих случаях повторял опыты, придуманные и даже выполненные другими лицами, но делал их с такой тщательностью и осмотрительностью, что его результаты становились бесспорной и неизбежной базой теоретического построения. Основная заслуга Милликена -- измерение величины заряда электрона е и постоянной теории квантов А»,-- писал об этом ученом академик С. И. Вавилов.

За свои экспериментальные исследования Р. Милликен в 1924 г. был удостоен Нобелевской премии.

Умер Милликен в 1953 г.

Как же удалось измерить заряд отдельного электрона?

Вот что пишут о своих опытах А. Ф. Иоффе и Р. Милликен.

А. Ф. Иоффе: «... В камере А создавались мелкие пылинки цинка, которые через узкое отверстие падали в пространство между двумя заряженными пластинками. Заряженная пылинка падает вниз, испытывая, как и всякое тело, силу тяжести. Но если она заряжена, на нее действуют и электрические силы в зависимости от знака заряда по направлению снизу вверх или сверху вниз. Подобрав электрический заряд пластинок, можно было остановить каждую падающую частичку так, чтобы она неподвижно повисла в воздухе. Мне удавалось целый день держать частичку в таком состоянии. Когда же на нее падал пучок ультрафиолетового света, он уменьшал заряд. Это сразу можно было заметить по тому, что с изменением заряда электрическая сила уменьшалась, тогда как сила тяжести не изменялась: равновесие нарушалось, частичка начинала падать.

Приходилось подбирать другой заряд пластинок, чтобы снова остановить цинковую пылинку. И каждый раз мы имели возможность измерить ее заряд...

Можно было снять 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1... до 50 зарядов, но это было всегда целое число электронов. Оказалось, что какое бы вещество мы ни взяли, будь то цинк, масло, ртуть, будет ли это действие света, или нагревание, или другое воздействие,-- всякий раз, как тело теряет заряд, оно всегда теряет по целому электрону. Значит, можно было заключить, что в природе существуют только целые электроны».

Р. Милликен: «...При помощи обыкновенного распылителя в камеру С впускалась струя масла. Воздух, посредством которого вдувалась струя, освобождался сперва от пыли путем пропускания через трубку со стеклянной ватой. Капельки масла, составлявшие струю, были весьма малы; радиус большинства их был порядка 0,001 мм. Эти капельки медленно падали в камере С, иногда некоторые из них проходили сквозь маленькое отверстие р в центре круглой латунной пластинки М диаметром в 22 см, состав-лявшей одну из пластин воздушного конденсатора. Другая пластина -- N --была укреплена на 16 мм ниже при помощи трех эбонитовых стоек а. Пластины эти могли заряжаться (одна положительно, а другая отрицательно) при помощи переключателя 5, соединявшего их с полюсами 10 000-вольтовой аккумуляторной батареи В. Капельки масла, появлявшиеся вблизи р, освещались сильным пучком света, проходившего сквозь два окошечка, расположенных в эбонитовом кольце одно против другого. Если смотреть через третье окошечко О, направленное к читателю, капля представляется яркой звездочкой на темном фоне. Капли, проходившие через отверстие р, оказывались обыкновенно сильно заряженными вследствие трения при вдувании струи...

Капли, имеющие заряды одного знака с верхней пластинкой, а также имеющие слишком слабые заряды противоположного знака, быстро падают. Те же капли, которые имеют слишком много зарядов противоположного знака, быстро притягиваются верхней пластинкой, преодолевая силу тяжести. В результате через 7 или 8 мин поле зрения вполне проясняется, и в нем остается только сравнительно небольшое число капель, а именно те, которые имеют заряд, как раз достаточный, чтобы поддерживаться электрическим полем. Эти капли представляются отчетливо видимыми яркими точками. Я несколько раз получал только одну такую звездочку во всем поле, и она держалась там около минуты...

Во всех случаях, без всякого исключения, оказывалось, что как первоначальный заряд, возникший на капле вследствие трения, так и многочисленные заряды, захваченные каплей у ионов, равны точным кратным наименьшего заряда, захваченного из воздуха. Некоторые из этих капель не имели первоначально никакого заряда, а затем захватывали один, два, три, четыре, пять, шесть или семь элементарных зарядов или электронов. Другие капли первоначально имели семь или восемь, иногда двадцать, иногда пятьдесят, иногда сто, иногда сто пятьдесят элементарных единиц и захватывали в каждом случае один или несколько десятков элементарных зарядов в продолжение наблюдений. Таким образом, наблюдались капли со всевозможным числом электронов между одним и ста пятьюдесятью... Когда число их не превышает пятидесяти, то ошибка тут так же невозможна, как и при счете собственных пальцев. Однако при подсчете электронов в заряде, в котором их содержится свыше ста или двухсот, нельзя быть уверенным в отсутствии ошибки... Но совершенно невозможно себе представить, чтобы большие заряды, как, например, те, с которыми мы имеем дело в технических применениях электричества, были построены, по существу, иначе, чем те малые заряды, которые мы можем сосчитать...

Где бы ни встречался электрический заряд -- на изоляторах или на проводниках, в электролитах или металлах,-- везде он обладает резко выраженным зернистым строением. Он состоит из целого числа единиц электричества (электронов), которые все одинаковы. В электростатических явлениях эти электроны рассеяны по поверхности заряженного тела, а в электрическом токе они движутся вдоль проводника».

ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА

Суть опыта Резерфорда, как вы знаете, заключалась в следующем. На пути узкого пучка альфа-частиц, испускаемых радиоактивным веществом, помещалась очень тонкая металлическая фольга из золота. Регистрировались альфа-частицы с помощью экрана из светящегося состава (сернистый цинк), расположенного вокруг мишени.

Чего можно было бы ожидать в результате попадания альфа-частиц в атомы золота, если бы атомы золота были сплошными шариками? Станут ли они расталкивать атомы золота, пробиваясь между ними, или же будут отскакивать от них в разные стороны?

Если альфа-частицам нужно будет как-то пробираться через гущу атомов золота, то им, естественно, придется претерпевать множество столкновений с ними, сотни и тысячи раз менять свое направление. И как следствие альфа-частицы будут рассеиваться, т. е. вылетать из золотого листка по самым различным направлениям.

На деле оказалось совсем не так. Подавляющая часть альфа-частиц проходила сквозь металл, почти не отклоняясь от прямолинейного пути, и лишь немногие отклонялись на большие углы, а иногда даже отскакивали назад.

Вспоминая через 20 лет об этих своих первых опытах, Резерфорд говорил: «Это было, пожалуй, самое невероятное явление, которое когда-либо встречалось в моей жизни. Оно было почти таким же невероятным, как если бы вы обстреливали 15-дюймовыми снарядами лист самой тонкой бумаги, а они отскакивали бы обратно и попадали в вас. После размышления над этим обстоятельством я убедился, что это обратное рассеивание могло быть результатом только прямого попадания. Но когда я произвел нужные расчеты, то увидел, что полученный результат по величине тоже невероятен, за исключением того единственного случая, когда вы имеете дело с системой, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в ничтожно малом ядре».

Электрометр

Электрометр -- прибор, позволяющий измерить электрический заряд, впервые был построен русским академиком Г. В. Рихманом, другом М. В. Ломоносова.

Об устройстве этого электрометра Рихман писал: «Указатель «электричества» (рис. 88) представляет собой вертикально расположенную металлическую линейку длиной около 52 см и массой около 615 г, к которой подводится электрический заряд от электрической машины. К линейке прикрепляется льняная нить длиной около 61 см и массой около 45 мг. Угол отклонения нити фактически позволяет измерить электрическую силу».

Громоотвод

1780 г. Небольшой городок Сент-Оморе во Франции. Один из жителей установил на своем доме громоотвод. Его соседи были так напуганы и возмущены этим фактом, что возбудили судебное дело против владельца громоотвода. Процесс длился около четырех лет и наделал много шума. Интересно отметить, что в качестве защитника на суде выступал М. Робеспьер, в то время еще молодой адвокат. Одним из экспертов со стороны истца был Марат, известный ученый и публицист, а впоследствии выдающийся деятель французской революции. Марат считал громоотвод опасной затеей и был против его установки. После долгой борьбы М. Робеспьер выиграл процесс.

ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКАОПЫТЫ ГАЛЬВАНИ

В конце 1780 г. профессор анатомии в Болонье Л. Гальвани занимался в своей лаборатории изучением нервной системы отпрепарированных лягушек.

Совершенно случайно получилось так, что в той же комнате работал его приятель-физик, производивший опыты с электричеством. Одну из препарированных лягушек Гальвани положил на стол, на котором стояла электрическая машина.

В это время в комнату вошла жена Гальваии. Ее взору предстала жуткая картина: при искрах в электрической машине лапки мертвой лягушки, прикасавшиеся к железному предмету (скальпелю), дергались. Жена Гальвани с ужасом указала на это мужу.

Столкнувшись с необъясненным явлением, Гальвани счел за лучшее детально исследовать его на опыте. «Я считал, что сделаю нечто ценное,-- писал Гальвани,-- если кратко и точно изложу историю моих открытий в таком порядке и расположении, в каком мне их доставил отчасти случай и счастливая судьба, отчасти трудолюбие и прилежание. Я сделаю то, чтобы дать как бы факел в руки тех, кто пожелает пойти по тому же пути исследования».

Последуем же за Гальвани в его опытах.

«Я разрезал лягушку и положил ее без всякого умысла на стол, где на некотором расстоянии стояла электрическая машина. Случайно один из моих ассистентов дотронулся до нерва лягушки скальпелем и в тот же момент мускулы лапки содрогнулись как бы в конвульсиях.

Другой ассистент, обыкновенно помогавший мне в опытах по электричеству, заметил, что явление это происходило лишь тогда, когда из машины извлекалась искра.

Пораженный новым явлением, я тотчас же обратил на него внимание, хотя замышлял в этот момент совсем иное и был всецело поглощен своими мыслями. Меня охватила неимоверная жажда и рвение исследовать это и пролить свет на то, что было под этим скрыто».

Гальвани решил, что все дело в электрических искрах. Чтобы получить более сильный эффект, он во время грозы вывесил на балкон несколько отпрепарированных лягушачьих лапок на медных проволочках. Однако молнии -гигантские электрические разряды никак не повлияли на поведение отпрепарированных лягушек. Что не удалось молнии, сделал ветер. При порывах ветра лягушачьи лапки раскачивались и иногда касались железных прутьев балкона. Как только это случалось, лапки дергались. Гальвани, однако, отнес явление все-таки на счет грозовых электрических разрядов.

«После успешных опытов во время грозы я пожелал,-- пишет Гальвани,-- обнаружить действие атмосферного электричества в ясную погоду. Поводом для этого послужило наблюдение, сделанное мною над заготовленными лапками лягушки, которые, зацепленные медным крючком, были подвешены на железную решетку забора моего сада: лапки содрогались не только во время грозы, но и тогда, когда небо было совершенно ясно. Подозревая, что эти явления происходят вследствие изменения атмосферы в течение дня, я предпринял опыты.

Когда я производил опыт под открытым небом, я был склонен принять теорию, что сокращения возникают вследствие атмосферного электричества, которое, постепенно проникнув в животное и собравшись в нем, неожиданно разряжалось, когда крючок приходил в соприкосновение с железными перилами.

Но, однако, в продолжение ряда дней в различные часы я наблюдал подвешенную на заборе лапку, но не обнаружил каких-либо движений в ее мускулах.

Когда же я перенес лягушку в комнату, положил на железную дощечку и прижал медный крючок к дощечке, те же самые спазматические содрогания были налицо.

Так легко обманываем мы себя при опытах и думаем, что действительно видели то, что желаем видеть.

Я производил опыт с разными металлами в различные часы дня в разных местах -- результат был один и тот же, разница была в том, что содрогания были более сильные при одних металлах, чем при других.

Затем я испытал различные тела, которые не являются проводником электричества, например стекло, смолу, резину, камень и сухое дерево.

Явлений не было.

Это было несколько неожиданно и заставило меня предположить, что электричество находится внутри животного...»

Эта длинная цитата -- интересная иллюстрация творческого метода Гальвани. Он провел, по сути дела, все эксперименты, чтобы получить правильные выводы. Отдадим дань его умению ставить эксперименты. Он показал, что для эффекта необходимы металлы, что при наличии тел, не являющихся проводниками электричества, никакого эффекта нет, наконец, он показал даже, что разные металлы дают разную степень эффекта.

Но правильного вывода Гальвани не сумел сделать. Будучи врачом, а не физиком, он видел причину в так называемом «животном электричестве». Свою теорию Гальвани подтверждал ссылкой на известные случаи разрядов, которые способны производить некоторые живые существа, например «электрические рыбы».

ВОЛЬТОВ СТОЛБ

Итальянский физик Алессандро Вольта подробно ознакомился с трактатом Гальвани «Об электрических силах в мускуле» и был потрясен. Он перечитал трактат и нашел в нем то, что ускользнуло от внимания самого автора,-- упоминание о том, что эффект содрогания лапок наблюдался лишь тогда, когда лапок касались двумя различными металлами. Вольта решил поставить видоизмененный опыт, но не на лягушке, а на самом себе.

«Признаюсь,-- писал он,-- я с неверием и очень малой надеждой на успех приступил к первым опытам: такими невероятными казались они мне, такими далекими от всего, что нам доселе известно было об электричестве...»

Вольта брал две монеты, обязательно из разных метал- ] лов, и... клал их себе в рот -- одну на язык, другую под язык. ; Когда он соединял монеты про- | волокой, то чувствовал солоноватый вкус. Из опытов, проведенных раньше, Вольта знал, что такой вкус вызывается электричеством.

Поставив друг на друга свыше ста металлических (цинк и серебро) кружков, разделенных бумагой, смоченной соленой водой, Вольта получил довольно мощный источник электричества -- Вольтов столб . Присоединив к верхнему и нижнему концам столба проводники и взяв их в рот, Вольта убедился, что источник действует продолжительное время.

Вслед за этим Вольта изобрел электрическую батарею, состоявшую из многих последовательно соединенных цинковых и медных пластин, опущенных попарно в сосуды с разбавленной кислотой. Этот источник электрической энергии по тем временам был достаточно мощным: с его помощью можно было привести в действие электрический звонок. Он получил название «короны сосудов».

20 марта 1800 г. Вольта сообщил о своих исследованиях Лондонскому королевскому обществу (так называлась Английская академия наук). Можно считать, что с этого дня источники постоянного электрического тока -- Вольтов столб и батарея -стали известны многим физикам и нашли широкое применение.

Гальванический элемент. Любителям научных курьезов можно сообщить рецепт изготовления гальванического элемента из лимона, описанный еще в 1909 г. в журнале «Природа и люди» (№ 28). Острым ножом разрежьте лимон, стараясь не снимать и не разрывать тонких перегородок, которые делят лимон на гнезда. Затем в каждое гнездо воткните попеременно по кусочку (длиной 2 см) медной и цинковой проволоки и соедините их концы последовательно тонкой проволокой. У вас получится маленькая гальваническая батарея, дающая ток, хотя и очень слабый, но оказывающий некоторое физиологическое действие.

Простейший гальванический элемент можно устроить и так. Налейте в стакан крепкий раствор уксуса, нашатыря или поваренной соли и опустите в него медную и цинковую пластинки, причем они не должны касаться друг друга. Можно использовать медную монету и цинковую пластинку, вырезанную из корпуса старой батарейки. Между этими электродами надо положить кусок промокательной бумаги, смоченной раствором поваренной соли.

Проверить наличие тока можно при помощи чувствительного электроизмерительного прибора -- гальванометра.

Один провод, идущий от гальванометра, подключите к цинковой пластинке, а вторым несколько раз притроньтесь к медной пластинке или монете -- стрелка отклонится, что свидетельствует о наличии тока.

Модель гальванометра можно изготовить, используя электрический конструктор.

Возьмите подставку для магнитной стрелки. В прорези подставки установите бескаркасную катушку. На острие подставки укрепите шкалу гальванометра (шкалу вырежьте из листа бумаги и наклейте на картон) и установите магнитную стрелку. Бескаркасную катушку вместе с подставкой расположите так, чтобы под действием магнитного поля Земли стрелка находилась в плоскости витков катушки.

При пропускании по обмотке катушки электрического тока стрелка в зависимости от направления тока будет отклоняться" вправо или влево.

ИЗ ИСТОРИИ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЛАМПЫ

Мы видим ее всюду -- у себя дома и в поезде, на улице и в трамвае, на заводе и в театре, в шахте и в самолете. Трудно перечислить все случаи применения этой лампы. Электрическое освещение стало для нас обычным. Однако было время -- чуть более ста лет назад,-- когда об электрическом свете, о «свете без огня», мечтали лишь ученые. Много труда затратили они, чтобы создать такую электрическую лампу, какой мы ее знаем теперь.

Большой вклад в дело создания «нового света» внесли наши соотечественники -- русские электротехники прошлого века В. В. Петров, В. Н. Чиколев, П. Н. Яблочков, А. Н. Лодыгин и др.

Рассказ первый

Дуга Петрова

В начале XIX в. русский физик и электротехник Василий Владимирович Петров сделал открытие, которое позволило использовать электрическую энергию для освещения.

В книге, вышедшей в 1803 г., В. В. Петров так описал свое замечательное открытие:

«Если на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля и если потом металлическими изолированными направителями, сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные (т. е. угли) один к другому на расстояние от одной до трех линий (т. е. примерно от двух до шести миллиметров), то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».

Пламя имело форму дуги (. Поэтому явление получило название электрической дуги (дуги Петрова).

Ученый отмечает, что жар электрической дуги очень силен. В пламени дуги «сгорают» даже железные гвозди и медные пластинки. Это и не удивительно: теперь мы знаем, что температура в пламени дуги Петрова достигает 3500 °С.

Что же является причиной возникновения электрической дуги?

Вы знаете, что различные вещества по-разному проводят электрический ток, т. е. обладают различным сопротивлением.

Чтобы зажечь электрическую дугу, угольные стержни сближают. В момент их соприкосновения в цепи начинает течь электрический ток. Причем в месте контакта углей ток встречает сопротивление значительно большее, чем в самих углях. Поэтому концы углей в месте контакта сильно разогреваются и начинают испускать свет. От разогретых до белого каления концов нагревается и окружающий их воздух. Кроме того, такие угли начинают выделять раскаленные газы. Теперь, если слегка раздвинуть угли, электрический ток, идущий через них, не прекратится: раскаленные газы между углями начинают проводить ток. Так между раздвинутыми углями возникает непрерывный ток -- светящаяся электрическая дуга.

Изобретением В. В. Петрова заинтересовались очень многие. В самом деле, ведь им был открыт совершенно новый источник света! Электрическая дуга давала невиданно яркий, белый свет. Как заманчиво было использовать ее для освещения!

Однако осуществить эту мысль на практике оказалось не так легко. Дело в том, что для получения электрической дуги требуется большая сила тока, а существовавшие в то время источники электрического тока -- батареи гальванических элементов -давали, как правило, слабый ток.

Было и другое затруднение. При горении дуги угольные стержни постепенно сгорают, и расстояние между ними увеличивается. Наконец наступает момент, когда дуга внезапно гаснет: электрический ток между углями прерывается. Таким образом, чтобы получить постоянное горение дуги, необходимо поддерживать одно и то же расстояние между углями, сдвигать их по мере сгорания.

Как это делать?

Сдвигать угли просто руками неудобно и невыгодно: для этого у каждой лампы должен постоянно находиться человек. Нужно придумать какие-то механизмы, которые автоматически поддерживали бы необходимое расстояние между углями. Изобретатели предлагали различные регуляторы «дуговых электрических фонарей» (так были названы новые лампы, в которых свет давала электрическая дуга). Однако все эти регуляторы были неудобны для практического применения, и дуговые электрические лампы мало где использовались. Только в отдельных случаях -на маяках, на каких-либо празднествах или в физической лаборатории ученого -- можно было увидеть лампу нового света.

Лишь через 70 лет известный русский электротехник В. Н. Чи-колев построил удобное и четко действующее приспособление для автоматической регулировки угольных стержней дуговых ламп. Однако дуговые лампы и после этого не получили широкого распространения: лампа с механическим регулятором стоила очень дорого.

Рассказ второй

Русский свет

В 1876 г. в Лондоне на выставке точных физических приборов русский изобретатель Павел Николаевич Яблочков демонстрировал перед посетителями необыкновенную электрическую свечу. Похожая по форме на обычную стеариновую свечу, она горела ослепительно ярким светом. В том же году «свечи Яблочкова» появились на улицах Парижа Помещенные в белые матовые шары, они давали яркий приятный свет. В короткое время чудесная свеча завоевала всеобщее признание. «Свечами Яблочкова» освещались лучшие гостиницы, улицы и парки крупнейших городов Европы.

Привыкшие к тусклому свету свечей и керосиновых ламп, люди прошлого века восхищались «свечами Яблочкова». Новый свет называли «русским светом», «северным светом». Газеты западноевропейских стран писали: «Свет приходит к нам с севера -- из России», «Россия -- родина света».

Что же представляет собой «свеча Яблочкова»? По существу, это та же дуговая лампа, но у нее нет никаких регуляторов. «Мое изобретение,-- писал Яблочков,-- состоит в совершенном удалении всякого механизма, обыкновенно встречающегося в электрических лампах...»

Задачу регулировки углей при горении лампы Яблочков решил гениально просто. Он поместил угли не против друг друга, а рядом, на таком расстоянии, чтобы между ними при пропускании тока возникала дуга. Чтобы дуга горела только вверху, у концов угольные стержни были разделены слоем, не проводящим электричество, например слоем глины или гипса.

Такое устройство дуговой лампы действительно напоминает собой обыкновенную свечу. Для запала «свечи» применялась тонкая пластинка из материала, плохо проводящего электрический ток. Эта пластинка соединяла друг с другом верхние концы углей. При пропускании электрического тока через «свечу» пластинка сгорала и между концами углей возникала дуга. По мере сгорания углей изолирующий слой между ними постепенно испарялся. Угли же за время горения находились на одном и том же расстоянии друг от друга. Их не нужно было сдвигать ни вручную, ни с помощью каких-либо сложных приспособлений!

«Электрическая свеча Яблочкова», простая и дешевая, горела ярким ровным светом.

Знаменитый изобретатель неустанно работал над усовершенствованием своих «свечей». Изменяя химический состав изолирующей массы, Яблочков создавал лампы со светом различных оттенков. Он соединял несколько «свечей» так, что, когда гасла одна, автоматически загоралась другая. Он конструировал самые различные по силе света лампы.

Но это было не все. Совершенствуя свое изобретение, П. Н. Яблочков старался избавиться от одного существенного недостатка. Дело в том, что при работе на постоянном токе один уголь «свечи» сгорает вдвое быстрее, чем другой. Чтобы избежать неравномерного сгорания углей, Яблочков один из стержней делает более толстым. Однако это не так удобно и невыгодно. Изобретатель упорно ищет другое решение задачи. И находит его. Он использует для питания «свечей» не постоянный, а переменный ток. В этом случае оба угля сгорают равномерно. Таким образом, П. Н. Яблочков -- первый человек, практически применив-1 ший переменный ток в электротехнике! До его работ считалось, | что переменный ток не годится для широкого практического 1 применения.

Кроме того, он решил задачу так называемого «дробления электрического света». Яблочков разработал такую схему соеди-1 нения дуговых ламп в цепь, при которой один источник тока мог обслужить уже не одну, а большее число ламп. Это достигалось с помощью особых индукционных катушек, работающих по принципу трансформатора (устройства, понижающего и повышаю- I щего напряжение электрического тока).

Таким образом, П. Н. Яблочковым впервые был применен в электротехнике и принцип трансформации электрической энергии.

К 1880 г. «русский свет» освещал многие города мира.

В России «электрические свечи» освещали улицы Москвы, Петербурга, Нижнего Новгорода, Полтавы и других городов. >

Рассказ третий

Угольная лампа накаливания

В начале 70-х гг. XIX в. Александр Николаевич Лодыгин создал новые электрические лампы -- лампы накаливания, те самые, которые уже к началу нашего века завоевали весь мир. Так, у «свечей Яблочкова», кроме старых соперников -- газовых рожков,-- появился новый.

«Свечи Яблочкова» не выдержали соперничества и очень скоро начали повсеместно гаснуть. И хотя в наши дни «электрическая свеча Яблочкова» является уже достоянием истории, мы не должны забывать, что именно работы русского изобретателя П. Н. Яблочкова дали электрическому свету путевку в жизнь. «Электрической свече» мы, бесспорно, обязаны тем, что удалось ввести электрический свет в повседневный обиход.

Уже давно, с самого начала XIX в., было известно, что электрический ток, проходя по проводнику, нагревает его.

Подобные документы

Краткая биографическая справка из жизни Луиджи Гальвани. Успех опыта с лягушкой. Роль Алессандро Вольта в открытиях ученого. Опыты с "животным электричеством" как основа появления электрофизиологии, исследующей электрические явления в живом организме.

презентация , добавлен 18.12.2015


Легенда об открытии электризации. Группы веществ. Полярные и неполярные диэлектрики. Интенсивность электризации. Накопление зарядов. Диэлектрическая непроницаемость. Электризация жидкостей (воды, различного топлива). Использование гексафторида серы.

реферат , добавлен 12.09.2014


Краткая биографическая справка из жизни Гальвани, научная деятельность. Опыты по электричеству в XVIII веке. Открытие лейденской банки. Физиология: предмет и методы, значение для медицины, краткая история. Появление электробиологии, правила Гальвани.

контрольная работа , добавлен 06.06.2013


История открытия явления электризации. Свойства полярных, неполярных и кристаллических диэлектриков. Интенсивность электризации, диэлектрическая проницаемость веществ. Причины накопления зарядов в производственных условиях. Удельная проводимость жидкости.

реферат , добавлен 16.09.2014


Строение атома. Атом как целое. Структура атома: опыты Резерфорда, планетарная модель атома Резерфорда, квантовые постулаты Бора. Лазеры: история создания, устройство, свойства, применение лазера в ювелирной отрасли, в медицине.

реферат , добавлен 13.04.2003


Открытие электрических явлений. Простые опыты по электризации различных тел. Появление статического электричества на железнодорожном транспорте. Основные способы борьбы со статическим электричеством. Применение токопроводящих пластиков для полов.

презентация , добавлен 22.10.2016


История создания химических источников тока, их классификация, устройство и принцип действия. Виды гальванических элементов: электрические аккумуляторы и топливные устройства. Эксплуатация и регенерация батарей, их основные преимущества и недостатки.

курсовая работа , добавлен 29.05.2009


История открытия радиоактивности, модель атома Томсона. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Правило квантования Бора-Зоммерфельда. Боровская теория водородоподобного атома, схема его энергетических уровней. Оптические спектры испускания атомов.

презентация , добавлен 23.08.2013


Этапы развития науки об электричестве. Теории электрических явлений. Физика и живые организмы, их связь. Электричество в различных классах живых организмах. Исследование протекания электричества в земноводных, опыты Гальвани, Александра Вольта.

реферат , добавлен 20.12.2010


История изобретения источника постоянного электрического тока итальянским физиком А. Вольтой. Устройство гальванического элемента. Классификация источников тока. Строение батарей и электрических аккумуляторов, их основные типы и особенности применения.

При трении тел друг о друга «трутся» именно электронные оболочки атомов, из которых тела состоят. А так как электроны слабо связаны с ядрами атомов, то электроны могут отделяться от «своих» атомов и переходить на другое тело. В результате на нём возникает избыток электронов (отрицательный заряд), а на первом теле – недостаток электронов (положительный заряд).

Итак, электризация трением объясняется переходом части электронов от одного тела к другому, в результате чего тела заряжаются разноимённо. Поэтому тела, наэлектризованные трением друг о друга, всегда притягиваются (см. § 8-б). Но, кроме электризации трением, существует электризация индукцией (лат. «индукцио» – наведение). Рассмотрим её на опыте:

В начале опыта имеются два металлических шара, которые касаются друг друга (а). К одному из них подносят, не касаясь его, заряженную стеклянную палочку (б), после чего второй шар отодвигают (в). Теперь палочку можно убрать, – шары будут разноимённо заряжены (г).

Объясним этот опыт с точки зрения электронно-ионной теории.

Сначала металлические шары не были заряжены. Это значит, что электронный газ присутствовал в шарах в равных количествах (а). Поскольку палочка стеклянная, мы считаем её заряд положительным (см. § 8-б). Она притягивает отрицательно заряженные частицы – электроны. В результате электронный газ «перетекает» в левую часть левого шара, и в этом месте образуется избыток отрицательного заряда (б).

Все положительные ионы металла прочно связаны друг с другом (они и есть металл), поэтому никуда не «перетекают». Значит, во всех остальных частях шаров возникает недостаток электронов, то есть положительный заряд. И если в этот момент, не убирая палочку, раздвинуть шары (в) и лишь затем убрать её, шары останутся разноимённо заряженными (г).

Итак, электризация индукцией объясняется перераспределением электронного газа между телами (или частями тела), в результате чего тела (или части тела) заряжаются разноимённо. Однако возникает вопрос: все ли тела поддаются электризации индукцией? Можно проделать опыты и убедиться, что пластмассовые, деревянные или резиновые шары можно легко наэлектризовать трением, но невозможно индукцией. Объясним это.

Электроны в резине, древесине и во всех пластмассах не являются свободными, то есть не образуют электронного газа, который может перетекать в другие тела. Поэтому для электризации тел из этих веществ необходимо прибегнуть к их трению, способствующему отделению электронов от «своих» атомов и переходу на другое тело.

Итак, по электрическим свойствам все вещества можно разделить на две группы. Диэлектрики – вещества, не имеющие свободных заряженных частиц и потому не проводящие заряд от одного тела к другому. Проводники – вещества со свободными заряженными частицами, которые могут перемещаться, перенося заряд в другие части тела или к другим телам. Это иллюстрирует рисунок с электроскопами, пластмассовой линейкой и металлической проволокой (см. выше).

Электростатика: элементы учебной физики

Проф. В.В.МАЙЕР ,
Гоу ВПО ГГПИ им. В.Г.Короленко, г. Глазов, Республика Удмуртия

Электростатика: элементы учебной физики

Окончил физико-математический факультет Удмуртского ГПИ в 1967 г. С момента публикации первой статьи в журнале «Физика в школе» в 1966 г. основная область интересов – совместная исследовательская деятельность учителя и ученика, направленная на решение конкретных проблем учебной физики, т.е. на разработку новых учебных физических теорий, учебных экспериментов и методик их изучения. Ныне – профессор кафедры физики и дидактики физики, декан физического факультета ГГПИ им. В.Г.Короленко, д.п.н., автор девяти книг и более четырёхсот публикаций в журналах «Успехи физических наук», «Физика в школе», «Квант», «Учебная физика» и в газете «Физика». Руководит научной работой студентов, аспирантов и преподавателей, многие годы непосредственно руководил учебными исследованиями школьников. Один из организаторов ежегодной научно-практической конференции «Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения», ответственный редактор сборников научных работ «Проблемы учебного физического эксперимента», главный редактор журнала «Учебная физика».

ЛЕКЦИЯ 1. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ ТЕЛ

В настоящее время основным источником электричества в учебных экспериментах по электростатике остаётся эбонитовая палочка, натираемая мехом. Нам могут возразить, что ничего подобного, промышленность давно выпускает электрофорные машины и высоковольтные источники питания, которые с успехом используются для изучения электростатических явлений.

Однако упомянутые источники не удовлетворяют основополагающему требованию дидактики физики: их принцип действия даже в общих чертах непонятен учащимся. Игнорирование этого требования вынуждает учащихся принимать физические знания на веру, лишает их возможности самостоятельной познавательной деятельности, ведёт к догматизму в преподавании и в конечном итоге снижает интерес школьников к физике.

Поэтому естественно начать с рассмотрения хорошо известных из школьного курса явлений электризации. Дидактическое исследование этих явлений позволит отработать технику постановки традиционных демонстрационных опытов, сравнить различные способы электризации тел, получить новые источники электричества для учебных экспериментов, организовать познавательную деятельность школьников. Содержание этой и последующих лекций в максимальной степени соответствует школьному курсу физики, поэтому учитель без особых трудностей сможет использовать его в своей повседневной урочной и внеурочной работе.

1.1. Явление электризации тел. Эбонитовой палочкой прикоснёмся к маленьким кусочкам бумаги, лежащим на столе, и поднимем палочку – бумажные кусочки останутся лежать на столе. Это свидетельствует о том, что сила гравитационного взаимодействия между бумажными кусочками и палочкой недостаточна для притяжения их к палочке.

Потрём эбонитовую палочку о мех (или шёлк) и поднесём её к тем же кусочкам бумаги – они подскочат и прилипнут к палочке, а спустя некоторое время, отскочат от неё.

Значит, в результате соприкосновения и трения о мех (или шёлк) эбонитовая палочка приобрела новое качество, выражающееся, в частности, в том, что она стала способной притягивать к себе лёгкие тела с силой, значительно превышающей силу гравитационного притяжения. Тела, соприкоснувшиеся с потёртой о мех эбонитовой палочкой, приобретают способность притягиваться и отталкиваться от неё. Наблюдаемые явления и есть электризация тел. При электризации тела приобретают электрический заряд.

Если поднести потёртую о мех палочку к щеке, возникнет ощущение прикосновения к лёгкой паутине. Прикоснувшись в темноте к натёртой мехом эбонитовой палочке, мы увидим слабую искру и услышим лёгкий треск. Всё это проявления электризации тел.

1.2. Любые тела взаимодействуют с наэлектризованными телами и сами электризуются.

Наэлектризуем эбонитовую палочку, например, трением о мех, и поднесём её к уравновешенному на острой опоре деревянному стержню – стержень повернётся и притянется к палочке. После соприкосновения с наэлектризованной палочкой стержень оттолкнётся от неё.

В стенке пластмассового сосуда закрепим сопло с тонким отверстием и нальём в сосуд воду. Поднесём к вытекающей из сопла струе наэлектризованную эбонитовую палочку и обнаружим, что струя и капли воды притягиваются к палочке и отталкиваются друг от друга.

В стеклянный сосуд с трубкой в днище, насыпем немного медных стружек, зальём их азотной кислотой и закроем крышку сосуда. Из отверстия будет выходить бурая струя оксида азота NO 2 . Поднесём к ней наэлектризованную палочку и обнаружим, что газовая струя притягивается к палочке.

Эта серия опытов доказывает, что газы, жидкости и твёрдые тела взаимодействуют с наэлектризованными телами и сами электризуются.

1.3. Проводники и изоляторы.

Наэлектризуем эбонитовую палочку и прикоснёмся ею к одному концу эбонитового стержня, другой конец которого находится возле легкоподвижных тел, например, кусочков бумаги. Обнаруживаем, что притяжение этих тел к эбонитовому стержню отсутствует. Значит, эбонит не передаёт электрический заряд, т.е. не проводит электричество. Подобные вещества называют диэлектриками или изоляторами.

К металлическому стержню прикрепим эбонитовую ручку, которая не проводит электричество и за которую можно держать стержень. Приблизим конец металлического стержня к легкоподвижным телам, а к другому концу прикоснёмся наэлектризованной эбонитовой палочкой – лёгкие тела притянутся к концу стержня. Значит, металлы проводят электричество, т.е. являются проводниками.

1.4. Электроскоп – прибор, позволяющий обнаружить даже слабую электризацию тел.

Внутрь прозрачного сосуда из хорошего изолятора введём металлический стержень, на верхнем конце которого закреплён небольшой шарик, а на нижнем – тонкие лёгкие лепестки из проводника. Поднесём к шарику наэлектризованное тело и обнаружим, что лепестки расходятся, свидетельствуя о наличии электричества. Поэтому прибор называют электроскопом. Электроскоп, снабжённый шкалой, позволяет судить о степени электризации тел, поэтому называется электрометром.

1.5. Два вида электричества.

Подготовим три одинаковые эбонитовые палочки. Палочку 1 подвесим на нити так, чтобы она могла легко поворачиваться, и потрём о мех. Палочку 2 потрём также о мех, а палочку 3 – о шёлк. Приближая две другие палочки к первой, обнаружим, что подвешенная палочка 1 отталкивается от палочки 2 и притягивается к палочке 3 . Но палочка 2 наэлектризована так же, как палочка 1 , а палочка 3 наэлектризована не мехом, а шёлком.

Отсюда следует, что существует электричество двух видов, причём одноимённо наэлектризованные тела отталкиваются, а разноимённо наэлектризованные – притягиваются.

К висящей на нити наэлектризованной эбонитовой палочке 1 прикоснёмся палочкой 2 , наэлектризованной одноимённо, – отталкивание между палочками не уменьшится. Сколько бы мы ни приводили в соприкосновение одноимённо заряженные палочки, они всё равно будут отталкиваться.

Если к висящей наэлектризованной палочке 1 прикасаться палочкой 3 , наэлектризованной разноимённо с ней, то после каждого касания притяжение будет уменьшаться, пока не исчезнет совсем. Из опыта следует, что разноимённые электричества способны нейтрализовать друг друга, поэтому одно из них называют положительным , а другое – отрицательным. Для определённости принято считать, что трением о шёлк эбонитовая палочка электризуется положительно, а трением о мех – отрицательно.

1.6. Модели физической теории электричества. В чём физическая сущность явления электризации тел? Чем объясняется это явление? Почему при трении двух разных тел друг о друга происходит электризация?

Ответ на этот вопрос можно получить только в рамках теоретической модели. На заре изучения электричества одна из таких моделей была предложена американским учёным Б.Франклином. Он полагал, что электричество представляет собой особую жидкость. Пользуясь этой моделью, удалось объяснить целый ряд явлений, но ещё больше явлений не укладывались в её рамки.

В настоящее время физики придерживаются совершенно другой модели. В основе её надёжно установленный экспериментально факт: вещество состоит из нейтральных атомов, сами атомы состоят из заряженных частиц, все существующие электрические заряды кратны наименьшему, или элементарному, заряду. Положительный элементарный заряд несёт элементарная частица протон – ядро атома водорода. Равным ему по модулю отрицательным зарядом обладает другая элементарная частица – электрон.

В состав атома входят элементарные частицы трёх сортов: нейтральные нейтроны , положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Заряды электронов и протонов по модулю равны, но противоположны по знаку. Масса нейтрона и масса протона почти одинаковы и примерно в 1836 раз больше массы электрона. Протоны и нейтроны образуют ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Ядро атома стабильно благодаря полю ядерных сил, которое действует между его частицами и удерживает одноимённо заряженные протоны от разлёта. В целом атом пуст, т.к. радиус ядра примерно в 10 000 раз меньше радиуса атома. Но в объёме движутся отрицательно заряженные электроны. Их ровно столько, сколько протонов в ядре, поэтому суммарный отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд ядра, и атом в целом нейтрален.

На рисунке в качестве примера схематически изображены стакан с жизненно важным для нас веществом – водой; молекула воды H 2 O; атомы водорода Н и кислорода О, из которых состоит молекула воды; электроны e и ядра, из которых состоят атомы; протоны p и нейтроны n , из которых состоят ядра.

Чтобы построить и обосновать эту модель, многим поколениям учёных потребовалось почти триста лет напряжённой работы. Учащиеся должны не только понять и запомнить добытое ими знание, но, главным образом, усвоить метод, каким оно получено. Поэтому основной задачей учителя является теоретическое и экспериментальное обоснование справедливости кратко представленной здесь модели. Иными словами, вы должны уметь доказать каждое её положение или следствие. Например, положение, что в состав атома действительно входят электроны или что электроны несут на себе элементарный заряд, меньше которого не существует, и т.д.

Конечно, можно было бы начать с модели Франклина и повторить весь путь, пройденный физической наукой. Но это долгий и нелёгкий путь, который ведёт в никуда. Школьникам нужно двигаться вперёд, чтобы как можно быстрее оказаться на уровне современной физики. Вот почему необходимо сразу начать с современной теоретической модели. Её нельзя просто выучить, т.к. школьник не сможет понять, каким образом она была получена, а значит, не будет способен строить новые модели, в которых нуждаются вновь открытые явления. Именно поэтому основная цель изучения электрических явлений – обоснование этой теоретической модели. Такое обоснование в физике может быть только экспериментальным. Выполняя эксперименты, необходимо понимать и описывать их результаты, а для этого, конечно, нужен особый физический язык. Но его может дать только теоретическая модель. Если отказаться от современной теоретической модели при изучении явлений электродинамики, то результаты экспериментов придётся описывать на языках устаревших моделей. Это нас никоим образом не устраивает, значит, без современной теоретической модели строения вещества нам никак не обойтись.

Итак, единство теории и эксперимента – вот залог успеха в овладении физическим знанием и в усвоении метода, которым оно было получено.

1.7. Электризация соприкосновением. В рамках изложенной модели электризация трением или соприкосновением может быть объяснена следующим образом. Все вещества состоят из атомов и молекул. Отрицательные заряды электронов в точности компенсируют положительные заряды ядер атомов. Поэтому в целом вещество нейтрально, т.е. имеет суммарный электрический заряд, равный нулю.

Однако степень связи электронов в атомах разных веществ различна. При соприкосновении тел часть электронов, слабо связанных с атомами вещества одного тела, переходит к атомам другого. При этом первое тело приобретает избыточный положительный, а второе – избыточный отрицательный заряд. Трение при электризации просто увеличивает число соприкасающихся участков различных тел.

1.8. Электризация через влияние (электростатическая индукция).

К продолговатому проводнику с закруглёнными концами вблизи концов и в его центре подвесим три одинаковые пары лёгких проводящих лепестков. К одному из концов проводника поднесём заряженное тело. При этом обнаружим, что лепестки на концах проводника разошлись, а в центре остались вместе. Уберём заряженное тело – все лепестки опять опадут. Итак, при поднесении заряженного тела проводник в целом остаётся нейтральным, но на его концах возникают заряды.

Одновременно с заряженным телом поднесём поочерёдно на нити к концам проводника пробный заряд того же знака, какой имеет заряженное тело. Обнаружим, что от дальнего конца проводника он отталкивается, а к ближнему – притягивается. Значит, расположенный вблизи заряженного тела проводник, оставаясь нейтральным, на ближайшем к телу конце приобретает заряд противоположного, а на удалённом конце – одноимённого с зарядом тела знака.

1.9. Наличие в проводнике сводных носителей заряда.

Шары одинаковых электрометров соединим металлическим стержнем, снабжённым ручкой из диэлектрика. К одному из шаров, например, левому, поднесём заряженную эбонитовую палочку. При этом стрелки электрометров отклонятся. Шары разомкнём и затем уберём заряженное тело. Стрелки обоих электрометров останутся отклонёнными на равные углы. Если эбонитовой палочкой коснуться левого электрометра, его показания уменьшатся, следовательно, он заряжен положительно. Если той же палочкой коснуться правого электрометра, его показания увеличатся, значит, он заряжен отрицательно.

Таким образом, под действием внешнего электрического заряда в нейтральном проводнике произошло разделение зарядов. Отсюда следует, что в проводнике имеются свободные носители заряда. Так как после отделения проводника обе части оказались заряженными противоположно, то, видимо, в проводнике произошло перераспределение свободных заряженных частиц.

1.10. Электризация давлением. Кроме рассмотренных способов электризации существует ещё один доступный способ получения электричества – электризация давлением, или пьезоэлектрический эффект (от гр. – давлю ). Суть этого явления заключается в том, что при деформации некоторых кристаллов на их противоположных гранях появляются электрические заряды противоположных знаков. Если деформация прекращается, заряды на гранях исчезают.

На рисунке схематически изображена ячейка кристалла кварца SiO 2: положительно заряженные ионы кремния вместе с отрицательно заряженными ионами кислорода образуют симметричный шестигранник.

В силу симметрии расположения одинаковых по модулю зарядов ячейка в целом электрически нейтральна. Кристалл находится между параллельными проводящими пластинами (электродами ) – проводниками, соединёнными с проводящими шариками (полюсами источника). В настоящее время вместо кварца используют более доступные и эффективные пьезоэлектрические материалы. В частности, в пьезоэлектрических зажигалках применяется пьезокерамика , полученная спеканием мелких пьезокристаллов, выращенных искусственно.

На рисунке показано, как модернизированная пьезоэлектрическая зажигалка может быть использована в качестве источника электричества в демонстрационных опытах.

Исследование 1.1. Учебный эксперимент для урока физики

Задание. Детально разработайте технику постановки на уроках физики демонстрационных вариантов описанных выше опытов, показывающих существование явления электризации, электризацию твёрдых, жидких и газообразных тел, существование проводников и изоляторов, двух видов электричества, наличие в проводниках свободных носителей заряда.

Оцените время, необходимое для демонстрации экспериментов, усвоения учащимися их условий и анализа полученных результатов. Разработайте оптимальную методику изучения физических явлений, обеспечивающую формирование понятия «электрический заряд».

Исследование 1.2. Электризация соприкосновением

Информация. В школьных опытах по электростатике для получения небольшого отрицательного заряда эбонитовую палочку натирают мехом, а для получения положительного заряда стеклянную палочку натирают шёлком.

Проблема. Неужели и в наши дни эбонит и мех, стекло и шёлк – это наилучшие материалы для взаимной электризации соприкосновением или трением? Можно ли в учебном эксперименте доказать, что электризация тел действительно происходит в соответствии с изложенной теорией?

Задание. Исследуйте окружающие вас естественные и искусственные вещества, стараясь найти более совершенные источники электричества. Определите знаки возникающих при электризации соприкосновением зарядов.

Вариант выполнения. Пенопласт и прозрачные полимерные плёнки (полиэтилен, целлофан) даже в условиях повышенной влажности хорошо электризуются шерстью. В опытах удобно использовать, например, пенопластовую пластину, вырезанную из упаковки от бытовой техники, и шерстяную варежку. При натирании шерстью пенопласт приобретает отрицательный заряд, в чём нетрудно убедиться, имея мех и эбонитовую палочку. Способ определения знака заряда показан на рисунке (1 и 2 – электрометры с положительным и отрицательным зарядами, 3 – наэлектризованная шерстью пластина пенопласта).

Исследование 1.3. Жидкие и газообразные проводники

Задание. Докажите, что некоторые жидкости и газы являются хорошими проводниками.

Вариант выполнения. Зарядите электроскоп и прикоснитесь к его шарику белой ниткой – листочки не опадают. Теперь смочите нитку водой и вновь прикоснитесь к электроскопу. Объясните наблюдаемое явление.

Из полиэтиленовой плёнки вырежьте полоску размером 2 20 см. Сложите полоску пополам, место сгиба держите в левой руке, а пальцами правой сожмите лепестки полоски и проведите сверху вниз. Вы обнаружите, что висевшие рядом лепестки полоски разойдутся, оттолкнувшись друг от друга. Значит, в результате трения произошла электризация полиэтиленовых лепестков, и они приобрели одноимённые заряды. Так как лепестки не опадают, одноимённые заряды на них сохраняются, т.е. воздух не проводит электричество.

На расстоянии 20–30 см от заряженных полиэтиленовых лепестков зажгите пламя газовой зажигалки. Лепестки немедленно опадут. Значит, воздух стал проводить электричество. Это объясняется тем, что в пламени при высокой температуре появляются свободные носители заряда: отрицательные электроны и положительные ионы. Именно они делают воздух проводником.

Исследование 1.4. Индикатор движения электрических зарядов

Информация. Предыдущее исследование показало, что при определённых условиях сухой воздух становится проводником электричества. Известно, что электрические заряды могут перемещаться и сквозь разреженные газы. Промышленность выпускает так называемые неоновые лампы – стеклянные баллоны с двумя электродами, заполненные неоном при низком давлении. Если неоновую лампу через постоянный резистор подключить к регулируемому источнику, то при небольших напряжениях ток через неё не пойдёт. По достижении так называемого напряжения зажигания газ в лампе начинает светиться, причём свечение происходит возле катода. По мере увеличения напряжения увеличивается площадь катода, которая светится. Если убрать балластный резистор, в лампе возникнет дуговой разряд, и она прекратит своё существование.

Проблема. Нельзя ли использовать неоновую лампу в опытах по электризации тел?

Задание. Докажите, что неоновая лампа может выполнять функцию индикатора движения электрических зарядов, т.е. индикатора электрического тока.

Вариант выполнения. Для решения проблемы в принципе подойдёт любая неоновая лампа, но мы предпочитаем лампу типа ВМН-02. Это стеклянный цилиндр диаметром 5 мм и длиной 40 мм, заполненный неоном при низком давлении и снабжённый двумя электродами в виде изогнутых стержней. Электроды изнутри соединены с металлическими колпачками, которые расположены снаружи на концах цилиндра и представляют собой выводы лампы.

Наэлектризуйте трением эбонитовую палочку и, взяв неоновую лампу за один вывод, другим прикоснитесь к поверхности палочки – вы увидите кратковременную вспышку света. Прикоснитесь неоновой лампой к эбонитовой палочке в другом месте, и вы вновь увидите вспышку. Из опыта следует, что наэлектризованное тело вызывает свечение неона. Но почему оно происходит?

Зарядите шар электрометра и прикоснитесь к нему одним выводом неоновой лампы, держа другой в руке. При этом произойдёт довольно яркая вспышка лампы, и электрометр потеряет заряд. Из опыта следует, что свечение неона происходит тогда, когда через него проходит электрический заряд. Таким образом, неоновая лампа может служить индикатором движения заряда. Чтобы окончательно убедиться в этом, держите неоновую лампу в руке за один вывод, а к другому медленно приближайте наэлектризованную палочку. Никакого свечения при этом не происходит. Теперь быстро переместите заряженную палочку вблизи вывода неоновой лампы, не касаясь её, – вы увидите свечение газа.

Исследование 1.5. Электрофор

Информация.

На рисунке показана последовательность действий, приводящая к электризации через влияние металлического шара, установленного на электрометре. Эта последовательность знакома любому учителю, проводящему демонстрационные опыты по электростатике. Но далеко не всегда внимание учащихся обращают на тот факт, что при электризации через влияние заряд наэлектризованного тела не расходуется.

Проблема. Рассмотренные опыты по электростатической индукции показывают, что однажды наэлектризованное тело в состоянии обеспечить многократную электризацию других тел. Нельзя ли использовать это явление для создания простого и надёжного источника электричества?

Задание. Используя современные материалы, доступные любому школьнику, сконструируйте простой прибор, обеспечивающий многократную электризацию, например, металлической пластины.

Вариант выполнения.

На сухой пластиковый стакан положите металлический диск, например, алюминиевую крышку. Шерстяной рукавицей наэлектризуйте целлофановую плёнку. Наложите плёнку на диск и поднесите к его краю согнутый палец – проскочит искра. Снимите плёнку с диска и вновь поднесите к нему палец – снова проскочит искра. Наэлектризовав плёнку один раз, опыт можно повторять многократно.

Результат эксперимента объясняется тем, что при наложении на металлическую пластину наэлектризованной полимерной плёнки в пластине происходит перераспределение зарядов. На ближайшей к плёнке поверхности пластины появляется заряд противоположного знака, а на удалённой от плёнки поверхности пластины появляется заряд того же знака, которым наэлектризована плёнка. Прикоснувшись к пластине пальцем, отводим этот заряд того же знака, что и заряд плёнки, на землю. Сняв полимерную плёнку с металлической пластины, на пластине оставляем заряд противоположного знака, чем тот, который несёт наэлектризованная плёнка.

Если прикоснуться непосредственно к поверхности наэлектризованной плёнки, то появится слабая искра или её вообще не будет. Это объясняется тем, что плёнка из диэлектрика несёт связанные заряды, которые не могут свободно перемещаться по ней. В проводящей наэлектризованной пластине находится свободный заряд, который в принципе можно полностью передать другому телу.

Рассмотренный прибор является современной версией старинного прибора под названием электрофор.

Если же замкнуть полюсы проводником или продолжить сжатие кристалла до тех пор, пока между полюсами источника не проскочит искра, то система уже не сможет вернуться в исходное состояние. Дело в том, что при разряде источника заряды на полюсах нейтрализуют друг друга. Снятие деформации приводит к тому, что кристалл вновь становится нейтральным, а оставшиеся на пластинах заряды переходят на полюсы, но их полярность изменяется на противоположную: теперь положительным станет верхний полюс, а отрицательным – нижний.

Таким образом, при работе с пьезоэлектрическим источником электричества нужно помнить, что если давление вызывает появление на полюсах источника зарядов определённой полярности, то снятие давления приводит к исчезновению этих зарядов. Однако если давление продолжается до тех пор, пока не произойдёт разряд или кратковременное соединение электродов проводником, то снятие давления приведёт к смене полярности источника.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. В чём физическая сущность явления электризации тел?

2. Почему твёрдые, жидкие и газообразные тела электризуются?

3. Как доказать, что существуют проводники и изоляторы, не вводя понятия электрического тока?

4. В чём суть экспериментального доказательства существования двух видов электричества?

5. Нужна ли учащимся на начальном этапе изучения электростатики современная теоретическая модель строения вещества?

6. Почему при соприкосновении тел происходит их взаимная электризация? Покажите, что общепринятое в учебной литературе теоретическое объяснение электризации тел соприкосновением небезупречно как с физической, так и с дидактической точек зрения.

7. В чём суть явления электростатической индукции?

8. Как доказать, что в проводнике действительно имеются свободные носители заряда?

Литература

Майер В.В. Пьезоэлектрический источник для опытов по электростатике. – Физика в школе, 1994, № 6.

Майер В.В., Майер Р.В. Наблюдение электростатической индукции. – Квант, 1987, № 12.

Майер В.В. Электризация давлением в школьном курсе физики. – Учебная физика, 2004, № 1.

Мэрион Дж.Б. Физика и физический мир. – М.: Мир, 1975.

Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика: Электродинамика. 10–11 кл.: Учеб. для углублённого изучения физики. – М.: Дрофа, 2002.

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика: Учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2004.

Орир Дж. Популярная физика. – М.: Мир, 1969.

Проказов А.В. Пенопласт в опытах по электростатике. – Учебная физика, 2001, № 3.