"Физика (базовый уровень)", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А.; под ред. Пурышевой Н.С.
Электрический заряд — физическая величина, которая описывает способность частиц и тел участвовать в электрическом взаимодействии. Заряды бывают двух знаков: положительные и отрицательные; одноимённые отталкиваются, разноимённые притягиваются. Заряд измеряют в кулонах, обозначают q или Q. Он сохраняется в замкнутой системе, а заряд любого тела кратен элементарному заряду. Эти свойства помогают объяснять электризацию тел и решать задачи о переносе электронов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность частиц и тел участвовать в электрическом взаимодействии. Заряд обозначают q или Q, а в Международной системе единиц измеряют в кулонах (Кл). Это определение позволяет отличать электрические взаимодействия от других видов взаимодействия и сравнивать, насколько заряжены тела. Сам заряд бывает положительным или отрицательным.
Элементарный заряд — наименьшая величина заряда, встречающаяся у свободных частиц: e = 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл. Протон имеет заряд +e, электрон — −e, нейтрон электрического заряда не имеет. Заряд тела кратен элементарному: q = Ne, где N — целое число; знак q зависит от того, каких зарядов в теле больше. Эта запись нужна, чтобы связать измеряемый заряд тела с количеством частиц.
Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов не меняется. Замкнутой называют систему, которая не обменивается заряженными частицами с окружающими телами. Закон помогает отслеживать перераспределение зарядов: если одни частицы приобретают отрицательный заряд, другие получают равный положительный заряд.
Электрический заряд проявляется через взаимодействие: заряженные тела могут притягиваться или отталкиваться. Причина различия в поведении — наличие двух знаков заряда: одинаковые знаки создают отталкивание, а противоположные — притяжение. Поэтому заряд удобно считать не просто числом, но величиной со знаком. При сложении зарядов знаки обязательно учитывают.
В обычных телах есть положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Если их заряды взаимно компенсируются, тело в целом нейтрально. При электризации электроны могут переходить с одного тела на другое, потому что в твёрдом теле они обычно подвижнее протонов, связанных внутри атомных ядер. Тело, получившее лишние электроны, заряжается отрицательно, а потерявшее часть электронов — положительно.
Электризация не создаёт заряд из ничего: она перераспределяет уже существующие заряды. Когда два тела взаимодействуют, часть электронов может перейти с одного на другое; одно тело приобретает отрицательный заряд, другое — равный по модулю положительный. Поэтому сумма зарядов системы до и после процесса одинакова. Именно это отражает закон сохранения заряда.
Квантование заряда означает, что заряд тела не может принимать произвольное значение: он складывается из зарядов отдельных частиц. Для тела, у которого изменилось число электронов, q = −Ne при избытке электронов и q = +Ne при их недостатке. Знак указывает направление изменения относительно нейтрального состояния, а модуль показывает количество перенесённого заряда. В макроскопических телах N обычно настолько велико, что заряд воспринимается как непрерывно меняющаяся величина.
Электрический заряд частицы не меняется из-за её движения: электрон остаётся носителем заряда −e и в покое, и при движении. Это свойство называют инвариантностью заряда. Оно позволяет учитывать заряд частицы отдельно от её скорости и других характеристик движения. В задачах о переносе частиц поэтому достаточно знать их количество и знак заряда.
| Частица | Обозначение заряда | Значение |
|---|---|---|
| Протон | +e | +1,6 · 10⁻¹⁹ Кл |
| Электрон | −e | −1,6 · 10⁻¹⁹ Кл |
| Нейтрон | 0 | 0 Кл |
Таблица помогает быстро определить знак и величину заряда частицы. При подсчёте общего заряда складывайте значения с учётом знаков: например, заряды протона и электрона взаимно компенсируются. Для одинаковых частиц можно умножить заряд одной частицы на их число.
Задача. Тело получило 5 · 10¹² лишних электронов. Найдите его электрический заряд. Заряд одного электрона равен −1,6 · 10⁻¹⁹ Кл. Нужно найти суммарный заряд всех добавленных электронов и правильно указать его знак.
Записываем известные величины: N = 5 · 10¹², заряд электрона qₑ = −1,6 · 10⁻¹⁹ Кл. Поскольку речь идёт об избытке электронов, заряд тела должен быть отрицательным. Это позволяет проверить знак результата ещё до вычисления.
Используем формулу для суммарного заряда одинаковых частиц: q = Nqₑ. Она следует из сложения зарядов всех электронов, причём каждый электрон вносит одинаковый отрицательный вклад. Подставляем данные: q = 5 · 10¹² · (−1,6 · 10⁻¹⁹ Кл).
Перемножаем числа и степени отдельно: 5 · (−1,6) = −8, а 10¹² · 10⁻¹⁹ = 10⁻⁷. Значит, q = −8 · 10⁻⁷ Кл. Полученное значение имеет отрицательный знак, как и должно быть у тела с избытком электронов.
Ответ: q = −8 · 10⁻⁷ Кл. Если в условии сказано о недостатке электронов, знак был бы положительным, а модуль вычислялся бы тем же способом. Проверка размерности тоже полезна: число частиц безразмерно, поэтому результат измеряется в тех же единицах, что и заряд электрона, то есть в кулонах.
Считать, что любое заряженное тело получает заряд только одного знака от окружающей среды. Электризация обычно означает переход электронов между телами, поэтому одно тело становится отрицательным, а другое — положительным. Ошибку допускают, когда рассматривают лишь одно тело и забывают о втором участнике процесса. Проверьте себя: сохраняется ли сумма зарядов всей замкнутой системы?
Записывать заряд тела как положительный при избытке электронов. Электрон несёт отрицательный заряд, поэтому дополнительные электроны делают суммарный заряд тела отрицательным. Часто путают знак заряда частицы и знак заряда, который она «передаёт». Для проверки сначала словами определите: электронов стало больше или меньше?
Использовать число частиц N как величину со знаком. N — это количество частиц, оно не бывает отрицательным; знак результата задаётся зарядом частиц или видом их избытка и недостатка. Ошибка возникает при попытке включить знак в число электронов. Проверьте запись по формуле q = Nqₑ и отдельно укажите знак qₑ.
Понятие заряда используется при изучении электрического поля: поле описывает действие электрических зарядов на другие заряженные тела. В теме о строении атома заряды протонов и электронов объясняют нейтральность атома и возможность электризации вещества. При рассмотрении электрического тока важно учитывать перенос заряженных частиц и то, что ток не нарушает закон сохранения заряда. Эти связи помогают применять одну и ту же величину в разных разделах физики.
§48. Электрический заряд
