§49. Электризация тел

Определения и обозначения

Электризация — процесс, при котором тело приобретает электрический заряд или в нём происходит разделение зарядов. Заряд обозначают буквой q и измеряют в кулонах (Кл). Это понятие нужно, чтобы описывать электрическое взаимодействие тел и выяснять, почему они притягиваются или отталкиваются.

Электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Тело называют нейтральным, если суммарный положительный заряд в нём равен суммарному отрицательному. Знаки помогают предсказать взаимодействие: одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов остаётся постоянной: q₁ + q₂ + … = const. Замкнутой здесь считают систему, в которую заряд не поступает извне и из которой он не уходит. Закон нужен, чтобы проверять, куда переместился заряд при электризации: он не возникает из ничего и не исчезает.

Как это устроено

В обычных опытах электризация связана главным образом с перемещением электронов. Электроны имеют отрицательный заряд и могут переходить между телами, а положительно заряженные протоны находятся в ядрах атомов и остаются на своих местах. Если тело получает лишние электроны, оно заряжается отрицательно; если теряет часть электронов, положительный заряд оказывается нескомпенсированным.

При электризации трением поверхности тел многократно соприкасаются и разделяются. Из-за различий в строении материалов электроны переходят с одного тела на другое. Поэтому тела получают заряды противоположных знаков: сколько заряда потеряло одно, столько в сумме приобрело другое. Само трение не создаёт заряд, а способствует его переносу.

При электризации соприкосновением заряженное тело касается нейтрального. Часть электронов перемещается между ними, пока заряд не перераспределится; после разделения оба тела могут оказаться заряженными. Направление переноса зависит от того, какое тело имело избыток или недостаток электронов, поэтому знаки зарядов нельзя определять только по факту контакта.

Электризация влиянием, или электростатическая индукция, происходит без касания. Заряженное тело воздействует на заряды внутри проводника: электроны смещаются, и на разных его участках возникают избыток и недостаток электронов. Если проводник заземлить или разделить на части в подходящий момент, можно получить тела с разными зарядами. Если убрать внешнее тело, не закрепив разделение зарядов, они обычно вновь распределятся.

Нейтральное тело тоже может притягиваться к заряженному. Заряд внешнего тела немного смещает заряды внутри нейтрального тела, и ближе к нему оказывается участок с зарядом противоположного знака. Притяжение ближней части оказывается сильнее отталкивания дальней, поэтому тело в целом движется к заряженному предмету. Этим объясняется притяжение мелких кусочков бумаги к натёртой расчёске.

Способы электризации и результат

Сначала определите, есть ли между телами контакт: он отличает трение и соприкосновение от влияния. Затем проследите, перешли ли электроны между телами или только сместились внутри одного из них. Наконец, проверьте ответ по сохранению заряда: суммарный заряд системы должен остаться прежним.

Разбор задач

Условие. Два одинаковых проводящих шарика имеют заряды +6 нКл и −2 нКл. Их приводят в соприкосновение, а затем раздвигают. Найдите заряд каждого шарика после разделения. Считайте, что во время опыта заряд не уходит в окружающую среду.

Решение. При касании электроны могут перемещаться между шариками, поэтому заряд каждого в отдельности изменится. Но суммарный заряд не изменится: электрический заряд не возникает и не исчезает, а только перераспределяется. Поскольку шарики одинаковые, после контакта заряд распределится между ними поровну.

1. Найдём общий заряд до соприкосновения: qобщ = +6 нКл + (−2 нКл) = +4 нКл.
2. Проверим, что в системе сохраняется именно алгебраическая сумма: отрицательный заряд второго шарика нужно учитывать со знаком минус.
3. Разделим общий заряд поровну между двумя одинаковыми шариками: q = qобщ / 2 = +4 нКл / 2 = +2 нКл.
4. После раздвижения каждый шарик сохраняет заряд, который получил при перераспределении, если не соприкасается с другими телами и не заземлён.

Ответ: заряд каждого шарика равен +2 нКл. Проверка: +2 нКл + +2 нКл = +4 нКл, то есть общий заряд до и после соприкосновения совпадает. Если бы шарики имели разные размеры или форму, делить заряд поровну было бы нельзя без дополнительных сведений.

Типичные ошибки

• Считать, что при трении заряд создаётся. Так думают, потому что после натирания тела начинают притягивать лёгкие предметы. На самом деле электроны переходят между телами, а суммарный заряд сохраняется. Проверьте себя: у второго тела должен появиться заряд, компенсирующий изменение заряда первого.

• Путать знак заряда и движение электронов. Электроны отрицательны, поэтому тело, получившее их, заряжается отрицательно, а не положительно. Ошибку помогает заметить прямой вопрос: электроны пришли или ушли? Пришли — избыток отрицательного заряда, ушли — остаётся положительный.

• Складывать заряды без учёта знаков. Например, заряды +6 нКл и −2 нКл дают +4 нКл, а не +8 нКл. Такое происходит, если воспринимать заряд как число без знака. Перед вычислением запишите каждый заряд со знаком и проверьте сумму по закону сохранения.

Связь с другими темами

Электризация опирается на представления о строении атома: отрицательно заряженные электроны могут перемещаться, а положительные заряды связаны с ядрами. Знаки зарядов и их взаимодействие понадобятся при изучении закона Кулона, который описывает силу между заряженными телами. Перераспределение зарядов в проводнике связано с электрическим полем и объясняет действие электроскопа. Закон сохранения заряда — частный пример общего принципа сохранения физических величин в замкнутой системе.

Что запомнить

• Электризация — приобретение телом заряда или разделение зарядов внутри него.
• При обычной электризации между телами перемещаются электроны.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Тела электризуются трением, соприкосновением и влиянием.
• Суммарный заряд замкнутой системы сохраняется: q₁ + q₂ + … = const.
• Нейтральное тело может притягиваться к заряженному из-за смещения зарядов внутри него.