- учение о равномерно движущихся зарядах - постоянный ток и магнетизм;
учение о не равномерно движущихся зарядах и создаваемых при этом переменных полях - переменный ток и электродинамика. Или теория электромагнитного поля. [Карякин Н.И.]
Ещё в древности было замечено, что два потертых тряпочкой кусочка янтаря начинают отталкиваться друг от друга. Такое взаимодействие в отличие от механического назвали электрическим.
Ознакомимся с этим явлением на примере следующего эксперимента. Пусть два стержня из пластмассы установлены на иглах, на иглах на которых они могут свободно поворачиваться.
На одном стержне укреплена хорошо отшлифованная металлическая пластинка, на другом - пластинка из плексигласа, так же хорошо отшлифованная. Снимем стержни с игл и приведем пластинки в соприкосновение. Если вновь поставить стержни на иглы и отпустить, то пластинки притянуться друг к другу. Эта сила не является гравитационной, ибо масса тел до и после контакта остается не измененной, а гравитационные силы зависят только от масс тел и расстояния между ними. Следовательно, в данном эксперименте мы встречаемся с другим классом сил, которые называются электрическими.
Если между телами действует электрическая сила, то говорят, что тела имеют электрический заряд. Явление перераспределения зарядов на телах называют электризацией. Примерами электризации служат описанные выше опыты с янтарем, а так же с плексигласовой и металлической пластинами.
Если проделать опыты с двумя металлическими и двумя плексигласовыми пластинами, окажется, что при контакте электризуются пластины толь из разных веществ, причем разнородные пластины только из разных веществ, причем разнородные пластины притягиваются, а из одинаковых веществ - отталкиваются. Это свидетельствует о том, что во-первых, при контакте электризуются оба тела и, во-вторых, что существуют электрические заряды двух видов. Далее, опыт показывает, что если две наэлектризованные пластины из разных веществ вновь соединить вместе, то их электризация исчезнет. [35]
Известно, что две величины в сумме дают нуль, если они имеют одинаковые модули и противоположные знаки. На основании этого алгебраического правила условились электрическим зарядам с противоположными свойствами приписывать разные знаки: плюс и минус. Тела и частицы с электрическими зарядами одинакового знака отталкиваются друг от друга, а с зарядами противоположного знака притягиваются.
Условились в том случае, когда стеклянная палочка контактирует с шелком, заряд палочки считать положительным, а заряд шелка - отрицательным. Таким образом, если наэлектризованные тела или частицы притягиваются к стеклянной палочке, потертой о шелк, то они заряжены отрицательно, а если отталкиваются - положительно.
Обычно при контакте металлов с неметаллами первые заряжаются положительно, а вторые отрицательно.
Наэлектризовывать можно все тела: не только твердые, но и жидкие и газы. Так, если подвешенный к динамометру твердый металлический шарик опустить в керосин, а затем вынуть и удерживать над поверхностью жидкости, то показание динамометра будет несколько большим, чем до контакта шарика с жидкостью. При контакте шарика с жидкостью происходит их электризация, вследствие чего возникает дополнительная к силе тяжести электрическая сила.
Современная теория строения вещества дает возможность объяснить целый ряд наблюдаемых на опыте явлений. Так, электризация контактирующих тел различной природы объясняется на основе электронных представлений. Как известно, атом состоит из положительно заряженного ядра и обращающихся вокруг него электронов. Оказывается, что атомы некоторых веществ (водорода и металлов) легко отдают электрон другим атомам, а атомы таких веществ, как фтор, хлор и другие неметаллы, легко присоединяют к себе лишний электрон. Поэтому при контакте двух тел обычно одно из них теряет электроны и тем самым заряжается положительно; второе тело присоединяет к себе лишние электроны и заряжается отрицательно. Чем больше площадь контакта между этими телами, тем больше электронов сможет перейти от одного тела к другому, и тем больший электрический заряд мы обнаружим на них.
По электрическим свойствам все тела можно разбить на три обширные группы
проводники, к которым относят металлы, расплавы и растворы электролитов, графит; все эти вещества содержат много свободных электронов или ионов и потому хорошо проводят электрический ток;
полупроводники, к которым относят германий, кремний, солен и ряд других веществ;
диэлектрики или изоляторы например: стекло, фарфор, кварц, плексиглас, резина, дистиллированная вода, керосин, масло растительное, а так же все газы.
Указанное разделение веществ весьма условно, ибо в зависимости от внешних условий свойства вещества могут существенно изменяться. Например, если разогреть такой хороший диэлектрик, как стекло, то он превращается в проводник. При очень высоких температурах или при радиоактивном обучении газы также становятся хорошими проводниками. [36]
Основные понятия и методы электричества
Основными электродинамическими мерами электричества являются электрический заряд, электрический ток и электрическое напряжение.
Электрический заряд - это одно из основных понятий в учении об электричестве. Вся совокупность электрических явлений понимается как появление, существование, движение и взаимодействие зарядов.
Электрический заряд - величина релятивистки инвариантная, т. е. не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится.
Электрический заряд - величина дискретная. Когда мы говорим о дискретности заряда, то это означает, что он может принимать только определенные значения, например, 0, ±е, ±2е, ±3е и т. д., кратные целому значению величины некоторого минимального заряда е. Поэтому величина Q любого заряда: q = ke, здесь k - целое число.
Единицей измерения электрического заряда (количества электричества) в СИ является кулон (Кл). Это производная единица, которая определяется через единицу силы тока: один кулон (Кл) численно равен электрическому заряду, проходящему за одну секунду через поперечное сечение проводника при силе тока в нем равной одному амперу.
Зарядом е=1,6´10-19 Кл обладает отрицательно заряженный электрон. Это наименьший заряд, который может нести на себе какая либо частица.
Электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток, характеристики которого не изменяются со временем, называют постоянным током. Направлением электрического тока условились считать направление движения положительных зарядов.
Можно указать на ряд фактов, способных вызывать упорядоченное движение заряженных частиц. Так, под действием электрических (кулоновских) сил положительно заряженные частицы движутся в направлении силовых линий электрического поля, отрицательно заряженные - в противоположном направлении. Движение зарядов может происходить и под действием неэлектрических сил (например, магнитных), а так же при диффузии или в химических реакциях.
Следует отметить, что если в электростатическом поле упорядоченное движение зарядов происходит под действием кулоновских сил, то во всех остальных случаях причиной их движения является некое другое силовое поле. Такое поле получило название стороннего, а все факторы неэлектрической природы, вызывающие упорядоченное движение электрических зарядов. По аналогии назвали сторонними силами.
Участок электрической цепи, в котором на движущиеся электрические заряды кроме кулоновских действуют ещё и сторонние силы, называют неоднородным, а участок, на котором действуют только кулоновские силы, - однородным.
Проводниками являются вещества, в которых существуют свободные электрически заряженные частицы - электроны или ионы, т.е. атомы или молекулы, потерявшие или присоединившие к себе один или несколько электронов. Наличие свободных электронов характерно для металлов и полупроводников, а положительных и отрицательных ионов - для водных растворов солей, кислот и щелочей (электролитов).
Поддерживать постоянно в проводниках электрический ток можно лишь в том случае, если создана замкнутая цепь из проводников и в этой цепи есть источник тока, характеризующийся напряжением. [36]
Исторический очерк
Научное исследование электрических и магнитных сил началось с книги Гильберта, которому принадлежит и термин «электричество», произведенный от греческого названия янтаря. Гильберт кропотливо исследовал множество самых различных тел и построил для этой цели специальный электрический указатель. С помощью этого указателя, прототипа современных электроскопов, Гильберт установил, что способностью притягивать обладают многие тела, «не только созданные природой, но и искусственно приготовленные». Однако он нашел также, что многие тела «не притягивают и не возбуждаются никакими натираниями». Тела, обнаруживающие способность притяжения, Гильберт назвал электрическими, тела, не обладающие такой способностью,- неэлектрическими.
Гильберт указывает, как производится электризация тел трением: «Их натирают телами, которые не портят их поверхности и наводят блеск, например жестким шелком, грубым немарким сукном и сухой ладонью. Трут также янтарь о янтарь, об алмаз, о стекло и многое другое. Так обрабатываются электрические тела».
Электрическими опытами занимался и Ньютон, который наблюдал электрическую пляску кусочков бумаги, помещенных под стеклом, положенным на металлическое кольцо. При натирании стекла бумажки притягивались к нему, затем отскакивали, вновь притягивались и т.д. Эти опыты Ньютон производил еще в 1675 г.
Эксперименты по электричеству проводили и другие члены Лондонского Королевского общества. Бойль, повторив опыты Герике с шаром, установил, что наэлектризованное тело не только притягивает ненаэлектризованное, но и, в свою очередь, притягивается последним. Он показал, что электрические взаимодействия наблюдаются и в вакууме.
В 1700 г. доктор Уолл извлек из натертого куска янтаря электрическую искру, проскочившую с треском в палец руки экспериментатора. Электрическую искру получил в 1705 г. Хауксби, заменивший серный шар Герике стеклянным. Ньютон в 1716 г. наблюдал искровой заряд между острием иголки и наэлектризованным телом. Наконец, Стефан Грей, также член Лондонского Королевского общества, в 1729 г. открыл электропроводность тел и показал, что для сохранения электричества тело должно быть изолировано. Он наэлектризовал ребенка, сначала подвесив его на шнурах, сплетенных из волос, а затем поставив его на смоляной диск.
Французский естествоиспытатель Шарль Дюфэ создал первую теорию электрических явлений. Он установил два рода электрических взаимодействий: притяжение и отталкивание. Дюфэ выдвинул свой принцип: «Этот принцип таков, что имеется два существенно различных вида электричества; одно из них я назову стеклянным, а другое - смоляным. Первое проявляется на потертых стекле, кварце, драгоценных камнях, волосах животных, шерсти и многих других телах. Второе - на потертых янтаре, копале, гуммилаке, шелке, пряже, бумаге и многих других веществах. Отличительным признаком обоих электричеств служит то, что тело, содержащее, скажем, стеклянное электричество, отталкивает все тела с таким же электричеством и, наоборот, притягивает тела, содержащие смоляное электричество».
Новые открытия в области электричества и усовершенствование электрических машин, получивших кондуктор, подушки для натирания и сенсационное изобретение лейденской банки в 1745-1746 гг., возбудили в обществе большой интерес к электричеству. Электрические опыты проводились в светских салонах и королевских дворцах, на заседаниях ученых обществ и в частных домах. За Европой последовали Америка и Россия. Франклин, Рихман, Ломоносов, Эпинус внесли существенный вклад в науку об электричестве.
В январе 1745 г. Рихман начал собственные опыты по электричеству. В процессе этой работы, как пишет он сам, я «встретился со многими новыми явлениями, далее открыл новый удобный способ исследовать тела, обладающие первичным, и тела, обладающие производным электричеством». Здесь под первичным электричеством Рихман понимает электричество, возбуждаемое в изоляторах трением, под производным - электричество в проводниках, получаемое от контакта с заряженными телами.
Существенно новым моментом в исследованиях Рихмана было то, что он «пытался подвергнуть измерению порождаемое электричество». Это была правильная идея, которая в своем развитии привела к изобретению абсолютного электрометра.
Даниил Бернулли в 1760 г., Джозеф Пристли и Генри Кавендиш проводили опыты по определению зависимости величины электрической силы от расстояния между двумя зарядами. Однако решающее исследование, в котором было установлено, что электрическая сила, действующая между двумя неподвижными зарядами, спадает пропорционально квадрату расстояния, принадлежало Шарлю Огюстену Кулону, имя которого присвоено закону притяжения или отталкивания электрических зарядов. Кулон создал чувствительные крутильные весы, с помощью которых ему удалось точно измерить изменение силы, действующей между двумя зарядами, при изменении расстояния между ними. [37]
.3 Общий методологический подход к формированию у студентов вузов понятия «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление»
Общие замечания
Понятия ток, заряд, напряжение, сопротивление относятся к числу основных понятий в электричестве. Эти понятия тесно связаны между собой. В методике преподавания физики изучение начинается с понятия электрического заряда. Так как изначальное изучение электричества как науки начинается с понятия электрического заряда. В этом убеждаемся при изучении исторических фактов об электризации тел.
Электрический ток принадлежит к числу тех физических явлений, которые нельзя наблюдать непосредственно: можно видеть только его проявления (действия). Поэтому приходится на основе аналогий (движение воды, нефти, газа по трубам и пр.) и модельных демонстраций (движение заряженного шарика в электрическом поле конденсатора, киномультипликаций и др.) формировать представление об электрическом токе как направленном (упорядоченном) движении заряженных частиц. Опираясь на введенное раньше понятие электрического поля, учитель показывает, что для получения тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.
Поскольку возрастные возможности студентов позволяют ввести понятия, характеризующие ток и поле (разность потенциалов, плотность электрического газа и т.д. при изучении электродинамики), переходят к выяснению роли источника тока. Здесь надо показать, что источники тока могут быть различные, однако в каждом из них выполняется работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, вследствие чего между полюсами возникает электрическое поле. При этом должны быть заложены основы для формирования понятия о сторонних силах (сторонних относительно кулоновских, которые только и могут обеспечить работу источника тока по разделению заряженных частиц).
Свой рассказ о том, что в источнике тока в процессе разделения заряженных частиц происходит превращение механической, химической, внутренней или какой-либо другой энергии в электрической, внутренней или какой-либо другой энергии в электрическую, учитель иллюстирует специально подобранными опытами. Такими опытами могут быть разряд между кондукторами электрофорной машины, отклонение стрелки гальванометра при нагреваний с помощью спиртовки одного из спаев простейшего термоэлемента, действие фотоэлектрического генератора (фотоэлемент, освещаемый лампой, замкнут на гальванометр).