3. Электризация через влияние. Перераспределение зарядов

Определения и обозначения

Электризация через влияние (электростатическая индукция) — возникновение разделения зарядов в теле под действием внешнего заряженного тела без соприкосновения с ним. Заряженное тело создаёт электрическое поле, которое воздействует на носители заряда внутри другого тела. Это явление позволяет управлять распределением зарядов, даже если тела не соприкасаются.

Перераспределение зарядов — перемещение свободных зарядов внутри тела под действием электрического поля. В металле такими свободными носителями служат электроны, которые могут перемещаться по всему проводнику. Понятие помогает отличить перемещение зарядов внутри тела от их перехода между разными телами.

Заземление — соединение тела с Землёй, благодаря которому заряды могут переходить между телом и Землёй. Земля способна принять или отдать электроны, не приобретая заметного для опыта заряда. Заземление используют, когда нужно изменить суммарный заряд проводника под действием внешнего поля.

Электростатическая защита — ослабление действия внешнего электрического поля внутри замкнутой проводящей оболочки. Свободные заряды оболочки перераспределяются так, что их поле компенсирует внешнее внутри защищённой области. Это свойство используют, чтобы оградить приборы и другие объекты от электрического воздействия.

Как это устроено

В проводнике часть электронов не связана с определённым атомом и может перемещаться по всему телу. Когда возникает электрическое поле, на заряды действует электрическая сила, поэтому электроны начинают двигаться. Их перемещение прекращается, когда установившееся распределение зарядов уравновешивает действие поля внутри проводника.

Поднесём к нейтральному проводнику положительно заряженное тело. Оно притягивает свободные электроны, поэтому те смещаются к ближайшей стороне; на дальней стороне электронов становится меньше. В результате ближняя область оказывается отрицательно заряженной, а дальняя — положительной.

При поднесении отрицательного тела свободные электроны, наоборот, отталкиваются и смещаются дальше от него. Ближняя сторона проводника остаётся с недостатком электронов и получает положительный заряд, а дальняя — с избытком электронов и отрицательный. Поэтому знак заряда ближней стороны противоположен знаку внешнего тела.

Если проводник изолирован и не касается заряженного тела, электроны не приходят извне и не уходят наружу. Одни области получают избыток электронов, другие — такой же по величине недостаток. Поэтому при разделении зарядов общий заряд проводника остаётся прежним, хотя на его частях появляются заряды разных знаков.

Заземление меняет ситуацию: теперь электроны могут переходить между проводником и Землёй. Например, возле отрицательно заряженного тела электроны отталкиваются и уходят в Землю; если разорвать соединение с Землёй, они уже не вернутся после удаления внешнего тела. В итоге проводник останется положительно заряженным, то есть приобретёт заряд противоположного знака внешнему.

Заряженное тело притягивает нейтральный проводник, потому что вызывает разделение зарядов в нём. Ближние разноимённые заряды притягиваются сильнее, чем дальние одноимённые отталкиваются: расстояние до ближней стороны меньше. Проводящая оболочка работает сходным образом: её заряды перераспределяются и ослабляют поле внутри замкнутой оболочки.

Перераспределение зарядов в проводнике

В таблице прослеживайте отдельно движение электронов и итоговый заряд всего проводника. «Ближняя» и «дальняя» стороны относятся к положению относительно внешнего заряженного тела. В последних двух строках особенно важен порядок действий: именно он определяет, останется ли на проводнике суммарный заряд.

Разбор задач

Задача 1. К нейтральному металлическому шару поднесли, не касаясь его, положительно заряженную палочку. Укажите знаки зарядов на ближней и дальней сторонах шара и его суммарный заряд.

1. В металле есть свободные электроны, на которые положительно заряженная палочка действует силой притяжения.
2. Электроны смещаются к ближней стороне, поэтому она получает отрицательный заряд; дальняя сторона теряет часть электронов и становится положительной.
3. Контакта и заземления нет, значит, заряд не пришёл извне и не ушёл из шара. Заряды лишь разделились, а суммарный заряд остался нулевым.

Ответ: ближняя сторона отрицательная, дальняя положительная; шар в целом нейтрален.

Задача 2. Отрицательно заряженную палочку поднесли к нейтральному проводнику, который сначала заземлили, затем отключили от Земли и только после этого убрали палочку. Определите знак заряда проводника.

1. Отрицательно заряженная палочка отталкивает свободные электроны проводника.
2. Пока проводник заземлён, часть электронов уходит по соединению в Землю. В проводнике остаётся недостаток электронов, то есть положительный заряд.
3. Заземление отключают до того, как убрать палочку. Поэтому проводник теряет возможность получить электроны обратно, а после удаления палочки оставшийся заряд распределяется по нему.

Ответ: проводник будет заряжен положительно, то есть противоположно палочке.

Задача 3. Два одинаковых нейтральных металлических шарика соприкасаются. К одному шарику поднесли положительно заряженное тело, затем шарики разъединили и убрали внешнее тело. Определите знаки зарядов шариков и объясните, сохраняется ли суммарный заряд системы.

1. Положительное тело притягивает электроны. Поскольку шарики соприкасаются, электроны могут перейти со второго шарика на тот, который ближе к внешнему телу.
2. На ближнем шарике возникает избыток электронов, поэтому он заряжается отрицательно; на втором появляется их недостаток, поэтому он заряжается положительно.
3. После разъединения заряд каждого шарика сохраняется, а удаление внешнего тела только меняет его распределение по поверхности. Заряды шариков равны по модулю и противоположны по знаку.

Ответ: ближний к внешнему телу шарик отрицательный, второй положительный; суммарный заряд двух шариков остаётся нулевым. Если учитывать внешнее тело, заряд всей системы также сохраняется.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при одном лишь поднесении заряженного тела проводник обязательно получает суммарный заряд. Так думают, потому что замечают заряженные участки и принимают их за заряд всего тела. Проверьте, был ли контакт или заземление: если нет, заряды лишь перераспределились, а общий заряд изолированного проводника не изменился.

Ошибка: приписывать ближней стороне тот же знак, что и внешнему телу. Это происходит, если учитывать только наличие заряда рядом и забывать, что свободные заряды проводника перемещаются. Определите, какие носители движутся: ближняя сторона в итоге получает заряд противоположного знака.

Ошибка: считать, что при заземлении электроны всегда переходят на проводник. Направление движения зависит от поля: положительное внешнее тело притягивает электроны из Земли, а отрицательное отталкивает их в Землю. Для проверки сначала установите знак внешнего тела, затем проследите, куда оно действует на электроны.

Ошибка: убрать внешнее заряженное тело до отключения заземления. Пока проводник соединён с Землёй, заряды могут свободно уходить или приходить, поэтому после исчезновения внешнего поля разделение зарядов может исчезнуть. Проверьте последовательность: сначала разомкнуть заземление, затем удалить внешнее тело.

Связь с другими темами

Для понимания электризации через влияние нужно знать, что заряды бывают двух знаков, одноимённые отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Также важно представлять устройство проводника и понимать, что в нём есть свободные носители заряда. Эти знания объясняют, почему электрическое поле вызывает перемещение зарядов.

Перераспределение зарядов помогает изучать электростатическое поле и работу конденсаторов, в которых накапливаются заряды. Принцип заземления и проводящей оболочки используется в электростатической защите. Разделение зарядов также лежит в основе действия электроскопа — прибора для обнаружения электрического заряда.

Что запомнить

• Электризация через влияние происходит без соприкосновения тел.
• В проводнике внешнее электрическое поле вызывает перемещение свободных зарядов.
• У нейтрального проводника при одном лишь перераспределении суммарный заряд не меняется.
• Ближняя к заряженному телу сторона проводника приобретает заряд противоположного знака.
• Заземление позволяет зарядам переходить между проводником и Землёй.
• Чтобы сохранить заряд, полученный при заземлении, сначала отключают заземление, а затем убирают внешнее заряженное тело.