Почему волосы тянутся к расчёске?

Физика 8 · Урок 17

Путешествие вдоль одного длинного стола: от куска янтаря древних греков до кристалла кремния. По дороге выясним, что такое электрический заряд, какими бывают заряды и как узнать, есть ли заряд у тела.

Главный вопрос

Ты расчесал сухие чистые волосы пластмассовой расчёской. Теперь стоит поднести её к голове, и волосы тянутся за ней. Но есть и вторая странность: волоски торчат во все стороны, словно отталкиваются друг от друга.

Итак, два наблюдения. Первое: волосы притягиваются к расчёске. Второе: волоски отталкиваются друг от друга. Почему так происходит и как это связано?

Вспомним то, что уже известно. Тела состоят из частиц, а о веществе судят по наблюдению и опыту. Хороший опыт честен: в нём меняют только одно условие, а остальные оставляют прежними. Так мы и будем действовать на каждой остановке нашего стола.

Электризация

Первая остановка — около 600 года до нашей эры. Древние греки заметили: если потереть кусок янтаря о шерсть, он начинает притягивать лёгкие предметы — пушинки, соломинки, обрывки ткани. По-гречески янтарь называется «электрон». Отсюда пришли слова «электричество» и «электрический заряд».

Есть красивая легенда. Дочь философа Фалеса Милетского пряла нитки янтарным веретеном и вытирала его шерстяной тканью. Она заметила: чем сильнее трёшь, тем больше ворсинок прилипает к веретену. Это именно легенда, но наблюдение в ней верное.

Повторим опыт на современных предметах. Стеклянную палочку потёрли листом бумаги, и она притягивает кусочки бумаги. А теперь самое интересное: лист, которым тёрли, тоже притягивает лёгкие предметы. Значит, при трении электризуются оба тела, а не только то, которое мы держим в руке.

Контрольная проба: до трения ни палочка, ни бумага ничего не притягивали. Значит, причина — именно соприкосновение и трение.

Важно: электризуются два разнородных тела при тесном соприкосновении. Трение нужно лишь для того, чтобы увеличить площадь тесного контакта.

Определения

Электризация — это сообщение телу электрического заряда. Электрический заряд — физическая величина; его обозначают буквой q, а измеряют в кулонах (Кл). Единица названа в честь французского физика Шарля Кулона (1736–1806). Точное определение кулона дадим позже.

Как устроен заряд внутри вещества, выясним на следующем уроке. Пока говорим так: тело получает заряд, заряд передаётся от тела к телу.

Гильберт и версор

Следующая остановка — 1600 год. Английский врач и исследователь Уильям Гильберт выпустил книгу, в которой показал: притягивать лёгкие предметы после трения умеет не только янтарь. Так же ведут себя стекло, сера, сургуч, горный хрусталь и многие другие вещества.

Гильберт сделал и первый прибор для обнаружения заряда — версор. Это лёгкая металлическая стрелка, насаженная на острие, как стрелка компаса. Поднесёшь к ней наэлектризованное тело — стрелка повернётся к нему.

У Гильберта осталась загадка. Куски металла, которые он держал в руке и тёр, не электризовались, и он решил, что металлы «неэлектрические». Ошибка объяснится на следующей остановке: заряд с металла просто уходил через руку.

Ещё одно ограничение: версор показывает только, что заряд есть, но не его знак.

Проводники и диэлектрики

Остановка 1729 года. Англичанин Стивен Грей проверял, можно ли передавать заряд на расстояние. Он потёр стеклянную трубку, и заряд по пеньковой верёвке прошёл на расстояние больше 200 метров. Но верёвка при этом висела на шёлковых нитях. Когда Грей заменил шёлк латунными проволочными подвесами, опыт не удался: заряд уходил через проволоку.

Из этого опыта выросла важная классификация.

Определения

Проводники — вещества, которые передают заряд: металлы, графит, растворы солей и кислот (их называют электролитами), тело человека, влажные предметы.

Диэлектрики, или непроводники, заряд не передают: стекло, фарфор, эбонит, янтарь, резина, шёлк, дистиллированная вода, сухой воздух. Тела из диэлектриков называют изоляторами.

Оговорка про воду. Чистая дистиллированная вода почти не проводит заряд, а вот водопроводная и особенно солёная проводят хорошо. Поэтому «вода — проводник» верно только для обычной воды.

Теперь разгадка Гильберта. Металлический стержень тоже можно наэлектризовать, если держать его не в руке, а за изолирующую ручку. Тогда заряду некуда уходить.

Безопасность

Опыты со статическим электричеством на уроке безопасны. Но никаких опытов с розеткой, проводами сети и бытовыми приборами: только со взрослыми и не по этой странице. Вода и мокрые руки рядом с электроприборами опасны именно потому, что обычная вода — проводник.

Два рода зарядов

Остановка 1733 года. Француз Шарль Дюфе заметил странное. Он подвесил на нити эбонитовую палочку, потёртую о шерсть, и поднёс к ней вторую такую же. Палочки оттолкнулись. Но стеклянная палочка, потёртая о шёлк, подвешенную эбонитовую притянула.

Дюфе сделал вывод: бывает два рода электричества, «стеклянное» и «смоляное». Наэлектризованные тела делятся на две группы. Внутри группы тела отталкиваются, а тела из разных групп притягиваются.

Закон взаимодействия зарядов

Заряды одного знака отталкиваются, заряды разных знаков притягиваются. Силы действуют на оба тела: взаимодействие всегда взаимно.

Названия «положительный» и «отрицательный» около 1747 года ввёл американец Бенджамин Франклин. Договорились так: заряд стеклянной палочки, потёртой о шёлк, называть положительным (+), а заряд эбонитовой палочки, потёртой о шерсть или мех, — отрицательным (−).

Это именно договорённость. Один знак не «лучше» другого и не «сильнее»: можно было бы назвать их наоборот, и физика не изменилась бы.

Небольшое замечание: эбонит — твёрдая резина, она появилась в XIX веке. Дюфе работал со смолами и янтарём, а эбонит в наших опытах заменяет «смоляное» электричество.

Ловушка притяжения

Здесь самая частая ошибка. Притяжение ещё не доказывает, что тело заряжено. К заряженному телу притягиваются и совсем незаряженные лёгкие тела: бумажки, пушинки. Поэтому о притяжении нужно судить осторожно.

Надёжный признак только один: если два тела отталкиваются, то заряжены оба, причём одноимённо. Если же они притягиваются, возможны два случая: заряды разноимённые либо одно из тел не заряжено.

Как проверить неизвестное тело? Нужны два эталона: стеклянная палочка (+) и эбонитовая (−).

Почему же незаряженное тело всё-таки притягивается к заряженному? Объясним, когда узнаем, как устроен заряд внутри вещества: это тема следующего урока.

Электроскоп и электрометр

Остановка 1787 года. Сначала простой опыт. Лёгкую гильзу из фольги подвесили на нити и зарядили эбонитовой палочкой. Гильза оттолкнулась от палочки, а к стеклянной палочке притянулась. Вывод: при соприкосновении заряд передаётся от одного тела к другому.

На этом свойстве построен электроскоп — прибор для обнаружения заряда. В стеклянной банке стоит пробка, а через неё проходит металлический стержень. Сверху у стержня шарик, внизу два лёгких листочка из фольги.

Коснись шарика заряженным телом. Заряд по стержню дойдёт до листочков. Оба листочка получат заряд одного знака и разойдутся.

У каждой детали своя роль. Стержень — проводник, он несёт заряд к листочкам. Пробка и стекло — изоляторы, они не дают заряду уйти. Листочков два: одному листочку не от чего отталкиваться.

Электрометр устроен похоже, но стрелка и стержень помещены в металлический корпус со шкалой. Чем больше заряд, тем больше угол отклонения стрелки.

Немного истории. В 1745 году в Петербурге Георг Рихман сделал «электрический указатель» со шкалой: льняная нить висела у металлической линейки. А электроскоп с золотыми листочками создал англичанин Абрахам Беннет в 1787 году.

Разрядка прибора. Коснись шарика стеклянной палочкой: ничего не изменится, стекло — диэлектрик. Коснись рукой или проволокой, соединённой с землёй: стрелка опустится. Заряд ушёл через проводник в Землю. Земля огромна, и она может принять почти любой заряд, поэтому говорят «заземлить».

Как узнать знак

Один взгляд на отклонение стрелки знака не показывает: и «+», и «−» отклоняют её одинаково. Знак можно найти хитростью.

1. Зарядить электрометр известным зарядом «+»: стеклянной палочкой, потёртой о шёлк.
2. Коснуться шарика исследуемым телом.
3. Посмотреть на угол. Если угол вырос, заряд того же знака, то есть «+». Если угол уменьшился, знак противоположный — «−». Если угол не изменился, тело не заряжено.
4. Между пробами разрядить прибор рукой и зарядить заново.

Пример в условных единицах учебной модели. Электрометр заряжен до 4 делений. Коснулись ручкой, потёртой о ткань, и стало 2 деления. Угол уменьшился: заряд ручки отрицательный. Если бы коснулись стеклянной палочкой, стало бы 6 делений.

Полупроводники

Последняя остановка — 1947 год. Между проводниками и диэлектриками есть ещё один класс веществ — полупроводники. Их способность передавать заряд сильно зависит от условий: температуры и освещённости.

Кремний и германий в обычных условиях ведут себя как диэлектрики, а при нагревании или освещении проводят заметно лучше. Первый транзистор в 1947 году сделали из германия. Сегодня микросхемы изготавливают из кремния.

Оговорка: в нашем уроке показана упрощённая учебная модель с двумя состояниями — «не проводит» и «проводит».

Ответ на главный вопрос

Вернёмся к зеркалу. Расчёска и волосы — два разнородных тела. При расчёсывании электризуются оба и получают заряды противоположных знаков. Поэтому волосы тянутся к расчёске.

Одновременно все волоски получили заряд одного знака. Одноимённые заряды отталкиваются, и волоски расходятся веером.

Тот же ответ объясняет и другие случаи:

• потрескивание и искры при снимании свитера;
• шарик, потёртый о шерсть, прилипает к стене;
• опилки оргстекла прилипают к ножовке.

Типичные ошибки

• «Притянулось — значит, заряжено противоположно». Правильно: притянуться может и незаряженное тело; надёжно только отталкивание.
• «Электризуется только то тело, которое трут». Правильно: электризуются оба тела, например и палочка, и бумага.
• «Электроскоп показывает знак заряда». Правильно: листочки расходятся одинаково при любом знаке; знак находят сравнением с известным зарядом.
• «Металл нельзя наэлектризовать». Правильно: можно, если держать его за изолирующую ручку; иначе заряд уходит через руку.
• «Плюс — это хорошо, минус — плохо» или «плюс сильнее». Правильно: знаки лишь договорённость, и ни один не лучше другого.
• «Вода всегда проводник». Правильно: дистиллированная вода почти не проводит, а обычная водопроводная и солёная проводят.

Примеры и самопроверка

Разобранный пример 1. Два одинаковых лёгких шарика висят на шёлковых нитях. Один заряжен, другой нет. Как узнать, какой заряжен? Если поднести их друг к другу, притянутся оба, и различить их не получится. Поднесём к каждому незаряженную бумажку (или палец). Бумажка притянется только к заряженному шарику.

Разобранный пример 2. Определим знак заряда по картине сил. Тело 1 отталкивается от стеклянной палочки (+): значит, оно заряжено одноимённо с ней, то есть положительно. Тело 2 отталкивается от эбонитовой палочки (−): значит, его заряд отрицательный. Тело 3 притягивается к обеим палочкам: оно не заряжено.

Что такое электризация?

Сообщение телу электрического заряда; при трении электризуются оба тела.

Почему греки называли янтарь «электроном» и при чём тут слово «электричество»?

По-гречески янтарь — «электрон»: потёртый янтарь притягивал лёгкие предметы, отсюда слова «электричество» и «электрический заряд».

Чем проводники отличаются от диэлектриков? Приведи по два примера.

Проводники передают заряд (металлы, солёная вода), диэлектрики не передают (стекло, эбонит).

Как взаимодействуют заряды одного знака и разных знаков?

Одного знака отталкиваются, разных знаков притягиваются; силы действуют на оба тела.

Какой заряд у стеклянной палочки, потёртой о шёлк, и у эбонитовой, потёртой о шерсть?

Стеклянная — положительный (+), эбонитовая — отрицательный (−). Это договорённость.

Почему притяжение не доказывает, что тело заряжено?

К заряженному телу притягиваются и незаряженные лёгкие тела; доказывает заряд только отталкивание.

Зачем в электроскопе два листочка и почему пробка из изолятора?

Одному листочку не от чего отталкиваться; изолятор не даёт заряду уйти из прибора.

Электрометр заряжен до 4 делений. После касания телом показание стало 7. Каков знак заряда тела?

Угол вырос, значит, знак тот же, что у эталона. Если прибор заряжали стеклянной палочкой, то заряд тела положительный.

Наблюдение вне сайта

Возьми расчёску (или воздушный шарик), сухие волосы или шерстяную ткань, мелкие кусочки бумаги и кран с тонкой струйкой воды. Потри расчёску о волосы или шерсть. Поднеси её к бумажкам: они подпрыгнут и прилипнут. Затем поднеси расчёску к тонкой струйке воды: струйка отклонится к расчёске.

В сухую погоду опыт получается лучше. Записывай то, что видишь, даже если результат не совпал с ожиданием. Сайт настоящий опыт не заменяет.

Заметки учителю

Цели и ожидаемые результаты

Ученик определяет электризацию и электрический заряд; различает проводники и диэлектрики; формулирует закон взаимодействия зарядов; объясняет, почему притяжение не доказывает заряд; определяет знак заряда по взаимодействию с эталонами и по электрометру; называет полупроводники и их особенность.

Ход занятия, 40–45 минут

Урок устроен как путешествие вдоль одного стола и делится на два занятия. Первое — остановки от зеркала до Франклина: электризация, обнаружение заряда, проводники, два рода зарядов, знаки. Второе — электроскоп, определение знака, полупроводники и итог. В уроке 12 игровых заданий, а счётчик-электроскоп в шапке страницы раскрывает листочки всё шире по мере выполнения.

Примерно: 5 минут — вопрос про расчёску; 12 — электризация и версор; 10 — проводники; 13 — два рода зарядов и ловушка притяжения; 5 — самопроверка. На втором занятии: 12 минут — электроскоп; 12 — знак по электрометру; 6 — полупроводники; 10 — итог и ответ на главный вопрос.

Вопросы для обсуждения

Почему при трении электризуются оба тела? Почему Гильберт счёл металлы неэлектрическими? Как доказать, что тело заряжено, а не просто притянулось?

Трудные места

Притяжение незаряженных тел к заряженным: честно скажите, что причину объяснит следующий урок. Условность знаков: многие считают «плюс» чем-то лучшим. Ещё одна трудность: показание электрометра без сравнения с эталоном не даёт знака.

Признаки понимания

Ученик не делает вывод о заряде из одного лишь притяжения, предлагает проверку двумя эталонами и объясняет по числам, почему показание электрометра выросло или упало.

Упростить и усложнить

Проще: ограничьтесь расчёской, бумажками и законом о двух родах зарядов. Сложнее: предложите придумать порядок проб для трёх неизвестных тел и объяснить, где нужна разрядка прибора.

Объяснения написаны для урока. Иллюстрации — самостоятельные учебные изображения, созданные генератором изображений, а не фотографии опытов; размеры и пропорции условны.