5.3. Два роди електричних зарядів. Закон Кулона

Грей зробив ще одне дуже важливе відкриття, значення якого стало зрозумілим пізніше. Усі знали, що, якщо доторкнутися ізольованим металевим циліндриком до наелектризованої скляної палички, то на циліндрик також перейде електрика. Однак виявилося, що можна наелектризувати циліндрик, і не торкаючись скляної палички, а тільки наблизивши його до неї. Поки циліндрик перебуватиме поблизу наелектризованої палички, на ньому виявляється електрика.

Опубліковані досліди Грея викликали інтерес у французького фізика Шарля Франсуа Дюфе (1698–1739) і спонукали його взятися за експерименти в галузі вивчення електрики. Досліди з першим електричним маятником, тобто з дерев'яною кулькою, підвішеною на тонкій шовковій нитці (мал. 5.2), які були проведені близько 1730 р., показали, що така кулька притягається натертою паличкою сургучу. Але лише варто торкнутися її, як кулька негайно відштовхується від сургучевої палички, начебто уникаючи її. Якщо тепер піднести до кульки скляну трубку, потерту об амальгамовану шкіру, то кулька буде притягатися до скляної трубки й відштовхуватися від сургучевої палички. Це розходження, вперше відзначене Шарлем Дюфе, привело його до відкриття, що наелектризовані тіла притягають ненаелектризовані, й як тільки останні за допомогою дотику наелектризуються, вони починають відштовхуватися одне від одного. Він встановлює наявність двох протилежних родів електрики, які називає скляною і смоляною електрикою. Ще він зауважує, що перша виявляється на склі, дорогоцінних каменях, волоссях, вовні й т.д., у той час як друга виникає на бурштині, смолі, шовку і т.д. Подальші дослідження показали, що всі тіла електризуються або як скло, потерте об шкіру, або як смола, потерта об хутро. Отже, є два види електричних зарядів, причому однорідні заряди відштовхуються один від одного, а різнорідні притягуються. Сили взаємодії електричних зарядів, які проявляються в притяганні або відштовхуванні, називаються електричними. Тобто електричні сили створюються електричними зарядами і діють на заряджені тіла або частинки.

Надлишок зарядів якого-небудь одного виду в даному тілі називається величиною його заряду або, інакше, кількістю електрики (q).

Шарль Дюфе був першим ученим, який добував електричні іскри з наелектризованого людського тіла, що знаходилося на ізольованій підставці. Цей дослід у той час був настільки новим і оригінальним, що абат Жан Нолле (1700–1770), який теж займався вивченням електричних явищ, був охоплений жахом, коли вперше його побачив. Дуже вдале позначення двох родів електрики, яке утрималося до нашого часу, дав видатний американський фізик Бенджамін Франклін.

«Смоляна» електрика була названа Франкліном негативною, а «скляна» – позитивною. Ці назви він вибрав тому, що «смоляна» й «скляна» електрики, подібно позитивним і негативним величинам, взаємно знищуються.

Явища електризації пояснюються особливостями будови атомів і молекул різних речовин. Адже всі тіла побудовані з атомів. Кожний атом складається із зарядженого позитивно атомного ядра й негативно заряджених частинок – електронів, що рухаються довкола нього. Атомні ядра різних хімічних елементів не однакові, а відрізняються величиною заряду та масою. Електрони ж усі зовсім тотожні, однак їх кількість й розташування в різних атомах різні.

При нормальному стані атому позитивний заряд його ядра дорівнює загальному негативному заряду електронів цього атома, так що будь-який атом в нормальному стані електрично нейтральний. Але під впливом зовнішніх факторів атоми можуть втрачати частину своїх електронів, тоді як заряд їх ядер при цьому залишається незмінним. У цьому випадку атоми заряджаються позитивно і називаються позитивними іонами. Атоми можуть також приєднувати до себе додаткові електрони й заряджатися при цьому негативно. Такі атоми називаються негативними іонами.

Закон, за яким два наелектризовані тіла діють один на одного, був уперше сформульований в 1785 році Шарлем Кулоном у досліді з приладом, названим ним крутильними терезами (мал. 5.3).

Мал. 5.2. Електричний маятник

Щоб одержати уявлення про величину заряду в 1 Кл, розрахуємо силу взаємодії двох зарядів по одному кулону кожний, вміщених у вакуум на відстань 1 м один від одного. Скориставшись формулою закону Кулона, одержуємо, що F = 9·109 Н, або приблизно 900000 тонн. Таким чином, 1 Кл – дуже великий заряд. На практиці такі заряди не зустрічаються.

 Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806) – французький фізик й інженер – для виміру сили магнітного й електричного притягання сконструював крутильні терези.

За допомогою крутильних терезів Кулон визначив, що дві маленькі наелектризовані кульки впливають одна на одну в напрямку лінії їх з'єднання залежно від того, наелектризовані вони однойменно чи різнойменно, притягальною або відштовхувальною силою взаємодії F, яка дорівнює добутку їх точкових електричних зарядів (відповідно q1 і q2), діленому на квадрат відстані r між ними. Тобто

F=(q1·q2)/4πεаr2,

де εа –абсолютна діелектрична проникність середовища,в якому перебувають заряди; r– відстань між зарядами.

Цей висновок одержав назву закону Кулона. Згодом іменем Кулона була названа одиниця кількості електрики, яка використовується в електротехнічній практиці.

У системі СІ за одиницю кількості електрики приймається один кулон (1 Кл) – заряд, що протікає через поперечний переріз провідника за одну секунду при силі струму в один ампер.

Мал. 5.3. Крутильні терези Кулона