3. Электризация через влияние. Перераспределение зарядов

Определения и обозначения

Электризация через влияние — приобретение проводником электрического заряда без непосредственного контакта с заряженным телом. Поле внешнего тела меняет распределение электронов, а при заземлении проводник может получить или отдать часть электронов. Это позволяет зарядить его, не касаясь палочкой или другим заряженным предметом.

Электростатическая индукция — разделение положительных и отрицательных зарядов внутри проводника под действием внешнего электрического поля. Свободные электроны перемещаются, и разные участки проводника оказываются заряжены по-разному. Это понятие помогает описать, как поле действует на нейтральное тело.

Перераспределение зарядов — перемещение свободных зарядов по проводнику до состояния электрического равновесия. В равновесии заряды больше не перемещаются упорядоченно под действием возникшего внутри проводника поля. Понятие нужно, чтобы отличать перемещение зарядов внутри тела от получения им нового общего заряда.

Заземление — соединение проводника с Землёй, позволяющее зарядам переходить между проводником и Землёй. Земля может принимать электроны или отдавать их проводнику. Поэтому заземление используют, когда нужно изменить общий заряд проводника, а не только разделить заряды в нём.

Как это устроено

В нейтральном металлическом проводнике есть подвижные электроны и положительно заряженные частицы, связанные в узлах кристаллической решётки. Когда рядом появляется заряженное тело, его электрическое поле действует на свободные электроны силой. Электроны начинают перемещаться, потому что в металле они не закреплены за отдельными атомами. Их движение продолжается, пока возникшее перераспределение зарядов не создаст поле, уравновешивающее действие внешнего поля внутри проводника.

Если внешнее тело отрицательно заряжено, оно отталкивает электроны; если положительно — притягивает их. Поэтому на ближайшей стороне проводника появляется заряд, противоположный заряду внешнего тела: там возникает недостаток электронов рядом с отрицательным телом или их избыток рядом с положительным. На дальней стороне знак оказывается одноимённым внешнему телу. Такое разделение не означает, что положительные заряды свободно перемещаются по металлу: изменяется прежде всего распределение электронов.

У изолированного проводника нет пути для обмена электронами с окружающей средой. Электроны могут перемещаться с одного участка на другой, но общее их количество остаётся прежним. Поэтому общий заряд проводника сохраняется, хотя на разных его сторонах возникают заряды разных знаков. Например, нейтральный проводник остаётся нейтральным, если лишь поднести к нему палочку и не касаться ею.

При заземлении проводник соединён с огромным резервуаром зарядов — Землёй. Земля действует как источник или приёмник электронов: их направление движения зависит от того, как внешнее поле действует на электроны проводника. Отрицательное тело отталкивает электроны, и они могут уйти в Землю; положительное тело притягивает электроны, и они могут прийти из Земли. После такого обмена проводник получает недостаток или избыток электронов и становится заряженным.

Чтобы оставить на проводнике приобретённый заряд, сначала размыкают соединение с Землёй, пока внешнее тело ещё находится рядом. Тогда электроны уже не могут вернуться через заземление, а внешнее поле продолжает удерживать разделение зарядов. Если сперва убрать внешнее тело, действовавшее на электроны поле ослабнет, и при ещё подключённом заземлении произойдёт обратный обмен с Землёй. После отключения заземления внешнее тело можно убрать: заряд останется, но перераспределится по поверхности проводника.

Перераспределение зарядов и электризация через влияние

Читайте таблицу сверху вниз: она показывает, что меняется на последовательных этапах опыта. Сравнивайте столбцы, чтобы увидеть главное различие: изолированный проводник только разделяет заряды, а заземлённый может изменить их общее количество. Для получения заряженного проводника особенно важен порядок двух последних действий — размыкание заземления и удаление внешнего тела.

Разбор задач

Знаки зарядов на металлическом шаре

К нейтральному металлическому шару поднесли отрицательно заряженную палочку, не касаясь шара. Требуется определить знаки зарядов на ближней и дальней сторонах. Решаем задачу через направление перемещения свободных электронов, а не предполагаем появление заряда из ничего.

1. У отрицательно заряженной палочки есть избыток электронов, поэтому её поле отталкивает электроны в металлическом шаре.
2. Электроны перемещаются от ближней стороны к дальней. Ближняя сторона теряет часть электронов и получает положительный заряд.
3. На дальней стороне возникает избыток электронов, поэтому она заряжается отрицательно. Суммарный заряд шара остаётся нулевым: заряд лишь разделился.

Ответ: на ближней стороне шара заряд положительный, на дальней — отрицательный; общий заряд шара не изменился.

Положительный заряд шара с помощью отрицательной палочки

Нужно зарядить металлический шар положительно, не касаясь его отрицательно заряженной палочкой. Положительный заряд означает недостаток электронов, поэтому нужно создать условия, при которых электроны смогут покинуть шар. Одного приближения палочки недостаточно: без заземления общий заряд шара останется прежним.

1. Поднесите отрицательную палочку к шару, не допуская соприкосновения. Её поле отталкивает электроны к дальней стороне шара.
2. Соедините шар с Землёй, например проводником. Электроны, отталкиваемые палочкой, перейдут с шара в Землю.
3. Сначала отключите заземление, пока палочка ещё рядом. Так вы перекроете путь для возврата электронов.
4. Теперь уберите палочку. На шаре останется недостаток электронов, то есть положительный заряд, который распределится по поверхности.

Ответ: поднести палочку, заземлить шар, отключить заземление и только потом убрать палочку.

Два соприкасающихся металлических шара

Два одинаковых изолированных шара сначала соприкасаются и в целом нейтральны. К одному подносят положительно заряженную палочку, затем шары разъединяют, сначала убрав палочку. Нужно учесть, что порядок действий здесь отличается от порядка, необходимого для сохранения наведённого заряда.

1. Пока шары соприкасаются, электроны могут перемещаться между ними. Положительная палочка притягивает электроны к ближайшему шару, поэтому на нём возникает избыток электронов, а на дальнем — недостаток.
2. Затем палочку убирают, пока шары всё ещё соприкасаются. Поле палочки исчезает, и электроны перераспределяются между шарами.
3. Шары одинаковы и соприкасаются, поэтому заряд снова распределяется так, что оба остаются нейтральными. Разъединение уже не разделяет заряды, поскольку наведённого перераспределения нет.

Ответ: после всех действий оба шара нейтральны.

Типичные ошибки

• Считать, что при приближении заряженного тела проводник сразу получает общий заряд. Так думают, путая перемещение электронов внутри проводника с обменом зарядами с Землёй; проверьте, было ли заземление или контакт с заряженным телом. Если их не было, у изолированного проводника общий заряд не изменился.

• Приписывать ближайшей стороне тот же знак, что и внешнему телу. Ошибка возникает, если забыть, что электроны отталкиваются отрицательным зарядом и притягиваются положительным; определите сначала направление их движения. Ближняя сторона всегда получает знак, противоположный знаку внешнего тела.

• Убирать заряженное тело до отключения заземления. В таком порядке после исчезновения внешнего поля электроны могут вернуться через соединение с Землёй, поэтому приобретённый заряд не сохранится. Проверьте последовательность: сначала разомкните заземление, а затем удаляйте внешнее тело.

• Считать, что после удаления внешнего тела разделение зарядов остаётся в нейтральном изолированном проводнике. Это представление переносит на проводник ситуацию, когда внешнее поле ещё действует; после его удаления свободные электроны перераспределяются. Проверьте, был ли у проводника ненулевой общий заряд: если нет, он снова станет нейтральным.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны сведения о строении проводников, свободных электронах, электрическом поле и взаимодействии одноимённых и разноимённых зарядов. Перераспределение зарядов объясняет, почему нейтральный проводник притягивается к заряженному телу и как электроскоп обнаруживает заряд. Далее эти идеи применяются при изучении поля проводников, конденсаторов, заземления и электростатической защиты.

Что запомнить

• В проводнике свободные электроны могут перемещаться под действием электрического поля.
• При электризации через влияние заряженное тело не касается проводника.
• Без заземления изменяется распределение зарядов, но общий заряд изолированного проводника сохраняется.
• Ближняя к внешнему заряду сторона проводника получает противоположный знак.
• Заземление позволяет проводнику обмениваться электронами с Землёй.
• Чтобы заряд сохранился, сначала отключают заземление, а потом удаляют внешнее заряженное тело.
• В состоянии электростатического равновесия избыточный заряд проводника находится на его поверхности.