§ 28. Электроскоп. Проводники и непроводники электричества

ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА ПРИ СОПРИКОСНОВЕНИИ

Электрический заряд может не только оставаться на наэлектризованном теле, но и передаваться другим телам. Докажем это на классическом опыте с подвешенной металлической гильзой:

Подвесим на тонкой изолирующей шёлковой нити лёгкую гильзу из металлической фольги. Наэлектризуем эбонитовую палочку о шерсть (она приобретает отрицательный заряд) и коснёмся ею незаряженной гильзы. В момент соприкосновения гильза немедленно отскакивает и отталкивается от палочки.

Это отталкивание свидетельствует о том, что гильза получила от эбонитовой палочки часть отрицательного заряда и стала одноимённо заряженной. Если теперь поднести к оттолкнувшейся гильзе положительно заряженную стеклянную палочку (натёртую о шёлк), гильза к ней устремится и притянется.

Главный вывод: при непосредственном контакте двух тел происходит передача электрического заряда от заряженного тела к незаряженному, причём заряд переходит того же знака.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОСКОПА

Для научных и практических целей необходим прибор, способный безошибочно обнаруживать наличие электрического заряда на теле. Простейшим таким индикатором является электроскоп (от греческих слов «электрон» и skopeo — наблюдать, обнаруживать).

Конструкция электроскопа предельно проста и наглядна:

1. Стеклянный корпус (колба или банка): защищает подвижные лепестки от случайных сквозняков и пыли.
2. Изолирующая пробка: из диэлектрика (эбонита, пластмассы или резины), вставленная в горлышко колбы.
3. Металлический стержень: проходит сквозь пробку внутрь корпуса. Верхний конец стержня обычно заканчивается металлическим шариком или диском.
4. Подвижные листочки (лепестки): две тончайшие полоски алюминиевой фольги или лёгкой бумаги, шарнирно прикреплённые к нижнему концу металлического стержня.

Физический принцип действия:

Когда заряженным телом прикасаются к верхнему концу стержня электроскопа, электрический заряд переходит на стержень и распределяется по нему до самых листочков. Так как оба листочка получают одноимённый заряд, они начинают взаимно отталкиваться друг от друга и расходятся в стороны на определённый угол. Чем больше сообщённый заряд, тем сильнее отталкивание и тем шире угол расхождения лепестков.

ЭЛЕКТРОМЕТР: КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ЗАРЯДА

Более совершенной разновидностью электроскопа является электрометр, изобретённый физиками для более точной и количественной оценки величины заряда.

• В электрометре вместо тонких лепестков фольги используется лёгкая металлическая стрелка, способная свободно вращаться вокруг горизонтальной оси на металлическом стержне.
• Стержень помещён в прочный металлический цилиндрический корпус с прозрачными стеклянными крышками спереди и сзади. Стержень надёжно изолирован от корпуса пластмассовой шайбой-пробкой.
• На задней стенке нанесена градуированная шкала делений.
• Верхняя часть стержня завершается полым металлическим шаром.

При сообщении шару электрического заряда стержень и стрелка заряжаются одноимённо. Стрелка отталкивается от стержня и отклоняется на угол, фиксируемый по шкале. По величине угла отклонения стрелки можно количественно судить о величине электрического заряда, переданного прибору.

РАЗРЯДКА ТЕЛ И ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Чтобы заряженный электрометр или электроскоп вернуть в нейтральное исходное состояние, его необходимо разрядить (снять заряд). Для этого достаточно просто прикоснуться к металлическому шару рукой или соединить его металлической проволокой с водопроводной трубой или батареей отопления. Стрелка электрометра мгновенно вернётся на нулевую отметку шкалы.

Почему происходит разрядка?

Тело человека и Земля являются проводниками электричества. Заряд передаётся от маленького прибора через тело экспериментатора в гигантский резервуар — планету Земля. Поскольку геометрические размеры Земли несоизмеримо превосходят размеры лабораторного прибора, сообщённый заряд распределяется по всей огромной поверхности земного шара, а на самом приборе остаётся исчезающе малая, практически нулевая часть заряда.

• Заземление — это соединение проводящего корпуса прибора или электроустановки с землёй посредством металлического проводника.

Заземление является ключевым средством защиты человека от поражения электрическим током при авариях и повреждении изоляции в бытовой технике и на производстве.

ПРОВОДНИКИ, ДИЭЛЕКТРИКИ И ПОЛУПРОВОДНИКИ

Все вещества в природе по своей способности передавать электрический заряд разделяются на три основные категории:

1. Проводники: вещества и тела, через которые электрические заряды могут легко перемещаться от одной части тела к другой или передаваться другим телам.
   • Примеры: все металлы (серебро, медь, алюминий, железо, золото), водные растворы и расплавы солей, кислот и щелочей (электролиты), графит, тело человека, влажная почва.
2. Диэлектрики (непроводники электричества): вещества, в которых электрические заряды не могут свободно перемещаться, оставаясь строго в месте их возникновения. Тела, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами.
   • Примеры: фарфор, эбонит, янтарь, стекло, кварц, резина, капрон, полиэтилен, пластмассы, сухое дерево, шёлк, дистиллированная (сверхчистая) вода, сухой воздух и газы.
   • Назначение: изоляторы предотвращают утечку электрического тока и защищают людей от соприкосновения с токоведущими частями проводов и аппаратуры.
3. Полупроводники: промежуточный класс веществ, удельная проводимость которых сильно зависит от температуры, освещённости и наличия примесей. При низких температурах они ведут себя как изоляторы, а при нагревании или освещении становятся хорошими проводниками.
   • Примеры: германий, кремний, селен, арсенид галлия. Они служат фундаментальной основой всей современной микроэлектроники, процессоров и солнечных батарей.