"Физика", Андрюшечкин С.М.
Электрическое взаимодействие — притяжение или отталкивание тел, имеющих заряд. Заряды бывают положительными и отрицательными, а при электризации электроны переходят между телами. От того, могут ли электроны перемещаться внутри вещества, зависит, будет оно проводником или изолятором. Эти различия помогают объяснить, почему заряд распределяется по металлу, остаётся на пластмассе и почему заряженное тело может притянуть даже незаряженный предмет.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический заряд — физическая величина, которая показывает, как тело участвует в электрическом взаимодействии. Существуют заряды двух видов: положительные и отрицательные. Это понятие нужно, чтобы описывать электрические свойства тел и предсказывать, будут ли они притягиваться или отталкиваться.
Электризация — процесс, при котором тело приобретает электрический заряд. Обычно это происходит потому, что электроны переходят с одного тела на другое. Понятие помогает объяснить, почему после контакта или трения тела могут начать взаимодействовать, хотя раньше такого эффекта не наблюдалось.
Электрическое взаимодействие — притяжение или отталкивание заряженных тел. Разноимённые заряды притягиваются, а одноимённые отталкиваются. Это правило позволяет предсказать результат взаимодействия, если известны знаки зарядов.
Проводник — материал, в котором электрические заряды могут свободно перемещаться; изолятор — материал, где они почти не перемещаются. К проводникам относятся, например, металлы, а к изоляторам — резина и пластмасса. Различие важно, чтобы понимать, как заряд распределяется по телу и где он сохраняется.
При трении поверхности двух тел соприкасаются, и электроны могут перейти с одной поверхности на другую. Это происходит потому, что электроны в разных веществах удерживаются неодинаково: некоторым легче покинуть атомы одного материала и перейти к другому. Тело, потерявшее электроны, получает положительный заряд, а тело, которое их приобрело, — отрицательный. Оба тела заряжаются, потому что электроны не исчезают, а перемещаются между ними.
Заряженные тела взаимодействуют благодаря электрическим зарядам. Если заряды имеют одинаковый знак, они отталкиваются, а если противоположный — притягиваются. Это правило связано с тем, как электрическое взаимодействие действует на каждый заряд. Оно помогает определить характер взаимодействия, но не всегда позволяет установить заряд незаряженного тела: оно тоже может притягиваться к заряженному.
В проводнике некоторые электроны могут перемещаться между атомами и не закреплены за одним определённым атомом. Поэтому, если часть проводника получает заряд или касается заряженного тела, электроны могут перемещаться по всему проводнику. Так заряд перераспределяется, а не остаётся только в точке соприкосновения. Именно поэтому металлы хорошо проводят электрический заряд.
В изоляторе электроны прочно связаны с атомами и не могут свободно перемещаться по всему материалу. При электризации они могут перейти на поверхность или с неё, но затем заряд обычно остаётся рядом с местом, где возник. Заряды внутри атомов при этом могут немного смещаться относительно друг друга. Поэтому изолятор удерживает электрический заряд лучше, чем проводник.
Незаряженное тело может притягиваться к заряженному из-за перераспределения зарядов внутри него. В проводнике свободные электроны смещаются: ближайшая к заряженному телу область получает заряд противоположного знака, а дальняя — одноимённый. В изоляторе электроны не перемещаются свободно, но связанные заряды чуть смещаются внутри атомов — это называется поляризацией. В обоих случаях противоположный заряд оказывается ближе, и его притяжение может оказаться сильнее отталкивания дальней части.
| Свойство | Положительный заряд | Отрицательный заряд | Проводник | Изолятор |
|---|---|---|---|---|
| Как возникает | Тело теряет часть электронов | Тело получает дополнительные электроны | Заряд может перейти на тело или перераспределиться по нему | Заряд может возникнуть на поверхности или в месте контакта |
| Какие частицы покидают тело или их недостаток возникает | Электроны покидают тело | Электронов не недостаёт; появляется их избыток | Электроны могут покинуть одну область и перейти в другую | Электроны обычно не покидают атомы свободно |
| Какие частицы переходят на тело или возникает их избыток | Избытка электронов нет | На тело переходят электроны | Избыток электронов способен перемещаться | Избыток электронов в основном остаётся локальным |
| Наличие свободных электронов | Не определяется знаком заряда | Не определяется знаком заряда | Есть | Почти нет |
| Связанность электронов с атомами | Знак указывает на недостаток электронов | Знак указывает на избыток электронов | Некоторые электроны слабо связаны с атомами | Электроны прочно связаны с атомами |
| Перемещение заряда по телу | Заряд может быть на проводнике или изоляторе | Заряд может быть на проводнике или изоляторе | Возможно по всему телу | Сильно ограничено |
| Распределение заряда после электризации | Указывает на потерю электронов | Указывает на избыток электронов | Заряд перераспределяется | Заряд остаётся вблизи места возникновения |
| Примеры | Стеклянная палочка после трения о шёлк | Пластмассовая линейка после трения | Медь, алюминий, другие металлы | Резина, пластмасса, стекло |
Сначала определите, о каком свойстве спрашивается: о знаке заряда или о способности материала переносить его. Столбцы с положительным и отрицательным зарядом описывают избыток или недостаток электронов, а столбцы проводника и изолятора — возможность их движения. Знак заряда сам по себе не говорит, является ли тело проводником.
После трения стеклянной палочки о шёлк палочка и кусочек шёлка приобрели противоположные заряды. Нужно определить характер их взаимодействия. Для решения достаточно сопоставить знаки зарядов и применить правило взаимодействия. Не требуется знать, какой именно заряд получила палочка: важно, что заряды противоположны.
Ответ: тела притягиваются.
Заряженный металлический шарик коснулся незаряженного металлического шарика. Нужно объяснить, почему заряд перераспределяется между ними. Оба предмета металлические, значит, в них есть свободные электроны. Соприкосновение создаёт путь, по которому эти электроны могут перемещаться с одного шарика на другой.
Ответ: заряд перераспределяется благодаря перемещению свободных электронов по соприкасающимся проводникам. Это не означает, что заряд исчезает: он лишь распределяется между шариками.
К заряженной пластмассовой линейке поднесли мелкие бумажки, и они притянулись, хотя сначала были незаряженными. Нужно объяснить притяжение и сравнить его с действием металлического предмета. Бумага и пластмасса — изоляторы, поэтому свободное перемещение зарядов по всему предмету ограничено. Однако заряды внутри атомов могут немного смещаться.
Ответ: бумажки притягиваются из-за поляризации. В металлическом предмете заряды перераспределялись бы благодаря свободным электронам, а в изоляторе их смещение ограничено.
Ошибка: считать, что притяжение всегда доказывает наличие разноимённых зарядов. Так думают, потому что знакомое правило связывает притяжение с противоположными знаками, но незаряженное тело тоже может притягиваться из-за перераспределения зарядов. Проверьте себя: выясните, было ли тело заряжено до взаимодействия. Если это неизвестно, одно притяжение не определяет его знак.
Ошибка: представлять положительный заряд как появление особых положительных частиц. При обычной электризации перемещаются электроны, а протоны находятся в атомных ядрах и не переходят с тела на тело. Проверьте объяснение: если тело стало положительным, значит, оно потеряло часть электронов, а не приобрело протоны.
Ошибка: думать, что трение создаёт электрический заряд из ничего. Это объяснение кажется правдоподобным, потому что заряд становится заметным только после трения, но электроны при этом переходят между телами. Проверьте себя: учтите оба тела и сравните их заряды — появление заряда у одного сопровождается изменением заряда другого, а суммарный заряд системы сохраняется.
Ошибка: считать, что любой материал — идеальный проводник или идеальный изолятор. В действительности вещества проводят электрический заряд в разной степени, и свойства могут зависеть от условий. Проверьте себя: используйте слова «хорошо проводит» или «почти не проводит», если речь не идёт об идеализированной модели. Металл обычно проводит хорошо, а резина — очень плохо.
Чтобы понять электризацию, нужно знать строение атома: в нём есть положительно заряженное ядро и отрицательные электроны, а при обычной электризации перемещаются именно электроны. Понятия проводника и изолятора понадобятся при изучении электрического тока, силы тока, напряжения и электрических цепей. Перераспределение зарядов помогает объяснить электростатическую защиту, заземление и работу электроскопа — прибора для обнаружения электрического заряда.
Почему после трения заряжаются оба тела, а не только одно?
При трении часть электронов переходит с одного тела на другое. Первое теряет электроны и получает положительный заряд, второе приобретает избыток электронов и становится отрицательно заряженным. Заряд не возникает из ничего: он перераспределяется.
Почему заряженная палочка притягивает незаряженный предмет?
Заряд палочки вызывает перераспределение зарядов в предмете или небольшое смещение связанных зарядов. Ближе к палочке оказывается область с зарядом противоположного знака, поэтому притяжение ближней части оказывается сильнее отталкивания дальней. В результате предмет притягивается.
Чем положительный заряд отличается от отрицательного?
Положительный заряд означает недостаток электронов по сравнению с нейтральным состоянием, отрицательный — их избыток. При обычной электризации перемещаются электроны, а протоны остаются в ядрах атомов. Разноимённые заряды притягиваются, одноимённые отталкиваются.
Почему металл проводит электрический заряд, а резина почти нет?
В металле есть электроны, которые могут перемещаться между атомами и переносить заряд по телу. В резине электроны связаны с атомами и почти не перемещаются на большие расстояния. Поэтому металл — проводник, а резина — изолятор.
Можно ли определить знак заряда тела только по тому, что оно притягивается?
Нет. Заряженное тело может притягивать не только тело с противоположным зарядом, но и незаряженный предмет. Чтобы определить знак заряда, нужно сравнить взаимодействие с телом, знак заряда которого известен.
§ 15. Электрическое взаимодействие. Проводники и изоляторы
