§ 49. Электрические взаимодействия

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрических взаимодействиях. Его обозначают буквой q, а измеряют в кулонах (Кл). Заряд нужен, чтобы описывать электрические свойства тел количественно, а не только говорить, что они притягиваются или отталкиваются.

У электрического заряда есть два знака: положительный и отрицательный. Тела с одноимёнными зарядами отталкиваются, а с разноимёнными — притягиваются. Такое деление помогает предсказывать результат взаимодействия, даже если сами тела нельзя увидеть вблизи.

Электризация — приобретение телом электрического заряда или перераспределение зарядов в теле. Например, при трении пластмассовой палочки о ткань палочка может получить избыток электронов, а при соприкосновении заряженного тела с другим часть заряда переходит на него. Понятие электризации объясняет, как тела получают электрические свойства.

Элементарный заряд — наименьший по модулю заряд свободной частицы: электрон имеет заряд −e, а протон +e. Здесь e обозначает положительную величину, равную модулю заряда каждой из этих частиц. Это понятие позволяет связать заряд тела с числом частиц, участвующих в его электризации.

Как это устроено

При трении электроны могут перейти с одного тела на другое, потому что электроны внешних оболочек атомов удерживаются не одинаково прочно. Тело, отдавшее часть электронов, получает меньше отрицательного заряда, чем положительного, и становится заряженным положительно. Тело, принявшее электроны, получает их избыток и заряжается отрицательно. Протоны при этом остаются в атомных ядрах и обычно не переходят между телами.

Заряд при электризации не появляется из ничего, поскольку меняется число электронов на каждом теле, а не возникает новый заряд. Если тела вместе с окружающими объектами образуют замкнутую систему, ни заряд, ни электроны не пересекают её границу. Поэтому заряд одного тела может измениться, но алгебраическая сумма зарядов всех тел системы остаётся прежней. Это и есть закон сохранения электрического заряда.

Правило взаимодействия зарядов устанавливают по опытам: два тела с одинаковым знаком заряда отталкиваются, а с разными знаками притягиваются. Причина связана с электрическими силами, действующими между заряженными телами. Для решения простых задач достаточно определить знак каждого заряда и сравнить знаки: одинаковые означают отталкивание, противоположные — притяжение.

Нейтральное тело тоже может притягиваться к заряженному, хотя общий заряд нейтрального тела равен нулю. Электрическое воздействие смещает внутри него заряды: область с противоположным знаком оказывается ближе к заряженному телу, а область с таким же знаком — дальше. Ближняя область притягивается сильнее, чем дальняя отталкивается, поэтому в результате тело притягивается. Так наэлектризованная палочка может притянуть лёгкие кусочки бумаги.

Заряд тела кратен элементарному заряду: q = Ne, где N — целое число, а e — модуль заряда электрона. Это связано с тем, что электризация обычного тела происходит при передаче целого числа электронов, а не их частей. Например, если тело получило несколько электронов, его заряд отрицателен и равен целому числу зарядов −e. Знак q показывает вид заряда, а величина N — сколько элементарных зарядов ему соответствует.

Виды зарядов и электрическое взаимодействие

Чтобы пользоваться таблицей, сначала установи, заряжены ли оба тела, а затем сравни знаки их зарядов. Если одно тело нейтрально, учитывай возможность перераспределения зарядов в нём. Примеры помогают связать правило с тем, как заряды возникают в веществах.

Разбор задач

Задача 1. Два тела имеют заряды +q и −q. Определи, притягиваются они или отталкиваются. Здесь не нужно знать численное значение q: для результата важны только знаки зарядов. У первого тела заряд положительный, у второго — отрицательный, значит, заряды разноимённые.

1. Выпишем знаки зарядов: у первого тела «+», у второго «−».
2. Сравним знаки: они различаются, то есть заряды разноимённые.
3. Применим правило: разноимённые заряды притягиваются.

Ответ: тела притягиваются. Проверка проста: если заменить оба знака на одинаковые, результат должен был бы стать противоположным — отталкивание.

Задача 2. При трении электрон перешёл с тела A на тело B. Определи знаки зарядов после трения. До переноса оба тела считаем нейтральными, а других изменений в системе не происходит. Нужно проследить, какое тело потеряло электрон, а какое его получило.

1. Тело A отдало электрон, поэтому в нём осталось меньше электронов, чем положительных зарядов протонов.
2. Недостаток электронов означает положительный заряд, следовательно, тело A заряжено положительно.
3. Тело B приняло электрон, получило их избыток и потому заряжено отрицательно.

Ответ: тело A заряжено положительно, тело B — отрицательно. Сумма зарядов системы по-прежнему равна нулю: положительный заряд одного тела компенсирует отрицательный заряд другого.

Задача 3. Изолированная система первоначально нейтральна. После электризации заряд одного тела стал +3e. Найди суммарный заряд остальных тел системы. Поскольку система изолирована, её суммарный заряд сохраняется. В начале он был равен нулю, поэтому заряды всех тел после электризации также должны дать ноль.

1. Запишем начальный заряд системы: qобщ = 0.
2. Обозначим суммарный заряд остальных тел через qост. После изменения зарядов выполняется равенство +3e + qост = 0.
3. Перенесём +3e в правую часть: qост = −3e.

Ответ: суммарный заряд остальных тел равен −3e. Минус означает, что их общий заряд отрицательный; модуль равен трём элементарным зарядам.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что при трении заряд создаётся. Так думают, потому что после опыта оба тела явно заряжены, но забывают проследить перенос электронов. Проверь себя: сложи заряды тел в замкнутой системе до и после электризации — сумма должна совпасть.

• Ошибка — считать, что тело становится отрицательным, когда теряет электроны. Путаница возникает из-за того, что электрон сам имеет отрицательный заряд. Проверка: потеря отрицательных частиц оставляет избыток положительного заряда, а приобретение электронов даёт отрицательный заряд тела.

• Ошибка — полагать, что притягиваются только тела с разноимёнными зарядами. Это правило применяют к двум заряженным телам и не учитывают нейтральный объект. Проверь себя: если тело нейтрально, вспомни о перераспределении зарядов — заряженное тело может притянуть его.

• Ошибка — записывать заряд изолированного тела как произвольную долю элементарного заряда. Иногда формулу q = Ne забывают и выбирают N дробным. Проверь запись: для обычного тела N должно быть целым числом, а знак q должен соответствовать избытку или недостатку электронов.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в электрических взаимодействиях, нужно знать строение атома и заряды его частиц: электрон отрицателен, протон положителен. Также пригодится понимание алгебраической суммы: при сложении зарядов учитывают их знаки, поэтому +3e и −3e дают ноль. Эти знания позволяют объяснять, откуда берётся заряд тела и почему сохраняется общий заряд системы.

Правила взаимодействия зарядов служат основой для изучения закона Кулона, который описывает силу взаимодействия количественно, и электрического поля, через которое передаётся электрическое воздействие. Представления об электризации помогают объяснять электростатические явления, например притяжение лёгких предметов к наэлектризованному телу. Они также применяются при разборе работы электроприборов, в которых движутся или перераспределяются заряды.

Что запомнить

• Существуют два вида электрического заряда: положительный и отрицательный.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• При электризации происходит перенос или перераспределение электронов.
• В замкнутой системе суммарный электрический заряд сохраняется.
• Заряд тела кратен элементарному заряду.
• Нейтральное тело может притягиваться к заряженному из-за перераспределения зарядов.