21. Электризация тел. Электрический заряд

Определения и обозначения

Электризация тел — процесс приобретения телом электрического заряда. Иначе говоря, тело может получить или потерять электроны либо перераспределить заряд внутри себя. Это понятие помогает описать, почему после трения предметы начинают притягивать лёгкие кусочки бумаги.

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии; его обозначают q и измеряют в кулонах (Кл). Заряд показывает, насколько заметно тело взаимодействует с другими заряженными телами. Обозначение и единица измерения нужны, чтобы записывать результаты опытов и решать задачи.

Существуют положительный и отрицательный электрические заряды — два вида заряда. Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Это правило позволяет по характеру взаимодействия судить о знаках зарядов, хотя само притяжение ещё не доказывает, что оба тела заряжены.

Закон сохранения электрического заряда утверждает: в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов остаётся постоянной. Замкнутая система — это тела, которые рассматривают вместе и которые не обмениваются зарядом с внешними телами. Закон нужен, чтобы находить неизвестные заряды после соприкосновения или разделения тел.

Как это устроено

Вещество состоит из атомов: в их ядрах находятся положительно заряженные частицы, а вокруг ядер — отрицательно заряженные электроны. При обычной электризации ядра не переходят от одного тела к другому, потому что прочно связаны с веществом. Чаще перемещаются именно электроны, поэтому меняется их распределение, а не состав вещества. Если электронов стало больше, тело приобретает отрицательный заряд; если часть электронов ушла, остаётся избыток положительного заряда ядер.

Заряженное тело создаёт вокруг себя электрическое поле — область, в которой оно может действовать на другие заряды. Если рядом находится незаряженное тело, поле способно немного сместить в нём заряды. В ближайшей к заряженному телу части оказывается больше зарядов противоположного знака, а одноимённые смещаются дальше. Ближняя часть притягивается сильнее, чем дальняя отталкивается, поэтому незаряженное тело в целом может притянуться.

При электризации трением два материала соприкасаются, и часть электронов может перейти с одного на другой. Причина перехода в том, что разные материалы удерживают электроны с разной силой. После разделения один материал оказывается с избытком электронов, другой — с их недостатком, поэтому заряды получают противоположные знаки. Трение помогает увеличить число соприкосновений поверхностей, но заряд не создаётся трением из ничего: происходит перенос электронов.

Проводники, например металлы, содержат электроны, способные перемещаться внутри тела. Поэтому, если заряд попал на проводник или рядом появилось электрическое поле, свободные заряды могут перераспределиться по всему телу; в обычных условиях избыток заряда располагается на поверхности. В диэлектриках свободное перемещение электронов по всему телу сильно затруднено. Поэтому после воздействия заряд остаётся преимущественно вблизи того места, где тело натирали или касались его заряженным предметом.

При электризации взаимодействующих тел электроны переходят между ними, но не появляются из ничего и не исчезают. Если рассматривать оба тела вместе и исключить обмен зарядом с окружающими предметами, потеря электронов одним телом равна их приобретению другим. Поэтому сумма зарядов до взаимодействия равна сумме после него. Заряд может переместиться или разделиться, но общий заряд замкнутой системы остаётся прежним.

Способы электризации тел

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, как именно взаимодействовали тела, а затем проследите, куда могли перейти электроны. В таблице приведён способ электризации трением: результатом становится пара тел с зарядами противоположных знаков. Знак каждого заряда в конкретном случае зависит от материалов и направления перехода электронов.

Разбор задач

Стеклянную палочку натёрли шёлком. Объясните, почему палочка и шёлк после этого взаимодействуют.

1. При трении стекло и шёлк соприкасаются, поэтому электроны могут перейти с одного материала на другой.
2. Материалы удерживают электроны неодинаково. В результате одно тело теряет часть электронов и заряжается положительно, а другое получает электроны и заряжается отрицательно.
3. Заряды палочки и шёлка разноимённые. По правилу взаимодействия разноимённые заряды притягиваются, поэтому тела взаимодействуют.

Ответ: при трении тела получают противоположные заряды; они притягиваются. Какое из них заряжено положительно, определяется направлением перехода электронов.

Заряженную палочку поднесли к незаряженному металлическому шару. Шар притянулся к палочке. Объясните явление.

1. Металлический шар — проводник, поэтому в нём есть свободные электроны, способные перемещаться.
2. Поле заряженной палочки перераспределяет заряды шара: на ближней стороне оказывается больше зарядов противоположного знака, а одноимённые смещаются дальше.
3. Ближняя сторона притягивается к палочке сильнее, чем дальняя сторона отталкивается. Поэтому шар в целом движется к палочке, хотя до этого его общий заряд был равен нулю.

Ответ: палочка вызывает разделение зарядов в металлическом шаре, и притяжение ближней части оказывается сильнее отталкивания дальней.

Два одинаковых металлических шарика имеют заряды 6 нКл и −2 нКл. Их соединили, а затем раздвинули. Найдите заряд каждого шарика.

1. Сначала найдём общий заряд системы: 6 нКл + (−2 нКл) = 4 нКл. При соединении шариков заряд может перемещаться, но их общий заряд сохраняется.
2. Шарики одинаковые и металлические, значит, после соединения заряд перераспределяется между ними до одинакового значения.
3. Общий заряд 4 нКл нужно разделить поровну: 4 нКл : 2 = 2 нКл. После раздвижения каждый шарик сохраняет полученный заряд.

Ответ: заряд каждого шарика равен 2 нКл.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при электризации на тело обычно переходят положительные заряды. Её допускают, представляя любой заряд как частицу, которая свободно перемещается, но положительные заряды атомных ядер связаны с веществом. Между телами обычно переходят электроны. Проверьте себя: тело, получившее электроны, должно заряжаться отрицательно.

Ошибка — думать, что электризация создаёт заряд из ничего. Это кажется правдоподобным, потому что до опыта тела могли не проявлять электрических свойств. На самом деле электроны переходят или перераспределяются, а общий заряд замкнутой системы сохраняется. Проверка проста: сложите заряды всех взаимодействующих тел до и после опыта — суммы должны совпасть.

Ошибка — утверждать, что заряженное тело притягивает только тело с противоположным зарядом. Так рассуждают, забывая, что нейтральное тело тоже может реагировать на электрическое поле. В нём заряды разделяются, и ближняя часть притягивается сильнее дальней. Проверьте себя: прежде чем объяснять притяжение, выясните, могло ли перераспределиться содержимое тела.

Ошибка — считать, что заряд равномерно распределяется по любому телу. Это неверно, потому что в проводнике свободные электроны перемещаются, а в диэлектрике такое перемещение ограничено. В проводнике заряд может перераспределиться по телу, а в диэлектрике остаётся преимущественно у места воздействия. Для проверки определите материал и спросите себя, есть ли в нём свободные носители заряда.

Связь с другими темами

Для понимания электризации нужно знать строение атома: ядро имеет положительный заряд, а электроны — отрицательный. Также пригодится различие между проводниками и диэлектриками, ведь от подвижности зарядов зависит их распределение. Представление о зарядах подготавливает к изучению электрического поля, взаимодействия зарядов и закона Кулона. Оно помогает объяснить работу электроскопа, молниеотвода и электростатической защиты, а также возникновение молнии.

Что запомнить

• Электризация — это приобретение телом электрического заряда.
• Существуют положительные и отрицательные заряды.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• При электризации перемещаются электроны.
• В проводниках свободные заряды могут перераспределяться по всему телу.
• В замкнутой системе электрический заряд сохраняется.
• Незаряженное тело может притягиваться к заряженному из-за разделения зарядов.