6. Роль электрических взаимодействий

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, показывающая способность частицы или тела участвовать в электрическом взаимодействии. Заряд обозначают буквой q и считают положительным или отрицательным. Это понятие нужно, чтобы различать свойства протона, электрона и заряженных тел.

Электрическое взаимодействие — взаимодействие заряженных частиц и тел, при котором они притягиваются или отталкиваются. Разноимённые заряды притягиваются, а одноимённые отталкиваются. Так описывают причину движения зарядов навстречу друг другу или в разные стороны.

Электрическая сила — сила, с которой заряженные тела действуют друг на друга. Её величина зависит от модулей зарядов и расстояния между ними: большие заряды взаимодействуют сильнее, а при увеличении расстояния сила ослабевает. Понятие силы позволяет количественно описывать электрическое взаимодействие.

Электромагнитное взаимодействие — фундаментальное взаимодействие, включающее электрические и магнитные явления. Электрическая часть связана с зарядами, а магнитная проявляется, в частности, при их движении. Такое объединение показывает, что электричество и магнетизм являются сторонами одного физического взаимодействия.

Как это устроено

Заряженные частицы взаимодействуют потому, что заряд создаёт вокруг частицы электрическое поле. Попавшая в это поле другая заряженная частица испытывает действие электрической силы. Знак заряда определяет направление действия: поля одноимённых зарядов приводят к отталкиванию, а разноимённых — к притяжению.

На атомных расстояниях электрические силы намного сильнее гравитационных между теми же частицами. Для электрона и протона отношение электрической силы к гравитационной примерно равно 1,2 · 10³⁹, поэтому малые массы не делают гравитацию заметной в микромире. Такое превосходство позволяет электрическому взаимодействию определять движение электронов и положение ядер.

Атом существует благодаря притяжению отрицательно заряженных электронов к положительно заряженному ядру. Отталкивание электронов друг от друга и особенности их движения не дают всем электронам собраться в одной точке. Между атомами электрические силы также могут создавать устойчивые химические связи, а из множества связанных атомов образуются молекулы и кристаллы.

При соприкосновении тел их поверхностные атомы и электроны начинают сильно взаимодействовать. При попытке растянуть или сжать тело немного изменяются расстояния между частицами, и электрические силы стремятся вернуть более выгодное расположение. Поэтому упругость, реакция опоры и трение не являются отдельными фундаментальными взаимодействиями, а возникают из электромагнитных сил между частицами.

Нейтральное тело имеет нулевой суммарный заряд, но это не означает полного отсутствия зарядов внутри него. Рядом с заряженной палочкой электроны в бумаге немного смещаются, и ближняя сторона приобретает избыток противоположного знака. Притяжение ближних зарядов оказывается сильнее отталкивания дальних, поэтому нейтральная бумажка движется к палочке.

Проявления электрического взаимодействия в природе и технике

В таблице сначала определите частицы или поверхности, которые взаимодействуют, а затем проследите, какое макроскопическое явление получается. Это помогает увидеть за привычной силой её микроскопическую причину. Одна и та же электромагнитная природа проявляется и в строении вещества, и в механике тел.

Разбор задач

1. Электрическая природа сил

Назовём природу сил, действующих при сжатии пружины, движении книги по столу и стоянии человека на полу. Нужно перейти от привычного названия силы к взаимодействию частиц. Для этого рассмотрим, что происходит в соприкасающихся или деформированных телах.

1. При сжатии пружины расстояния между её частицами изменяются, поэтому электрическое отталкивание создаёт силу упругости.
2. Книга давит на стол, а неровности поверхностей и взаимодействие их частиц создают реакцию опоры и трение.
3. Человек давит на пол вниз, а электрические силы между частицами обуви и пола не дают телам проникнуть друг в друга.

Во всех трёх случаях основой является электромагнитное взаимодействие. Различаются только условия его проявления: деформация, соприкосновение или попытка относительного движения.

2. Сравнение электрической и гравитационной сил

Сравним силы притяжения электрона и протона. Используем e = 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл, mₑ = 9,1 · 10⁻³¹ кг, mₚ = 1,67 · 10⁻²⁷ кг, k = 9 · 10⁹ Н·м²/Кл² и G = 6,67 · 10⁻¹¹ Н·м²/кг². Расстояние между частицами в отношение сил не войдёт, потому что обе силы убывают как 1/r².

1. Запишем отношение: Fэл/Fгр = k e²/(G mₑmₚ).
2. Подставим значения: Fэл/Fгр ≈ (9 · 10⁹ · (1,6 · 10⁻¹⁹)²)/(6,67 · 10⁻¹¹ · 9,1 · 10⁻³¹ · 1,67 · 10⁻²⁷).
3. Получим примерно 1,2 · 10³⁹, то есть электрическое притяжение во столько раз сильнее гравитационного.

Ответ: электрическая сила намного превосходит гравитационную. Поэтому строение атома определяется электрическим взаимодействием, хотя в больших нейтральных телах электрические эффекты обычно компенсируются.

3. Притяжение нейтральной бумажки

Пластмассовая палочка заряжена, а бумажка в целом нейтральна. Нужно объяснить, почему бумажка всё же притягивается, не приписывая ей постоянный суммарный заряд. Причина состоит в поляризации — небольшом разделении положительных и отрицательных зарядов внутри тела.

1. Поле палочки смещает электроны бумажки относительно положительных ядер атомов.
2. На ближней стороне возникает небольшой избыток заряда, противоположного заряду палочки, а на дальней стороне — одноимённого.
3. Ближние заряды находятся на меньшем расстоянии, поэтому их притяжение сильнее дальнего отталкивания.

Итоговая сила направлена к палочке, хотя общий заряд бумажки остаётся нулевым. Если убрать палочку, перераспределение зарядов обычно исчезает.

Типичные ошибки

Ошибка: электрические силы действуют только между телами с ненулевым суммарным зарядом. Так считают, потому что путают общий заряд тела с распределением зарядов внутри него. Проверка: вспомните поляризацию бумажки и спросите, равны ли силы на ближней и дальней сторонах.

Ошибка: электрическое взаимодействие означает только притяжение. Такое представление возникает из-за привычных опытов с заряженной палочкой и нейтральной бумагой. Проверка проста: одноимённые заряды должны отталкиваться, а разноимённые — притягиваться.

Ошибка: упругость, трение и реакция опоры считают самостоятельными фундаментальными взаимодействиями. Причина — в школьных задачах эти силы вводятся как отдельные обозначения. Проверка: мысленно перейдите к атомному уровню и найдите взаимодействие электронов и ядер поверхностей.

Ошибка: если электрический эффект не заметен, электрических сил нет. Обычно забывают, что силы противоположных зарядов могут почти компенсироваться. Проверка: различайте отсутствие результирующей силы и отсутствие сил отдельных частиц.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны понятия заряда, силы, взаимодействия и строения атома. Они связывают наблюдаемое движение тел с процессами на уровне частиц.

Далее электрические взаимодействия описываются законом Кулона, электрическим полем и принципом суперпозиции. Эти понятия позволяют вычислять силу действия нескольких зарядов.

Электромагнитная природа контактных сил пригодится при изучении механики, молекулярной физики, химических связей и свойств материалов. Так микроскопическое объяснение связывает разные разделы физики.

Что запомнить

• Электрический заряд бывает положительным и отрицательным.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Электрическое взаимодействие является частью электромагнитного взаимодействия.
• В микромире электрические силы обычно намного сильнее гравитационных.
• Строение атомов, молекул и вещества определяется электрическими взаимодействиями.
• Силы упругости, трения и реакции опоры имеют электромагнитную природу.
• Электрически нейтральное тело может притягиваться к заряженному из-за перераспределения зарядов.