52. Электрический заряд. Электризация тел

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии. Его обозначают буквой q, а измеряют в кулонах (Кл). Заряд нужен, чтобы описывать и сравнивать электрическое состояние тел, а не только говорить, что одно из них «наэлектризовано».

Существуют два вида электрического заряда: положительный и отрицательный. Условно положительный знак приписали заряду стеклянной палочки после трения о шёлк, а отрицательный — заряду эбонитовой палочки после трения о мех. Протон имеет положительный заряд, электрон — отрицательный, поэтому знаки помогают различать их электрическое действие.

Электризация тел — процесс, при котором тела приобретают электрический заряд или заряды перераспределяются в них. Это понятие объединяет несколько способов изменения электрического состояния тел: трение, соприкосновение и влияние. Оно помогает понять, откуда берётся наблюдаемое взаимодействие заряженных предметов.

Элементарный заряд — наименьший по модулю заряд свободно существующих частиц. Заряд электрона равен −1,6·10⁻¹⁹ Кл, а протона — +1,6·10⁻¹⁹ Кл. Сравнивая заряд тела с этой величиной, можно определить, сколько электронов оно приобрело или потеряло.

Как это устроено

Обычное тело электрически нейтрально: в нём есть положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны, а их суммарные заряды компенсируют друг друга. Нейтральность не означает отсутствия заряженных частиц — она означает, что положительный и отрицательный заряды в сумме равны по модулю. Поэтому тело в целом не проявляет электрического заряда, хотя внутри него частицы заряжены.

При трении поверхности тел тесно соприкасаются, и часть электронов может перейти с одного материала на другой. Тело, отдавшее электроны, получает недостаток отрицательного заряда и становится положительным; тело, принявшее их, становится отрицательным. Новые заряды при этом не создаются: перемещаются уже существовавшие электроны, поэтому суммарный заряд пары тел не меняется.

Если заряженное тело соприкоснуть с нейтральным проводником, некоторые электроны могут перейти между ними. Это происходит потому, что электроны в проводнике способны перемещаться, а контакт даёт им возможность перейти с одного тела на другое. После разъединения заряд может остаться на обоих телах; его распределение зависит от свойств и размеров тел.

При электризации влиянием заряженное тело подносят к незаряженному проводнику, не касаясь его. Электрическое действие близкого тела заставляет подвижные электроны проводника сместиться: на одной стороне возникает избыток электронов, а на другой — их недостаток. Сам проводник в целом остаётся нейтральным, если его не соединять с другими телами и не разделять его части.

Знак заряда тела связан с количеством электронов относительно нейтрального состояния: избыток электронов даёт отрицательный заряд, недостаток — положительный. Заряды одинакового знака отталкиваются, а противоположного — притягиваются, потому что так проявляется электрическое взаимодействие между ними. В замкнутой системе, не обменивающейся зарядом с окружающими телами, алгебраическая сумма зарядов остаётся постоянной.

Знаки электрических зарядов и их взаимодействие

Сначала сравните знаки зарядов двух тел, а затем определите результат: одинаковые знаки означают отталкивание, разные — притяжение. Последний столбец показывает частицу, которая может служить носителем соответствующего знака. Например, протон и электрон имеют противоположные заряды и притягиваются.

Разбор задач

Задача 1. Электрон перешёл с одного первоначально нейтрального тела на другое. Определим знаки зарядов и проверим, изменился ли общий заряд. До переноса оба тела имели нулевой заряд, поэтому исходная сумма зарядов равна нулю.

1. Тело, от которого ушёл электрон, потеряло отрицательный заряд, поэтому стало положительно заряженным.
2. Тело, получившее электрон, приобрело избыток отрицательного заряда и стало отрицательно заряженным.
3. Заряды равны по модулю и противоположны по знаку: +e и −e. Их сумма равна нулю, как и до переноса.

Ответ: первое тело заряжено положительно, второе — отрицательно; суммарный заряд не изменился, поскольку электрон лишь перешёл между телами.

Задача 2. Нейтральное тело получило заряд −3,2·10⁻¹⁹ Кл. Найдём число приобретённых электронов. Знак минус показывает, что тело получило избыток электронов, а для подсчёта их количества сравним модуль заряда тела с зарядом одного электрона.

1. Запишем модуль заряда тела: |q| = 3,2·10⁻¹⁹ Кл.
2. Используем модуль элементарного заряда e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл и вычислим N = |q| / e.
3. Получаем N = (3,2·10⁻¹⁹) / (1,6·10⁻¹⁹) = 2. Минус в исходном заряде означает, что эти электроны добавились к телу.

Ответ: тело приобрело 2 электрона.

Задача 3. Два одинаковых проводящих шарика имеют заряды +6 нКл и −2 нКл. Их соприкоснули, а затем раздвинули. Поскольку заряд не исчезает при контакте, сначала найдём общий заряд, а затем разделим его поровну между одинаковыми шариками.

1. Сложим заряды с учётом знаков: qобщ = +6 нКл + (−2 нКл) = +4 нКл.
2. Одинаковые проводящие шарики после контакта получают одинаковые заряды, поскольку заряд перераспределяется между ними.
3. Разделим общий заряд на два: q = +4 нКл / 2 = +2 нКл.

Ответ: после раздвижения каждый шарик имеет заряд +2 нКл.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при электризации заряд появляется из ничего. Так думают, когда видят, что тело стало заряженным, но не учитывают обмен электронами. Проверьте, какие тела участвовали в процессе и куда могли перейти электроны: для замкнутой системы сумма зарядов должна сохраниться.

Иногда знак тела путают со знаком заряда его электронов. Электроны всегда отрицательны, но тело с их избытком заряжено отрицательно, а с недостатком — положительно. Чтобы не ошибиться, сравните число электронов с нейтральным состоянием тела, а не приписывайте всем частицам один знак.

Неверно утверждать, что любые заряженные тела отталкиваются. Это верно только для зарядов одинакового знака; разноимённые заряды притягиваются. Перед выводом о взаимодействии отдельно укажите знак каждого заряда и сравните их.

Ещё одна ошибка — нарушать закон сохранения заряда, рассматривая только одно тело и забывая о втором. При переходе электронов заряд одного тела меняется, но заряд другого меняется противоположным образом. Проверьте, включены ли в расчёт все тела и частицы, участвующие в обмене, и сложите заряды с учётом знаков.

Связь с другими темами

Для понимания заряда нужно знать строение атома: в ядре находятся положительно заряженные протоны, а вокруг него — отрицательно заряженные электроны. Эти знания объясняют, почему при обычной электризации перемещаются электроны, а число протонов в ядрах не меняется. Представления о заряде и его сохранении понадобятся при изучении электростатического поля и закона Кулона, описывающего взаимодействие зарядов. Они также важны для темы электрического тока, в которой рассматривается упорядоченное движение заряженных частиц.

Что запомнить

• Электрический заряд обозначают q и измеряют в кулонах.
• Существуют положительные и отрицательные заряды.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Электризация связана с переносом или перераспределением электронов.
• Заряд электрона равен по модулю элементарному заряду и отрицателен.
• В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов сохраняется.