§ 57. Электрический заряд. Электризация тел. Закон сохранения электрического заряда

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел и частиц участвовать в электрическом взаимодействии. Заряд бывает положительным и отрицательным; обычно его обозначают q. Это понятие позволяет описывать, как заряженные объекты действуют друг на друга, не рассматривая строение каждого атома по отдельности.

Элементарный заряд — наименьший по модулю заряд свободно существующей частицы, его модуль обозначают e. Электрон имеет заряд −e, а протон — +e. Зная это, можно связать заряд тела с количеством электронов, которые оно получило или потеряло.

Электризация тел — приобретение телом электрического заряда или изменение его заряда вследствие переноса либо перераспределения зарядов. Для школьных опытов речь обычно идёт о переходе электронов: протоны связаны с ядрами и не перемещаются между телами. Понятие помогает объяснить, почему после трения или соприкосновения тела начинают электрически взаимодействовать.

Закон сохранения электрического заряда утверждает: в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов остаётся постоянной. Замкнутой называют систему, которая не обменивается зарядом с окружающими телами. Закон нужен, чтобы находить неизвестный заряд после взаимодействия, учитывая знаки всех зарядов.

Как это устроено

В атомах положительный заряд сосредоточен в ядрах, а отрицательный — у электронов. В обычном теле число протонов и электронов таково, что их суммарные заряды компенсируются. Поэтому нейтральность не означает отсутствия заряженных частиц: она означает нулевой общий заряд тела.

При обычной электризации перемещаются электроны, а протоны остаются в ядрах атомов. Если электронов становится больше, чем требуется для компенсации положительного заряда ядер, тело заряжается отрицательно. Если часть электронов уходит, перевес оказывается у положительного заряда, и тело становится положительным.

При трении поверхности тел тесно соприкасаются, и часть электронов может перейти с одного материала на другой. При соприкосновении заряженных тел электроны также способны перераспределиться между ними. Электроны не появляются из ничего: один объект их отдаёт, другой получает, поэтому заряды возникают одновременно и имеют противоположные знаки.

Знак заряда определяет характер взаимодействия: одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются. Заряженное тело может притянуть и нейтральное, потому что его электрическое воздействие немного смещает заряды внутри нейтрального тела. В результате ближняя к заряженному телу сторона оказывается заряжена преимущественно противоположным знаком, и притяжение ближней стороны становится сильнее отталкивания дальней.

В замкнутой системе заряд может переходить между телами, но сумма зарядов с учётом знаков не меняется. Например, если электрон переходит с одного тела на другое, заряд первого увеличивается на +e, а второго — на −e; их общий заряд остаётся прежним. Поскольку обычная электризация связана с переносом целых электронов, заряд тела записывают как q = Ne, где N — целое число со знаком.

Электрическое состояние тела и его заряд

Чтобы определить состояние тела, сравни число электронов и протонов, а затем установи знак суммарного заряда. Таблица описывает именно общий заряд: нейтральное тело по-прежнему содержит заряженные частицы. При электризации отслеживай, куда перешли электроны.

Разбор задач

1. Тело получило электроны

Условие. При трении нейтральное тело получило 5·10¹² электронов. Нужно определить знак и модуль его заряда. Модуль элементарного заряда e ≈ 1,6·10⁻¹⁹ Кл.

1. Полученные электроны имеют отрицательный заряд, поэтому тело также станет отрицательно заряженным. Чтобы найти модуль заряда, умножим число электронов на модуль заряда одного электрона.
2. Используем формулу q = −Ne. Подставляем значения: q = −5·10¹² · 1,6·10⁻¹⁹ Кл = −8·10⁻⁷ Кл.
3. Минус показывает знак, а модуль равен 8·10⁻⁷ Кл, или 0,8 мкКл. Проверка: после получения электронов отрицательного заряда у тела должно стать больше.

Ответ: заряд тела равен −8·10⁻⁷ Кл; его модуль — 8·10⁻⁷ Кл.

2. Тело потеряло электроны

Условие. Нейтральное тело при электризации потеряло 3·10⁹ электронов. Требуется найти его заряд и определить заряд второго тела, если система была замкнутой. Модуль элементарного заряда e ≈ 1,6·10⁻¹⁹ Кл.

1. Потеря отрицательных частиц означает недостаток электронов, поэтому первое тело приобретает положительный заряд. Его заряд равен q₁ = +Ne = 3·10⁹ · 1,6·10⁻¹⁹ Кл.
2. Вычисляем: q₁ = +4,8·10⁻¹⁰ Кл. Изначально оба тела вместе имели нулевой заряд, так как система была нейтральной.
3. По закону сохранения заряда сумма после электризации тоже равна нулю: q₁ + q₂ = 0. Значит, второе тело получило заряд q₂ = −4,8·10⁻¹⁰ Кл.

Ответ: первое тело заряжено на +4,8·10⁻¹⁰ Кл, второе — на −4,8·10⁻¹⁰ Кл.

3. Заряды после взаимодействия

Условие. В замкнутой системе два тела имеют заряды +8 нКл и −2 нКл. После взаимодействия заряд первого тела стал +1 нКл. Найдём заряд второго тела после взаимодействия, обозначив его q₂.

1. Сначала найдём полный заряд системы до взаимодействия: Q = (+8 нКл) + (−2 нКл) = +6 нКл. Складываем именно алгебраические значения, поэтому отрицательный заряд вычитается.
2. По закону сохранения заряда общий результат после взаимодействия также должен быть +6 нКл. Тогда для конечных зарядов получаем уравнение: +1 нКл + q₂ = +6 нКл.
3. Переносим заряд первого тела в правую часть: q₂ = +6 нКл − 1 нКл = +5 нКл. Положительный результат означает, что второе тело после взаимодействия тоже заряжено положительно.

Ответ: заряд второго тела после взаимодействия равен +5 нКл.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при электризации заряд создаётся из ничего. Так могут думать, потому что после трения тело начинает проявлять новые свойства, хотя до этого казалось нейтральным. Проверь себя, проследив за электронами: если одни частицы ушли с одного тела, значит, их получил другой объект.

Иногда знак тела путают со знаком частицы, которую оно приобрело. Электрон отрицателен, поэтому тело, получившее электроны, тоже заряжается отрицательно, а не положительно. Для проверки спроси себя, стало ли в теле больше отрицательного заряда или, наоборот, возник его недостаток.

При вычислениях могут сложить модули зарядов и забыть об их знаках. Это приводит к неверному результату, особенно если заряды разноимённые: например, +8 нКл и −2 нКл дают +6 нКл, а не +10 нКл. Проверка проста: запиши каждый заряд со знаком до подстановки в сумму.

Нейтральность иногда принимают за отсутствие зарядов в теле. На самом деле в нём есть положительные и отрицательные частицы, а нулю равна только их алгебраическая сумма. Чтобы проверить рассуждение, вспомни состав атома: в нём имеются и протоны, и электроны.

Связь с другими темами

Для понимания заряда нужно представлять строение атома: в ядре находятся положительно заряженные протоны, вокруг — электроны с отрицательным зарядом. Это помогает объяснить, почему при обычной электризации перемещаются именно электроны, а заряд меняется.

Представление о взаимодействии тел и действии сил позволяет перейти от знаков зарядов к их поведению: притяжению и отталкиванию. Далее понятия заряда и взаимодействия понадобятся при изучении электрического поля, закона Кулона и электрического тока.

Что запомнить

• Электрический заряд бывает положительным и отрицательным.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Избыток электронов сообщает телу отрицательный заряд, недостаток — положительный.
• При электризации заряд переносится или перераспределяется.
• В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов сохраняется.
• Заряд тела кратен элементарному заряду: q = Ne.