Kvant. Заряд

А так ли хорошо знаком вам электрический заряд? // Квант. — 1995. — № 3 — С. 32-33.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Наэлектризуйте шар, и пробковая горошина
отлетит приблизительно на четыре-пять дюймов
в зависимости от количества электричества.
Бенджамин Франклин

Если вы ответили «да», значит, почувствовали, что у Франклина речь идет именно о нем — о заряде. А термин «количество электричества» появился в связи с представлением о заряде как о некой жидкой субстанции, способной перетекать с одного тела на другое и сообщать им свойство притягиваться или отталкиваться. Так это и закрепилось в языке — например, мы говорим: «заряд стекает», «ток течет» и т.д.

А вот воззрения наши на природу электричества за два с половиной века, прошедших со времени опытов Франклина, существенно изменились. Были открыты мельчайшие частицы, «ответственные» за перенос заряда, обнаружено «участие» заряда в неизвестных ранее микроскопических процессах в атоме и его ядре, создано несколько сменивших друг друга теорий, объясняющих не только электрические, но и родственные им магнитные явления. Понятие электрического заряда, занимая в этих теориях центральное место, остается при этом не менее загадочным, чем сотни лет назад.

Тем не менее, огромный опыт человечества, приобретенный от «общения» с электрическими зарядами, поможет нам и сегодня — в решении как самых простых, так и более сложных задач.

Вопросы и задачи

1. Изолированному проводящему телу сообщили положительный заряд. Изменилась ли при этом его масса?
2. На тонких шелковых нитях подвешены две одинаковые легкие гильзы, одна из которых заряжена. Как определить, какая именно заряжена, не пользуясь никакими приборами?
3. Можно ли на концах стеклянной палочки создать разноименные заряды?
4. Каков знак заряда шара, изображенного на рисунке?

   

5. Положительно заряженная стеклянная палочка притягивает подвешенный на нити легкий проводящий шарик. а) Можно ли отсюда заключить, что шарик заряжен отрицательно? б) Следует ли из отталкивания этой палочкой шарика, что он заряжен положительно?

   

6. Как, имея электрический заряд, получить заряд другого знака?
7. Можно ли передать весь заряд с одного проводника на другой?
8. Полый латунный шар A с небольшим отверстием заряжен положительно, как показано на рисунке. Зарядится ли металлический шар B, если его соединить проволокой с внутренней поверхностью шара A?

   

9. Если зарядить проводник A, то на проводнике возникают индуцированные заряды, а если зарядить проводник В, то на проводнике А заряды не возникают. В каком случае это возможно?
10. Два одноименно заряженных металлических шара одинакового диаметра приводят в соприкосновение. Как распределятся заряды иа шарах, если один из шаров полый?
11. Положительно заряженный шар А индуцировал заряды на незаряженном проводнике ВС, как показано на рисунке. После этого левую половину проводника ВС соединили с незаряженным шаром Д. Каков знак заряда, приобретенного этим шаром?

    

12. Зачем при промышленном изготовлении пороха его обволакивают порошком графита?
13. Листочки электроскопа расходятся при приближении к его стержню наэлектризованной палочки еще до того, как она коснется стержня. Не противоречит ли это закону сохранения заряда?
14. В чем суть различия между явлениями внешнего и внутреннего фотоэффекта?
15. Каким образом при β-распаде из ядра радиоактивного вещества может выбрасываться электрон, когда в состав ядра входят только протоны и нейтроны?
16. Чем отличается по составу ядро легкого изотопа гелия от ядра сверхтяжелого водорода?
17. Почему в камере Вильсона летящий протон оставляет видимый след, а летящий нейтрон нет?

Микроопыт

Потрите газетой детский воздушный шар, приблизьте его к потолку и отпустите. Шар останется висеть у потолка, и это может продолжаться долгое время. Почему?

Любопытно, что…

...впервые исследованием способности янтаря электризоваться занялся знаменитый древнегреческий философ Фалес Милетский. По легенде, его внимание к этому вопросу привлекла дочь, заметившая, как прилипают к янтарному веретену шерстинки во время пряжи.

...французский ученый Ш. Дюфе, введший понятие о двух родах электричества, назвал их «стеклянным» и «смоляным». «Первое, — писал он, — появляется на потертых стекле, кварце, драгоценных камнях, волосах животных, шерсти. Второе — на потертых янтаре, шелке, пряже, бумаге...»

...один из первых приборов, позволяющих измерить электрический заряд, — электрометр — изобрел русский физик Г. Рихман. Увы, Рихман погиб при измерении электрометром заряда конденсатора от молнии, ударившей в шест его «громовой машины».

...научная судьба Б. Франклина, оказавшего огромное влияние на изучение электрических явлений, весьма необычна. Он не был физиком ни по образованию, ни по роду деятельности. Собственно электрическим исследованиям он посвятил всего около семи лет жизни.

...о том, что должен существовать наименьший в природе электрический заряд, догадывались давно. Эти подозрения, а также уверенность в том, что «электрические частицы» как-то связаны с атомами, укрепились после опытов М. Фарадея по электролизу. А понятие электрона как минимального неделимого заряда было введено лет за 25 до открытия электрона как частицы.

...весьма чувствительные эксперименты, проведенные для выяснения различия в величинах зарядов протона и электрона, позволяют заключить, что эти заряды равны с точностью до 10^-21.

...когда в 1963 году из глубин Исландского моря поднялся вулкан, образовав новый небольшой островок, в темных облаках над вулканом засверкали яркие молнии. Дело было в том, что раскаленная лава, попав в море, поднимала вверх облака положительно заряженного пара. После соответствующего накопления заряда облака разряжались в море, причем, в отличие от обычной молнии, электроны двигались вверх по каналу разряда.

...электростатические эффекты, зачастую служащие помехой, например при транспортировке хлеба в элеватор, могут играть и положительную роль. Так, абразивное зерно помещается под намазанной клеем бумагой и подскакивает, прилипая к ней, благодаря электростатическому притяжению, создаваемому в нужном месте.

...с точки зрения электростатистики, любой атом как система положительно и отрицательно заряженных частиц не может быть устойчивым. Но так как громадное большинство атомов устойчивы, приходится считать атом системой динамической, т.е. приписать либо протонам, либо электронам непрерывное движение.

...для того чтобы удалить электрон из металла, необходимо преодолеть силу притяжения положительных ионов. Этого можно достичь увеличением температуры — явление термоэлектронной эмиссии, бомбардировкой металла электронами — явление вторичной электронной эмиссии или действием света — явление внешнего фотоэффекта.

Что читать в «Кванте» об электрическом заряде

1. «Громоотвод, политика и ... шляпки» — 1989, № 1, с. 13;
2. «Альфа-частицы и опыты Резерфорда» — 1989, № 3, с. 49;
3. «Заряженная поверхность жидкости» — 1989, № 12, с. 2;
4. «Электризация через влияние» — 1990, № 3, с. 38;
5. «Силовые линии и теорема Гаусса» — 1990, № 3, с. 52;
6. «Электрический злодей и волшебное колечко» — 1990, № 8, с. 70;
7. «Гроза и грозоотвод» — 1991, № 1, с. 35;
8. «Из старых опытов» — 1991, № 8, с. 35;
9. «Электрическое действие пламени» — 1992, № 10, с. 50;
10. «Игра нитей в опыте Рихмана» — 1992, № 11, с. 28.

Ответы

1. Да, так как заряд переносят частицы, обладающие массой.
2. Достаточно коснуться рукой одной из гильз. Если после этого взаимодействие гильз прекратится, значит, мы коснулись заряженной гильзы.
3. Можно. Например, так: один конец палочки надо потереть мехом, другой — амальгамированной кожей.
4. Положительный.
5. а) Нет, поскольку и незаряженное тело, вследствие электростатической индукции, может тоже притягиваться, б) Да.
6. Заземленный проводник поднести, не касаясь, к заряженному телу, а затем убрать заземление.
7. Да. Например, поместив заряженный проводник внутрь полого изолированного проводника и приведя их в соприкосновение.
8. Шар В зарядится положительно.
9. В случае, если проводник А находится внутри полого проводника В.
10. Поровну, так как статические заряды располагаются лишь по поверхности шаров.
11. Положительный.
12. Для предохранения от взрыва при электризации трением.
13. Не противоречит, поскольку появление зарядов на нижней части стержня (вызывающее расхождение листочков) всегда сопровождается образованием избытка зарядов другого знака на его верхней части.
14. При внутреннем фотоэффекте электроны остаются внутри тела, при внешнем — выбиваются с поверхности тела, заряжая его положительно.
15. Один из нейтронов в ядре радиоактивного вещества превращается в протон и электрон, который и выбрасывается при β-распаде.
16. В состав ядра легкого изотопа гелия входят два протона и нейтрон, а ядро сверхтяжелого водорода состоит из одного протона и двух нейтронов. Ядра очень близки по массе, но различаются ровно в два раза по величине заряда.
17. Заряженные частицы, в отличие от электрически нейтральных, оставляют следы (треки), благодаря способности ионизировать попадающиеся на их пути молекулы.

Микроопыт

Шар, зарядившийся при трении о газету, индуцирует на поверхности потолка заряды противоположного знака. Чем ближе материалы шара и потолка по своим свойствам к изоляторам, тем дольше на них сохраняются заряды и продолжается электрическое притяжение шара к потолку.

Материал подготовил А.Леонович