1. Два знака электрических зарядов

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии. Его обозначают q, а в Международной системе единиц измеряют в кулонах (Кл). Заряд нужен, чтобы описывать и сравнивать электрические свойства тел не только словами, но и числом.

Положительный заряд — один из двух знаков электрического заряда. Название «положительный» выбрали условно, поэтому оно не означает, что такой заряд лучше или сильнее отрицательного. Знак помогает указать, к какому типу относится заряд тела или частицы.

Отрицательный заряд — второй знак электрического заряда, противоположный положительному. Взаимодействие отрицательного заряда с положительным отличается от взаимодействия двух отрицательных зарядов. Разделение зарядов по знакам позволяет заранее определить, будут ли заряженные тела притягиваться или отталкиваться.

Элементарный заряд — модуль заряда электрона и протона; его обозначают e. Заряды этих частиц равны по модулю, но противоположны по знаку: электрон имеет заряд −e, а протон +e. Сравнение с элементарным зарядом помогает понять, откуда берётся заряд атомов и тел.

Как это устроено

Существование двух типов зарядов выясняют в опытах с наэлектризованными телами — телами, которые получили электрический заряд. Если натереть разные предметы и подвесить их так, чтобы они могли свободно двигаться, одни пары будут сближаться, а другие расходиться. Изменение движения показывает, что электрическое взаимодействие бывает разным и одного типа заряда для его описания недостаточно.

Сравнение опытов приводит к правилу: одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются. Например, два тела с одинаковым знаком расходятся, а тела с противоположными знаками сближаются. Это правило связывает наблюдаемое движение предметов со знаками их зарядов и позволяет предсказывать результат взаимодействия.

Слова «положительный» и «отрицательный» — принятые обозначения двух типов заряда. Их выбор не связан с тем, что один тип полезнее, сильнее или обязательно больше другого по величине. Например, заряд +2 Кл положителен, а заряд −5 Кл отрицателен; по модулю второй заряд больше, хотя его знак другой.

Связь зарядов с веществом видна на примере атома. В его ядре находятся положительно заряженные протоны, вокруг ядра — отрицательно заряженные электроны, а нейтроны электрического заряда не имеют. Если число протонов и электронов одинаково, их заряды взаимно компенсируются, и атом в целом нейтрален.

При обычной электризации заряд тела изменяется потому, что электроны переходят с одного тела на другое. Если электронов стало больше, их отрицательный заряд не компенсирован полностью и тело заряжено отрицательно. Если часть электронов ушла, преобладает положительный заряд протонов — тело получает положительный заряд; сами протоны обычно остаются в атомных ядрах.

Знаки электрических зарядов и их взаимодействие

Сначала определите знак каждого заряда, затем сравните их: одинаковые знаки означают отталкивание, разные — притяжение. Нейтральное тело не имеет суммарного заряда, но взаимодействие с заряженным телом может перераспределить заряды внутри него. Поэтому нейтральное тело тоже может притягиваться к заряженному.

Разбор задач

Задача 1

Два тела имеют положительные заряды. Определите, притягиваются они или отталкиваются. В условии не указаны величины зарядов, но для ответа о характере взаимодействия они и не нужны. Достаточно сравнить знаки.

1. Записываем знаки зарядов: у обоих тел знак «плюс».
2. Сравниваем их: заряды одноимённые, то есть имеют одинаковый знак.
3. Применяем правило взаимодействия: одноимённые заряды отталкиваются.

Ответ: тела отталкиваются. Если бы требовалось найти силу взаимодействия, понадобились бы дополнительные данные, но для определения притяжения или отталкивания правило знаков достаточно.

Задача 2

Стеклянную палочку натёрли и сообщили ей положительный заряд. Нужно выяснить, как изменилось число электронов на палочке. Положительный знак говорит о том, что суммарный заряд палочки стал положительным. При обычной электризации это происходит из-за перехода электронов, а не из-за увеличения числа протонов.

1. Вспоминаем: электрон несёт отрицательный заряд.
2. Чтобы тело стало положительно заряженным, отрицательного заряда в нём должно стать меньше относительно положительного.
3. Значит, часть электронов ушла с палочки при электризации.

Ответ: число электронов на палочке уменьшилось. Если бы электронов добавилось, палочка получила бы отрицательный заряд.

Задача 3

Два заряда равны по модулю элементарному заряду; один положительный, другой отрицательный. Определите характер их взаимодействия и сравните модули. В условии уже указано, что знаки противоположны, поэтому взаимодействие можно установить по правилу для разноимённых зарядов.

1. Записываем заряды: q₁ = +e, q₂ = −e.
2. Сравниваем знаки: они разные, следовательно, заряды притягиваются.
3. Находим модули: |q₁| = e и |q₂| = e, значит, они равны.

Ответ: заряды притягиваются, а их модули одинаковы и равны элементарному заряду e. Минус у второго заряда меняет знак, но не его модуль.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что положительный заряд тела означает избыток протонов. Такое представление возникает из-за знака протона, но при обычной электризации протоны остаются в ядрах, а между телами переходят электроны. Проверка: спросите себя, какая частица может перемещаться при натирании; это электрон, и его потеря оставляет положительный заряд.

Некоторые путают правило взаимодействия и думают, что разноимённые заряды отталкиваются. Причина — смешение слов «разные» и «одинаковые» или невнимание к знакам. Проверка проста: два плюса и два минуса отталкиваются, а пара «плюс — минус» притягивается.

Неверно полагать, что положительный заряд всегда больше отрицательного по величине. Знак сообщает тип заряда, а модуль — его величину, поэтому заряд −5 Кл по модулю больше заряда +2 Кл. Для самопроверки мысленно уберите знаки и сравните числовые значения: это и будут модули.

Нейтральное тело не означает тело без заряженных частиц. Такое заблуждение возникает, если слово «нейтральный» понимать как «внутри нет зарядов», хотя в теле есть и положительные, и отрицательные частицы. Проверьте себя: нейтральность означает, что их суммарные заряды компенсируются, а не исчезают.

Связь с другими темами

Чтобы понимать происхождение знака заряда, нужно знать строение атома и различать протоны, электроны и нейтроны. Далее понятие заряда понадобится для закона сохранения электрического заряда, который описывает изменения зарядов в системе, и закона Кулона, задающего силу взаимодействия. Представление об электризации тел также поможет объяснить электрическое поле и поведение заряженных частиц в нём.

Что запомнить

• Электрический заряд бывает двух знаков: положительный и отрицательный.
• Одноимённые заряды отталкиваются.
• Разноимённые заряды притягиваются.
• Протон имеет положительный заряд, электрон — отрицательный.
• Модули зарядов протона и электрона равны.
• Избыток электронов сообщает телу отрицательный заряд, недостаток — положительный.