"Физика. Базовый уровень", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А.
Электрический заряд — свойство частиц и тел, благодаря которому они участвуют в электромагнитном взаимодействии. Заряды бывают положительными и отрицательными: одноимённые отталкиваются, разноимённые притягиваются. При обычной электризации между телами перемещаются электроны, поэтому общий заряд не возникает из ничего, а сохраняется. Заряд измеряют в кулонах; он складывается из целого числа элементарных зарядов, модуль каждого из которых равен 1,6·10⁻¹⁹ Кл.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел и частиц участвовать в электромагнитном взаимодействии. Его обозначают буквами q или Q и измеряют в кулонах (Кл). Это понятие позволяет описывать электрические взаимодействия количественно: например, сравнивать заряды тел и рассчитывать силы между ними.
Существуют два вида электрического заряда — положительный и отрицательный. Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Это правило помогает предсказать направление взаимодействия, если знаки зарядов уже известны, но само по себе наблюдение притяжения ещё не всегда позволяет определить эти знаки.
Элементарный заряд — наименьший по модулю заряд свободной частицы. Его модуль равен e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл, заряд протона равен +e, а электрона — −e. Сравнение заряда тела с этим значением помогает установить, сколько электронов оно получило или потеряло.
Квантование электрического заряда означает, что заряд тела кратен элементарному: q = Ne, где N — целое число. Иными словами, обычное тело не может получить произвольный заряд, не связанный с целым числом элементарных зарядов. Эта запись нужна для перехода от известного заряда к числу частиц, участвовавших в электризации.
Наличие заряда обнаруживают по взаимодействию тел: их сближают и наблюдают, притягиваются они или отталкиваются. Отталкивание показывает, что тела имеют одноимённые заряды, потому что нейтральное тело не отталкивается от заряженного лишь из-за наличия заряда. Однако притяжение не устанавливает знак однозначно: оно бывает и у разноимённо заряженных тел, и между заряженным телом и нейтральным.
При электризации — процессе, в котором тело получает или теряет заряд, — в обычных условиях перераспределяются электроны. Они могут перейти с одного тела на другое или переместиться внутри тела. Протоны находятся в атомных ядрах и в таких процессах обычно не переходят между телами, поэтому изменение заряда связано с избытком или недостатком электронов.
Если электрон переходит с одного тела на другое, первое теряет отрицательный заряд и становится положительно заряженным, а второе получает избыток отрицательного заряда и заряжается отрицательно. Значит, при электризации заряды двух тел оказываются противоположными по знаку. Это не случайное совпадение: электрон не исчезает при переходе, а переносит свой заряд от одного тела к другому.
В замкнутой системе, которая не обменивается зарядом с окружающими телами, суммарный заряд сохраняется. При электризации заряженные частицы не возникают и не исчезают: они лишь переходят между частями системы или перераспределяются в ней. Поэтому если одно тело получает отрицательный заряд, другое теряет такое же количество отрицательного заряда, а общий баланс остаётся прежним.
Связь заряда с элементарным зарядом позволяет вычислить число электронов, участвовавших в электризации. Для этого модуль заряда тела делят на модуль заряда электрона: N = |q|/e. Полученное число должно быть целым, а знак исходного заряда подсказывает, что произошло: отрицательно заряженному телу не хватает положительного заряда в балансе из-за избытка электронов, положительно заряженному — из-за их недостатка.
| Характеристика | Значение |
|---|---|
| Обозначение и единица измерения | q или Q; кулон (Кл) |
| Виды зарядов и взаимодействие | Положительный и отрицательный; одноимённые отталкиваются, разноимённые притягиваются |
| Заряд электрона и протона | Электрон: −e; протон: +e; e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл |
| Квантование заряда | q = Ne, где N — целое число |
| Закон сохранения заряда | Суммарный заряд замкнутой системы не изменяется |
Пользуйся таблицей как краткой памяткой: сначала выясни знаки зарядов, затем примени правило их взаимодействия. Для задач о числе электронов понадобятся элементарный заряд и формула q = Ne. При рассмотрении электризации проверяй, сохраняется ли суммарный заряд системы.
Два одинаково заряженных шарика сблизили. Нужно определить, притягиваются они или отталкиваются. Слово «одноимённые» означает, что знаки зарядов совпадают: оба заряда положительные или оба отрицательные.
Ответ: шарики отталкиваются.
Электрон перешёл с тела A на тело B, причём до перехода оба тела были нейтральными. Нейтральность означает, что положительный и отрицательный заряды в каждом теле уравновешивали друг друга. Нужно учесть, что электрон имеет отрицательный заряд и не исчезает при перемещении.
Ответ: тело A заряжено положительно, тело B — отрицательно.
Тело получило заряд −4,8·10⁻¹⁹ Кл. Требуется найти число лишних электронов. Сначала используем модуль заряда, потому что число частиц не может быть отрицательным, а знак заряда учтём при формулировке ответа.
Ответ: на теле оказалось 3 лишних электрона.
Считать, что при электризации заряд появляется из ничего. Так думают, если наблюдают заряд только одного тела, не проверяя, что произошло со вторым; на деле электроны переходят между телами. Чтобы проверить себя, рассмотри всю замкнутую систему и сравни её суммарный заряд до и после электризации.
Путать знак заряда тела со знаком перемещающихся частиц. Поскольку в обычной электризации движутся отрицательные электроны, потерявшее их тело становится положительным, а получившее — отрицательным; протоны обычно остаются в ядрах. Проверка проста: мысленно посчитай, стало ли электронов больше или меньше относительно положительного заряда.
Считать, что заряженное тело обязательно отталкивает любое другое. Это неверно: разноимённые заряды притягиваются, а заряженное тело может притягивать и нейтральное из-за перераспределения зарядов в нём. Перед выводом проверь, известен ли знак второго тела и является ли оно нейтральным.
Записывать заряд как произвольное число элементарных зарядов. Для изолированного тела q = Ne, где N — целое число, поэтому при делении модуля заряда на e должно получиться целое значение. Если результат не целый, проверь исходные данные и вычисления, включая перевод единиц.
Для понимания зарядов полезно знать строение атома: в нём есть положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Законы взаимодействия зарядов применяют при изучении закона Кулона, который позволяет рассчитывать силы между ними. Представление о движении заряженных частиц потребуется при изучении электрического тока и поведения частиц в электрическом поле.
Можно ли создать электрический заряд из ничего?
В обычных процессах электризации заряд не возникает из ничего: электроны переходят с одного тела на другое. Поэтому суммарный заряд замкнутой системы остаётся неизменным.
Почему нейтральное тело может притягиваться к заряженному?
Заряженное тело перераспределяет заряды внутри нейтрального тела. Ближе к нему оказывается область с зарядом противоположного знака, поэтому притяжение ближней части может оказаться сильнее отталкивания дальней.
Что именно перемещается при электризации тела?
В обычных процессах электризации между телами переходят электроны. Протоны находятся в ядрах атомов и обычно не перемещаются; тело с недостатком электронов получает положительный заряд.
Почему заряд электрона отрицательный, а протона положительный?
Знаки зарядов частиц приняты по соглашению: электрону приписан отрицательный заряд, протону — положительный. У этих частиц одинаковые по модулю заряды, но противоположные знаки.
Может ли заряд тела быть меньше элементарного заряда?
Заряд изолированного тела кратен элементарному: q = Ne, где N — целое число. Поэтому ненулевой заряд тела не может быть меньше по модулю e; возможен нулевой заряд.
§ 46. Электрический заряд
