И. С

В ходе данного урока мы продолжим знакомиться с «китами», на которых стоит электродинамика, - электрическими зарядами. Мы изучим процесс электризации, рассмотрим, на каком принципе основан этот процесс. Поговорим о двух типах зарядов и сформулируем закон сохранения этих зарядов.

На прошлом уроке мы уже упоминали о ранних экспериментах в электростатике. Все они были основаны на натирании одного вещества о другое и дальнейшем взаимодействии этих тел с малыми объектами (пылинками, клочками бумаги…). Все эти опыты основаны на процессе электризации.

Определение. Электризация – разделение электрических зарядов. Это значит, что электроны от одного тела переходят к другому (рис. 1).

Рис. 1. Разделение электрических зарядов

До момента открытия теории о двух принципиально разных зарядах и элементарного заряда электрона считалось, что заряд – некая невидимая сверхлегкая жидкость, и, если она есть на теле, значит, тело обладает зарядом и наоборот.

Первые серьезные опыты по электризации различных тел, как уже было сказано на предыдущем уроке, проводил английский ученый и врач Уильям Гильберт (1544-1603), однако ему не удавалось наэлектризовать металлические тела, и он посчитал, что электризация металлов невозможна. Однако это оказалось неправдой, что впоследствии доказал русский ученый Петров. Однако следующий более важный шаг в исследовании электродинамики (а именно открытие разнородных зарядов) сделал французский ученый Шарль Дюфе (1698-1739). В результате своих опытов он установил наличие, как он их назвал, стеклянных (трение стекла о шелк) и смоляных (янтаря о мех) зарядов.

Еще через некоторое время были сформулированы следующие законы (рис. 2):

1) одноименные заряды взаимно отталкиваются;

2) разноименные заряды взаимно притягиваются.

Рис. 2. Взаимодействие зарядов

Обозначения положительных (+) и отрицательных (–) зарядов было введено американским ученым Бенджамином Франклином (1706-1790).

По договоренности принято называть положительным заряд, который образуется на стеклянной палочке, если натирать ее бумагой или шелком (рис. 3), а отрицательный – на эбонитовой или янтарной палочке, если натирать ее мехом (рис. 4).

Рис. 3. Положительный заряд

Рис. 4. Отрицательный заряд

Открытие Томсоном электрона наконец дало ученым понять, что при электризации никакая электрическая жидкость не сообщается телу и никакой заряд не наносится извне. Происходит перераспределение электронов, как мельчайших носителей отрицательного заряда. В области, куда они приходят, их количество становится большим, чем количество положительных протонов. Таким образом, появляется нескомпенсированный отрицательный заряд. И наоборот, в области, откуда они уходят, появляется нехватка отрицательных зарядов, необходимых для компенсации положительных. Таким образом, область заряжается положительно.

Было установлено не только наличие двух разных видов зарядов, но и два различных принципа их взаимодействия: взаимное отталкивание двух тел, заряженных одноименными зарядами (одного знака) и соответственно притяжение разноименно заряженных тел.

Электризация может производиться несколькими способами:

• трением;
• прикосновением;
• ударом;
• наведением (через влияние);
• облучением;
• химическим взаимодействием.

Электризация трением и электризация соприкосновением

Когда стеклянную палочку натирают о бумагу, палочка получает положительный заряд. Соприкасаясь с металлической стойкой, палочка передает положительный заряд бумажному султану, и его лепестки отталкиваются друг от друга (рис. 5). Этот опыт говорит о том, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга.

Рис. 5. Электризация прикосновением

В результате трения о мех эбонит приобретает отрицательный заряд. Поднося эту палочку к бумажному султану, видим, как лепестки притягиваются к ней (см. рис. 6).

Рис. 6. Притяжение разноименных зарядов

Электризация через влияние (наведение)

Поставим на подставку с султаном линейку. Наэлектризовав стеклянную палочку, приблизим ее к линейке. Трение между линейкой и подставкой будет небольшим, поэтому можно наблюдать взаимодействие заряженного тела (палочки) и тела, у которого заряда нет (линейка).

При проведении каждого эксперимента совершалось разделение зарядов, никаких новых зарядов не возникало (рис. 7).

Рис. 7. Перераспределение зарядов

Итак, если мы сообщили любым из вышеуказанных способов электрический заряд телу, нам, конечно же, необходимо каким-либо способом оценить величину этого заряда. Для этого используется прибор электрометр, который был придуман русским ученым М.В. Ломоносовым (рис. 8).

Рис. 8. М.В. Ломоносов (1711-1765)

Электрометр (рис. 9) состоит из круглой банки, металлического стержня и легкого стержня, который может вращаться вокруг горизонтально расположенной оси.

Рис. 9. Электрометр

Сообщая заряд электрометру, мы в любом случае (и для положительного, и для отрицательного заряда) заряжаем и стержень, и стрелку одноименными зарядами, в результате чего стрелка отклоняется. По углу отклонения и оценивается заряд (рис. 10).

Рис. 10. Электрометр. Угол отклонения

Если взять наэлектризованную стеклянную палочку, прикоснуться ею к электрометру, то стрелка отклонится. Это говорит о том, что электрометру был сообщен электрический заряд. В ходе этого же эксперимента с эбонитовой палочкой этот заряд компенсируется (рис. 11).

Рис. 11. Компенсация заряда электрометра

Так как уже было указано, что никакого создания заряда не происходит, а происходит лишь перераспределение, то имеет смысл сформулировать закон сохранения заряда:

В замкнутой системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной (рис. 12). Замкнутой системой называется система тел, из которой заряды не уходят и в которую заряженные тела или заряженные частицы не поступают.

Рис. 13. Закон сохранения заряда

Данный закон напоминает о законе сохранения массы, так как заряды существуют только вместе с частицами. Очень часто заряды по аналогии называют количеством электричества .

До конца закон сохранения зарядов не объяснен, так как заряды появляются и исчезают только попарно. Другими словами, если заряды рождаются, то только сразу положительный и отрицательный, причем равные по модулю.

На следующем уроке мы подробнее остановимся на количественных оценках электродинамики.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
3. Касьянов В.А. Физика 10 класс. - М.: Дрофа, 2010.

1. Интернет-портал «youtube.com» ()
2. Интернет-портал «abcport.ru» ()
3. Интернет-портал «planeta.edu.tomsk.ru» ()

Домашнее задание

1. Стр. 356: № 1-5. Касьянов В.А. Физика 10 класс. - М.: Дрофа. 2010.
2. Почему отклоняется стрелка электроскопа, если к нему прикоснуться заряженным телом?
3. Один шар заряжен положительно, второй - отрицательно. Как изменится масса шаров при их соприкосновении?
4. *К шару заряженного электроскопа поднесите, не дотрагиваясь, заряженный металлический стержень. Как изменится отклонение стрелки?

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.

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.

1

Тема урока: Электризация тел. Два рода электрических зарядов

(8 класс)

Цель урока:

познакомить учащихся с историей зарождения учения об электричестве, ввести понятие «Электрический заряд», «электризация, научить обнаруживать электрические заряды, на телах, потертых друг о друга и доказать, что существуют два рода зарядов; продолжить формирование умений работать с приборами и оборудованием.

Демонстрации:

электризация тел, 2 рода электрических зарядов, презентация, выполненная с использованием компьютерных дисков «Электронные уроки и тесты. Электрические поля», «Физикон. Библиотека наглядных пособий» и др.

Ход урока.

Краткий анализ ошибок, допущенных в контрольной работе по теме «Тепловые явления», рекомендации по их устранению.

Изучение нового материала.

Прежде чем объявить тему нашего сегодняшнего урока я хочу озвучить следующие ситуации и попрошу вас в конце урока ответить на вопросы, есть ли между ними общие закономерности, насколько они уместны на сегодняшнем уроке?

(Ситуации проецируются на экран

Между тучами сверкнула молния.

Генеральная уборка на кухне была в самом разгаре. Вымыв пол, Шерлок Холмс взялся за мебель. Полированную поверхность кухонных шкафов он энергично протирал сухой тряпкой из синтетической ткани, а окрашенную масляной –сырой. Результат превзошел все ожидания. Кухня сияла идеальной чистотой.

Заметка из газеты. « Было уже за полночь, когда рабочий Брянской нефтебазы А. Третьяков, заправив 8 цистерн, авиационным бензином, перевел наливной шланг в очередную порожнюю емкость. Едва шланг коснулся горловины цистерны, как высоко вверх взметнулся 15- метровый оранжево-яркий столб огня. Мощной взрывной волной Третьякова отбросило далеко от цистерны. Взрыв произошел из-за несоблюдения безопасности труда»

Предполагаемый ответ: речь идет об электрических явлениях. Ведь молния это эл. явление. Значит и остальные?

2

Да, действительно сегодня на уроке мы поведем речь об очень интересных явлениях. Вообще слово «электричество прочно вошло в наш обиход. У

каждого дома есть множество бытовых эл. приборов. Без электричества не обойтись ни на транспорте, ни в с/х, ни в быту, и т.д.

Тема сегодняшнего урока звучит так: электризация тел. Электрический заряд. 2 рода Эл. зарядов.(однокоренные слова)

План работы

Выяснить: 1. Происхождение терминов «электричество, эл.заряд»

2. Как осуществить электризацию тел. Какие 2 рода электрических зарядов существуют? Как взаимодействуют наэлектризованные тела? Как обнаружить, наэлектризовано тело или нет?

3. Провести эксперименты по электризации, объяснить наблюдаемые явления.

4. Практическое значение электризации.

Проблемный эксперимент по электризации тел.

На бутылке с водой укреплена деревянная линейка. Подносим эбонитовую палочку, потертую о шерсть. (Линейка приходит в движение).

Заменяем линейку на мет. фольгу, сложенную неск. раз.(Фольга приходит в движение).

Заряж. кусочки бумаги от наэлектризованной палочки (стеклянной и эбонитовой), «поднимаем человечков».

Явление, которое мы только что наблюдали (способность тел притягивать другие тела, после того как их натерли), наз. электризацией тел, или говорят, что им сообщен электрический заряд. Такая электризация еще наз. статическим электричеством.

Приходилось ли вам наблюдать такие явления?

Способность тел после натирания (кстати, не обязательно трения, достаточно тело просто привести в контакт или даже подвергнуть его деформации) притягивать мелкие предметы и не только (линейка большая, а бумажки мелкие) была известна в 6 веке до н.э .

Греческий философ Фалес Милетский обнаружил, что янтарь, потертый о мех, приобретает свойства притягивать пушинки, соломинки,

(Рассказывает ученик)

Легенда гласит, что дочь Фалеса пряла шерсть янтарным веретеном. Уронив его однажды в воду, стала обтирать веретено шерстяным хитоном и заметила, что к веретену пристали несколько ворсинок и чем сильнее она вытирала веретено, тем больше налипало ворсинок. Девица рассказала отцу, тот не замедлил провести эксперимент с различными изделиями из янтаря и обнаружил, что все они после натирания вели себя одинаково.

3

Именно от слова янтарь произошло слово «электричество

У .Первые научные представления об электричестве были изложены придворным врачом англ. королевы Елизаветы Уильямом Гильбертом (1544-1603 )(К),

который доказал, что способностью натертого янтаря обладают: не только стекло, сургуч, сера и притягивают они не только соломинки, но и металлы, дерево, листья, камешки, комочки земли и даже воду. Дома можно провести такой эксперимент…(притяжение струйки воды к наэлектризованной палочке).

В.Сколько тел участвует в электризации?

1 эксперимент .

Положить на полоску из бумаги полоску из полиэтилена. Прижимая тыльной стороной ладони, проглаживаем их. Затем разведем в стороны и медленно сближаем. Что наблюдается?. Полоски притягиваются друг к другу. Возьмем 2 кусочка распушенной ваты, поднесем к бумажной полоске и сразу же к пленке. Пушок притягивается и к бумаге, и к пленке .

эксперимент с гильзой из станиоля. (Она притягивается и к стеклянной палочке, потертой о бумагу, и к листу бумаги.).

эксперимент стеклянная палочка, потертая о лист резины, притягивает легкие бумажки и резина тоже. Вывод, в процессе электризации участвуют 2 тела и 2 тела электризуются.

Эксперименты о существовании двух родов электрических зарядов.

На шелковой нити подвешена гильза из станиоля.

1 Поднесем к ней палочку из стекла, потертую о шелк или бумагу (сначала гильза коснется, а потом отталкивается от палочки)

2. Поднесем к ней эбонитовую палочку, потертую о шерсть

3. Поднесем стеклянную палочку, потертую о резину

4. Опыт по электризации двух султанчиков с пом. электроф. машины .(К)

5. Опыт с «парящей ваткой» или движение ее в поле Эл. машины.

Фр. Физик Шарль Дюфе в 1730 году изучал взаимодействие наэлектризованных тел. Он заметил, что в одних случаях такие тела притягиваются, к смоляной палочке, а в другом случае отталкиваются друг от друга, например, две стеклянные палочки, потертые о шелк, отталкиваются друг от друга, но притягиваются к эбонитовой, потертой о шерсть.. Он объяснил это тем, что существует 2 рода электричества «стеклянное» и

« смоляное». Тела, заряженные электричеством одного рода отталкиваются, а разноименные притягиваются . В 1778 году американский физик и

4 политический деятель Бенджамин Франклин назвал «стеклянное электричество» положительным, а «смоляное»- отрицательным

Эксперимент.

Перед его проведением коротко рассказать о конструкции электрометра , и вкладе Рихмана.

Потереть эбонитовую палочку о сукно и, обернув ее сукном положили внутрь полого шара электрометра. Вынули палочку из сукна, стрелка при этом отклоняется. Почему?

Вставили палочку внутрь сукна, стрелка возвращается в нулевое положение.

Вывод. Заряды не возникают и не исчезают, а только разделяются, при этом на обоих соприкасающихся при трении телах оказываются равные по мод. , но противоположные по знаку заряды.

Первичное закрепление

«Слабое звено»

1.Эти явления наблюдали в древности.

2. Электрон в переводе с греческого яз.

3. Одно или два тела электризуются при трении?

4 Какие 2 рода эл. зарядов сущ. в природе?

5.Кто ввел термины «Стеклянное и смоляное» электричество?

6.Как наэлектризовать зарядами разных знаков стеклянную бутылку и лоскут кожи, имея в руках эти 2 предмета?

7. Как взаимодействуют между собой 2 эбонитовые палочки, наэлектризованные трением о мех?

8.При окраске пульверизатором метал. поверхности ей сообщают заряд одного рода, а капелькам краски заряд противоположного знака. Для чего это нужно делать? (Краска равномерно ложится).

9. Обычно говорят, что волосы, наэлектризованные при их расчесывании, притягиваются к гребню. А будет ли правильно выражение «Гребенка притягивается волосами?» (Да, т.к. действие не является односторонним).

( приложение отдельно, на усмотрение учителя, например, объяснение наблюдаемых явлений, изготовление прибора для фиксирования наличия наэлектризованности тел)

Во время отчета групп

объяснение наблюдаемых явлений:

1.При прокачке воздуха через рез. трубку происходит электризация резины и движущегося воздуха. Задаю вопрос, а если по шлангу будет подаваться горючее? Можно завести разговор о третьей ситуации (Третьякове).

5 2.При трении сухого песка происходит электризация полости шара, электрометр фиксирует эл. заряд.

3.И т.д.

Затем демонстрируется видео-сюжет «Гроза»,

после которого сообщается о вкладе в исследование атмосф. эл. явлений М.В. Ломоносова и Академика Петербургской Академии наук, друга М.В. Ломоносова,Георга Рихмана.

Возвращение ко второй ситуации.

Полированные поверхности при трении их синтетической тканью электризуются и приобретают вместе с находящейся на них пылью электрический заряд; ткань при этом тоже получает электрический заряд, но другого знака.. Вследствие этого пыль и ткань притягиваются друг к другу, и пыль плотно оседает на тряпке.. Окрашенные масляной краской поверхности при трении не электризуются, поэтому пыль с них удаляют влажной тряпкой, которая смачивает пыль, заставляя ее прилипать к ткани.

Проверочная тестовая работа. (Прилагается отдельно на усмотрение учителя).

(Взаимопроверка по ответам на тыльной стороне доски)

Подведение итогов работы.

Дом. Задание :

Проделать эксперимент и объяснить его.

Возьмите толстый лист из орг. стекла.. Тщательно потрите его куском газеты.. Возьмите шарик от настольного тенниса. Положите его на середину листа. Расставьте ладони у края стекла и медленно приближайте их к шарику. Наблюдаемые явления объясните.

Используя старую пластиковую мыльницу изготовьте «пылесос».

п.25,26.

«Детектив» Могут ли 2 одноименно заряженных тела притягиваться?

Мини-сочинение «Электризация полезна или вредна?»

Цель работы : знакомство с историей развития электротехники, с творческим путем наиболее выдающихся ученых, внесших вклад в изучение электрических и магнитных явлений, выявление их закономерностей, создание электротехнических устройств.

Завершение работы

7. Открытие явления

3. Развитие электростатики электростатической индукции. Изучение процессов электризации

8. Исследование взаимодействия

4. Изобретение лейденской банки заряженных тел. Открытие закона Кулона

Первые наблюдения магнитных и электрических явлений относятся к глубокой древности. О таинственных способностях магнита притягивать железные предметы упоминается в старинных летописях и легендах, дошедших до нас из Азии (Индии и Китая), Древней Греции и Рима.

Очень образное объяснение свойств магнита дано в знаменитой поэме «О природе вещей» римского поэта Лукреция (99-55 гг. до н.э.), написанной более 2 тыс. лет назад.

Из древних сказаний и летописей, относящихся ко второму тысячелетию до н.э., мы узнаем о многих интересных фактах практического использования магнита. Древние индийцы использовали магнит для извлечения железных наконечников стрел из тел раненых воинов. В китайских летописях рассказывается о волшебных магнитных воротах, сквозь которые не мог пройти человек, спрятавший металлическое оружие. При раскопках городища ольмеков (Центральная Америка) найдены скульптуры трехтысячелетней давности, высеченные из магнитных глыб.

В Китае во втором тысячелетии до н.э. уже применялись первые компасы разных конструкций. В одном из музеев хранится китайский компас тысячелетней давности, напоминающий ложку.

Естественно, что древние ученые и

естествоиспытатели задумывались над причиной Китайский компас загадочных свойств магнита. Платон, например,

объяснял их божественным происхождением.

Первые наблюдения магнитных и электрических явлений

С именем одного из древних мудрецов - Фалеса (640-550 гг. до н.э.) связаны дошедшие до нас предания

о свойстве натертого янтаря притягивать легкие тела. По его мнению, в янтаре как и в магните, имеется душа, являющаяся первопричиной притяжения.

Изделия из янтаря, блестящие и красивые, широко использовались древними людьми для украшения, поэтому вполне вероятно, что многие могли заметить, что натертый янтарь притягивает легкие соломинки, кусочки тканей и пр.

Греки называли янтарь «электрон». От этого спустя много веков и произошло слово «электричество». Известно, что в одном из древнегреческих сочинений описывался камень (по-видимому, драгоценный), который, подобно янтарю, электризовался при трении. Но об электризации других тел древние греки, вероятно, не знали.

И еще одно любопытное явление не осталось незамеченным древними народами, жившими на побережье Средиземного моря и в бассейне р. Нил. Речь идет об «электрических» рыбах - скате и соме. Греки их называли «наркэ», что означает «парализующий». При соприкосновении с этими рыбами, имеющими электрические органы, человек испытывал сильные удары. Известно, что в I веке н.э. римские врачи использовали электрический скат для лечения подагры, головной боли и других болезней.

И, конечно, древние народы наблюдали грозные раскаты грома и яркие вспышки молний, внушавшие им естественный страх, но ни одному из мудрецов тех времен не могла прийти в голову мысль о том, что и притяжения натертого янтаря, и удары электрических рыб, и явления грозы в атмосфере имеют одну и ту же природу.

Упадок античной культуры заметно отразился и на изучении электрических и магнитных явлений. Из многочисленных источников следует, что практически до 1600 г. не было сделано не одного открытия в области электрических явлений, а в области магнетизма лишь описаны способы использования мореплавателями компаса (арабами в IX, а европейцами в XI в.).

В XIII в. ученым удалось установить ряд свойств магнита: существование разноименных полюсов и их взаимодействие; распространение магнитного действия через различные тела (бумагу, дерево и др.); были описаны способы изготовления магнитных стрелок, а французский ученый Пьер Перегрин (1541-1616 гг.) впервые снабдил компас градуированной шкалой.

В XIII-XIV вв. капитаны-католики пользовались компасом тайно, опасаясь попасть на костер инквизиции, которая видела в компасе дьявольский инструмент, созданный колдунами.

В течение многих веков магнитные явления объясняли действием особой магнитной жидкости, и как это будет показано далее, лишь выдающийся французский физик A.M. Ампер в 20-х годах XIX в. впервые объяснил электрическую природу магнетизма.

Экспериментальные исследования У. Гильберта

Значительный перелом в представлениях об электрических и магнитных явлениях наступил в самом начале XVII в., когда вышел в свет фундаментальный научный труд видного английского ученого (врача английской королевы Елизаветы) Уильяма Гильберта (1554--1603 гг.) «О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле» (1600 г.). Будучи последователем экспериментального метода в естествознании, У. Гильберт провел более 600 искусных опытов, открывших, как он писал, тайны «скрытых причин различных явлений».

В отличие от многих своих предшественников У. Гильберт считал, что магнитная стрелка движется под влиянием магнетизма Земли, которая является большим магнитом. Свои выводы он основывал на оригинальном эксперименте, впервые им осуществленном. Он изготовил из магнитного железняка небольшой шар - «маленькую Землю - тереллу» и доказал, что магнитная стрелка принимает но отношению к поверхности этой «тереллы» такие же положения, какие она принимает в поле земного магнетизма. Он установил возможность намагничивания железа посредством земного магнетизма.

Исследуя магнетизм, У. Гильберт занялся также и изучением электрических явлений. Он доказал, что электрическими свойствами обладает не только янтарь, но и многие другие тела: алмаз, сера, смола, горный хрусталь

Электризующиеся при их натирании. Эти тела он назвал «электрическими» в соответствии с греческим названием янтаря (электрон). Но У. Гильберт безуспешно пытался наэлектризовать металлы, не изолируя их, и поэтому пришел к ошибочному выводу о невозможности электризации металлов трением. Это заключение У. Гильберта было убедительно опровергнуто спустя два столетия выдающимся русским электротехником академиком Василием Владимировичем Петровым .

У. Гильберт правильно установил, что «степень электрической силы» бывает различна, и влага снижает электризацию тел при натирании. Сравнивая магнитные и электрические явления, У. Гильберт утверждал, что они имеют разную природу: например, «электрическая сила» происходит только от трения, тогда как магнитная постоянно воздействует на железо; магнит поднимает тела значительной тяжести, электричество - только легкие тела. Этот ошибочный вывод У. Гильберта продержался в науке более 200 лет.

Представления о том, что электрические явления обусловлены присутствием особой "электрической жидкости», аналогичной «теплотвору» и «светотвору». были характерны для науки того периода, когда механические взгляды на многие явления природы были господствующими.

Фундаментальный труд В, Гильберта выдержал в течение XVII в. нескольких изданий, он был настольной книгой многих естествоиспытателей в разных странах Европы и сыграл огромную роль в развитии учения об электричестве и магнетизме. Великий Г. Галилей писал о сочинениях У. Гильберта: «Я воздаю величайшую похвалу и завидую этому автору».

Электростатическая машина О. Герике

Одним из первых, кто, познакомившись с книгой В. Гильберта, решил получить более сильные проявления электрических сил, был магдебургский бургомистр Отто фон Герике (1602-1686 гг.).

В 1650 г. он изготовил шар из серы размером с детскую голову, насадил его на железную ось, укрепленную на деревянном штативе. При помощи ручки шар мог вращаться и натирался ладонями рук или куском сукна, прижимаемого к шару рукой. Это была первая простейшая электростатическая машина.

О. Герике удалось заметить слабое свечение электризуемого шара в темноте и, что особенно важно, впервые обнаружить, что пушинки, притягиваемые шаром, через некоторое время отталкиваются от него. Это явление ни О. Герике. ни многие его современники долго не могли объяснить.

Немецкий ученый Г.В.Лейбниц (1646-1716 гг.), пользуясь машиной О. Герике, наблюдал электрическую искру - это первое упоминание об этом загадочном явлении.

Совершенствование электростатических машин

В течение первой половины XVII в. электростатическая машина претерпела ряд усовершенствований: серный шар был заменен стеклянным (так как стекло более интенсивно электризовалось), а позднее вместо шаров или цилиндров (которые труднее было изготовить, и при нагревании они нередко взрывались) стали применять стеклянные диски. Для натирания использовались кожаные подушечки, прижимаемые к стеклу пружинками; позднее для усиления электризации подушечки стали покрывать амальгамой.

Важным новым элементом конструкции машины стал кондуктор (1744 г.) - металлическая трубка, подвешенная на шелковых нитях, а позднее устанавливаемая на изолированных опорах. Кондуктор служил резервуаром для сбора электрических зарядов, образованных при трении. После изобретения лейденской банки ее также устанавливали рядом с машиной.

Электростатическая машина. Конец XVIII в. Неизвестный мастер.

Инструментальная палата Санкт-Петербургской академии наук

Выявлены два рода электричества и установлены законы их взаимодействия. Обнаружены проводниковые и изоляционные свойства материалов.

Опыты по передаче электрического заряда. Открытие электропроводности

Значительным шагом в изучении свойств электрических зарядов были исследования члена английского Королевского общества Стефана Грея (1670-1736 гг.) и члена Парижской академии наук Шарля Франсуа Дюфе (1698 -1736 гг.).

В результате многочисленных экспериментов С. Грею удалось установить, что электрическая способность стеклянной трубки притягивать легкие тела может быть передана другим телам, и он показал (1729 г.), что тела в зависимости от их отношения к электричеству можно разделить на две группы: проводники (например, металлическая нить, проволока) и непроводники (например, шелковая нить).

Продолжая опыты С. Грея, Ш.Ф. Дюфе (в 1733 г.) обнаружил два рода электрических зарядов - «стеклянные» и «смоляные» и их особенность отталкивать одноименные и притягивать противоположные заряды.

Дюфе также создал прототип электроскопа в виде двух подвешенных и расходящихся при электризации

К концу 30х годов XVIII в. были успешно применены в качестве проводников: льняная нить (Герике, 1663), пеньковая бечевка, непросушенное дерево, металлическая проволока (Грэй, 1729), влажный кетгут (Дезагюлье,

1738); в качестве непроводников: шелк (Уилер в опыте, поставленном Грэем, 1729), конский волос (Грэй, 1729), стекло и сургуч (Дюфе, 1733). Длина электрических линий достигала нескольких сотен метров.

О. Герике, проводя опыты с электростатической машиной, обнаружил, что потираемый руками серный шар передает свою способность притягивать легкие тела льняной нитке длиной в локоть, конец которой, зацепленный за палку, находится у самого шара; притяжение наблюдалось в пределах более дюйма от нижнего конца нити.

Пользуясь стеклянной трубкой (или палочкой), Стивен Грэй повторил опыт Герике. В 1729 г. Грэй обнаружил ряд тел, которым трубка может сообщать «электрическую силу». Это - деревянные стержни и проволока (железная и латунная), которые Грэй вставлял в трубку (через пробку), пеньковая бечевка, которую он привязывал к трубке или заталкивал в нее. Максимальная длина комнатной электропередачи по бечевке или проволоке, свисавших с трубки, не превышала 1 м, а максимальная длина горизонтальной комнатной «электропередачи» по состыкованным деревянным проводникам составляла не более 5,5 м, включая длину трубки. Сообщение телам «электрической силы» Грэй проверял с помощью пушинки, которая могла притягиваться к телу, отталкиваться от него, парить

в воздухе.

Грэй решил попытаться передать электричество по горизонтали чтобы выяснить занимавший его вопрос, как далеко можно передавать электричество. Для этого он подвесил бечевку на гвоздях, вбитых в деревянную балку на одинаковой высоте. Опыт не получился. Грэй сделал правильный вывод, что электричество ушло в балку.

Преодолеть затруднение удалось благодаря блестящей идее Уилера, вместе с которым Грэй экспериментировал летом 1729 г. Священник Грэнвилль Уилер (ум. 1770) предложил поддержать линию передачи (line of communication, по Грэю) шелковым шнуром, а не подвешивать ее на гвоздях, вбитых в балку. Первый же опыт превзошел все ожидания. Электричество было передано по линии длиной около 25 м. Заменив шелковый шнур металлической проволокой, Грэй опять получил отрицательный результат.

Грэй «...показал, что электричество можно передавать, не касаясь линии передачи трубкой, а только держа трубку близ линии», т. е., по позднейшей терминологии, с помощью электростатической индукции.

Электричество, получаемое путем трения на том или ином теле, оказывается по своим свойствам неодинаковым.

Проделаем следующий опыт. При помощи шёлковой ниточки подвесим на стойке легкий пробковый или бузиновый шарик и затем, наэлектризовав эбонитовую палочку трением о мех или сукно, поднесем ее к пробковому шарику. При этом произойдет следующее: шарик вначале быстро притянется к эбонитовой палочке (рис. 2), но, как только коснется ее, сразу же оттолкнется и займет положение, показанное на рис. 3. Если к этому заряженному шарику поднести стеклянную палочку, наэлектризованную трением о шелковую материю или кожу, то шарик притянется к ней.

Рис. 2. Притяжение пробкового шарика к наэлектризованной палочке

Рис. 3. Отталкивание пробкового шарика получившего заряд от наэлектризованной палочки

Возьмем теперь два шарика, подвешенных к двум стойкам на шелковых ниточках, и коснемся каждого из них наэлектризованной стеклянной палочкой.

Приближая после этого оба шарика один к другому, заметим, что они будут стремиться оттолкнуться и займут положение, показанное на рис. 4. То же самое произойдет, если оба шарика будут заряжены наэлектризованной эбонитовой палочкой.

Рис. 4. Шарики с одноименными зарядами отталкиваются

Совершенно иные свойства будут обнаружены, если первый из двух шариков зарядить, прикоснувшись к нему наэлектризованной стеклянной палочкой, а другой шарик наэлектризовать эбонитовой палочкой. Шарики будут притягиваться один к другому (рис. 5).

Рис. 5. Шарики с разноименными зарядами притягиваются

Проделанные опыты показывают, что необходимо различать два электрических состояния тел, или, как говорят, два рода электричества:

1) электричество, получаемое на стекле при трении его о шелковую материю или кожу, которое условились называть положительным электричеством;

2) электричество, получаемое на эбоните при трении его о мех или шерстяную материю, которое условились называть отрицательным электричеством.

Положительное электричество принято обозначать знаком плюс (+), а отрицательное знаком минус (—).

Тела, наэлектризованные одноименным электричеством, безразлично — положительным или отрицательным, одно от другого отталкиваются (рис. 4). Тела же, наэлектризованные разноименным электричеством, притягиваются одно к другому (риc. 5).

При этом необходимо иметь в виду, что притяжение или отталкивание наэлектризованных шариков будет тем сильнее, чем меньше расстояние между ними и чем больше по величине заряд, сообщенный каждому из шариков.

Следует также помнить, что если мы, натирая стеклянную палочку шелком, получаем на стеклянной палочке положительное электричество, то, в свою очередь, на шелке мы получаем в таком же количестве отрицательное электричество. И, наоборот, при трении эбонита о мех на эбоните мы получаем отрицательное электричество, а самый мех электризуется положительно.