Абетка електростатики

Усі види сил пружності й тертя мають електромагнітну природу; життєдіяльність рослин, організмів тварин і  людей базується на електромагнітних взаємодіях. Вивчає цю взаємодію електродинаміка — наука про властивості електромагнітного поля, через яке здійснюється взаємодія електрично заряджених тіл або частинок. Якщо електрично заряджені тіла або частинки перебувають у  спокої, їх взаємодія розглядається в розділі електродинаміки, який називають електростатикою. З  основами електростатики ви ознайомились у курсі фізики 8 класу. А от щоб іти далі, необхідно згадати базові поняття.

Що таке електричний заряд

Електричний заряд q — це фізична величина, яка характеризує властивість частинок або тіл вступати в  електромагнітну взаємодію.

Одиниця електричного заряду в Сі — кулон: [q] = 1 Кл (C).

Дослід Міллікена для вимірювання заряд електрона

Перше досить точне вимірювання елементарного заряду здійснив американський фізик-експериментатор Роберт Ендрус Міллікен на початку ХХ ст. Схему його досліду подано на рис. 40.1.

У простір між зарядженими пластинами, заряд на яких можна було плавно змінювати, вчений впорскував масло. При впорскуванні утворювалися дуже маленькі крапельки, частина з яких несла негативний заряд.

Кожного разу Міллікен спостерігав за окремою зарядженою краплею. Плавно змінюючи заряд пластин, учений домагався, щоб крапля рівномірно піднімалася вгору. Зрозуміло, що в цьому випадку сили, які діяли на краплю, були скомпенсовані. Ураховуючі це, а також те, що сила F_ел, яка діяла на краплю з боку пластин, прямо пропорційна заряду краплі, вчений обчислював заряд краплі.

Багато разів повторюючи вимірювання (історики стверджують, що досліди тривали майже 4 роки), Міллікен з’ясував, що кожного разу заряд q краплі був кратним деякому найменшому заряду: e = − 1,6⋅10⁻¹⁹ Кл. Тобто q = Ne, де N — ціле число.

Досліджувані краплі були заряджені негативно, тобто мали надлишкову кількість електронів. Тому вчений зробив висновок, що найменший заряд — це заряд електрона.

Важливий результат роботи Міллікена — не тільки визначення заряду електрона, а й доведення дискретності електричного заряду.

Пояснення механізму електризації

Електризація — це процес одержання електричного заряду макроскопічними тілами або їх частинами.

Є кілька способів електризації, серед них — електризація тертям (трибоелектрика). Ви вже знаєте, що в процесі електризації тертям відбувається тісний контакт двох тіл, виготовлених із різних матеріалів, і частина електронів переходить з одного тіла на інше. Після роз’єднання тіл виявляється, що тіло, яке віддало частину своїх електронів, заряджене позитивно, а тіло, яке одержало ці електрони, заряджене негативно (рис. 40.2).

За будь-якого способу електризації тіл відбувається перерозподіл наявних в них електричних зарядів, а не поява нових. Це твердження є наслідком одного з найважливіших законів природи — закону збереження електричного заряду:

Повний заряд електрично замкненої системи тіл залишається незмінним під час усіх взаємодій, які відбуваються в  цій системі:

q₁+ q₂+...+q_n = const,

де q₁, q₂, ..., q_n — заряди тіл, які утворюють систему; n — кількість тіл.

Таким чином, якщо перед електризацією тертям скляної палички об шовкову тканину і паличка, і тканина були незарядженими, то після тертя вони виявляться зарядженими, причому їхні заряди будуть однаковими за модулем і протилежними за знаком. Тобто їхній сумарний заряд, як і перед дослідом, дорівнюватиме нулю.

Закон Кулона

Французький фізик Шарль Кулон (1736–1806) експериментально встановив закон, який став основним законом електростатики і був названий на його честь, — закон Кулона:

Сила F взаємодії двох нерухомих точкових зарядів q₁ і  q₂ прямо пропорційна добутку модулів цих зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані r  між ними:

Коефіцієнт пропорційності k чисельно дорівнює силі, з якою взаємодіють два точкові заряди по 1 Кл кожний, розташовані у вакуумі на відстані 1 м один від одного.