1. Опыты с электрометром

Определения и обозначения

Электрометр — прибор для обнаружения электрического заряда и качественной оценки его величины. У него есть проводник для передачи заряда, соединённая с ним подвижная часть — стрелка или листочки — и шкала для наблюдения отклонения. Чем заметнее отклонение, тем сильнее проявляется действие заряда в данном опыте. Прибор помогает сравнивать состояния, но показание само по себе не определяет знак заряда.

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии; его обозначают q. Заряд — свойство тела, а не название силы или самого взаимодействия. Именно заряд объясняет, почему тела могут притягиваться или отталкиваться. Это понятие нужно, чтобы описывать электрические явления не только словами, но и количественно.

Положительный и отрицательный заряды — два вида электрического заряда. Если заряженные тела отталкиваются, их заряды одноимённы; если притягиваются — разноимённы. Чтобы определить знак неизвестного заряда, его сравнивают с зарядом известного знака. Одного факта притяжения недостаточно, если одно из тел может быть незаряженным.

Электризация влиянием — перераспределение зарядов в теле под действием расположенного рядом заряженного тела, без непосредственного контакта. В проводнике заряды могут перемещаться, поэтому на его разных участках возникают области с избытком зарядов разных знаков. Суммарный заряд проводника при этом не меняется. Это понятие позволяет отличить действие на расстоянии от передачи заряда при касании.

Как это устроено

Чтобы обнаружить заряд, его сообщают проводнику электрометра или подносят к нему заряженное тело. Если заряд передан прибору, его подвижная часть отклоняется: заряд распределяется по соединённым проводящим частям. Отклонение означает, что на прибор действует электрическое взаимодействие. Чем сильнее оно в условиях опыта, тем заметнее показание, однако сравнивать величины можно только при одинаковом устройстве и условиях.

Листочки или стрелка отклоняются потому, что после сообщения заряда на них оказываются заряды одного знака. Одноимённые заряды отталкиваются, поэтому подвижные части расходятся или поворачиваются. Чем заметнее их взаимное отталкивание, тем больше отклонение. Так внутреннее взаимодействие частей прибора превращается в видимый признак заряда.

Знаки зарядов тел определяют, наблюдая их взаимодействие. Отталкивание указывает на то, что заряды одноимённы: оба положительные или оба отрицательные. Притяжение заряженных тел означает, что их заряды разноимённы. Но притяжение само по себе ещё не доказывает, что заряды противоположны: заряженное тело может притянуть и незаряженный проводник из-за перераспределения зарядов в нём.

Если приблизить заряженное тело к незаряженному проводнику, показание электрометра может измениться даже без касания. Заряженное тело действует на подвижные заряды проводника и смещает их: на ближней стороне накапливается заряд одного знака, на дальней — другого. Из-за такого перераспределения части прибора взаимодействуют иначе, и стрелка или листочки отклоняются. При этом суммарный заряд проводника остаётся прежним: заряд не передан, а только переместился внутри него.

Когда приближённое тело удаляют, причина перераспределения исчезает. Заряды в проводнике вновь распределяются по нему, поэтому отклонение, вызванное влиянием, обычно пропадает. Это отличается от контакта: при касании часть заряда может перейти с заряженного тела на электрометр или с прибора на тело. После контакта прибор может сохранить полученный заряд и продолжить показывать отклонение.

Опыты с электрометром и их выводы

Сопоставляйте действие, наблюдение и вывод: это помогает не смешивать причину опыта с тем, что непосредственно видно. Особенно важно различать приближение без касания и контакт. В первом случае заряды лишь перераспределяются, а во втором может измениться суммарный заряд прибора.

Разбор задач

1. Заряженная палочка и незаряженный электрометр

Условие. К незаряженному электрометру поднесли, не касаясь его, заряженную палочку. Объясните изменение показания и то, что произойдёт после удаления палочки. Здесь нужно выяснить, передался ли прибору заряд или изменилось только его распределение. В условии указано, что контакта не было.

1. Палочка действует на заряды в проводнике электрометра на расстоянии.
2. Заряды перераспределяются по частям прибора, поэтому их взаимное отталкивание меняется и подвижная часть отклоняется.
3. Поскольку палочка не касалась прибора, передачи заряда не произошло; суммарный заряд электрометра остался нулевым.
4. После удаления палочки причина перераспределения исчезает, и показание возвращается к исходному.

Ответ. Показание изменилось из-за электризации влиянием, а не из-за передачи заряда. После удаления палочки отклонение, вызванное её присутствием, исчезнет. Электрометр останется незаряженным.

2. Электрометр коснулись рукой

Условие. Электрометр зарядили, а затем коснулись его рукой; показание уменьшилось. Требуется объяснить, почему заряд прибора стал меньше. Прибор и тело человека проводят электрический заряд. Земля также может принимать или отдавать заряд через тело человека.

1. При касании рука соединяет проводник электрометра с телом человека.
2. Через тело возникает путь для перемещения заряда между прибором и Землёй.
3. Часть заряда уходит с электрометра, поэтому взаимное отталкивание заряженных частей ослабевает.
4. Ослабление отталкивания проявляется как уменьшение отклонения подвижной части.

Ответ. При касании электрометр оказался связан с Землёй через тело человека, и часть заряда стекла. Поэтому отклонение уменьшилось. Это не электризация влиянием: здесь есть контакт и перенос заряда.

3. Сравнение знаков по изменению отклонения

Условие. Электрометр имеет известный заряд. К нему поочерёдно поднесли без касания два заряженных тела: в одном случае отклонение увеличилось, в другом уменьшилось. Нужно установить знаки зарядов этих тел относительно заряда прибора. Знак нельзя определить по одному лишь факту отклонения — важна перемена показания при сравнении с исходным. Предполагается, что наблюдается обычное изменение отклонения.

1. Запомним знак заряда электрометра, который известен по условию.
2. Увеличение отклонения означает, что одноимённые заряды сильнее отталкиваются, поэтому первое тело имеет знак, совпадающий со знаком прибора.
3. Уменьшение отклонения означает ослабление отталкивания, что соответствует разноимённым зарядам; второе тело имеет противоположный знак.
4. Проверим рассуждение: при удалении тел показание вернётся к исходному, поскольку они не касались прибора и только влияли на распределение зарядов.

Ответ. Тело, при приближении которого отклонение увеличилось, заряжено одноимённо с электрометром. Тело, при приближении которого отклонение уменьшилось, имеет противоположный знак. Вывод основан на сравнении с прибором известного знака.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любое отклонение означает передачу заряда электрометру. Её допускают, потому что видимое изменение показания связывают только с изменением заряда прибора. Но при приближении тела без контакта заряды могут просто перераспределиться внутри проводника. Проверьте себя: если касания не было, спросите, есть ли основания утверждать, что изменился суммарный заряд.

Ошибка — считать притяжение доказательством разноимённости зарядов. Такое заключение делают, забывая, что заряженное тело притягивает и незаряженный проводник, в котором заряды перераспределились. Чтобы подтвердить разноимённость, нужно знать, что оба тела заряжены. Проверьте себя: можно ли объяснить притяжение влиянием, не предполагая противоположный заряд у второго тела?

Ошибка — называть заряд самим электрическим взаимодействием. Так смешивают характеристику тела с тем, что происходит при встрече тел. Заряд принадлежит телу, а притяжение или отталкивание проявляется между телами с определёнными зарядами. Проверьте себя: можете ли вы отдельно указать, какое тело заряжено, и описать, как оно взаимодействует с другим?

Ошибка — определять знак заряда только по величине отклонения. Отклонение показывает действие заряда, но без сравнения не говорит, положительный он или отрицательный. Для определения знака электрометр сначала заряжают зарядом известного знака, а затем наблюдают, увеличивается или уменьшается отклонение. Проверьте себя: назван ли в рассуждении знак исходного заряда прибора?

Связь с другими темами

Для понимания опытов полезно знать, что тела можно электризовать трением и что заряженные тела взаимодействуют. Электрометр делает это взаимодействие наблюдаемым: вместо невидимого изменения зарядов мы видим отклонение стрелки или листочков. Опыты с прибором подготавливают к изучению закона сохранения электрического заряда: при перераспределении заряд не исчезает, а при контакте может переходить между телами. Электризация влиянием помогает дальше разбирать поведение проводников рядом с заряженными телами.

Что запомнить

• Электрометр обнаруживает электрический заряд по отклонению своей подвижной части.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• При электризации влиянием заряженное тело не касается проводника.
• При влиянии заряды в проводнике перераспределяются.
• Контакт может привести к передаче заряда прибору.
• Отклонение электрометра само по себе не определяет знак заряда.