"Физика. Базовый и углубленный уровни (в 2 частях) ", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Нейтральное тело может притягиваться к заряженному, хотя его полный заряд равен нулю. Причина — электрическое поле внешнего тела перераспределяет заряды в проводнике или немного смещает их в диэлектрике. Ближняя к источнику поля сторона получает преимущественно противоположный заряд, а одноимённые заряды оказываются дальше. Поэтому притяжение ближней стороны перевешивает отталкивание дальней. Это явление помогает понять работу электростатических приборов и объясняет, почему к заряженной расчёске липнут кусочки бумаги.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электростатическая индукция — перераспределение свободных зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля, без контакта с заряженным телом. Проще говоря, поле заставляет подвижные заряды переместиться внутри проводника. Это понятие объясняет, почему разные участки нейтрального металла могут вести себя как заряженные.
Поляризация диэлектрика — смещение связанных зарядов внутри вещества или поворот его молекул под действием электрического поля. Диэлектрик — вещество, в котором заряды не могут свободно перемещаться по всему телу, как в металле. Поляризация нужна для объяснения притяжения к заряженным телам бумаги, пластика и других изоляторов.
Наведённые заряды — разделившиеся или сместившиеся заряды, возникающие в незаряженном теле под действием заряженного тела. Слово «наведённые» подчёркивает, что они появляются из-за внешнего поля, а не обязательно из-за передачи заряда при касании. Этот термин помогает отличать перераспределение зарядов от электризации с изменением полного заряда.
Электрический диполь — система двух равных по модулю разноимённых зарядов, разделённых небольшим расстоянием. Так можно представить многие поляризованные молекулы: их положительные и отрицательные заряды немного смещены относительно друг друга. Модель диполя помогает понять, как поле воздействует на диэлектрик.
Заряженное тело создаёт вокруг себя электрическое поле. Поле действует на электрические заряды даже тогда, когда тела не соприкасаются: на положительные и отрицательные заряды оно действует в противоположных направлениях. Поэтому внутри расположенного рядом нейтрального тела заряды могут сместиться, хотя оно в целом не получает дополнительного заряда.
В проводнике есть свободные заряды, способные перемещаться по всему телу. Если рядом находится заряженное тело, поле притягивает к нему заряды противоположного знака и отталкивает одноимённые. В результате на ближней стороне проводника оказывается преимущественно противоположный заряд, а одноимённый смещается дальше. Заряды только разделяются, поэтому суммарный заряд проводника остаётся равным нулю.
В диэлектрике заряды связаны внутри атомов и молекул, поэтому они не могут перемещаться на большие расстояния по всему телу. Однако внешнее поле немного смещает положительные и отрицательные заряды относительно друг друга, а некоторые молекулы поворачиваются. Так появляется поляризация: ближняя сторона диэлектрика приобретает преимущественно знак, противоположный заряду внешнего тела. Именно поэтому к заряженному предмету притягиваются, например, кусочки бумаги.
На ближней стороне возникают разноимённые заряды, а на дальней — одноимённые с внешним телом. Одноимённые заряды действительно отталкиваются, но находятся дальше от внешнего заряда. По закону Кулона сила взаимодействия уменьшается с расстоянием, поэтому близкие разноимённые заряды притягиваются сильнее, чем далёкие одноимённые отталкиваются. Результирующая сила направлена к заряженному телу.
Таким образом, нейтральное тело в целом притягивается к заряженному, хотя сумма зарядов в нём не изменилась. Нужно различать локальное разделение зарядов и появление у тела нового полного заряда. Если внешнее тело убрать, поле, поддерживавшее разделение, исчезает, и заряды обычно возвращаются к прежнему распределению. Исключения связаны с передачей заряда или с особыми условиями, при которых он удерживается.
| Свойство | Проводник | Диэлектрик |
|---|---|---|
| Что происходит с зарядами | Свободные заряды перемещаются внутри тела. | Связанные заряды смещаются или молекулы поворачиваются. |
| Положение зарядов на ближней стороне | Преимущественно заряд противоположного знака внешнему. | Преимущественно заряд противоположного знака внешнему. |
| Почему возникает результирующее притяжение | Ближнее притяжение сильнее дальнего отталкивания. | Ближнее притяжение сильнее дальнего отталкивания. |
| Изменяется ли полный заряд тела | Нет, при простом наведении он остаётся нулевым. | Нет, при поляризации он остаётся нулевым. |
Сначала определите, с каким веществом имеете дело: в проводнике заряды перемещаются, а в диэлектрике смещаются внутри молекул или ориентируются. Затем сравните ближнюю и дальнюю стороны относительно внешнего заряда. Таблица помогает не спутать изменение распределения зарядов с изменением полного заряда тела.
Условие. К незаряженному кусочку бумаги подносят отрицательно заряженную палочку. Нужно объяснить, почему бумага притягивается. Бумага — диэлектрик, поэтому свободные заряды не перемещаются в ней по всему кусочку.
Ответ: бумага притягивается из-за поляризации диэлектрика. Её полный заряд при этом не становится положительным.
Условие. К незаряженному металлическому шару подносят положительно заряженную палочку. Нужно указать, где окажутся наведённые заряды и почему шар притянется. В металле подвижными носителями заряда являются электроны.
Ответ: отрицательные наведённые заряды окажутся ближе к палочке, положительные — дальше. Шар притянется, потому что близкое притяжение сильнее дальнего отталкивания.
Условие. Два одинаковых незаряженных проводящих шарика находятся рядом. К одному подносят заряженное тело, затем шарики раздвигают и убирают внешнее тело. Нужно выяснить, могут ли шарики остаться заряженными. Здесь важно, соприкасаются ли шарики в момент действия поля.
Ответ: шарики могут остаться заряженными — один положительно, другой отрицательно. Это происходит потому, что заряды успели разделиться между соприкасающимися проводниками, а затем шарики были раздвинуты.
Ошибка: считать, что нейтральное тело целиком приобретает противоположный заряд. Это смешивает наведение зарядов с передачей заряда при контакте. Так думают, потому что наблюдают притяжение и принимают его за признак полной зарядки тела. Проверка: сложите наведённые заряды обоих знаков — при простом наведении их сумма равна нулю.
Ошибка: не учитывать одноимённые наведённые заряды. Они тоже участвуют во взаимодействии и отталкиваются от внешнего тела. Их роль часто упускают, потому что отталкивание не отменяет наблюдаемого притяжения. Проверьте себя: обозначьте обе стороны тела и сравните расстояния до них.
Ошибка: думать, что поляризуются только проводники. В металле заряды перемещаются по телу, а в диэлектрике связанные заряды смещаются или молекулы поворачиваются. Путаница возникает из-за того, что эти механизмы называют похожими словами. Проверка: уточните, могут ли заряды свободно пройти через вещество на большие расстояния.
Ошибка: считать, что разделение зарядов всегда сохраняется после удаления внешнего тела. Обычно оно поддерживается внешним полем и без него исчезает. Эту ошибку допускают, не отличая временное перераспределение от передачи заряда. Для проверки выясните, был ли контакт или разделили ли проводники до того, как убрали внешнее тело.
Чтобы понять притяжение нейтральных тел, нужно знать, что такое электрический заряд, проводник и диэлектрик, а также как взаимодействуют разноимённые и одноимённые заряды. Закон Кулона объясняет, почему сила зависит от расстояния и почему близкий заряд влияет сильнее дальнего. Эти представления пригодятся при дальнейшем изучении электрического поля и электризации тел. На них также основано действие некоторых электростатических приборов.
Почему бумажка притягивается к заряженной расчёске, если бумага нейтральна?
Поле расчёски поляризует бумагу: связанные заряды в её молекулах немного смещаются. На ближней к расчёске стороне появляется преимущественно заряд противоположного знака, и его притяжение сильнее отталкивания зарядов на дальней стороне.
Получает ли незаряженное тело заряд, когда к нему подносят заряженное?
При простом наведении полный заряд тела не меняется и остаётся равным нулю. Заряды лишь перераспределяются внутри него или слегка смещаются в молекулах; после удаления внешнего тела это перераспределение обычно исчезает.
Чем электростатическая индукция в проводнике отличается от поляризации диэлектрика?
В проводнике свободные заряды могут перемещаться по всему телу, поэтому на его сторонах возникают области с разными знаками. В диэлектрике заряды связаны с атомами и молекулами: они немного смещаются друг относительно друга или молекулы поворачиваются.
Почему притяжение ближней стороны сильнее отталкивания дальней?
Сила электрического взаимодействия уменьшается с расстоянием: по закону Кулона она обратно пропорциональна квадрату расстояния. Поэтому близкие разноимённые заряды притягиваются сильнее, чем далёкие одноимённые отталкиваются.
Исчезает ли разделение зарядов, когда заряженное тело убирают?
Обычно да: без внешнего электрического поля заряды возвращаются к прежнему распределению, а поляризованные молекулы теряют преимущественную ориентацию. Исключения возможны, если заряд был передан телу или закреплён в нём особым образом.
5. Почему незаряженные тела притягиваются к заряженным?
