5.3. Два рода электрических зарядов. Закон Кулона

Грей сделал ещё одно очень важное открытие, значение которого было понято позднее. Все знали, что если прикоснуться изолированным металлическим цилиндриком к наэлектризованной стеклянной палочке, то на цилиндрик также перейдет электричество. Однако оказалось, что можно наэлектризовать цилиндрик, и не касаясь стеклянной палочки, а только приблизив его к ней. Пока цилиндрик будет находиться вблизи наэлектризованной палочки, на нем обнаруживается электричество.

Опубликованные опыты Грея вызвали интерес у французского физика Шарля Франсуа Дюфе (1698–1739) и побудили его приняться за эксперименты в области изучения электричества. Опыты с первым электрическим маятником, т.е. с деревянным шариком, подвешенным на тонкой шелковой нити (рис. 5.2), проведенные около 1730 г., показали, что такой шарик притягивается натертой палочкой сургуча. Но лишь стоит коснуться ее, как шарик немедленно отталкивается от сургучной палочки, как будто избегая ее. Если теперь поднести к шарику стеклянную трубку, потертую об амальгамированную кожу, то шарик будет притягиваться к стеклянной трубке и отталкиваться от сургучной палочки. Это различие, впервые отмеченное Шарлем Дюфе, привело его к открытию, что наэлектризованные тела притягивают ненаэлектризованные, и как только последние посредством прикосновения наэлектризуются, они начинают отталкиваться друг от друга. Он устанавливает наличие двух противоположных родов электричества, которые называет стеклянным и смоляным электричеством. Он ещё замечает, что первое обнаруживается на стекле, драгоценных камнях, волосах, шерсти и т.д., в то время как второе возникает на янтаре, смоле, шелке и т.д. Дальнейшие исследования показали, что все тела электризуются либо как стекло, потертое о кожу, либо как смола, потертая о мех. Следовательно, имеются два вида электрических зарядов, причем однородные заряды отталкиваются друг от друга, а разнородные притягиваются. Силы взаимодействия электрических

зарядов, проявляющиеся в притяжении или отталкивании, называются электрическими. То есть электрические силы создаются электрическими зарядами и действуют на заряженные тела или частицы.

Избыток зарядов какого-либо одного вида в данном теле называется величиной его заряда, или, иначе, количеством электричества (q).

Шарль Дюфе был первым ученым, извлекавшим электрические искры из наэлектризованного человеческого тела, находившегося на изолированной подставке. Этот опыт в то время был настолько новым и оригинальным, что аббат Жан Нолле (1700–1770), тоже занимавшийся изучением электрических явлений, был приведен в ужас, когда впервые его увидел.

Очень удачное обозначение двух родов электричества, удержавшееся до нашего времени, дал выдающийся американский физик Бенджамин Франклин.

«Смоляное» электричество было названо Франклином отрицательным, а «стеклянное» – положительным. Эти названия он выбрал потому, что «смоляное» и «стеклянное» электричества, подобно положительной и отрицательной величинам, взаимно уничтожаются.

Явления электризации объясняются особенностями строения атомов и молекул различных веществ. Ведь все тела построены из атомов. Каждый атом состоит из заряженного положительно атомного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных частиц – электронов. Атомные ядра различных химических элементов не одинаковы, а отличаются величиной заряда и массой. Электроны же все совершенно тождественны, однако их число и расположение в разных атомах различны.

Чтобы получить представление о величине заряда в 1 Кл, рассчитаем силу взаимодействия двух зарядов по одному кулону каждый, помещенных в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга. Воспользовавшись формулой закона Кулона, получаем, что F = 9·10 9 Н, или приблизительно 900000 тонн. Таким образом, 1 Кл – очень большой заряд. На практике такие заряды не встречаются.

Рис. 5.2. Электрический маятник

С их помощью Кулон определил, что два маленьких наэлектризованных шарика оказывают друг на друга в направлении линии их соединения в зависимости от того, наэлектризованы они одноименно или разноименно, притягивающую или отталкивающую силу взаимодействия F, равную произведению их точечных электрических зарядов (соответственно q 1 и q 2), деленному на квадрат расстояния r между ними. То есть

Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806) – французский физик и инженер – для измерения силы магнитного и электрического притяжения сконструировал крутильные весы. 

При нормальном состоянии атома положительный заряд его ядра равен общему отрицательному заряду электронов этого атома, так что любой атом в нормальном состоянии электрически нейтрален. Но под влиянием внешних воздействий атомы могут терять часть своих электронов, тогда как заряд их ядер при этом остается неизменным. В этом случае атомы заряжаются положительно и называются положительными ионами. Атомы могут также присоединять к себе добавочные электроны и заряжаться при этом отрицательно. Такие атомы называются отрицательными ионами.

Закон, по которому два наэлектризованных тела действуют друг на друга, был впервые сформулирован в 1785 г. Шарлем Кулоном в опыте с прибором, названным им крутильными весами (рис. 5.3).

F = (q 1 · q 2)/4 π ε а r 2,

где ε а – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, в которой находятся заряды; r – расстояние между зарядами.

Этот вывод получил название закона Кулона. Впоследствии именем Кулона была названа единица количества электричества, используемая в электротехнической практике.

В системе СИ за единицу количества электричества принимается один кулон (1 Кл) – заряд, протекающий через поперечное сечение проводника за одну секунду при силе тока в один ампер.

Рис. 5.3. Крутильные весы Кулона