Удивительное взаимодействие заряженных тел

С древних времен людей удивляла способность некоторых веществ, натертых о другие материалы, притягивать легкие предметы. Это явление получило название электризации. Однако лишь в XVIII веке ученые смогли дать ему научное объяснение. Оказалось, что при трении тела приобретают специальный заряд и начинают взаимодействовать на расстоянии. Далее мы познакомимся с удивительной историей открытия законов электростатики и узнаем о современных применениях этих знаний.

Исторические факты об электризации тел

Явление электризации было известно еще в глубокой древности. Вот некоторые исторические факты об этом:

• Около 600 года до н.э. греческий философ Фалес Милетский обнаружил, что натертый янтарь притягивает легкие предметы.
• Английский врач Уильям Гилберт в 1600 году провел ряд опытов по изучению электрических явлений и ввел термин "электричество".
• В 1747 году Бенджамин Франклин разделил электрические заряды на положительные и отрицательные.

Непонятно, каким образом неодушевленная косная материя, без посредства чего-либо иного, что нематериально, могла бы действовать на другое тело без взаимного прикосновения.

Эти слова принадлежат Исааку Ньютону. Ученые долго не могли объяснить механизм действия сил между заряженными телами.

Экспериментальное открытие взаимодействие заряженных тел Кулона

В 1785 году французский физик Шарль Кулон поставил цель экспериментально изучить взаимодействие заряженных тел и вывести математическую зависимость.

Для этого он использовал специальную установку, позволяющую точно измерять силы между зарядами:

В результате многолетних опытов Кулон открыл количественный закон взаимодействия заряженных тел, названный его именем:

F = k |q1q2|/r2

Где F - сила взаимодействия заряженных тел, q₁ и q₂ - величины зарядов, r - расстояние между зарядами, а k - коэффициент пропорциональности.

Из этой формулы следует несколько важных выводов:

• Сила взаимодействия заряженных тел тем больше, чем больше модули зарядов
• Чем дальше находятся заряды, тем слабее их взаимодействие (обратно пропорционально квадрату расстояния)
• Заряды одного знака отталкиваются, разных знаков – притягиваются

Объяснение механизма действия закона Кулона

Экспериментально установленный Кулоном закон требовал теоретического объяснения. В 1820-х годах Майкл Фарадей выдвинул революционную для того времени идею о существовании особого физического поля, окружающего заряженные тела. Именно через это поле, названное электростатическим, и осуществляется взаимодействие заряженных тел.

Математически электростатическое поле описывается уравнением:

E = kq/r^2

где E - напряженность поля в данной точке.

Силовые линии этого поля наглядно демонстрируют его действие на другие заряженные частицы. Положительный заряд испытывает силу вдоль силовой линии от источника поля, отрицательный - к источнику.

Определение электрического заряда

На основании закона Кулона и представлений об электростатическом поле можно дать строгое определение понятия "электрический заряд":

Электрический заряд - скалярная физическая величина, характеризующая свойство частиц и тел производить электростатическое поле и взаимодействовать с его посредством.

Таким образом, заряд есть не что иное, как мера способности частицы создавать вокруг себя электростатическое поле и испытывать его действие.

Экранирование электростатического поля

Интересный эффект возникает при помещении заряженного тела внутрь проводящего экрана, например металлической оболочки. За счет перераспределения зарядов на внутренней поверхности поле внутри такого экрана полностью исчезает - происходит экранирование.

Это свойство используется, например, в Фарадеевой клетке - закрытом металлическом контейнере для безопасной работы с источниками ионизирующего излучения.

Электростатика в быту и промышленности

Практическое использование явлений электростатики весьма разнообразно. Электростатические фильтры широко применяются для очистки газов в промышленности. Существуют электростатические двигатели и генераторы. А электростатическое напыление позволяет наносить высококачественные защитные покрытия.

Биологическое действие электростатических полей

Электростатические поля оказывают влияние и на живые организмы. Так, существуют опасные для человека уровни напряженности поля в воздухе при грозовых разрядах:

Кроме того, с помощью электростатических разрядов можно стимулировать рост растений, а электроаэрозоли применяются для лечения заболеваний дыхательных путей.

Перспективы развития электростатики

Самые передовые исследования в области электростатики в настоящее время ведутся в сфере нанотехнологий. Ученые разрабатывают наноустройства, использующие электростатические силы для своей работы.

К примеру, метод электроформовки позволяет создавать наноструктуры заданной формы из полимерных и металлических наночастиц. А явление электростатической самосборки открывает путь к автоматическому построению сложных наносистем.

Электростатика и искусственный интеллект

Интересно, что методы электростатики оказались полезны и в сфере искусственного интеллекта. Принцип работы искусственных нейронных сетей во многом опирается на модели биологических нейронов, в основе функционирования которых лежат электростатические взаимодействия.

Таким образом, открытие Кулона позволило не только объяснить мексанизм взаимодействия заряженных тел, но и послужило фундаментом для многих последующих достижений человечества вплоть до создания искусственного интеллекта.