2. Носители электрического заряда. Закон сохранения электрического заряда

Определения и обозначения

Носитель электрического заряда — частица, способная переносить электрический заряд. В металлах такими носителями служат электроны, в электролитах — положительные и отрицательные ионы, а в ионизованных газах — ионы и электроны. Это понятие помогает понять, какие частицы перемещаются и создают электрический ток в разных веществах.

Электрон — частица с отрицательным зарядом, равным по модулю элементарному заряду. Его заряд обозначают −e, а значение e приблизительно равно 1,6·10⁻¹⁹ Кл. Знание знака электрона позволяет определить, как изменится заряд тела, если оно получит или потеряет электроны.

Элементарный электрический заряд — наименьший по модулю заряд свободной частицы; его обозначают e. Численно e ≈ 1,6·10⁻¹⁹ Кл, где Кл — кулон, единица измерения заряда. Эта величина нужна для описания зарядов отдельных частиц и расчёта заряда тела.

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что полный заряд замкнутой системы не меняется при взаимодействии её частей. Замкнутой называют систему, которая не обменивается зарядом с окружающими телами. Закон позволяет связать заряды до и после взаимодействия и найти неизвестный заряд.

Как это устроено

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов вокруг него. В обычном нейтральном атоме число электронов соответствует заряду ядра, поэтому суммарный заряд равен нулю. Если баланс нарушается, атом становится ионом: потеря электронов даёт положительный ион, а присоединение — отрицательный. Так строение атома объясняет, откуда берутся заряженные частицы в веществе.

При электризации тела электроны могут переходить с одного тела на другое, например при соприкосновении или трении. Тело, получившее электроны, приобретает отрицательный заряд, а отдавшее их — положительный. Положительные заряды ядер при этом обычно остаются на своих местах, поэтому меняется именно число электронов. Заряд не возникает из ничего: тела обмениваются носителями, а их общий заряд сохраняется.

Носители зависят от того, как устроено вещество и какие частицы в нём могут свободно двигаться. В металле перемещаются электроны, тогда как положительные ионы образуют почти неподвижную структуру. В электролите движутся ионы обоих знаков: положительные — к отрицательному электроду, отрицательные — к положительному. В ионизованном газе присутствуют ионы и свободные электроны, поэтому заряд могут переносить все эти частицы.

Заряд тела выражается целым числом элементарных зарядов: q = Ne, где N — целое число. Это связано с тем, что при обычной электризации тело получает или теряет целое число электронов, а заряд каждого электрона по модулю равен e. Для заряженного тела знак q показывает направление изменения баланса: избыток электронов даёт отрицательный заряд, недостаток — положительный. Формула помогает находить величину заряда по числу перенесённых электронов.

Закон сохранения применяют, когда рассматривают замкнутую систему тел, между которыми происходит перенос зарядов. Алгебраическая сумма зарядов до взаимодействия равна такой же сумме после него: знаки нужно учитывать. Например, при соприкосновении двух нейтральных тел электроны могут перейти с одного на другое, и тела получат противоположные заряды. Их сумма останется нулевой, потому что ни одно тело извне заряд не получило.

Частицы — носители электрического заряда

Сначала определите среду, а затем найдите, какие заряженные частицы в ней способны перемещаться. Знак заряда частицы показывает, в какую сторону она движется в электрическом поле. Протон входит в состав ядра, но в обычных металлических проводниках не перемещается между атомами.

Разбор задач

Задача 1. При электризации нейтральное тело получило 5·10¹² электронов. Определите знак и величину его заряда. Здесь нужно учесть и число перенесённых частиц, и то, что электроны несут отрицательный заряд. Используем q = Ne, а для избытка электронов записываем отрицательный знак.

1. Модуль заряда равен произведению числа электронов на элементарный заряд: |q| = 5·10¹² · 1,6·10⁻¹⁹ Кл.
2. Вычисляем: |q| = 8·10⁻⁷ Кл.
3. Тело получило электроны, значит, его заряд отрицательный: q = −8·10⁻⁷ Кл.

Ответ: −8·10⁻⁷ Кл. Проверка знака проста: при избытке электронов заряд тела должен быть отрицательным. Расчёт показывает именно модуль заряда, а знак определяется отдельно по смыслу условия.

Задача 2. Два первоначально нейтральных тела при соприкосновении получили заряды +3 нКл и −3 нКл. Объясните результат с точки зрения переноса электронов. Начальная сумма зарядов равна нулю, так как оба тела были нейтральными. После соприкосновения противоположные заряды также дают нулевую сумму.

1. Тело с зарядом +3 нКл потеряло часть электронов: теперь электронов ему недостаёт.
2. Тело с зарядом −3 нКл получило столько же электронов, сколько потеряло первое.
3. Суммарный заряд после переноса равен +3 нКл − 3 нКл = 0, как и до соприкосновения.

Ответ: электроны перешли с первого тела на второе; суммарный заряд системы сохранился. Равные модули зарядов показывают, что первое тело отдало столько заряда, сколько второе получило. Заряды не возникли отдельно друг от друга.

Задача 3. Два заряженных тела взаимодействовали в замкнутой системе. До взаимодействия их заряды были +8 нКл и −2 нКл; после взаимодействия заряд первого стал +1 нКл. Найдите заряд второго. Нужно сложить начальные заряды с учётом знаков, а затем приравнять результат сумме конечных зарядов. Обозначим неизвестный конечный заряд второго тела через q.

1. Суммарный заряд до взаимодействия: +8 нКл − 2 нКл = +6 нКл.
2. По закону сохранения заряда после взаимодействия: +1 нКл + q = +6 нКл.
3. Вычитаем +1 нКл: q = +5 нКл.

Ответ: заряд второго тела после взаимодействия равен +5 нКл. Проверяем: +1 нКл + 5 нКл = +6 нКл, то есть начальная сумма восстановлена. При таком вычислении важно не потерять минус у начального заряда −2 нКл.

Типичные ошибки

• Считать, что при электризации появляются новые заряды. Такую ошибку допускают, потому что после электризации заряд тела действительно становится заметным. На самом деле обычно электроны переходят между телами, а суммарный заряд сохраняется. Проверьте себя, указав, откуда пришли электроны и куда они ушли.

• Считать избыток электронов положительным зарядом. Путают знак заряда тела со знаком заряда ядра или протона. Электрон заряжен отрицательно, поэтому его избыток даёт отрицательный заряд, а недостаток — положительный. Проверьте знак по вопросу: тело получило или потеряло электроны?

• Складывать модули зарядов вместо алгебраических значений. Так делают, если не обращают внимания на знаки в условии. В законе сохранения положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируются, поэтому складывать нужно с учётом знака. Для проверки подставьте найденные заряды в равенство сумм до и после.

• Считать, что во всех веществах заряд переносят только электроны. Это обобщение сведений о металлах на другие среды. В электролитах перемещаются положительные и отрицательные ионы, а в ионизованном газе — ещё и электроны. Перед решением уточните, о каком веществе идёт речь.

Связь с другими темами

Для понимания зарядов нужно знать строение атома и различать положительно заряженное ядро и отрицательные электроны. Это помогает объяснить нейтральность атома и появление ионов при потере или присоединении электронов. Закон сохранения заряда пригодится при изучении электрических цепей и переноса заряда в проводниках. Он позволяет анализировать, какие частицы движутся и как меняются заряды отдельных тел, не теряя общий баланс.

Что запомнить

• Электрон имеет отрицательный заряд, протон — положительный.
• Модуль заряда электрона равен элементарному заряду e.
• Заряд тела кратен элементарному заряду: q = Ne.
• При электризации происходит перераспределение носителей заряда.
• Носители заряда зависят от среды.
• В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов сохраняется.