Ньютон считал, что гравитация распространяется мгновенно, тяготение сродни электрическому взаимодействию, свет имеет корпускулярную природу, существует абсолютная среда распространения света – эфир, ускорение носит абсолютный характер, проявляющееся в абсолютном пространстве.

В начале века завершилась ревизия подобных взглядов. Эфир заменен пустым пространством, в котором три координаты дополнены временем. Эйнштейн моделировал гравитацию с помощью матричной математики как кривизну пространства-времени, а инерцию рассматривал как частный случай эквивалентности гравитации. Абсолютный характер ускорения исчез, тем самым поставив под сомнение возможность определения траектории движения через функцию ускорения вопреки хорошо известной практике.

Попытаемся придать гравитации некий физический смысл. Сделаем предположение, что в Природе основу взаимодействия составляют электрические силы, подчиняющиеся закону Кулона. Известно, что если между зарядами электричества поместить среду – изолятор (диэлектрик), то связанные заряды диэлектрика подвергнуться пространственной поляризации – к положительному заряду будут обращены отрицательные части, а к отрицательному будут обращены положительные части связанных зарядов. Причем для относительно слабых зарядов, помещенных в среду, связанные заряды останутся не разрушенными, при сильных зарядах произойдет их разрушение и наступит электрический «пробой». Рассмотрим три возможных случая в электрических взаимодействиях.

1. Есть два заряда. Между ними располагается поляризованная ими среда. Поляризация организуется так: при одинаковых по знаку зарядах среда поляризованных зарядов будет испытывать самоотталкивание по закону Кулона, которое интегрально проявится как отталкивание двух зарядов; при разноименных зарядах среда поляризованных зарядов будет испытывать самопритяжение по закону Кулона, образуя силу притяжения двух разноименных зарядов.
2. Есть один заряд и незаряженный объект. Заряд также вызовет поляризацию среды, которая вполне естественно вызовет ответную поляризацию незаряженного объекта так, что среда образует притяжение незаряженного тела к заряду. Иными словами, между заряженным и незаряженным телами существуют электрические силы притяжения. Казалось бы, что данный случай противоречит закону Кулона. Однако, опыт подтверждает существование силы притяжения между заряженным и незаряженным телами. Каждый может повторить опыт Фалеса, проделанный им более 2500 лет назад: потереть изолятор-палочку об шерстяной материал и поднести ее к легким предметам (обрывки сухой бумаги, например). Незаряженные предметы притянуться к палочке. При трении происходит «срыв» материалом внешних электронов атомов палочки – происходит ее электризация статическим электричеством.
3. Есть два незаряженных предмета, находящиеся в среде-диэлектрике. Они испытывают единственно возможное в данном случае гравитационное притяжение. Как можно объяснить это явление с помощью электрических сил? Это можно выполнить только, если сделать предположение, что сама среда имеет очень слабый «гравитационный» электрический заряд. Распространим это предположение и на все тела в Природе. Тогда взаимная поляризация тел и среды между ними вызовет самопритяжение в среде, которое образует тяготение, даже при условии наличия слабого гравитационного электрического заряда одного знака всех тел и среды. Это происходит благодаря явлению поляризации (закону Кулона), которое «перераспределяется» так, что присутствуют только силы притяжения. Каждый читатель может нарисовать на бумаге схему взаимной поляризации, исходя из предположения, что связанные заряды и тел, и среды имеют некоторый избыток заряда одного знака над зарядом другого знака и обнаружить силу «тяготения».

Таким образом удалось нарисовать физическую картину гравитации. Подобное не было доступно ни для закона Ньютона, ни для теории гравитации Эйнштейна (ОТО), ни для релятивистской теории гравитации Логунова (РТГ). Еще проще дело обстоит с инерцией, которую также невозможно объяснить традиционным способом, принятым в ОТО и РТГ. Всякий электрический заряд, двигающийся с ускорением, испытывает силу противодействия сродни экстратоку замыкания и размыкания, при котором ускоряются или тормозятся носители электрического заряда.

С изменениями электричества тесно связано возникновение магнетизма и, наоборот, при изменениях магнетизма возбуждается электричество, вернее, его ток. Известно, что магнитные монополи, отображенные в другой формуле Кулона для магнитного взаимодействия, до сих пор не найдены. Нейтроны, протоны, входящие в состав ядер сложнее ядра водорода, обладают магнитными моментами. Другими словами, составные части ядра обладают свойством магнитных диполей – попросту являются крошечными магнитами. Для выявления взаимодействия между магнитными диполями закон Кулона не подходит, но закон их взаимодействия можно установить экспериментально: для этого надо взять два обычных магнита и провести измерения силы их взаимодействия, как функцию расстояния между ними на крутильных (как это делал Кулон) или рычажных весах. Априори можно утверждать, что на близких расстояниях сила взаимодействия не будет определяться по закону обратных квадратов расстояний, а будет подчиняться закону не дальнодействия, а близкого действия. Действительно, с ростом расстояния магнитный диполь будет приобретать свойства тела, не имеющего заметного разделения магнитных полюсов. На близких расстояниях нужны необычно большие усилия для разъединения или соединения двух магнитов в зависимости от их взаимной магнитной полярности. Известно, что ядерные взаимодействия примерно в 1000 раз сильнее сил электромагнетизма. Естественно предположить, что магнитные дипольные моменты могут быть источником сильного взаимодействия в структуре ядер вещества. Этот абзац увел наши рассуждения несколько в сторону от темы, но он имеет принципиальное значение в утверждении об основополагающей роли электричества в Природе.

Итак, введение среды и слабого гравитационного электрического заряда среды и всех материальных тел позволило нарисовать физическую картину гравитационного взаимодействия и объяснить явление инерции. Что еще можно извлечь из такой среды?

Обратимся к свету как к электромагнитному явлению. В источнике либо от нагрева, либо от генератора происходит интенсивное движение реальных зарядов (электронов, ионов и т.п.) в материале источника. Связанные заряды среды, взаимодействуя с носителями заряда источника, по закону Кулона будут вовлекаться в движение: например, электрон источника, колеблясь, вовлечет в параллельное движение поляризованный заряд среды, ориентированный положительной своей частью ближе к электрону, отрицательной – дальше по направлению от электрона источника. Этот процесс многократно будет повторен ближайшими к первому связанному заряду в цепочке связанных зарядов среды. Образуется поперечное движение поляризованных зарядов, названное Максвеллом током смещения. Каждый последовательный ток смещения будет иметь противоположное предыдущему току направление, так как заряды носителей этих токов противоположны по знаку и одинаковы по направлению движения. Магнитные поля таких параллельных токов смещения суммируются. При смене направления движения «первого» электрона источника происходит изменение направления токов смещения, при котором изменяется и направление магнитного поля. Возникает «торможение» скорости распространения поперечных колебаний среды по законам экстратоков. Скорость распространения электромагнитных возмущений в среде оказывается ограниченной и постоянной, не зависящей от источника и зависящей только от электрических и магнитных свойств среды.

Эти свойства обозначены в физике в виде электрической и магнитной проницаемостей. Получили физическую картину излучения и распространения электромагнитного возмущения, которое в обычной физике названо электромагнитной волной. На самом деле, в привычном понимании электромагнитной волны нет, как и нет фотона, а есть «ретрансляция» движения зарядов источника, наподобие строя падающих домино. Что же тогда есть распространение фронта гравитации или, как называют в физике – «гравитационной волны»? Естественное предположение – фронт распространения гравитации – это продольное, ограниченное по амплитуде, перемещение связанных зарядов среды. Источником гравитационного фронта могут быть извержение масс из нечто, в котором до этого вещества не было, быстрое перемещение космических объектов в среде и т.п.

В «черных дырах» на границе «горизонта событий» поляризационная деформация достигает предела прочности и некоторый слой среды разрушается. Это явление названо в физике как «испарение черных дыр». Согласованное движение смещенных зарядов, при котором поляризация направлена вдоль линии, расположенной нормально к поверхности космического объекта, сопровождается согласованными токами смещения одноименных зарядов, происходящими в одном направлении. В этом случае возникающее магнитное поле между токами компенсируется до нуля, а магнитное поле вокруг всех токов смещения суммируется. Однако гравитационная поляризация среды обладает «центральной» структурой в пространстве, что приводит к полному отсутствию «тормозящего» магнитного поля. Это, в свою очередь, приводит к практически бесконечно большой скорости передачи гравитации в отличие от скорости распространения электромагнитного возмущения. Время распространения гравитации от края и до края нашей Вселенной на 100 порядков меньше времени Планка! Вблизи массивных объектов, черных дыр, благодаря большой плотности поляризации среды, снижается скорость распространения гравитации и света, что обычно интерпретируется как замедление времени в теории ОТО.

Представление о существовании среды, способной к поляризации (электрической деформации), приводит к моделированию известного «фотоэффекта» в физическом вакууме (ФВ), при котором электромагнитное возмущение, обладающее частотой, превышающей «красную частотную границу», выбивает из среды, например, пару электрон-позитрон. Согласно представлениям Лэмба (1947 г.) среда вносит определенную разницу в расстояниях перехода электронов атомов водорода и дейтерия, ответственную за тонкую структуру излучения. Постоянная тонкой структуры (число 137) получает новую трактовку как число элементарных зарядов, участвующих при взаимодействиях электромагнитных возмущений со средой. Также объясняется физический смысл «неопределенности и вероятностный характер траекторий элементарных частиц» в микромире.

Новое толкование получает картина некоторых космологических проблем нашей Вселенной при сочетании Кулоновского самоотталкивания заряженной среды (Большой Врыв) и Кулоновского притяжения заряженной среды в присутствии обычного вещества.

Подведем итоги. Введение среды или ФВ в физику является тем ключом, которым можно открыть новую физику в XXI веке. Она будет основана не на пустом пространстве, в котором могут существовать математические особенности и так называемые «материальные» физические поля, а на реальной среде ФВ, которая, согласно утверждениям многих ученых, обладает неограниченными «запасами» энергии. Воспользоваться ими в некоторой степени мешают существующие теории пустого пространства нашей Вселенной.

Электрическое поле

1 Электрический заряд

Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление жидкости и газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий. Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение - гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.

1.Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные тела (имеющие электрический заряд).

2.Гравитационное взаимодействие - это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.

3.Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в 10 42 раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.

Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда q. Электрический заряд - это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы. Единицей измерения заряда является кулон (Кл).

1.1 Два вида заряда

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия - притяжение и отталкивание - удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные.

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды одного знака друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1; подвешенным на нитях шарикам со- общены заряды того или иного знака.

Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих (Единица измерения заряда определяется через единицу измерения силы тока. 1 Кл - это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока в 1 А. ) тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен 1,6 · 10 −19 Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен −1,6 · 10 −19 Кл. Величина e = 1,6 · 10 −19 Кл называется элементарным зарядом . Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела q всегда складывается из целого количества элементарных зарядов: q = ± Ne. Если q < 0, то тело имеет избыточное количество N электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же q > 0, то, наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на N больше.

1.2 Электризация тел

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация - это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.

Один из способов электризовать тело - сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк - отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть - положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением. С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову.

Другой тип электризации называется электростатической индукцией , или электризацией через влияние . В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других - отрицательные.

Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис. 2. На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд q. Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая - положительно. Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3.

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются некомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.

Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней - положительный.

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд - хорошо известная вам молния.

1.3 Закон сохранения заряда

Вернемся, к примеру, электризации трением - натирании палочки тканью. В этом случае палочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после взаимодействия.

Мы видим здесь закон сохранения заряда, который гласит: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими телами:

q1 + q2 + . . . + qn = const.

Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.

При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряженных частиц ушло с палочки - столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элементарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно сохраняется! Например, на рис. 5 показан процесс γ → e − + e +, при котором порция электромагнитного излучения γ (так называемый фотон) превращается в две заряженные частицы - электрон e − и позитрон e +. Такой процесс оказывается возможным при некоторых условиях - например, в электрическом поле атомного ядра.

Рис. 5. Рождение пары электрон–позитрон

Заряд позитрона равен по модулю заряду электрона и противоположен ему по знаку. Закон сохранения заряда выполнен! Действительно, в начале процесса у нас был фотон, заряд которого равен нулю, а в конце мы получили две частицы с нулевым суммарным зарядом.

Закон сохранения заряда (наряду с существованием наименьшего элементарного заряда) является на сегодняшний день первичным научным фактом. Объяснить, почему природа ведёт себя именно так, а не иначе, физикам пока не удаётся. Мы можем лишь констатировать, что эти факты подтверждаются многочисленными физическими экспериментами.

2 Закон Кулона

Взаимодействие неподвижных (в данной инерциальной системе отсчёта) зарядов называется электростатическим . Оно наиболее просто для изучения.

Раздел электродинамики, в котором изучается взаимодействие неподвижных зарядов, называется электростатикой. Основной закон электростатики - это закон Кулона.

По внешнему виду закон Кулона удивительно похож на закон всемирного тяготения, который устанавливает характер гравитационного взаимодействия точечных масс. Закон Кулона является законом электростатического взаимодействия точечных зарядов.

Точечный заряд - это заряженное тело, размеры которого много меньше других размеров, характерных для данной задачи. В частности, размеры точечных зарядов пренебрежимо малы по сравнению с расстояниями между ними.

Точечный заряд - такая же идеализация, как материальная точка, точечная масса и т. д. В случае точечных зарядов мы можем однозначно говорить о расстоянии между ними, не задумываясь о том, между какими именно точками заряженных тел это расстояние измеряется.

Закон Кулона. Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению абсолютных величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Эта сила называется кулоновской . Вектор кулоновской силы всегда лежит на прямой, которая соединяет взаимодействующие заряды. Для кулоновской силы справедлив третий закон Ньютона: заряды действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению.

В качестве примера на рис. 6 показаны силы F1 и F2, с которыми взаимодействуют два отрицательных заряда.

Рис. 6. Кулоновская сила

Если заряды, равные по модулю q1 и q2, находятся на расстоянии r друг от друга, то они взаимодействуют с силой

Коэффициент пропорциональности k в системе СИ равен:

k = 9 · 10 9 Н · м 2 /Кл 2 .

Если сравнивать с законом всемирного тяготения, то роль точечных масс в законе Кулона играют точечные заряды, а вместо гравитационной постоянной G стоит коэффициент k. Математически формулы этих законов устроены одинаково. Важное физическое отличие заключается в том, что гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, а взаимодействие зарядов может быть как притяжением, так и отталкиванием.

Так уж вышло, что наряду с константой k имеется ещё одна фундаментальная константа ε 0 , связанная с k соотношением

Константа ε 0 называется электрической постоянной. Она равна:

ε 0 = 1/4πk = 8,85 · 10 −12 Кл 2 /Н · м 2 .

Закон Кулона с электрической постоянной выглядит так:

Опыт показывает, что выполнен так называемый принцип суперпозиции. Он состоит из двух утверждений:

1. Кулоновская сила взаимодействия двух зарядов не зависит от присутствия других заряженных тел.
2. Предположим, что заряд q взаимодействует с системой зарядов q1, q2, . . . , qn. Если каждый из зарядов системы действует на заряд q с силой F1, F2, . . . , Fn соответственно, то результирующая сила F, приложенная к заряду q со стороны данной системы, равна векторной сумме отдельных сил:

F = F1 + F2 + . . . + Fn

Принцип суперпозиции проиллюстрирован на рис. 7. Здесь положительный заряд q взаимодействует с двумя зарядами: положительным зарядом q1 и отрицательным зарядом q2.

Рис. 7. Принцип суперпозиции

Принцип суперпозиции позволяет прийти к одному важному утверждению.

Вы помните, что закон всемирного тяготения справедлив на самом деле не только для точечных масс, но и для шаров со сферически-симметричным распределением массы (в частности, для шара и точечной массы); тогда r - расстояние между центрами шаров (от точечной массы до центра шара). Этот факт вытекает из математической формы закона всемирного тяготения и принципа суперпозиции.

Поскольку формула закона Кулона имеет ту же структуру, что и закон всемирного тяготения, и для кулоновской силы также выполнен принцип суперпозиции, мы можем сделать аналогичный вывод: по закону Кулона будут взаимодействовать два заряженных шара (точечный заряд с шаром) при условии, что шары имеют сферически-симметричное распределение заряда; величина r в таком случае будет расстоянием между центрами шаров (от точечного заряда до шара).

Значимость данного факта мы увидим совсем скоро; в частности, именно поэтому напряжённость поля заряженного шара окажется вне шара такой же, как и у точечного заряда. Но в электростатике, в отличие от гравитации, с этим фактом надо быть осторожным. Например, при сближении положительно заряженных металлических шаров сферическая симметрия нарушится: положительные заряды, взаимно отталкиваясь, будут стремиться к наиболее удалённым друг от друга участкам шаров (центры положительных зарядов будут находиться дальше друг от друга, чем центры шаров). Поэтому сила отталкивания шаров в данном случае будет меньше того значения, которое получится из закона Кулона при подстановке вместо r расстояния между центрами.

2.2 Закон Кулона в диэлектрике

Отличие электростатического взаимодействия от гравитационного состоит не только в наличии сил отталкивания. Сила взаимодействия зарядов зависит от среды, в которой заряды находятся (а сила всемирного тяготения от свойств среды не зависит). Диэлектриками , или изоляторами называются вещества, которые не проводят электрический ток.

Оказывается, что диэлектрик уменьшает силу взаимодействия зарядов (по сравнению с вакуумом). Более того, на каком бы расстоянии друг от друга заряды ни находились, сила их взаимодействия в данном однородном диэлектрике всегда будет в одно и то же число раз меньше, чем на таком же расстоянии в вакууме. Это число обозначается ε и называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость зависит только от вещества диэлектрика, но не от его формы или размеров. Она является безразмерной величиной и может быть найдена из таблиц. Таким образом, в диэлектрике формулы (1) и (2) приобретают вид:

Диэлектрическая проницаемость вакуума, как видим, равна единице. Во всех остальных случаях диэлектрическая проницаемость больше единицы. Диэлектрическая проницаемость воздуха настолько близка к единице, что при расчёте сил взаимодействия зарядов в воздухе пользуются формулами (1) и (2) для вакуума.

Закон Кулона показывает, что сила электрического взаимодействия проявляется только между двумя заряженными телами. Действительно, если в формуле (10.1) положить , то и при любом значении . Мы знаем, однако, что заряженное тело (например, натертая палочка сургуча) способно притягивать не наэлектризованные тела, например, кусочки бумаги (рис. 21) или металлической фольги.

Рис. 21. Притяжение незаряженных кусочков бумаги к заряженному сургучу

Насадим бумажную или металлическую стрелку на острие, укрепленное на изолирующей подставке так, чтобы стрелка легко могла вращаться на острие. Если вблизи такой стрелки поместить заряженное тело, то она немедленно повернется так, что ось ее будет направлена к заряженному телу (рис. 22). Повернув стрелку рукой и вновь отпустив, мы обнаружим, что она снова возвращается в прежнее положение. Какой конец стрелки окажется обращенным к заряженному телу – дело случая, но никогда стрелка не останавливается так, чтобы ось ее составила заметный угол с направлением па заряженное тело.

Рис. 22. Заряженное тело действует на незаряженную стрелку из металла или из бумаги, поворачивая ее

Для объяснения этих взаимодействий между заряженными и незаряженными телами нужно вспомнить явление индукции (§8) и закон Кулона (§ 10). Все тела (кусочки бумаги, стрелки) вблизи заряженного тела испытывают электризацию через влияние (индукцию), в результате которой имеющиеся в этих телах заряды перераспределяются так, что в одной части тела накапливаются избыточные заряды одного знака, а в другой – другого (рис. 23 и 24).

Рис. 23. Объяснение притяжения заряженным сургучом незаряженных кусочков бумаги

Рис. 24. Объяснение действия заряженного тела на незаряженную стрелку

При этом ближе к влияющему заряженному телу оказываются заряды, знак которых противоположен знаку его заряда; одноименные же заряды скапливаются в избытке на отдаленном конце. Взаимодействие заряда тела с индуцированными (наведенными) зарядами происходит по закону Кулона. Поэтому каждое тело с индуцированными зарядами одновременно и притягивается и отталкивается заряженным телом. Но отталкивание, имеющее место между зарядами, находящимися на большем расстоянии, слабее, чем притяжение. В результате «незаряженные» тела поворачиваются и притягиваются заряженным телом, как это и наблюдается на опыте.

Изучение электрических явлений началось в Древней Греции с наблюдения, которое и породило впоследствии слово электричество. Было замечено, что, если натереть янтарь шерстью, он начинает притягивать мелкие предметы – например, пушинки и перья. Янтарь по-гречески электрон, поэтому этот вид взаимодействия назвали электрическим.

Сегодня любой может повторить этот знаменитый древнегреческий опыт даже без янтаря.

Поставим опыт

Расчешите сухие волосы пластмассовой расческой и поднесите ее к маленьким кусочкам бумаги, не касаясь их. Кусочки бумаги будут притягиваться к расческе (рис. 49.1).

Электрические взаимодействия обусловлены наличием у тел электрических зарядов.

Тело, обладающее электрическим зарядом, называют электрически заряженным (или просто заряженным), а сообщение телам электрических зарядов называют электризацией.

Натертый янтарь приобретает способность к электрическим взаимодействиям по той причине, что при трении он электризуется. Впоследствии выяснилось, что янтарь – не исключение: при трении электризуются многие тела. Вы сами, наверное, не раз чувствовали, как вас "бьет током", когда вы прикасаетесь к другому человеку после того, как сняли или надели шерстяную одежду. Это – тоже результат электризации при трении.

Опыты с наэлектризованными телами – например, с натертыми янтарем или расческой – показывают, что наэлектризованные тела притягивают незаряженные предметы. Ниже мы увидим, что это притяжение обусловлено тоже взаимодействием электрических зарядов.

1. Многие хозяйки, стараясь как можно тщательнее вытереть пыль с мебели, подолгу трут поверхность мебели сухой тряпкой. Но, увы – чем больше они стараются, тем скорее пыль снова садится на»хорошо вытертые» поверхности. То же самое происходит и тогда, когда тщательно протирают сухой тряпкой монитор компьютера или ноутбука. Как это объяснить?

Для получения заряженных тел в школьных опытах по электричеству обычно натирают шерстью эбонитовую палочку или шелком – стеклянную. (Эбонит – твердое вещество черного цвета, состоящее из серы и каучука.) В результате палочки приобретают электрический заряд.

Поставим опыт

Наэлектризуем одну легкую металлическую гильзу (металлический цилиндр), прикоснувшись к ней заряженной. стеклянной палочкой, а другую гильзу – прикоснувшись к ней заряженной эбонитовой палочкой. Мы увидим, что гильзы начнут притягиваться (рис. 49.2, а).
А вот две гильзы, наэлектризованные с помощью одной и той же палочки, будут всегда отталкиваться – независимо от того, какой палочкой мы пользовались для электризации гильз (рис. 49.2, б, в).

Этот опыт показывает, что электрические заряды бывают двух типов: заряды одного и того же типа отталкиваются, а заряды различных типов притягиваются. Чаще говорят не о типах, а о знаках зарядов, называя их положительными и отрицательными. Дело в том, что заряды противоположных знаков могут компенсировать друг друга (подобно тому, как сумма положительного и отрицательного чисел может быть равной нулю). Итак,

электрические заряды бывают двух знаков – положительные и отрицательные.

Заряд стеклянной палочки, натертой шелком, считают положительным, а заряд эбонитовой пилочки, натертой мехом или шерстью, – отрицательным.
Тела, имеющие заряд одного знака, называют заряженными одноименно, а тела, имеющие заряды разных знаков, называют заряженными разноименно.

Описанный выше опыт показал, что

одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные – притягиваются .

2. а) Могут ли заряды трех шариков быть такими, что любая пара шариков взаимно отталкивается? взаимно притягивается?
б) Можно ли определить, не используя других тел или приборов: каков знак заряда каждого шарика? Имеют ли все шарики заряд одного и того же знака?
в) Опишите опыт, с помощью которого можно определить знак заряда каждого шарика.

Тела, не имеющие электрического заряда, называют незаряженными или электрически нейтральными. Почти все окружающие нас тела являются нейтральными. Но это не означает, что в них нет электрических зарядов!

Наоборот, в любом теле содержится огромное число положительно и отрицательно заряженных частиц, Как суммарный положительный заряд, так и суммарный отрицательный заряд этих частиц колоссален (скоро мы в этом убедимся). Но эти положительный и отрицательный заряды с очень большой точностью компенсируют друг друга.

2. Носители электрического заряда

Электрический заряд переносится только заряженными частицами. Электрического заряда без частиц не существует.

Заряженные частицы называют носителями электрического заряда. Если они могут перемещаться в веществе, их называют свободными носителями электрического заряда или просто свободными зарядами.

Чаще других в роли свободных зарядов выступают электроны. Как вы уже знаете из курса физики основной школы, эти очень легкие отрицательно заряженные частицы движутся вокруг массивного (по сравнению с электронами) положительно заряженного атомного ядра. Именно электроны являются свободными носителями заряда в металлах.

Переносить электрический заряд могут и ионы – атомы, которые потеряли или приобрели один или несколько электронов. (От греческого «ион» - странник.) Потерявший электрон (электроны) атом становится положительно заряженным ионом, а атом с избыточным электроном (электронами) – отрицательно заряженным ионом.

Например, в растворе поваренной соли (NaCl) свободными зарядами являются положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные ионы хлора.

3. В какой ион (положительно илн отрицательно заряженный) превращается атом, потерявший электрон?

4. Как изменяется масса атома, когда он становится: положительным ионом? отрицательным ионом?

Наиболее удаленные от ядра электроны слабее связаны с ядром. Поэтому при тесном контакте двух тел электроны могут переходить с одного тела на другое (рис. 49.3). Это объясняет, почему при трении тела часто электризуются.

В результате электризации в одном теле возникает избыток электронов, и поэтому оно приобретает отрицательный электрический заряд, а в другом теле возникает недостаток электронов, вследствие чего оно приобретает положительный заряд.

3. Проводники и диэлектрики

Вещества, в которых есть свободные носители электрического заряда, называют проводниками.

Хорошими проводниками являются все металлы. Проводниками являются также растворы солей и кислот – такие жидкости называют электролитами. (От греческого «литос» - разложимый, растворимый.) Электролитами являются, например, морская вода и кровь.

В металлах свободными зарядами являются электроны, а в электролитах – ионы.

Вещества, в которых нет свободных носителей электрического заряда, называют диэлектриками.

Диэлектриками являются многие пластмассы и ткани, сухое дерево, резина, стекло, а также многие жидкости – например, керосин и химически чистая (дистиллированная) вода. Газы, в том числе воздух, – также диэлектрики.

Хотя в диэлектриках свободных зарядов нет, это не означает, что они не участвуют в электрических явлениях. Дело в том, что в диэлектриках есть связанные заряды – это электроны, которые не могут перемещаться по всему образцу вещества, но могут перемещаться в пределах одного атома или молекулы.

Как мы увидим ниже, это приводит к тому, что диэлектрики существенно влияют на взаимодействие заряженных тел: например, они могут ослабить его в десятки раз.

Именно благодаря смещению связанных зарядов незаряженные диэлектрические тела (например, кусочки бумаги) притягиваются к заряженным телам. Ниже мы рассмотрим это подробнее.

4. Электризация через влияние

Благодаря тому, что в проводниках есть свободные заряды, проводники можно заряжать, даже не прикасаясь к ним заряженными телами. При этом тела заряжаются зарядами противоположных знаков.

Поставим опыт

Соединим проводником две металлические гильзы 1 и 2, лежащие на деревянном столе. Затем, не убирая проводник, поднесем к гильзе 1 положительно заряженную палочку, ке касаясь ею гильзы (рис. 49.4, а). Часть свободных электронов, притягиваясь к заряженной палочке, переместится с гильзы 2 на гильзу 1. В результате гильза 2 станет заряженной положительно, а гильза 1 – отрицательно.

Не удаляя заряженную палочку, уберем проводник, соединяющий гильзы (рис. 49.4, б). Они останутся заряженными, причем их заряды будут равны по модулю, но противоположны по знаку.

Теперь можно убрать и заряженную палочку: разноименные заряды останутся на гильзах.

Этот способ электризации тел называют электризацией через влияние.

Обратите внимание: электризация через влияние обусловлена перераспределением зарядов. Алгебраическая сумма зарядов тел остается при этом равной нулю: тела приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды.

5. Расскажите подробно, как и почему изменился бы результат описанного опыта, если бы сначала удалили заряженную палочку, а потом – проводник, соединяющий гильзы. Проиллюстрируйте ваш рассказ схематическими рисунками.

6. Объясните, почему в описанном выше опыте человек держит металлическую палочку, соединяющую гильзу, за деревянную ручку. Опишите, что произошло бы, если бы при проведении этого опыта человек держал металлическую палочку непосредственно рукой. Примите во внимание„что человеческое тело является проводником.

5. Почему незаряженные тела притягиваются к заряженным?

Выясним теперь, почему незаряженные тела притягиваются к заряженным.

Поставим опыт

Приблизим к незаряженной металлической гильзе положительно заряженную палочку (рис. 49.5). Свободные электроны гильзы притянутся к положительно заряженной палочке, поэтому на ближней к палочке части гильзы появится отрицательный электрический заряд, а на дальней ее части из-за недостатка электронов возникнет положительный заряд.

В результате гильза будет притягиваться к палочке, потому что отрицательные заряды на гильзе находятся ближе к палочке.

7. Объясните, почему незаряженная металлическая гильза притягивается также к отрицательно заряженной палочке.

Итак, незаряженный проводник притягивается к заряженному телу, имеющему заряд любого знака, вследствие перераспределения свободных зарядов в незаряженном проводнике.

8. На рисунке 49.6 показано взаимодействие гильз А и В, а также гильз В и С. Известно, что гильза А заряжена положительно.
а) Можно ли утверждать, что гильза В заряжена? Если да, то каков знак ее заряда?

в) Можно ли предсказать, как будут взаимодействовать гильзы А и С?

Незаряженный диэлектрик тоже притягивается к телу, имеющему заряд любого знака. Объясняется это смещением связанных зарядов в диэлектрике: на поверхности диэлектрика возникают заряды разных знаков, причем ближе к заряженному телу оказываются заряды противоположного с ним знака. Это и приводит к притяжению.

Ниже мы рассмотрим смещение связанных зарядов в диэлектрике подробнее.

6. Роль электрических взаимодействий

Само существование атомов обусловлено электрическим взаимодействием положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

Электрическую природу имеет также взаимодействие атомов и молекул: благодаря ему атомы объединяются в молекулы, а нз атомов и молекул образуются жидкие и твердые тела. Электрическое взаимодействие нейтральных атомов и молекул объясняется неравномерным распределением электрического заряда в них.

Электрическими взаимодействиями обусловлены и многие процессы в живом организме. В частности, электрической является природа импульсов в нервных клетках, в том числе– в клетках головного мозга.

Электрические взаимодействия во много раз интенсивнее, чем гравитационные. Например, сила электрического отталкивания двух электронов превышает силу их гравитационного притяжения примерно в 4 * 10 42 раз. По сравнению с этим огромным числом кажется крошечной даже постоянная Авогадро! В § 50 мы проверим эту сравнительную оценку сил электрического и гравитационного взаимодействия.

Но если электрическое взаимодействие является таким сильным, почему же мы замечаем его вокруг себя так редко?

Дело в том, что практически все окружающие нас тела электрически нейтральны: огромный суммарный положительный электрический заряд атомных ядер с очень большой точностью компенсируется равным ему по модулю суммарным отрицательным зарядом электронов.

Только благодаря этой компенсации мы и не замечаем, насколько велики силы электрического взаимодействия, «спрятанные» внутри вещества.

Эта взаимная компенсация зарядов в окружающих нас телах не означает, однако, что электрические силы никак не проявляют себя, например, в механических явлениях. На самом деле мы неявно учитывали эти силы при изучении механики.

Как вы помните, в механике рассматривают три вида сил – силы тяготения, силы упругости и силы трения. Две из этих сил – сила упругости и сила трения – обусловлены взаимодействием атомов и молекул, из которых состоят тела, а взаимодействие атомов и молекул, как мы уже знаем, имеет электрическую природу.

Дополнительные вопросы и задания

9. Две одинаковые гильзы висят рядом на нитях одинаковой длины. На красной нити висит заряженная гильза, а на синей – незаряженная. Какая нить сильнее отклонена от вертикали?

10. Две металлические гильзы, висящие рядом на нитях, отталкиваются. Как будут взаимодействовать эти гильзы, если коснуться рукой одной из них?
11. На рисунке 49.7 показано, как взаимодействуют гильзы А и В, а также гильзы В и С.
а) Что можно сказать о заряде гильзы В?
б) Что можно сказать о заряде гильзы С?

12. Легкий металлический шарик подвешен между двумя вертикальными металлическими пластинами, заряды которых имеют противоположные знаки (рис. 49.8). Опишите, что будет происходить после того, как шарик коснется одной из пластин.

План урока:

1. Обобщить ранее полученные знания об электризации тел на основе электронной теории.
2. Групповая и индивидуальная работа:

• работа с тестом;
• Создать мини – проекты “Использование статического электричества и борьба с ним”.

3. Мини – конференцию по защите проектов.
4. Итоги урока.
5. Домашнее задание.

На доске.

Цель занятия дл учителя:

Систематизировать и обобщить знания учащихся об электризации тел. На основе электронной теории объяснить процесс электризации тел.

Задачи для учителя:

• создание условий, пробуждающих самообразовательную активность учащихся;
• продолжить развитие умений наблюдать физические явления, проверять теоретические положения с помощью эксперимента, пользоваться приборами;
• акцентировать внимание на необходимости соблюдения техники безопасности для предотвращения пожаров и аварий на производстве и в быту.

Для учащихся:

Цель занятия: вспомнить понятия электрического заряда и его свойств; объяснить явление электризации; рассмотреть практическую направленность полученных знаний.

Задачи:

1. Образовательные:

• На основе электронной теории объяснить процесс электризации тел;
• Изучение практической направленности полученных знаний;
• Формирование мотивации и опыта учебно- познавательной и практической деятельности.

2. Развивающие:

• Способствовать развитию умения анализировать, выдвигать гипотезы, предположения, строить прогнозы, наблюдать и экспериментировать;
• Способствовать развитию логического мышления;
• Развитие умения выражать речью результаты собственной мыслительной деятельности.

3. Воспитательные:

• способствовать формированию научного мировоззрения;
• пробуждать познавательный интерес к предмету и окружающим явлениям;
• развитие способностей к сотрудничеству, общению, работе в коллективе;
• формировать умение критически, но объективно оценивать предметы, явления, поступки и действия (свои и чужие).

Методическая: показать возможность практического применения знаний, полученных на уроках физики.

Методы и приемы:

1. Методы словесной передачи информации и слухового восприятия информации (приемы: беседа, рассказ, дискуссия);
2. Методы наглядной передачи информации и зрительного восприятия информации (приемы: наблюдение, демонстрация опыта, презентация);
3. Методы передачи информации с помощью с помощью практической деятельности и тактильного кинестического его восприятия (экспериментальная работа в группах);
4. Методы стимулирования и мотивации учащихся (приемы: создание проблемной ситуации, проблемное изложение, частично-поисковая деятельность, групповая исследовательская деятельность, создание ситуации успеха, создание ситуации взаимопомощи);
5. Методы контроля (приемы фронтальный опрос, тестирование, самооценка).

Принципы: научности, последовательности, природосообразности, доступности, развития личности, коллективизма.

Средства обучения:

• ПК, проектор, экран;
• электрометры, палочки из оргстекла и эбонита, шерстяные лоскутки, проводник, воронки пластмассовая и металлическая, штатив, пластина из оргстекла, пластмассовая прозрачная коробка с перцем.
• рабочие листы, карточки учета активности работы на уроке, бланки опорных конспектов.

Ход урока.

Здравствуйте.

Сегодня на уроке нам с вами предстоит:

• Обобщить ранее полученные знания об электризации тел на основе электронной теории;
• Поработать с тестом;
• Создать мини – проекты о пользе и вреде электричества. И провести мини – конференцию по защите проектов.

Открываем тетради и записываем тему урока. “Объяснение электрических явлений” (сл. №1) . И так основная задача нашего урока на основе знаний об электроне и строении атома дать объяснение электризации тел при соприкосновении, существование проводников и диэлектриков, а так же объяснить притяжение незаряженных проводников (тел) к заряженным телам.

I. Актуализация знаний.

Но сначала давайте вспомним ряд положений вытекающих из электронной теории.

1. Из чего состоят все тела? (атомов ) сл. №2 (1)
2. Каково строение атома? (положительное ядро состоящее из протонов и нейтронов, вокруг ядра движутся электроны, которые могу покидать свои оболочки ) сл. №2 (2)
3. Каков заряд электрона? (отрицательный ) сл. №2 (3)
4. Каков заряд протона? (положительный ) сл. №2 (4)
5. Тогда получается, что все тела изначально заряжены. (При каком условии тело незаряженное)
6. При каком условии тело будет заряжено положительно?
7. При каком условии тело будет заряжено отрицательно?
8. Следовательно, тело заряжается, когда оно приобретает или теряет электроны.
9. Слайд №3 (1), сл. №3 (2) Каким знаком заряжается эбонитовая палочка? А каким шерсть? (вопросы на слайде)
10. Электроны с шерсти переходят на эбонитовую палочку.
11. Следовательно заряды не создаются, а только разделяются.
12. Почему электроны переходят с шерсти на эбонит, а не наоборот?

II. Объяснение явления притяжения незаряженного тела к заряженному.

13. Посмотрите на рисунок и ответьте, заряжен ли шарик? Если заряжен, какой знак имеет шарик? Ответ обоснуйте.
14. Электрическое поле действует только на заряженное тело.
15. Опыт с незаряженной гильзой. Почему незаряженная гильза сначала притянулась, а затем начала отталкиваться?

И так мы с вами вспомнили ряд положений вытекающих из электронной теории и дали им объяснение. Так же мы с вами выяснили, почему незаряженное тело сначала притягивается к заряженному телу, а затем от него отталкивается.

III. Работа в группах и индивидуально.

Дальнейшая наша работа будет проходить следующим образом. Сейчас мы с вами сформируем 4 группы исследователей, которые начнут работать над проектами, каждая группа будет выполнять свой проект со своей конкретной темой. Но все они созвучны с темой нашей конференции “Использование статического электричества и борьба с ним”. 2 группы делают проекты, которые доказывают, что статистическое электричество может служить человеку и 2 группы делают проекты, которые доказывают, что статистическое электричество может причинять вред, и расскажут, как с ним бороться.

Остальные ребята садятся за компьютеры для выполнения проверочного теста.

• Объясняю, как работать с тестом;
• Иду к группам исследователей. Работа идет в течении 12 минут. Затем все садятся по местам и идет защита проектов.

IV. Защита проектов (10 минут)

А сейчас я всех приглашаю на конференцию “Использование статического электричества и борьба с ним”.

Мы постоянно находимся в океане электрических разрядов, создаваемых многочисленными машинами, станками и самим человеком. Эти разряды, конечно, не такие мощные, как природные молнии, поэтому мы не замечаем их, если не считать лёгких уколов, которые иногда испытываем, коснувшись рукой металлического предмета или другого человека. Но ведь такие разряды существуют и могут так же, как и большие молнии, вызывать пожары и взрывы, приводить к значительным убыткам, повреждениям и увечьям, если мы не будем знать, отчего они возникают и как от них защищаться.

А как от них защититься нам расскажу ребята, выполнявшие проекты о вреде статистического электричества. (заслушивается защита проектов ) Приложение

Но ведь статистическое электричество может служить человеку. Давайте заслушаем защиту проектов по данному вопросу. (заслушивается защита проектов ) приложение 10, 11.

Большое спасибо!

И так ребята сегодня мы с вами еще раз вспомнили, строение атома, какие заряды существуют в природе, как они взаимодействуют, объяснили электризацию тел на основе электронной теории, и выполнили 4 проекта о пользе и вреде статистического электричества.

V. Домашнее задание.

Возможно мы с вами больше не увидимся, поэтому я даю вам задание почаще находиться в области отрицательных ионов, которые будут притягивать к вам “положительных” людей в общении с которыми вы получите положительное настроение и положительные эмоции, такие, которые я приобрела при общении с вами. Я благодарю вас за урок. Желаю удачи на следующих уроках. До свидания!