Проф. В.В.МАЙЕР,
Гоу ВПО ГГПИ им. В.Г.Короленко, г. Глазов, Республика Удмуртия

Электростатика: элементы учебной физики

Валерий Вильгельмович Майер окончил физико-математический факультет Удмуртского ГПИ в 1967 г. С момента публикации первой статьи в журнале «Физика в школе» в 1966 г. основная область интересов – совместная исследовательская деятельность учителя и ученика, направленная на решение конкретных проблем учебной физики, т.е. на разработку новых учебных физических теорий, учебных экспериментов и методик их изучения. Ныне – профессор кафедры физики и дидактики физики, декан физического факультета ГГПИ им. В.Г.Короленко, д.п.н., автор девяти книг и более четырёхсот публикаций в журналах «Успехи физических наук», «Физика в школе», «Квант», «Учебная физика» и в газете «Физика». Руководит научной работой студентов, аспирантов и преподавателей, многие годы непосредственно руководил учебными исследованиями школьников. Один из организаторов ежегодной научно-практической конференции «Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения», ответственный редактор сборников научных работ «Проблемы учебного физического эксперимента», главный редактор журнала «Учебная физика».

ЛЕКЦИЯ 1. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ ТЕЛ

В настоящее время основным источником электричества в учебных экспериментах по электростатике остаётся эбонитовая палочка, натираемая мехом. Нам могут возразить, что ничего подобного, промышленность давно выпускает электрофорные машины и высоковольтные источники питания, которые с успехом используются для изучения электростатических явлений.

Однако упомянутые источники не удовлетворяют основополагающему требованию дидактики физики: их принцип действия даже в общих чертах непонятен учащимся. Игнорирование этого требования вынуждает учащихся принимать физические знания на веру, лишает их возможности самостоятельной познавательной деятельности, ведёт к догматизму в преподавании и в конечном итоге снижает интерес школьников к физике.

Поэтому естественно начать с рассмотрения хорошо известных из школьного курса явлений электризации. Дидактическое исследование этих явлений позволит отработать технику постановки традиционных демонстрационных опытов, сравнить различные способы электризации тел, получить новые источники электричества для учебных экспериментов, организовать познавательную деятельность школьников. Содержание этой и последующих лекций в максимальной степени соответствует школьному курсу физики, поэтому учитель без особых трудностей сможет использовать его в своей повседневной урочной и внеурочной работе.

1.1. Явление электризации тел. Эбонитовой палочкой прикоснёмся к маленьким кусочкам бумаги, лежащим на столе, и поднимем палочку – бумажные кусочки останутся лежать на столе. Это свидетельствует о том, что сила гравитационного взаимодействия между бумажными кусочками и палочкой недостаточна для притяжения их к палочке.

Потрём эбонитовую палочку о мех (или шёлк) и поднесём её к тем же кусочкам бумаги – они подскочат и прилипнут к палочке, а спустя некоторое время, отскочат от неё.

Значит, в результате соприкосновения и трения о мех (или шёлк) эбонитовая палочка приобрела новое качество, выражающееся, в частности, в том, что она стала способной притягивать к себе лёгкие тела с силой, значительно превышающей силу гравитационного притяжения. Тела, соприкоснувшиеся с потёртой о мех эбонитовой палочкой, приобретают способность притягиваться и отталкиваться от неё. Наблюдаемые явления и есть электризация тел. При электризации тела приобретают электрический заряд.

Если поднести потёртую о мех палочку к щеке, возникнет ощущение прикосновения к лёгкой паутине. Прикоснувшись в темноте к натёртой мехом эбонитовой палочке, мы увидим слабую искру и услышим лёгкий треск. Всё это проявления электризации тел.

1.2. Любые тела взаимодействуют с наэлектризованными телами и сами электризуются.

Наэлектризуем эбонитовую палочку, например, трением о мех, и поднесём её к уравновешенному на острой опоре деревянному стержню – стержень повернётся и притянется к палочке. После соприкосновения с наэлектризованной палочкой стержень оттолкнётся от неё.

В стенке пластмассового сосуда закрепим сопло с тонким отверстием и нальём в сосуд воду. Поднесём к вытекающей из сопла струе наэлектризованную эбонитовую палочку и обнаружим, что струя и капли воды притягиваются к палочке и отталкиваются друг от друга.

В стеклянный сосуд с трубкой в днище, насыпем немного медных стружек, зальём их азотной кислотой и закроем крышку сосуда. Из отверстия будет выходить бурая струя оксида азота NO₂. Поднесём к ней наэлектризованную палочку и обнаружим, что газовая струя притягивается к палочке.

Эта серия опытов доказывает, что газы, жидкости и твёрдые тела взаимодействуют с наэлектризованными телами и сами электризуются.

1.3. Проводники и изоляторы.

Наэлектризуем эбонитовую палочку и прикоснёмся ею к одному концу эбонитового стержня, другой конец которого находится возле легкоподвижных тел, например, кусочков бумаги. Обнаруживаем, что притяжение этих тел к эбонитовому стержню отсутствует. Значит, эбонит не передаёт электрический заряд, т.е. не проводит электричество. Подобные вещества называют диэлектриками или изоляторами.

К металлическому стержню прикрепим эбонитовую ручку, которая не проводит электричество и за которую можно держать стержень. Приблизим конец металлического стержня к легкоподвижным телам, а к другому концу прикоснёмся наэлектризованной эбонитовой палочкой – лёгкие тела притянутся к концу стержня. Значит, металлы проводят электричество, т.е. являются проводниками.

1.4. Электроскоп – прибор, позволяющий обнаружить даже слабую электризацию тел.

Внутрь прозрачного сосуда из хорошего изолятора введём металлический стержень, на верхнем конце которого закреплён небольшой шарик, а на нижнем – тонкие лёгкие лепестки из проводника. Поднесём к шарику наэлектризованное тело и обнаружим, что лепестки расходятся, свидетельствуя о наличии электричества. Поэтому прибор называют электроскопом. Электроскоп, снабжённый шкалой, позволяет судить о степени электризации тел, поэтому называется электрометром.

1.5. Два вида электричества.

Подготовим три одинаковые эбонитовые палочки. Палочку 1 подвесим на нити так, чтобы она могла легко поворачиваться, и потрём о мех. Палочку 2 потрём также о мех, а палочку 3 – о шёлк. Приближая две другие палочки к первой, обнаружим, что подвешенная палочка 1 отталкивается от палочки 2 и притягивается к палочке 3. Но палочка 2 наэлектризована так же, как палочка 1, а палочка 3 наэлектризована не мехом, а шёлком.

Отсюда следует, что существует электричество двух видов, причём одноимённо наэлектризованные тела отталкиваются, а разноимённо наэлектризованные – притягиваются.

К висящей на нити наэлектризованной эбонитовой палочке 1 прикоснёмся палочкой 2, наэлектризованной одноимённо, – отталкивание между палочками не уменьшится. Сколько бы мы ни приводили в соприкосновение одноимённо заряженные палочки, они всё равно будут отталкиваться.

Если к висящей наэлектризованной палочке 1 прикасаться палочкой 3, наэлектризованной разноимённо с ней, то после каждого касания притяжение будет уменьшаться, пока не исчезнет совсем. Из опыта следует, что разноимённые электричества способны нейтрализовать друг друга, поэтому одно из них называют положительным, а другое – отрицательным. Для определённости принято считать, что трением о шёлк эбонитовая палочка электризуется положительно, а трением о мех – отрицательно.

1.6. Модели физической теории электричества. В чём физическая сущность явления электризации тел? Чем объясняется это явление? Почему при трении двух разных тел друг о друга происходит электризация?

Ответ на этот вопрос можно получить только в рамках теоретической модели. На заре изучения электричества одна из таких моделей была предложена американским учёным Б.Франклином. Он полагал, что электричество представляет собой особую жидкость. Пользуясь этой моделью, удалось объяснить целый ряд явлений, но ещё больше явлений не укладывались в её рамки.

В настоящее время физики придерживаются совершенно другой модели. В основе её надёжно установленный экспериментально факт: вещество состоит из нейтральных атомов, сами атомы состоят из заряженных частиц, все существующие электрические заряды кратны наименьшему, или элементарному, заряду. Положительный элементарный заряд несёт элементарная частица протон – ядро атома водорода. Равным ему по модулю отрицательным зарядом обладает другая элементарная частица – электрон.

В состав атома входят элементарные частицы трёх сортов: нейтральные нейтроны, положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Заряды электронов и протонов по модулю равны, но противоположны по знаку. Масса нейтрона и масса протона почти одинаковы и примерно в 1836 раз больше массы электрона. Протоны и нейтроны образуют ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Ядро атома стабильно благодаря полю ядерных сил, которое действует между его частицами и удерживает одноимённо заряженные протоны от разлёта. В целом атом пуст, т.к. радиус ядра примерно в 10 000 раз меньше радиуса атома. Но в объёме движутся отрицательно заряженные электроны. Их ровно столько, сколько протонов в ядре, поэтому суммарный отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд ядра, и атом в целом нейтрален.

На рисунке в качестве примера схематически изображены стакан с жизненно важным для нас веществом – водой; молекула воды H₂O; атомы водорода Н и кислорода О, из которых состоит молекула воды; электроны e и ядра, из которых состоят атомы; протоны p и нейтроны n, из которых состоят ядра.

Чтобы построить и обосновать эту модель, многим поколениям учёных потребовалось почти триста лет напряжённой работы. Учащиеся должны не только понять и запомнить добытое ими знание, но, главным образом, усвоить метод, каким оно получено. Поэтому основной задачей учителя является теоретическое и экспериментальное обоснование справедливости кратко представленной здесь модели. Иными словами, вы должны уметь доказать каждое её положение или следствие. Например, положение, что в состав атома действительно входят электроны или что электроны несут на себе элементарный заряд, меньше которого не существует, и т.д.

Конечно, можно было бы начать с модели Франклина и повторить весь путь, пройденный физической наукой. Но это долгий и нелёгкий путь, который ведёт в никуда. Школьникам нужно двигаться вперёд, чтобы как можно быстрее оказаться на уровне современной физики. Вот почему необходимо сразу начать с современной теоретической модели. Её нельзя просто выучить, т.к. школьник не сможет понять, каким образом она была получена, а значит, не будет способен строить новые модели, в которых нуждаются вновь открытые явления. Именно поэтому основная цель изучения электрических явлений – обоснование этой теоретической модели. Такое обоснование в физике может быть только экспериментальным. Выполняя эксперименты, необходимо понимать и описывать их результаты, а для этого, конечно, нужен особый физический язык. Но его может дать только теоретическая модель. Если отказаться от современной теоретической модели при изучении явлений электродинамики, то результаты экспериментов придётся описывать на языках устаревших моделей. Это нас никоим образом не устраивает, значит, без современной теоретической модели строения вещества нам никак не обойтись.

Итак, единство теории и эксперимента – вот залог успеха в овладении физическим знанием и в усвоении метода, которым оно было получено.

1.7. Электризация соприкосновением. В рамках изложенной модели электризация трением или соприкосновением может быть объяснена следующим образом. Все вещества состоят из атомов и молекул. Отрицательные заряды электронов в точности компенсируют положительные заряды ядер атомов. Поэтому в целом вещество нейтрально, т.е. имеет суммарный электрический заряд, равный нулю.

Однако степень связи электронов в атомах разных веществ различна. При соприкосновении тел часть электронов, слабо связанных с атомами вещества одного тела, переходит к атомам другого. При этом первое тело приобретает избыточный положительный, а второе – избыточный отрицательный заряд. Трение при электризации просто увеличивает число соприкасающихся участков различных тел.

1.8. Электризация через влияние (электростатическая индукция).

К продолговатому проводнику с закруглёнными концами вблизи концов и в его центре подвесим три одинаковые пары лёгких проводящих лепестков. К одному из концов проводника поднесём заряженное тело. При этом обнаружим, что лепестки на концах проводника разошлись, а в центре остались вместе. Уберём заряженное тело – все лепестки опять опадут. Итак, при поднесении заряженного тела проводник в целом остаётся нейтральным, но на его концах возникают заряды.

Одновременно с заряженным телом поднесём поочерёдно на нити к концам проводника пробный заряд того же знака, какой имеет заряженное тело. Обнаружим, что от дальнего конца проводника он отталкивается, а к ближнему – притягивается. Значит, расположенный вблизи заряженного тела проводник, оставаясь нейтральным, на ближайшем к телу конце приобретает заряд противоположного, а на удалённом конце – одноимённого с зарядом тела знака.

1.9. Наличие в проводнике сводных носителей заряда.

Шары одинаковых электрометров соединим металлическим стержнем, снабжённым ручкой из диэлектрика. К одному из шаров, например, левому, поднесём заряженную эбонитовую палочку. При этом стрелки электрометров отклонятся. Шары разомкнём и затем уберём заряженное тело. Стрелки обоих электрометров останутся отклонёнными на равные углы. Если эбонитовой палочкой коснуться левого электрометра, его показания уменьшатся, следовательно, он заряжен положительно. Если той же палочкой коснуться правого электрометра, его показания увеличатся, значит, он заряжен отрицательно.

Таким образом, под действием внешнего электрического заряда в нейтральном проводнике произошло разделение зарядов. Отсюда следует, что в проводнике имеются свободные носители заряда. Так как после отделения проводника обе части оказались заряженными противоположно, то, видимо, в проводнике произошло перераспределение свободных заряженных частиц.

1.10. Электризация давлением. Кроме рассмотренных способов электризации существует ещё один доступный способ получения электричества – электризация давлением, или пьезоэлектрический эффект (от гр. – давлю). Суть этого явления заключается в том, что при деформации некоторых кристаллов на их противоположных гранях появляются электрические заряды противоположных знаков. Если деформация прекращается, заряды на гранях исчезают.

На рисунке схематически изображена ячейка кристалла кварца SiO₂: положительно заряженные ионы кремния вместе с отрицательно заряженными ионами кислорода образуют симметричный шестигранник.

В силу симметрии расположения одинаковых по модулю зарядов ячейка в целом электрически нейтральна. Кристалл находится между параллельными проводящими пластинами (электродами) – проводниками, соединёнными с проводящими шариками (полюсами источника). В настоящее время вместо кварца используют более доступные и эффективные пьезоэлектрические материалы. В частности, в пьезоэлектрических зажигалках применяется пьезокерамика, полученная спеканием мелких пьезокристаллов, выращенных искусственно.

На рисунке показано, как модернизированная пьезоэлектрическая зажигалка может быть использована в качестве источника электричества в демонстрационных опытах.

Исследование 1.1. Учебный эксперимент для урока физики

Задание. Детально разработайте технику постановки на уроках физики демонстрационных вариантов описанных выше опытов, показывающих существование явления электризации, электризацию твёрдых, жидких и газообразных тел, существование проводников и изоляторов, двух видов электричества, наличие в проводниках свободных носителей заряда.

Оцените время, необходимое для демонстрации экспериментов, усвоения учащимися их условий и анализа полученных результатов. Разработайте оптимальную методику изучения физических явлений, обеспечивающую формирование понятия «электрический заряд».

Исследование 1.2. Электризация соприкосновением

Информация. В школьных опытах по электростатике для получения небольшого отрицательного заряда эбонитовую палочку натирают мехом, а для получения положительного заряда стеклянную палочку натирают шёлком.

Проблема. Неужели и в наши дни эбонит и мех, стекло и шёлк – это наилучшие материалы для взаимной электризации соприкосновением или трением? Можно ли в учебном эксперименте доказать, что электризация тел действительно происходит в соответствии с изложенной теорией?

Задание. Исследуйте окружающие вас естественные и искусственные вещества, стараясь найти более совершенные источники электричества. Определите знаки возникающих при электризации соприкосновением зарядов.

Вариант выполнения. Пенопласт и прозрачные полимерные плёнки (полиэтилен, целлофан) даже в условиях повышенной влажности хорошо электризуются шерстью. В опытах удобно использовать, например, пенопластовую пластину, вырезанную из упаковки от бытовой техники, и шерстяную варежку. При натирании шерстью пенопласт приобретает отрицательный заряд, в чём нетрудно убедиться, имея мех и эбонитовую палочку. Способ определения знака заряда показан на рисунке (1 и 2 – электрометры с положительным и отрицательным зарядами, 3 – наэлектризованная шерстью пластина пенопласта).

Исследование 1.3. Жидкие и газообразные проводники

Задание. Докажите, что некоторые жидкости и газы являются хорошими проводниками.

Вариант выполнения. Зарядите электроскоп и прикоснитесь к его шарику белой ниткой – листочки не опадают. Теперь смочите нитку водой и вновь прикоснитесь к электроскопу. Объясните наблюдаемое явление.

Из полиэтиленовой плёнки вырежьте полоску размером 2  20 см. Сложите полоску пополам, место сгиба держите в левой руке, а пальцами правой сожмите лепестки полоски и проведите сверху вниз. Вы обнаружите, что висевшие рядом лепестки полоски разойдутся, оттолкнувшись друг от друга. Значит, в результате трения произошла электризация полиэтиленовых лепестков, и они приобрели одноимённые заряды. Так как лепестки не опадают, одноимённые заряды на них сохраняются, т.е. воздух не проводит электричество.

На расстоянии 20–30 см от заряженных полиэтиленовых лепестков зажгите пламя газовой зажигалки. Лепестки немедленно опадут. Значит, воздух стал проводить электричество. Это объясняется тем, что в пламени при высокой температуре появляются свободные носители заряда: отрицательные электроны и положительные ионы. Именно они делают воздух проводником.

Исследование 1.4. Индикатор движения электрических зарядов

Информация. Предыдущее исследование показало, что при определённых условиях сухой воздух становится проводником электричества. Известно, что электрические заряды могут перемещаться и сквозь разреженные газы. Промышленность выпускает так называемые неоновые лампы – стеклянные баллоны с двумя электродами, заполненные неоном при низком давлении. Если неоновую лампу через постоянный резистор подключить к регулируемому источнику, то при небольших напряжениях ток через неё не пойдёт. По достижении так называемого напряжения зажигания газ в лампе начинает светиться, причём свечение происходит возле катода. По мере увеличения напряжения увеличивается площадь катода, которая светится. Если убрать балластный резистор, в лампе возникнет дуговой разряд, и она прекратит своё существование.

Проблема. Нельзя ли использовать неоновую лампу в опытах по электризации тел?

Задание. Докажите, что неоновая лампа может выполнять функцию индикатора движения электрических зарядов, т.е. индикатора электрического тока.

Вариант выполнения. Для решения проблемы в принципе подойдёт любая неоновая лампа, но мы предпочитаем лампу типа ВМН-02. Это стеклянный цилиндр диаметром 5 мм и длиной 40 мм, заполненный неоном при низком давлении и снабжённый двумя электродами в виде изогнутых стержней. Электроды изнутри соединены с металлическими колпачками, которые расположены снаружи на концах цилиндра и представляют собой выводы лампы.

Наэлектризуйте трением эбонитовую палочку и, взяв неоновую лампу за один вывод, другим прикоснитесь к поверхности палочки – вы увидите кратковременную вспышку света. Прикоснитесь неоновой лампой к эбонитовой палочке в другом месте, и вы вновь увидите вспышку. Из опыта следует, что наэлектризованное тело вызывает свечение неона. Но почему оно происходит?

Зарядите шар электрометра и прикоснитесь к нему одним выводом неоновой лампы, держа другой в руке. При этом произойдёт довольно яркая вспышка лампы, и электрометр потеряет заряд. Из опыта следует, что свечение неона происходит тогда, когда через него проходит электрический заряд. Таким образом, неоновая лампа может служить индикатором движения заряда. Чтобы окончательно убедиться в этом, держите неоновую лампу в руке за один вывод, а к другому медленно приближайте наэлектризованную палочку. Никакого свечения при этом не происходит. Теперь быстро переместите заряженную палочку вблизи вывода неоновой лампы, не касаясь её, – вы увидите свечение газа.

Исследование 1.5. Электрофор

Информация.

На рисунке показана последовательность действий, приводящая к электризации через влияние металлического шара, установленного на электрометре. Эта последовательность знакома любому учителю, проводящему демонстрационные опыты по электростатике. Но далеко не всегда внимание учащихся обращают на тот факт, что при электризации через влияние заряд наэлектризованного тела не расходуется.

Проблема. Рассмотренные опыты по электростатической индукции показывают, что однажды наэлектризованное тело в состоянии обеспечить многократную электризацию других тел. Нельзя ли использовать это явление для создания простого и надёжного источника электричества?

Задание. Используя современные материалы, доступные любому школьнику, сконструируйте простой прибор, обеспечивающий многократную электризацию, например, металлической пластины.

Вариант выполнения.

На сухой пластиковый стакан положите металлический диск, например, алюминиевую крышку. Шерстяной рукавицей наэлектризуйте целлофановую плёнку. Наложите плёнку на диск и поднесите к его краю согнутый палец – проскочит искра. Снимите плёнку с диска и вновь поднесите к нему палец – снова проскочит искра. Наэлектризовав плёнку один раз, опыт можно повторять многократно.

Результат эксперимента объясняется тем, что при наложении на металлическую пластину наэлектризованной полимерной плёнки в пластине происходит перераспределение зарядов. На ближайшей к плёнке поверхности пластины появляется заряд противоположного знака, а на удалённой от плёнки поверхности пластины появляется заряд того же знака, которым наэлектризована плёнка. Прикоснувшись к пластине пальцем, отводим этот заряд того же знака, что и заряд плёнки, на землю. Сняв полимерную плёнку с металлической пластины, на пластине оставляем заряд противоположного знака, чем тот, который несёт наэлектризованная плёнка.

Если прикоснуться непосредственно к поверхности наэлектризованной плёнки, то появится слабая искра или её вообще не будет. Это объясняется тем, что плёнка из диэлектрика несёт связанные заряды, которые не могут свободно перемещаться по ней. В проводящей наэлектризованной пластине находится свободный заряд, который в принципе можно полностью передать другому телу.

Рассмотренный прибор является современной версией старинного прибора под названием электрофор.

Если же замкнуть полюсы проводником или продолжить сжатие кристалла до тех пор, пока между полюсами источника не проскочит искра, то система уже не сможет вернуться в исходное состояние. Дело в том, что при разряде источника заряды на полюсах нейтрализуют друг друга. Снятие деформации приводит к тому, что кристалл вновь становится нейтральным, а оставшиеся на пластинах заряды переходят на полюсы, но их полярность изменяется на противоположную: теперь положительным станет верхний полюс, а отрицательным – нижний.

Таким образом, при работе с пьезоэлектрическим источником электричества нужно помнить, что если давление вызывает появление на полюсах источника зарядов определённой полярности, то снятие давления приводит к исчезновению этих зарядов. Однако если давление продолжается до тех пор, пока не произойдёт разряд или кратковременное соединение электродов проводником, то снятие давления приведёт к смене полярности источника.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. В чём физическая сущность явления электризации тел?

2. Почему твёрдые, жидкие и газообразные тела электризуются?

3. Как доказать, что существуют проводники и изоляторы, не вводя понятия электрического тока?

4. В чём суть экспериментального доказательства существования двух видов электричества?

5. Нужна ли учащимся на начальном этапе изучения электростатики современная теоретическая модель строения вещества?

6. Почему при соприкосновении тел происходит их взаимная электризация? Покажите, что общепринятое в учебной литературе теоретическое объяснение электризации тел соприкосновением небезупречно как с физической, так и с дидактической точек зрения.

7. В чём суть явления электростатической индукции?

8. Как доказать, что в проводнике действительно имеются свободные носители заряда?

Литература

Майер В.В. Пьезоэлектрический источник для опытов по электростатике. – Физика в школе, 1994, № 6.

Майер В.В., Майер Р.В. Наблюдение электростатической индукции. – Квант, 1987, № 12.

Майер В.В. Электризация давлением в школьном курсе физики. – Учебная физика, 2004, № 1.

Мэрион Дж.Б. Физика и физический мир. – М.: Мир, 1975.

Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика: Электродинамика. 10–11 кл.: Учеб. для углублённого изучения физики. – М.: Дрофа, 2002.

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика: Учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2004.

Орир Дж. Популярная физика. – М.: Мир, 1969.

Проказов А.В. Пенопласт в опытах по электростатике. – Учебная физика, 2001, № 3.