"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Электрический заряд определяет способность частиц и тел участвовать в электрическом взаимодействии. Его переносят электроны, ионы, дырки и другие заряженные частицы. При электризации заряд обычно не возникает заново, а переходит между телами. Поэтому в замкнутой системе сохраняется алгебраическая сумма всех зарядов: положительные и отрицательные значения складываются с учётом знаков.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел и частиц участвовать в электрическом взаимодействии. Различают положительный и отрицательный заряд. Это понятие позволяет объяснять притяжение и отталкивание заряженных объектов и сравнивать их электрические свойства.
Элементарный заряд — минимальная по модулю порция электрического заряда, встречающаяся у свободных частиц. Его модуль обозначают e; заряд электрона равен −e, а протона — +e. Сравнение заряда частицы с e помогает записывать заряд тела и понимать, сколько лишних или недостающих электронов в нём имеется.
Носители электрического заряда — частицы или объекты, способные перемещать электрический заряд. К ним относятся электроны, ионы, а в полупроводниках также дырки. Это определение нужно, чтобы выяснить, какие частицы создают перенос заряда в конкретном веществе.
Закон сохранения электрического заряда утверждает: алгебраическая сумма зарядов замкнутой системы остаётся постоянной. Положительные и отрицательные заряды складывают с учётом знаков. Закон позволяет находить неизвестный заряд после взаимодействия тел, даже если заряд каждого отдельного тела изменился.
Электроны и протоны являются носителями заряда, потому что сами обладают ненулевым электрическим зарядом и при движении переносят его. Нейтральные частицы, например нейтрон, не создают переноса общего заряда при собственном перемещении: их положительный и отрицательный заряды внутри взаимно компенсированы. Однако нейтральная частица может участвовать во взаимодействиях косвенно, если меняется распределение зарядов в веществе.
В металлах внешние электроны слабо связаны с отдельными атомами и могут перемещаться по кристаллической решётке. Положительные ионы решётки остаются около своих положений, поэтому основными носителями здесь служат электроны проводимости. В электролитах молекулы распадаются на положительные и отрицательные ионы, а в газах свободные носители появляются при ионизации и движутся между столкновениями.
В полупроводниках перенос обеспечивают электроны и дырки. Дырка — это незаполненное место в структуре вещества, которое ведёт себя как подвижный носитель положительного заряда. Такой способ описания удобен: вместо отслеживания перемещения множества связанных электронов можно рассматривать движение положительной дырки.
При электризации тела обычно не получают заряд из ничего. Например, при трении часть электронов переходит с одного тела на другое из-за различий в связи электронов с поверхностью материалов. Тело, потерявшее электроны, заряжается положительно, а тело, получившее их избыток, — отрицательно.
При соприкосновении заряд может перейти с одного тела на другое и перераспределиться между ними, а при разделении уже можно наблюдать заряженные отдельные тела. Поэтому заряд каждого тела меняется, но суммарный заряд выбранной изолированной системы остаётся прежним. Закон записывают так: Σqнач = Σqкон, где слева и справа стоят алгебраические суммы начальных и конечных зарядов; система должна быть замкнутой, то есть не обмениваться зарядом с внешней средой.
Таблица помогает быстро сравнить не только частицы-носители, но и направление их знака и характер движения. При решении задач сначала определите среду, затем выясните, какие частицы могут перемещаться в ней. Неподвижные частицы вещества могут создавать внутреннюю структуру, но не всегда участвуют в переносе заряда.
| Среда | Основные носители заряда | Знаки носителей | Особенности движения |
|---|---|---|---|
| Металлы | Электроны проводимости | Отрицательный | Перемещаются внутри кристаллической решётки, тогда как положительные ионы решётки почти неподвижны |
| Электролиты | Положительные и отрицательные ионы | Положительный и отрицательный | Ионы движутся в растворе или расплаве в противоположных направлениях |
| Газы | Электроны и ионы | Положительный и отрицательный | Появляются при ионизации и движутся между столкновениями |
| Полупроводники | Электроны и дырки | Отрицательный и положительный | Оба типа носителей участвуют в переносе заряда |
При трении стеклянная палочка получила заряд +3,2 нКл, а система палочка—шёлк изолирована. Нужно найти заряд шёлка. Изолированность означает, что внешняя среда не внесла заряд и не забрала его.
Ответ: шёлк получил заряд −3,2 нКл. Противоположные знаки показывают, что электроны перешли с одного тела на другое, а не возникли заново.
Два одинаковых металлических шарика имеют заряды +6 нКл и −2 нКл. После соединения заряд может свободно перераспределяться по обоим проводникам, а затем шарики разъединяют. Требуется найти заряд каждого одинакового шарика после разделения.
Ответ: каждый шарик после разъединения имеет заряд +2 нКл. Проверка: +2 нКл + +2 нКл = +4 нКл, то есть исходная сумма сохранена.
Система состоит из тел с начальными зарядами +8 нКл, −5 нКл и 0. После взаимодействия первые два тела имеют заряды −1 нКл и +2 нКл, а заряд третьего неизвестен. Поскольку система изолирована, её начальная и конечная суммы должны совпадать.
Ответ: заряд третьего тела после взаимодействия равен +2 нКл. Знаки первых двух зарядов обязательно учитываются при составлении обеих сумм.
Ошибка: считать, что при электризации заряд создаётся. Так думают, потому что после трения тело явно приобретает новое свойство. Проверьте себя: найдите второе тело и убедитесь, что его заряд противоположен по знаку и компенсирует изменение первого.
Ошибка: путать знак электрона со знаком тела. Избыток электронов делает тело отрицательным, а их недостаток — положительным, хотя сами электроны всегда имеют заряд −e. Для проверки мысленно сравните число электронов с числом протонов.
Ошибка: сохранять заряд каждого тела отдельно. При соприкосновении или разделении заряд может переходить между телами, поэтому неизменной остаётся только сумма для замкнутой системы. Проверьте границы системы и сравните сумму до и после процесса.
Ошибка: складывать модули зарядов вместо алгебраической суммы. В результате заряды +6 нКл и −2 нКл ошибочно превращают в 8 нКл, хотя их сумма равна +4 нКл. Перед вычислением перепишите каждый заряд вместе с его знаком.
Для понимания темы нужны представления о строении атома, электронах, протонах и ионах. При решении задач также используются отрицательные и положительные числа, потому что заряд складывают алгебраически.
Дальше эти знания понадобятся при изучении электрического тока, электризации и взаимодействия заряженных тел. Носители заряда помогают объяснить, почему разные материалы проводят ток по-разному.
Понятие носителей особенно важно для электролиза, газового разряда и проводимости полупроводников. В каждом случае нужно выяснить, какие частицы движутся и какой знак заряда они переносят.
Почему нейтральное тело может притягиваться к заряженному?
В нейтральном теле общий заряд равен нулю, но заряды внутри него могут немного перераспределиться. Ближе к заряженному телу оказывается заряд противоположного знака, поэтому притяжение ближних зарядов оказывается сильнее отталкивания дальних.
Почему при электризации обычно перемещаются электроны, а не протоны?
Электроны находятся во внешних оболочках атомов и сравнительно слабо связаны с веществом. Протоны входят в состав атомных ядер, которые удерживаются сильными ядерными силами, поэтому при обычной электризации ядра не переходят от одного тела к другому.
Могут ли положительные ионы быть носителями электрического заряда?
Да. Положительный ион имеет недостаток электронов и при движении переносит положительный заряд, например в растворе электролита или ионизированном газе.
Что именно означает «замкнутая система» в законе сохранения заряда?
Это выбранная совокупность тел, которая не обменивается зарядом с внешними телами. Внутри такой системы заряды могут переходить и перераспределяться, но их общая алгебраическая сумма остаётся постоянной.
Почему при сложении зарядов нужно учитывать их знаки?
Знак показывает, к какому типу относится заряд: положительному или отрицательному. При сложении зарядов противоположные знаки частично компенсируют друг друга, поэтому нужно находить алгебраическую сумму, а не складывать только модули.
2. Носители электрического заряда. Закон сохранения электрического заряда
