5-3. ПРОСТЕЙШИЕ ОПЫТЫ C НЕПОДВИЖНЫМИ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЗАРЯДАМИ (ЭЛЕКТРОСТАТИКА)

Уже на протяжении нескольких столетий известно, что существуют положительные заряды и заряды отрицатель­ные.

В старину (еще в древней Греции) умели получать электрические заряды, натирая смолу шерстью, на смоле получали отрицательный заряд, заряд противоположного знака получался на шерсти. Очень сильно электризуется ископаемая смола — янтарь. От греческого наименования янтаря (электрон) произошло и современное слово элек­тричество.

Если натереть стекло кожей или шелком, на стекле по­явится положительный заряд. В свое время так и гово­рили: смоляное электричество и противоположное ему — стеклянное.

Разноименные заряды притягиваются, одноименные от­талкиваются. В этом легко убедиться на опыте, подвешивая, например, на шелковых нитях легкие пробковые шарики и сообщая им электрические заряды посредством прикосно­вения к ним натертым стеклом или смолой (рис. 5-5),

Стремление одноименных зарядов оттолкнуться один от другого пр’иводит к тому, что заряды, сообщенные πpoiBθ- дящему телу, всегда располагаются на их поверхности.

Шарики, подвешенные на сухих шелковых нитях, могут очень долго удерживать заряд, если они окружены сухим воздухом, — это показывает на то, что и шелк, и воздух — хорошие изоляторы. Но зажгите спичку и проведите ею под шариками, отталкивающимися (или притягивающимися один к другому),—шарики свободно повиснут на нитях. Пламя ионизировало воздух, и заряды стекли с шариков.

6)

Рис, 5-5. Легкие шарики, подвешенные на шелко­вых нитях, отталкиваются, если они заряжены одинаковым электричеством (-(- и или — и —). Шарики взаимно притягиваются, если они заря­

Жены различно (-[- и —

То же самое произошло бы, если осветить пространство между шариками электрической дугой или кварцевой лам­пой.

Из опытов, подобных изображенным на рис. 5-5, можно сделать важное заключение:

1)Сила взаимного отталкивания или притяжения меж­ду зарядами возрастает с увеличением зарядов (при удвое­нии одного заряда сила удваивается, при удвоении каж­дого из зарядов сила возрастает в четыре раза).

2) Эта силы убывает с увеличением расстояния, если расстояние между зарядами увеличить вдвое, то сила уменьшится в четыре раза.

Сказанное носит название закона Кулона.

Действие положительного заряда может быть уравно­вешено действием заряда отрицательного (рис. 5-6), по­этому, когда в одном теле заключены отрицательные и по­ложительные заряды, их общее действие сводится к нулю.

Разъясним еще одно интересное явление; натертый ян — тарь или другое электризованное тело притягивает легкие 183

Тела — кусочки бумаги, соломинки и т. п. Это o∣6bHCHHeτcH тем же притяжением разноименных зарядов и отталкива­нием одноименных. В клочке бумаги происходит смещение зарядов; положительные заряды стремятся приблизиться к отрицательному заряду заряженного тела, а отрицатель­ные заряды стремятся отодвинуться от него. Но поло-

Рис. 5-6. Действие и отрицательного

Б)

Положительного зарядов ванмно

Уравновешивается (нейтрализуется). Последовательности опытовтакая’ а и <5— к заряженному шарику, подвешенному на Нити, по очереди подносятся положительно и отрицательно заряженные шары, укреп­ленные на стеклянных трубках (трубки должны быть совершенно чистыми и сухими, шары имеют тонкую металлическую обо­лочку); заряды больших шаров подбира­ются такими, чтобы при одинаковом рас­стоянии между большим шаром и малень­ким нить отклонялась на одинаковый угол; в — оба заряженных шара приближаются к маленькому пробному шарику — теперь он почти не отклоняется (он немного при­тягивается к большим шарам, так как он ближе к отрицательно заряженному); г — когда большие шары приведены в сопри­косновение, очи перестают оказывать дей­

Ствие на маленький шарик.

Рис. 5-7. Легкий кусочек папиросной бумаги притяги­вается к отрицательно заря­женному сургучу. Заряды В Бумаге сместились — положи­тельные в одну сторону, отри — цате. чьные — в другую.

Жительные заряды испьи — гывают большую силу, так как они ближе располо­жены к отрицательным зарядам большого тела — (рис. 5-7).

Притяжение заряжен­ных частиц к другим за­ряженным телам нахо­дит практическое приме­нение в очистке газов от пыли и дыма. Помещая тонкие изолированные друг от друга проволоки в пространство, запол­ненное дымом, легко на­блюдать его исчезнове­ние, после того как к проволокам приложено высокое напряжение.

5-4. электрическое ПОЛЕ

Нетрудно увидеть сходство во взаимодействии зарядов и магнитов (ср. гл. 3). Электрические заряды взаимодей­ствуют на расстоянии — значит, электрические свойства за­ключены не только в заряженных телах, но и в окружаю­щем их пространстве. Из этого мы делаем заключение, что

S Пространстве, окружающем заряды, существует электрическое поле.

Электрическое поле, как и поле магнитное, — это один из видов материи, одна из форм ее проявления. Между электрическим и магнитным полем много общего, это как бы разные стороны одного и того же электромагнитного поля,

В электрическом поле заключена энергия, за счет энер­гии электрического поля и производится работа, связан­ная C перемещением электрических зарядов.

Напряженность электрическою поля. В одной и той же точке электрического поля разные заряды будут испыты­вать разные силы. Если вдвое увеличить заряд, то вдвое увеличится и сила, испытываемая зарядом: на заряд До действует сила Дъ помещая в ту же область поля заряд 2Qo (два заряда 7o + 7c)> мы получим силу 2/о (сила Fo+Fo).

Сила, действующая на положительный заряд (gc∙), пря­мо противоположна силе, действующей на такой же отри­цательный заряд (—<7o)∙

Но один и тот же заряд в разных точках электрического поля может испытывать разные силы. Силы могут отли­чаться как по направлению, так и по величине. Это значит, что электрическое поле может быть сильнее или слабее; это значит, что электрическое поле может иметь различ­ные направления.

Сила электрического поля определяется его напряженностью.

Направление напряженности поля совпадает с на­правлением силы, действующей на положительный заряд, помещенный в поле.

напряженность

заряд (<?)'

Количественное значение напряженности по­ля определяется отнощением силы / к величине заряда Q Сила (F)

Единицы измерения заряда и электрического поля.

Силу F будем измерять в ньютонах Заряд Q будем выра­жать в ампер-секундах или кулонах:

1 кулон = 1 Асек.

Заряд в один кулон проходит за одну секунду через попе­речное сечение проводника при постоянном токе в один ампер.

В таком случае напряженность поля окажется выражен ной в вольтах на метр. Напряженность доля можно, конеч но, выражать и в вольтах на сантиметр, в киловольта.’ на миллиметр и т. п.

Заряд в один кулон это очень большая величина.

Чтобы получить заряд в 1 К, нужно взять приблизи­тельно 6 миллиардов миллиардов электронов (6,25-10’^)

Такое количество электронов легко привести в движе­ние внутри проводника, содержащего огромное количество атомов (например, в каждом грамме меди содержится 95- 1Q2* атомов!). Но получить такой заряд, собрав отдель­но положительные ионы или электроны, практически не­возможно.

На рис. 5-8 показана часть лабораторной установки вы­сокого напряжения; числовые данные, приведенные в под­писи под фигурой, характеризуют некоторые количествен­ные соотношения между зарядом, напряжение. м и напря­женностью поля.

Электрическая прочность. Наибольшая напряженность поля, допускаемая в электротехнических установках, опре­деляется электрической прочностью изоляции. Как только напряженность поля достигнет определенной величины, происходит пробой изоляции, — материал, из которого вы­полнена изоляция, начинает проводить ток, протекание большого тока при этом приводит к полному нарушению изолирующих свойств; через воздух проскакивают искры И Может возникнуть электрическая дуга, фарфор оплав­ляется и растрескивается, бумага и резина обугливаются И Могут, конечно, воспламениться. Электрический пробой воздуха происходит при напряженности поля 30 Кв1см.

На рис. 5-9 показана картина электрического пробоя: электрический разряд произошел на поверхности изолято­ров и перешел в дугу, горящую в воздухе.

’ Напомним, что 1 н!,ютон=0,102 килограмм-силы. I ньютон спосо­бен сообщить массе в 1 кг ускорение в 1 M∣ceκ за секунду.

В технике высоких напряжений применяют ряд специ­альных изолирующих материалов, обладающих больщой электрической прочностью. Больщой прочностью обладают слюда, фарфор, минеральное масло и др.

рис. 5-9. электрический разряд на поверхности изолятора.Атмосферное электричество. Даже в обычных условиях в воздухе над поверхностью земли существует небольщое

электрическое поле, резко уве-личивающееся во время гро- зы. грозовые разряды — молнии — вызваны электрическим полем грозовых туч. в них происходит под действием потоков воздуха (ветра) разделение положительно и отрицательно заряженны.х капелек воды и скопление зарядов разного знака в разных облаРис. 5-8. Шар, имеющий ме­таллическую поверхность, по­ставлен на изолирующий столб и ему сообщено напря­жение 500 кв (тыс. ^ольт) по отношению к поверхности земли.

Диаметр шара 400 мм. Напряженность поля на поверхности шара 25 кв/см (тыс вольт на 1 см}. Заряд шара I, l∙10"^ к или 6,9-!O’* электронов, т. е. 69 млрд, электро­нов (приблизительно одна стомилли­онная доля кулона). Заряд распре­делен на поверхности шара. Если увеличить напряжение до 600 кв, произойдет электрический разряд: напряженность поля достигнет 30 κβjcM и воздух потеряет свои

Свойства изолятора.

Стях тучи.

Электрическая природа грозовых явлений была уста­новлена М. В. Ломоносовым, гениальным ученым XVIII ве­ка, основоположником многочисленных отраслей науки и техники.

Электрическое поле в проводящей среде. Электрическое Поле может существовать не только в изолирующей, но и в проводящей среде. Но, как уже говорилось, в проводни­ках заряды могут перемещаться под действием приложен­ных к ни. м сил. Значит, существование поля в проводниках обязательно связано с движением зарядов или, говоря дру­гими словами, C протеканием электрического тока.

михаил васильевич ломоносов (1711—1764 гг.).Плотность тока в одной и той же проводящей среде Тем больше, чем больше на­пряженность поля. При одной и той же напряжен­ности поля в разных средах установятся и разные плот­ности тока — тем большие, Чем больше проводимость среды.

Очень важно заметить следующее. Под действием электрического поля Элек­троны в вакууме движутся C ускорением. Вспомните, что сила пропорциональна именно ускорению; так, под действием постоянной силы тяжести все свободно па­дающие тела двигаются все скорее и скорее.

Напротив, В NpoβoUujEu среде при постоянной напря­женности поля электроны (или другие заряженные части­цы) Движутся C постоянной скоростью (и сравнительно не­большой). Это похоже на движение под действием механи­ческой силы при наличии встречных сил трения. Так, при падении с раскрытым парашютом скорость, достигнув опре­деленной величины, больше не увеличивается — в этом слу­чае сила сопротивления воздуха уравновешивает силу тя­жести. Точно так же камень, опускаясь на дно в глубокой воде, движется примерно с постоянной скоростью. C по­стоянной скоростью будет итти и груженый поезд, несмотря на постоянную и большую силу тяги паровоза: это объяс­няется гоже тем, что сила тяги уравновешивается силой трения в колесах движущегося железнодорожного состава.

Работа силы во всех рассмотренных примерах перехо­дит в тепло, выделяющееся в трущихся телах. То же самое происходит и в обычных проводниках. Движение зарядов тормозится из-за взаимодействия с другими частицами ве­щества.

В проводящих телах Работа сил поля идет не на уско­рение движения заряженных частиц, а на преодоление сил трения. Эта работа и Превраш, ается в тепло в соответ­ствии C законом Ленца—Джоуля.

Заметим в заключение, что при движении зарядов в Ва­кууме работа, затраченная полем, превращается в энергию Движения летящих зарядов. Эта энергия отдается электро­дам при ударе о них. Под действием этих

рис. 5-10. вы-
числение напря-
женности
поля по силе,
испытываемой
зарядом.
Ударов электроды нагреваются. При ударе о металл очень быстро летящих электронов испускаются лучи, похожие на свет, но не видимые глазом и отличающиеся способ­ностью просвечивать многие тела, не прозрачные для обычного света. Эти лучи получили название рентгеновских лучей — по имени открывшего их немецкого ученого.

Пример 1. Определить, чему равна напряжен­ность поля между двумя разноименно заряжен­ными пластинами, если маленький заряд 9, = 5∙10-‘*k

испытывает силу

F,= 1,02-10-’ грамм-сила

(см. рис. 5-10)

Решение. Зная силу и заряд, находим напряженность поля E по формуле

F, (ньютон) _ 1-10~’ ньютон ____

E{β∕M)- (кулон) 5∙00~’^ кулон

= 2-10′ в/м, или 2∙10^ в/см, или 20 кв/см’,

Здесь сила переведена из граммов В Ньютоны (1 ньютон ра­вен 102 г);

f,= 1,02-10-5 2
мо-
102 г/ньготон ньютона.

Пример 2. Какую силу испытывает электрон, находящийся в поле тех же пластин?

= 1,6-10-*’ к.

Мы уже знаем, что напряженность поля составляет 20 κβ∣CM,. Мы знаем также, что один электрон и. меет заряд

6,25-10*’

Значит, сила, испытываемая электроном,

Fg (ньютон)=-£ (в/л:)-е (кулон) = 2-10’-1,6-10“*’=

= 3,2-10“*’ ньютона.

Эта сила, конечно, чрезвы шйно мала, но электрон обладает и чрезвычайно малой массой.

Масса электрона =9,l∙l0-≈* Г, Или 9,1-10—®’ кг. Поэтому уско­Рение, испытываемое электроном под действием вычисленной силы, в свою очередь чрезвычайно велико

С«ла

Подставляя в эту формулу значения силы в ньютонах, а массы в килограммах, получим ускорение выраженным в метрах в се­кунду за секунду (м/сек^)-.

■=3,5-10” m∣ceκ>.3,2∙ 10~” ньютона

Ускорение

Значение ускорения действительно огромно. Это значит, что элек­трон, да? ке очень быстро пролетающий между пластинами, сильно отклонится под действием электрического поля.

Сила, действующая на электрон, конечно имеет направление, противоположное силе, действующей на положительный заряд.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *