Одним з головних правил електростатики, мабуть, таким же важливим, як і збереження заряду, є закон Кулона. Взаємодія заряджених тіл відбувається через наявне явище природи. Французький вчений зміг не тільки підтвердити його існування, але і знайти спосіб кількісного розрахунку сили, що виникає при електризації речовин. Це дозволило вивести науку на новий рівень і зумовити подальший її розвиток.
Загальні відомості
Розділ фізики, що займається вивченням взаємодії нерухомих зарядів, називається електростатикою, а електродинаміка вивчає магнітні та електричні явища. Магнетизм і електрика — це нероздільні явища. З точки зору фізики, існують два основних види взаємодії:
- гравітаційна, що описується силою тяжіння;
- електромагнітна, що характеризується тертям і пружністю.
У Стародавній Греції були популярні різні прикраси. Деякі з них робилися з “сонячного каменю” — електрона. Близько 600 років до н. е. відомий філософ Фалес Мілетський звернув увагу, що якщо бурштинове прикраса витерти вовняною тканиною, то до нього починають приставати порошинки і шматочки паперу. Своє відкриття дослідник назвав бурштинністю, але пояснити явище природи філософ не міг.
З фізики відомо, що все на світі взаємодіє з усім. Наприклад, камені, що лежать в руці, притягуються не тільки до неї, але і один до одного, до землі і до навколишніх предметів. Але це явище непомітне через невелику масу тел. така взаємодія називається гравітаційним. Виявляється, що цього роду тяжіння з усіх взаємодій найслабше. Однак можна створити умови, при яких предмети починають притягуватися один до одного. Причому це тяжіння стає видимим. Воно отримало назву електростатичне.
Вченим стало відомо, що на предметах може з’являтися щось, що викликає взаємодію. Це щось назвали електричним зарядом. Сказати, що він собою являє, фізики не можуть.
Природа так влаштована, що якщо на тілах з’являється це щось, то вони починають брати участь в електростатичному взаємодії. Таким чином, електричним зарядом назвали присутність того, що викликає між ними електричні сили.
Як виявилося, заряди існують завжди. При цьому їх число в замкнутій системі постійне. Відрізняється електростатичне взаємодія від гравітаційного тим, що перше викликає не тільки притягування, але і відштовхування. Пов’язано це з тим, що при виникненні явища відбувається не Народження зарядів, а їх поділ.
Властивості заряджених тіл
Для того, щоб наелектризувати тіла, потрібно забезпечити між ними контакт. Зробити це досить просто шляхом тертя. Шарль Дюфе під час експериментів виявив, що при такій дії відбувається зміна стану обох беруть участь тіл. При цьому щодо третьої речовини вели вони себе по-різному. Він дізнався, що наелектризовані тіла можуть не тільки притягуватися, але і відштовхуватися.
Вчений зробив висновок, що існує два види зарядів. По виду речовин, що використовуються в дослідах, вони були названі скляними і ебонітовими. Фізики, проводячи аналогію з математичними діями, домовилися їх називати позитивними і негативними. На підставі відкриття існування різних родів зарядів були встановлені два принципи:
- якщо тіла мають однойменними зарядами, то вони відштовхуються один від одного;
- речовини прагнуть притягнутися один до іншого, якщо їх заряди різнойменні.
Як пізніше з’ясувалося, що носієм заряду, що бере участь в перенесенні, є електрон. Це негативна частка, здатна рухатися в тілі. Таким чином, при електризації не з’являються заряди, а просто відбувається їх поділ. Електрони переміщаються на одне із взаємодіючих тіл і створюють там надлишок негативних частинок. Водночас речовина, яка їх втратило, починає відчувати в них недолік — заряджається позитивно. При цьому кількість частинок залишається незмінним.
Вивчення поділу допомогло відкрити закон збереження електричних зарядів. Він говорить, що їх алгебраїчна сума дорівнює нулю. Але це твердження справедливе лише для ізольованої системи – тієї, на яку не діють сторонні зовнішні сили. Математичний опис Закону виглядає так:
| /q1/ + /q2/ = 0
де
- q — величини зарядів, взяті по модулю.
Як виявилося, закон збереження виконується як для макросвіту, так і для мікросвіту. Наприклад, нейтрон в ядрі знаходиться в стабільному стані. Якщо його відокремити, то через кілька хвилин він розпадеться на протон p+, електрон e– і антинейтрино V.
У підсумку:
q = qp + qe + qv = 0.
Слід зазначити, що протон і електрон є носіями елементарного заряду, тобто найменшого за величиною з можливого в природі: e = 1,6 * 10-19 кулонів [Кл]. Для частинок він однаковий за величиною і відрізняється тільки знаком.
Величина заряду
У фізиці кількісно величину заряду вимірюють в кулонах. Якщо взяти два заряди по одному кулону і розмістити їх на відстані один метр один від одного, то сила їх взаємодії складе 9 * 109 ньютон [н].
У деяких випадках можна змусити рухатися заряди. В цьому випадку говорять про появу електричного струму. За один і той же час через поперечний переріз провідника кількість минулих частинок може бути різним. Тому ввели таке поняття, як сила струму. По суті, цей параметр визначає швидкість руху зарядів. Знаходиться він за формулою:
I = q/t
Вимірюється сила в одиницях, що отримали назву ампер [а].
При протіканні електричного струму відбуваються такі явища:
- теплові – виділення світла, нагрів;
- хімічні – протікання в рідині супроводжується породженням реакцій;
- магнітні – виявляється вплив на дипольні моменти.
Із зазначених дій в якості еталона кулона було вирішено використовувати останню дію. Якщо струм протікає по двох паралельних провідників в одну сторону, то вони притягуються, а якщо в іншу — відштовхуються.
Можна уявити два тонких нескінченно довгих дроти, що знаходяться у вакуумі, які розміщені на відстані один метр, при цьому по ньому тече струм, що дорівнює 1а. В цьому випадку між провідниками виникне сила, рівна 2 * 10-7 Н на кожен метр довжини. З визначення сили струму можна виразити заряд: q = I * t. значить, один кулон дорівнює добутку ампера на секунду. Іншими словами, це заряд, що протікає через поперечний переріз провідника зі струмом силою в один ампер за одиницю часу.
Для виявлення електричних зарядів використовується пристрій, побудований в 1600 році Вільямом Гілбертом — електроскоп. Вимірювач належить до найпростіших приладів, тому його точність у визначенні величини є низькою, але разом з тим він дозволяє дізнатися знак заряду того чи іншого тіла. Існує його більш досконала модель – електромер.
Дослід Кулона
Точковий заряд є аналогом матеріальної точки в області механіки. З його допомогою можуть бути досить точно зображені взаємодії заряджених тел. Правильно розуміється процес впливу заряджених тіл один на одного, в 1782 році вирішив перевірити французький інженер і дослідник Шарль Огюстен де Кулон.
Його експериментальна робота і проведений по ній аналіз дозволив сформулювати закон, пізніше названий його ім’ям. Він говорить, що два точкових нерухомих заряду, розташовані у вакуумі, здійснюють взаємодію силами, що лежать на одній прямій, що проходить через них, які залежать від добутку їх модулів і квадрата відстані між ними. У математичному вигляді закон Кулона записується так:
F = K * (|q1| * |q2|/r2)
де
- k — постійна, що дорівнює 9 * 109 [Н*м2/Кл].
Вивчення того, чому здійснюється взаємодія, і як його можна оцінити кількісно, дозволило вченому зробити важливі для розвитку науки висновки:
- сила впливу зарядів один на одного прямо пропорційна величинам їх модулів;
- квадрат відстані між взаємодіючими частинками обернено пропорційний силі.
Оскільки Кулон був військовим інженером, в основному він займався вивченням деформації через сили тертя і кручення. Для проведення експериментів винахідник придумав крутильні ваги. Складалися вони зі срібного дроту, прикріпленого до обертового диска. До нього була прироблена стрілка і шкала. З іншого кінця дроту кріпилося коромисло, виготовлене з шовкової нитки, покритої сургучем. На планці розташовувався кулька.
Через отвір в корпусі Кулон за допомогою діелектричного стрижня опускав всередину пристрою заряджений куля і стикався його з встановленою сферою в приладі. Оскільки вони були однакового розміру, то заряд перерозподілявся порівну і був однойменний. Через це коромисло розгорталося і займало певне положення.
Після зіткнення Кулон вимірював кут відхилення. Повертаючи стрижень, інженер домагався зменшення кута в два рази. При цьому він зазначав, що крутити ручку доводилося на більше значення. В результаті численних дослідів вчений встановив, що при зменшенні відстані між тілами в два рази кут закручування змінювався в чотири рази. Отримана інформація і дозволила Кулону вивести один з головних законів взаємодії тіл.
