§ 26 Электростатическое взаимодействие

Закон Кулона играет джаз,

Закон Кулона волнует нас,

Закон Кулона и здесь и там,

Закон Кулона известен нам.

Сила по Кулону – ку на ку,

Делённая на эр квадрат.

Студенческая песня

Слово «электричество» происходит от греческого названия янтаря («электрон»). Ещё в Древней Греции люди заметили, что, если потереть кусочек янтаря мягкой тканью или просто сухой ладонью, он начинает притягивать к себе мелкие предметы. Другие вещества тоже в какой-то мере обладали этой способностью, но поскольку янтарь по силе притяжения превосходил их все, то явление было названо в его честь.

История изучения электричества.

Экспериментальным изучением электричества никто не занимался вплоть до 1600 г., когда англичанин Уильям Гильберт (1544–1603) сконструировал прибор, состоящий из стерженька, подвешенного наподобие магнитной стрелки, назвал его версором и стал проводить исследования. С помощью этого первого электроскопа Гильберт показал, что притягивать может не только натёртый янтарь, но и алмаз, сапфир, опал, сера, сургуч и стекло (рис. 69). Все эти тела он назвал электрическими телами. Он также установил, что «электрические тела» могут притягивать «металлы, дерево, листья, камни, комки земли и даже воду и масло». В середине того же XVII в. появилось абстрактное понятие самого явления – электричество. Наиболее наглядно электрические явления были продемонстрированы немецким исследователем Отто фон Герике (1602–1686), который изготовил вращающийся шар из плавленой серы. После того как этот шар натирали сухой ладонью, он приобретал замечательные свойства. Особенно интересным был опыт с пушинкой, которая, оттолкнувшись от шара, продолжала ещё некоторое время находиться «в сфере его действия», перемещаясь вместе с ним по комнате.

Рис. 69. Янтарь и алмаз, сапфир и опал, серу, сургуч и стекло Уильям Гильберт назвал электрическими телами

Герике также заметил, что если наэлектризовать шар в темноте, то он сверкает «подобно сахару, раздробляемому пестиком», при этом слышно характерное потрескивание. Через некоторое время опыт Герике был воспроизведён англичанином Робертом Бойлем (1627–1691), который получил аналогичные результаты и, кроме того, показал, что воздействие электрической силы проявляется и в пустоте. Таким образом, были опровергнуты старые представления о действии электричества через воздух.

Многочисленные опыты, проведённые в конце XVII – начале XVIII в., показали, что в наэлектризованных предметах иногда возникают силы притяжения, а иногда – отталкивания. Это привело в 1733 г. к открытию, сделанному французским исследователем Шарлем Франсуа Дюфе (1698–1739). Проведя множество остроумных и изящных опытов, он пришёл к выводу о существовании двух видов электричества, которые он назвал «стеклянным» и «смоляным» в честь тех предметов, которые позволили ему сделать это открытие. Многие исследователи попытались объяснить этот удивительный феномен. Известный американский учёный и политический деятель Бенджамин Франклин (1706–1790), открывший электрическую природу молнии и увековеченный на стодолларовой купюре, полагал, что электричество представляет собой некую субстанцию (флюид), которая может присутствовать в заряженных телах либо в избытке, либо в недостатке. В первом случае Франклин называл тело положительно электризованным, а во втором – отрицательно электризованным. Однако вскоре появилась теория, утверждающая, что в каждом теле имеются оба флюида, а в нейтральном, т. е. неэлектризованном, состоянии они присутствуют в равных количествах. В принципе эта теория оказалась справедливой, и впоследствии эти два вида «флюида» были названы положительным и отрицательным электрическими зарядами. Названия эти чисто условные, они не отражают какие-то «положительные» или «отрицательные» качества электричества, это просто оставшееся от Франклина наследие. Как мы теперь знаем, разноимённые заряды притягивают друг друга, а одноимённые отталкивают (рис. 70). Когда положительно заряженное тело соприкасается с отрицательно заряженным, их заряды компенсируют друг друга. В результате тела становятся электрически нейтральными.

Закон Кулона.

Закон, согласно которому взаимодействуют электрические заряды, открыл в 1784 г. Шарль Огюстен Кулон (1736–1806). Усовершенствовав приспособление, с помощью которого Кавендиш измерил гравитационную постоянную, он изобрёл очень точные крутильные весы. С помощью этих весов Кулон провёл многочисленные эксперименты и установил, что сила отталкивания одноимённых электрических зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Опыты по изучению притяжения разноимённых зарядов проделать было сложнее, так как очень трудно помешать шарику войти в соприкосновение с другим, противоположно заряженным. Но Кулону удалось преодолеть эту трудность, и оказалось, что сила притяжения подчиняется такой же закономерности. Результаты экспериментов позволили Кулону сформулировать закон, который сейчас носит его имя. Согласно этому закону

сила притяжения (в случае разноимённых зарядов) или отталкивания (в случае одноимённых) прямо пропорциональна произведению величины этих зарядов.

Рис. 70. Притяжение и отталкивание разноимённых и одноимённых зарядов

Рис. 71. Зависимость силы притяжения разноимённых зарядов от расстояния между ними (А и Б) и от величины зарядов (В – заряды шариков увеличены)

F = k •q₁• q₂/ R ² .

В этой формуле F – сила взаимодействия, q₁ и q₂ – величины зарядов, а R – расстояние между зарядами. Коэффициент k зависит от выбора единиц измерения и от свойств среды, разделяющей заряды. Единицей измерения заряда в СИ служит кулон. Силу, направленную от одного заряда к другому, называют электростатической.

Проверьте свои знания

1. В каком веке началось изучение электрических явлений?

2. Кто доказал электрическую природу молнии?

3. Как называется сила, благодаря которой электрические заряды испытывают притяжение или отталкивание?

4. Сформулируйте закон Кулона.

Задания

1. Объясните, почему после ношения одежды из некоторых материалов при прикосновении к различным предметам или к людям иногда чувствуется укол и слышится звуковой щелчок.

2. Тщательно натрите несколько предметов, сделанных из различных неметаллических материалов, сухой тканью и приблизьте их к мелким обрывкам бумаги. Объясните результаты происходящего.

3. Подготовьте сообщение или презентацию об опытах Дюфе.

4. Используя дополнительные источники информации, выясните, что такое лейденская банка. После её изобретения в XVIII в. было проведено множество наглядных демонстрационных опытов с её использованием. Найдите информацию об этих экспериментах и представьте её в форме сообщения или презентации.