§ 25. 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 помогает описывать, как тела действуют друг на друга электрическими силами и как меняется их состояние при электризации.

Существуют два вида электрического заряда: положительный и отрицательный. Если тела отталкиваются, их заряды одноимённы; если притягиваются — разноимённы. По этому правилу можно сравнить знаки зарядов, даже если их величины неизвестны.

Элементарный заряд — наименьший по модулю заряд свободной частицы; его обозначают e. Протон имеет заряд +e, а электрон — −e. Сравнение зарядов частиц позволяет понять, из чего складывается заряд тела и почему он бывает положительным или отрицательным.

Закон сохранения электрического заряда утверждает: в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной. Замкнутой называют систему, которая не обменивается зарядом с окружающими телами. Закон нужен, чтобы учитывать заряды всех участников взаимодействия, а не только одного тела.

Как это устроено

При трении или соприкосновении частицы могут перейти с одного тела на другое. В обычных условиях перемещаются главным образом электроны: тело, получившее их избыток, становится отрицательно заряженным, а потерявшее электроны — положительно заряженным. Поэтому электризация разделяет уже существующие заряды, а не создаёт их из ничего. Если рассматривать оба тела вместе, суммарный заряд до взаимодействия равен суммарному заряду после него.

Правило притяжения и отталкивания связано со знаками зарядов. Действие зарядов одного знака направлено так, что тела удаляются друг от друга; заряды противоположных знаков действуют так, что тела сближаются. Поэтому одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Это правило позволяет по характеру взаимодействия судить о соотношении знаков, но само по себе не сообщает величину заряда.

Заряженное тело может притянуть даже нейтральное, потому что его электрическое действие перераспределяет заряды в нейтральном теле. Ближе к заряженному телу оказывается область с противоположным знаком, а одноимённая область смещается дальше. Притяжение ближней области оказывается сильнее отталкивания дальней, поэтому результирующее действие направлено к заряженному телу. Нейтральность при этом означает нулевой общий заряд, а не отсутствие заряженных частиц.

Полный заряд тела складывается из зарядов составляющих его частиц. Положительный заряд возникает, когда положительных зарядов больше, чем электронов; отрицательный — когда электронов больше. Поскольку заряд каждой частицы кратен элементарному заряду, значение заряда тела можно записать как q = Ne, где N — целое число. Для отрицательно заряженного тела знак q отрицательный, хотя модуль заряда равен произведению числа избыточных электронов на e.

Закон сохранения можно проверить на электризации: до контакта двух тел складывают их заряды с учётом знаков, а затем сравнивают сумму с зарядом после контакта или трения. Например, если до взаимодействия одно тело имело заряд +6 Кл, а другое −2 Кл, общий заряд равен +4 Кл. После взаимодействия заряды могут распределиться иначе, но их алгебраическая сумма останется +4 Кл. Для этого необходимо учитывать все тела, участвующие в обмене зарядом.

Виды электрического заряда и их взаимодействие

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите знак зарядов сравниваемых тел, а затем найдите соответствующий вид взаимодействия. Например, два отрицательных заряда одноимённы и отталкиваются. Заряд протона или электрона служит примером того, какой знак соответствует каждой частице.

Разбор задач

Заряды отталкиваются

Условие. Два наэлектризованных тела отталкиваются. Нужно определить, одноимённы или разноимённы их заряды. Величины зарядов для ответа знать не требуется.

1. Вспоминаем правило: разноимённые заряды притягиваются.
2. Раз тела отталкиваются, их заряды не могут быть разноимёнными.
3. Следовательно, знаки зарядов совпадают: оба тела положительны либо оба отрицательны.

Ответ: заряды одноимённы.

Заряд одинаковых шариков

Условие. Два одинаковых незаряженных проводящих шарика соприкоснули, передав им общий заряд −8 нКл, а затем разъединили. Требуется найти заряд каждого шарика. Поскольку шарики одинаковы, заряд после контакта распределяется между ними поровну.

1. Обозначим общий заряд qобщ = −8 нКл. Он равен сумме зарядов шариков: q₁ + q₂ = qобщ.
2. После соприкосновения одинаковые шарики имеют одинаковые заряды, поэтому q₁ = q₂.
3. Общий заряд делим на два: q₁ = q₂ = −8 нКл / 2 = −4 нКл. Отрицательный знак сохраняется, потому что суммарный заряд отрицателен.

Ответ: заряд каждого шарика равен −4 нКл.

Тело получило электроны

Условие. Нейтральное тело получило 5·10⁹ электронов. Нужно определить его заряд и объяснить знак результата. Элементарный заряд по модулю равен e ≈ 1,6·10⁻¹⁹ Кл.

1. Каждый электрон имеет заряд −e, поэтому полученные электроны дают телу отрицательный заряд.
2. Находим суммарный заряд: q = −Ne = −5·10⁹ · 1,6·10⁻¹⁹ Кл.
3. Перемножаем числа и степени: q = −8·10⁻¹⁰ Кл. Минус показывает избыток отрицательных зарядов относительно положительных.

Ответ: q = −8·10⁻¹⁰ Кл; заряд отрицательный, потому что тело получило электроны.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при электризации заряд возникает из ничего. Так думают, когда замечают, что тело стало заряженным, но не учитывают второе тело, с которым оно взаимодействовало. На деле заряд переносится или перераспределяется, а суммарный заряд замкнутой системы сохраняется. Проверьте себя: назовите, куда перешли заряды и какова сумма зарядов всех тел до и после процесса.

Знак заряда иногда путают с направлением движения тела. Причина ошибки — привычка связывать слова «положительный» и «отрицательный» с направлением или движением. Однако знак показывает вид заряда, а не то, куда движется тело; тело любого знака может двигаться в разных направлениях. Чтобы проверить себя, отдельно укажите знак заряда и отдельно — направление скорости.

Нейтральное тело ошибочно считают телом, в котором зарядов нет. Нейтральность означает, что положительные и отрицательные заряды в сумме компенсируются, а не исчезают. Поэтому такое тело может реагировать на заряженное тело: его заряды способны перераспределиться. Проверка проста: вспомните, что атомы нейтрального тела содержат и положительно заряженные протоны, и отрицательно заряженные электроны.

При расчёте заряда тела, получившего электроны, иногда записывают положительный результат. Это происходит, если учитывать число электронов, но забыть, что каждый из них имеет заряд −e. Умножая число электронов на элементарный заряд, обязательно поставьте знак минус: q = −Ne. Самопроверка: избыток электронов должен соответствовать отрицательному заряду, а недостаток — положительному.

Связь с другими темами

Для понимания электрических взаимодействий нужно знать строение атома и различать протоны, электроны и нейтроны. Протоны имеют положительный заряд, электроны — отрицательный, а нейтроны электрически нейтральны. Именно перенос электронов объясняет многие случаи электризации тел.

Правила взаимодействия зарядов подготавливают к изучению закона Кулона. Он позволяет не только определить, притягиваются тела или отталкиваются, но и количественно рассчитать электрическую силу. Для таких расчётов важно учитывать знаки зарядов и их величины.

Представления о зарядах нужны при изучении электрического поля и электрического тока. Поле описывает действие электрических зарядов вокруг них, а ток связан с упорядоченным движением заряженных частиц. Поэтому понимание знака и сохранения заряда помогает разбирать более сложные электрические явления.

Что запомнить

• Существуют два вида электрического заряда: положительный и отрицательный.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Электрон имеет заряд −e, протон — +e.
• Заряд изолированной системы сохраняется.
• Заряд тела кратен элементарному заряду.
• При электризации заряды переносятся или перераспределяются.