1. Опыты с электрометром

Определения и обозначения

Электрометр — прибор, по отклонению стрелки которого судят о наличии и величине электрического заряда. Заряд передают прибору или обнаруживают его влияние на прибор. Поэтому электрометр помогает сравнивать заряды, хотя для установления их знака одного отклонения недостаточно.

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии. Именно заряд объясняет, почему одни тела притягиваются, а другие отталкиваются. Это понятие нужно, чтобы описывать электрические явления не только словами, но и количественно.

Положительный заряд — один из двух видов электрического заряда; условно такой заряд получает стеклянная палочка при натирании шёлком. Условное название позволяет отличать его от второго вида — отрицательного. Палочку с таким зарядом можно использовать как известный образец при опытах.

Отрицательный заряд — второй вид электрического заряда; такой заряд получает эбонитовая палочка при натирании мехом. Название показывает, что этот вид противоположен положительному, а не означает «меньший» или «плохой» заряд. Сравнивая его действие с положительным зарядом, можно проверять, какие заряды притягиваются, а какие отталкиваются.

Как это устроено

У электрометра есть металлический стержень и подвижная стрелка, соединённая с ним. Когда прибору передают заряд, он распределяется по проводящим частям, в том числе по стержню и стрелке. На них оказываются заряды одного знака, поэтому части отталкиваются и стрелка отклоняется. Чем сильнее отклонение, тем заметнее это взаимное отталкивание.

Электрометр позволяет сравнивать заряды, если условия опыта одинаковы: прибор не меняют, а измерение проводят одинаковым способом. Больший заряд прибора вызывает более сильное отталкивание его частей и, следовательно, большее отклонение стрелки. Так можно судить о сравнительной величине заряда, но нельзя по одному лишь углу определить его знак. На показания также влияет то, сколько заряда оказалось на приборе после опыта.

При натирании поверхности тел соприкасаются и взаимодействуют на уровне частиц. Часть заряженных частиц переходит с одного тела на другое, поэтому на одном образуется избыток заряда, а на другом — недостаток такого же рода частиц. В результате тела получают противоположные заряды. Натирание не создаёт заряд из ничего: оно разделяет заряды между двумя телами.

Стеклянная палочка после натирания шёлком условно считается положительно заряженной, а эбонитовая после натирания мехом — отрицательно заряженной. Если сблизить два тела с одноимёнными зарядами, они отталкиваются, а при разноимённых — притягиваются. Эти наблюдения показывают, что электрический заряд бывает двух видов. Однако одно только притяжение ещё не доказывает, что заряды разноимённы: заряженное тело может притянуть и незаряженное.

Если заряженным телом коснуться металлического стержня электрометра, часть заряда может перейти на прибор. Отклонение стрелки после касания показывает, что заряд передался. Если же поднести заряженное тело, не касаясь стержня, стрелка тоже может изменить положение: заряд внутри прибора перераспределяется под действием близкого тела. Это электрическое влияние без передачи заряда через контакт, поэтому наблюдение нужно отличать от результата касания.

Результаты опытов с заряженными телами

Сначала определите, касались ли тела электрометра: это помогает отличить передачу заряда от влияния на расстоянии. Затем свяжите наблюдение со взаимодействием зарядов, учитывая, что знак нельзя установить по одному факту отклонения. В таблице приведены качественные выводы; сравнивать величину заряда по стрелке можно лишь при одинаковых условиях.

Разбор задач

Задача 1

К электрометру по очереди поднесли две палочки, не касаясь прибора. В первом случае стрелка отклонилась, во втором — нет. Нужно понять, что показывают эти наблюдения, и не приписать им лишнего смысла.

1. В первом опыте отклонение возникло без контакта. Значит, первая палочка электрически влияет на прибор и вызывает перераспределение заряда внутри него.
2. Во втором опыте отклонения не заметили. По этому наблюдению нельзя утверждать, что палочка обязательно незаряжена: влияние могло быть слишком слабым или неразличимым.
3. Ни один опыт не передавал заряд через соприкосновение, поскольку палочки не касались прибора. Само отклонение также не позволяет определить знак заряда первой палочки.

Ответ: первая палочка вызвала электрическое влияние без контакта; о передаче заряда и знаке палочки по этим данным заключить нельзя. Во втором случае заметного влияния не обнаружили.

Задача 2

Заряженную эбонитовую палочку поднесли к заряженному электрометру, и отклонение стрелки уменьшилось. Требуется определить знак заряда прибора. Известно, что после натирания мехом эбонитовая палочка имеет отрицательный заряд.

1. Уменьшение отклонения означает, что взаимное отталкивание заряженных частей электрометра ослабло. Значит, действие палочки уменьшило разделение зарядов в приборе, а не усилило его.
2. Ослабление отталкивания при сближении соответствует притяжению зарядов противоположных знаков. Следовательно, заряд электрометра противоположен заряду палочки.
3. Палочка отрицательная, поэтому противоположный ей заряд прибора — положительный. Такой вывод основан на сравнении действия, а не просто на наличии отклонения.

Ответ: электрометр был заряжен положительно.

Задача 3

Два одинаковых незаряженных металлических шарика соприкоснули, затем коснулись одного из них заряженным телом и разъединили. Нужно проверить наличие заряда и выяснить, как он распределился. Важно учитывать, что шарики одинаковые и до опыта были незаряжены.

1. После касания заряженным телом часть заряда передаётся тому шарику, которого коснулись. Пока шарики соприкасаются, они образуют общий проводник, по которому заряд может перераспределяться.
2. Чтобы проверить, заряжены ли шарики, по очереди поднесите каждый к электрометру, не касаясь его. Изменение отклонения показывает электрическое влияние; при касании шарика со стержнем можно также обнаружить передачу заряда.
3. Одинаковые шарики в одинаковых условиях имеют равные возможности для перераспределения заряда. Поэтому после соприкосновения заряд распределяется между ними поровну, если шарики затем разъединить без иных воздействий.

Ответ: наличие заряда проверяют электрометром; одинаковые соприкасавшиеся шарики получают заряд одного знака, распределённый между ними поровну в одинаковых условиях.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что электрометр сам создаёт заряд. Это легко предположить, потому что стрелка начинает отклоняться при опыте, но прибор лишь обнаруживает заряд или его влияние. Проверьте себя: заряд передают прибору заряженным телом, а без него электрометр не является источником заряда.

Притяжение иногда принимают за безусловное доказательство разноимённых зарядов. Так рассуждают, потому что известное правило связывает притяжение именно с разноимёнными зарядами. Но заряженное тело может притягивать и незаряженное; для вывода о знаках нужно удостовериться, что оба тела заряжены.

Можно решить, что при натирании заряд появляется только на палочке. Причина ошибки — наблюдают в основном за палочкой, а материал для натирания не проверяют. В действительности тела приобретают противоположные заряды; проверьте это, исследовав оба тела электрометром или другими опытами.

Нельзя определять знак заряда только по величине отклонения стрелки. Большое отклонение говорит о сравнительной величине заряда прибора при одинаковых условиях, но не о его знаке. Для проверки поднесите тело с известным знаком: увеличение отклонения указывает на одноимённость, уменьшение — на разноимённость зарядов.

Связь с другими темами

Для понимания опытов полезно знать, что тела состоят из частиц и что заряд может перемещаться. В проводниках, например металлах, он перераспределяется сравнительно свободно; в изоляторах его перемещение затруднено. Это объясняет, почему металлический электрометр реагирует на прикосновение и на близость заряженного тела.

Опыты с электрометром подготавливают к изучению взаимодействия зарядов и электростатического поля — области пространства, где на заряды действуют электрические силы. Передача и перераспределение заряда также помогают понять закон сохранения электрического заряда: при электризации заряд не возникает из ничего, а переходит или разделяется между телами.

Что запомнить

• Электрометр обнаруживает заряд по отклонению стрелки.
• Существуют два вида электрического заряда: положительный и отрицательный.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• При электризации трением тела получают противоположные заряды.
• Отклонение стрелки показывает наличие заряда, но само по себе не определяет его знак.
• Заряд может передаваться при соприкосновении тел.