§ 17. Электрический заряд. Электризация тел

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии. Заряд обозначают буквой q, а измеряют в кулонах (Кл). Эта величина помогает описывать электрические явления и сравнивать, насколько сильно заряжены тела.

Существуют два вида электрического заряда: положительный и отрицательный. Положительный заряд условно обозначают знаком «+», отрицательный — знаком «−». Эти обозначения нужны, чтобы указывать не только величину заряда, но и его вид, от которого зависит взаимодействие тел.

Электризация тел — процесс, при котором тело приобретает электрический заряд или меняет его величину. Например, после трения о другое тело предмет может начать притягивать лёгкие кусочки бумаги. Понятие электризации объясняет, как незаряженные прежде предметы становятся заряженными.

Электрически нейтральное тело — тело, суммарный заряд которого равен нулю, хотя в нём есть заряженные частицы. В нём положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируются. Поэтому слово «нейтральное» говорит об общем результате, а не об отсутствии зарядов внутри тела.

Как это устроено

Атом обычно нейтрален, потому что в его ядре находятся положительно заряженные протоны, а вокруг ядра — отрицательно заряженные электроны. В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов, поэтому их суммарные заряды уравновешивают друг друга. Нейтроны заряда не имеют и в этой компенсации не участвуют. Если число электронов меняется, заряд атома или тела в целом может стать ненулевым.

При электризации электроны могут переходить с одного тела на другое. Тело, которое теряет электроны, остаётся с избытком положительного заряда, а тело, которое получает электроны, приобретает избыток отрицательного. Заряды оказываются противоположными потому, что электрон переносит отрицательный заряд от одного тела к другому. Протоны при обычной электризации остаются в ядрах и между телами не переходят.

При трении двух тел их поверхности многократно соприкасаются, и часть электронов может перейти с одного материала на другой. Одно тело теряет электроны, а второе получает их, поэтому оба тела после трения оказываются заряженными. Трение не создаёт заряд, а помогает электронам перераспределиться. Какое именно тело станет положительным, зависит от материалов и условий контакта.

Заряды взаимодействуют по простому правилу: одноимённые отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Причина такого различия описывается электрическим взаимодействием: знак заряда определяет, будет ли действие одного тела на другое притягивающим или отталкивающим. Например, два положительных заряда отталкиваются, а положительный и отрицательный притягиваются. Это правило позволяет сравнивать знаки зарядов по наблюдаемому взаимодействию.

Если тела электризуются внутри замкнутой системы, её общий заряд сохраняется. Электроны не исчезают и не возникают из ничего, а лишь переходят между телами. Поэтому уменьшение заряда одного тела сопровождается изменением заряда другого на такую же величину с противоположным знаком. Это и есть закон сохранения электрического заряда.

Знаки электрического заряда и взаимодействие тел

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, заряжено ли тело и какой знак у его заряда. Затем найдите соответствующую пару знаков и прочитайте результат взаимодействия. Для нейтрального тела нельзя применять правило об отталкивании одноимённых зарядов: его суммарный заряд равен нулю.

Разбор задач

Стеклянную палочку потерли о шёлк. Палочка приобрела положительный заряд. Определите, какие частицы и в каком направлении перешли между телами.

1. Положительный заряд палочки означает, что положительные заряды в ней перестали полностью компенсироваться отрицательными.

2. В обычной электризации между телами переходят электроны, а протоны остаются в ядрах. Значит, палочка должна была потерять часть электронов.

3. Поскольку палочку терли о шёлк, электроны перешли со стеклянной палочки на шёлк. Палочка стала положительной, а шёлк получил избыток электронов.

Ответ: электроны перешли со стеклянной палочки на шёлк.

Два заряженных шарика отталкиваются. Можно ли заключить, что их заряды имеют одинаковые знаки? Обоснуйте ответ.

1. Вспомним правило взаимодействия: одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются.

2. Раз шарики именно отталкиваются и оба заряжены, их заряды должны быть одноимёнными. Это означает, что оба заряда положительные или оба отрицательные.

3. По одному только отталкиванию нельзя выбрать между этими двумя вариантами. Для определения конкретного знака нужно сравнить шарики с телом, знак заряда которого известен.

Ответ: да, знаки одинаковые, но определить, положительные они или отрицательные, по условию нельзя.

Два первоначально нейтральных тела электризовали трением. Одно получило заряд +q. Найдите заряд второго и объясните ответ.

1. До электризации оба тела были нейтральны, поэтому их общий заряд равнялся нулю.

2. В замкнутой системе общий заряд сохраняется. Значит, после электризации сумма зарядов двух тел по-прежнему равна нулю.

3. Если заряд первого тела равен +q, заряд второго должен компенсировать его: +q + q₂ = 0. Отсюда q₂ = −q.

Ответ: второе тело получило заряд −q. Заряды равны по величине и противоположны по знаку.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при электризации заряд создаётся из ничего. Так можно подумать, если наблюдать только за одним телом и не учитывать второе. Проверьте себя: рассмотрите оба тела вместе — электроны переходят между ними, а общий заряд системы не меняется.

Ошибка: объяснять положительный заряд появлением дополнительных протонов. Протоны находятся в ядрах и обычно не переходят между телами, поэтому при обычной электризации меняется число электронов. Проверьте, не перепутали ли вы знак тела с движением частиц: потеря электронов даёт положительный заряд.

Ошибка: считать, что любые заряженные тела отталкиваются. Это неверно, потому что разноимённые заряды притягиваются, а отталкиваются только одноимённые. Проверьте себя по знакам: два «плюса» или два «минуса» отталкиваются, «плюс» и «минус» притягиваются.

Ошибка: думать, что нейтральное тело не содержит заряженных частиц. Нейтральность означает, что положительные и отрицательные заряды в сумме равны, а не то, что зарядов нет. Проверьте себя, вспомнив строение атома: в нейтральном атоме есть протоны и электроны, но их заряды компенсируются.

Связь с другими темами

Для понимания электризации нужно знать строение атома и различать протоны, нейтроны и электроны. Эти знания позволяют объяснить, почему при обычной электризации перемещаются электроны, а не частицы ядра. Позже понятие заряда поможет разбираться в электрическом токе, проводниках и диэлектриках, а также в работе электрических приборов и причинах электрических явлений.

Что запомнить

• Электрический заряд бывает положительным и отрицательным.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• В обычных процессах электризации между телами переходят электроны.
• Нейтральное тело содержит заряженные частицы, но его суммарный заряд равен нулю.
• При электризации общий заряд замкнутой системы сохраняется.