Свойства электрического заряда

ВВЕДЕНИЕ

Из истории изучения электрических и магнитных явлений.

Свойства электрического заряда

В основе всего многообразия явлений природы лежат четыре фундаментальных взаимодействия между элементарными частицами. Каждый вид взаимодействия связан с определённой характеристикой частицы:

· Гравитационное - с массой

· Электромагнитное – с электрическим зарядом

· Сильное и слабое взаимодействия связаны с особыми «зарядами» - барионным и лептонным.

Электрический заряд, как и масса, является одной из основных, первичных характеристик частиц.

Он присущ не всем элементарным частицам (что касается массы, то так же существуют безмассовые частицы, например, фотон).

Сейчас трудно поверить, что 3 – 4 столетия назад мы ничего не знали об электричестве и магнетизме, кроме двух простых фактов, известных с глубокой древности:

1) если янтарь натереть шерстью, он притягивает легкие предметы. Это явление называют электризацией трением, оно описано Фалесом Милетским в 6 веке до н.э. (Кстати, «электрон» по-гречески означает янтарь)

Демонстрация: электризация трением

2) свободно подвешенная магнитная стрелка указывает одним концом на север, другим – на юг (упоминается в китайских рукописях 11 века до н.э.)

Физика как наука начала развиваться с начала 17 века. Но если механика к концу 17 века сформировалась как целостная система (1687 г. – публикация фундаментального труда Ньютона), то знания об электричестве в 17 веке обогатились лишь одним фактом: существует не только электрическое притяжение, но и отталкивание (1650 г, Отто фон Герике, известный опытами с «магдебургскими полушариями»).

Герике построил первую электрическую машину. Она представляла собой шар из серы, сквозь который пропускали железную ось и помещали на особом стакане так, что его можно было вращать вокруг оси. На вращающийся шар нажимали рукой, и он наэлектризовывался трением. Герике заметил, что пушинка сначала притягивалась наэлектризованным шаром, но затем, прикоснувшись к нему, отталкивалась. После этого пушинка притягивалась его собственным телом, например, носом. Но коснувшись носа, она снова притягивалась шаром из серы.

На основании этого факта француз Франсуа Дюфэ в 1733 г. Предположил, что существует два рода электрических зарядов. Он назвал два рода заряда «стеклянным» и «смоляным» и показал, что одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно зараженные – притягиваются.

Демонстрация: притяжение и отталкивание заряженных бумажных гильз

Очень важный шаг вперед сделал в 1750 Бенджамен Франклин (1706-1790): он присвоил разным сортам зарядов разные знаки. За положительный электрический заряд он принял заряд стеклянной палочки, потёртой о кожу. Эбонитовая палочка при электризации мехом приобретает, по определению, отрицательный заряд.

Это открыло путь к формулировке количественных законов, прежде всего, закона сохранения электрического заряда, провозглашенного Франклином:

в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов сохраняется:

.

В своих попытках объяснить природу электричества Франклин предвосхитил электронную теорию. До него в ходу была теория двух особых электрический жидкостей. Франклин предположил, что есть только одна электрическая субстанция, состоящая из очень малых частиц, способных проникать внутрь тел. Избыток её приводит к появлению заряда одного знака, недостаток – другого. Теория естественным образом приводит к закону сохранения заряда.

Он оказался прав в предположении о том, что существуют очень легкие электрические частицы, и именно они при электризации трением перетекает с одного отела на другое. Это электроны («янтарное» электричество Франклин назвал отрицательным, поэтому сегодня мы говорим, что электроны несут отрицательный заряд). Но всё же существует два различных вида электрических зарядов.

Чтобы продемонстрировать закон сохранения заряда, мы воспользуемся электрометром. Его более древний прототип – электроскоп – впервые смастерил в 1787 итальянец Алессандро Вольта. Металлический стержень был пропущен через каучуковую пробку, которая закрывала стеклянную бутылку. Верхний конец стержня оканчивался металлическим шариком, а к концу, находящемуся внутри бутылки, привешивались тонкие листочки металлической фольги. При касании или приближении к шарику наэлектризованного тела тонкие листочки отталкивались, и таким образом, можно было судить, заряжено данное тело или нет.

Только в XIX веке стали делать более совершенные электрометры, у которых вместо лепестков на металлическом стержне укреплена стрелочка. Электрометр имеет, в отличие от электроскопа, экранирующий металлический корпус с заземлением, благодаря которому его показания не подвержены влиянию посторонних окружающих тел и определяются разностью потенциалов между корпусом и стрелкой.

Демонстрация: закон сохранения заряда

Сегодня мы можем утверждать, что электрическому заряду присущи следующие фундаментальные свойства:

1) он существует в двух видах: положительный и отрицательный;