"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Электроскоп — прибор, который помогает обнаружить электрический заряд: его лёгкие листочки или стрелка отклоняются, когда получают одноимённые заряды. Заряженное тело может передать заряд при соприкосновении или вызвать его перераспределение без контакта. Во втором случае говорят об электризации через влияние. Она связана со свойствами вещества: в проводниках заряды перемещаются свободно, а в диэлектриках остаются связанными с частицами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электроскоп — прибор для обнаружения электрического заряда. О его наличии судят по тому, насколько расходятся лёгкие листочки или отклоняется стрелка. Прибор не сообщает точное значение заряда, но помогает заметить электрическое действие и сравнить его выраженность.
Электризация через влияние — перераспределение зарядов в теле под действием находящегося поблизости заряженного тела, без соприкосновения с ним. Заряд не переходит через пустое пространство: меняется расположение зарядов внутри тела. Это понятие нужно, чтобы объяснить действие заряженного предмета на незаряженный проводник.
Проводник — вещество, в котором электрические заряды могут свободно перемещаться. В металлах такими носителями обычно служат электроны, а в жидкостях — заряженные частицы. Благодаря свободному движению заряда проводники используют для передачи электрического тока.
Диэлектрик — вещество, в котором свободное перемещение электрических зарядов затруднено. Заряженные частицы в нём есть, но они связаны с атомами или молекулами. Это объясняет, почему диэлектрики обычно не проводят ток так, как металлы.
У простого электроскопа есть металлический стержень с шариком наверху и лёгкие листочки внизу; вместо листочков может быть подвижная стрелка. Стержень соединяет шарик с подвижной частью, поэтому заряд, попавший на него, может распределиться по прибору. Корпус защищает листочки от движения воздуха и случайных прикосновений, которые могли бы изменить их положение. Благодаря этому отклонение связано прежде всего с электрическим воздействием, а не с внешним толчком.
Если заряженным телом коснуться шарика, часть заряда может перейти на электроскоп. Заряд распределяется по проводящим частям прибора, и листочки получают заряды одного знака. Они отталкиваются, потому что одноимённые электрические заряды взаимодействуют с отталкиванием. Поэтому расхождение показывает, что прибор заряжен; оно может меняться при изменении количества заряда, но не служит точным измерением его величины.
Поднесём заряженную палочку к незаряженному проводнику, не касаясь его. Заряды в проводнике способны перемещаться, поэтому под действием электрической силы они перераспределяются: заряды противоположного знака смещаются ближе к палочке, а одноимённые — дальше. В разных частях тела возникает разделение зарядов, хотя их общее количество и суммарный заряд проводника остаются прежними. Такое перераспределение и называют электризацией через влияние.
В проводниках есть свободные носители заряда: например, электроны в металле могут перемещаться между частями вещества. В диэлектриках заряженные частицы связаны с атомами или молекулами, поэтому не могут свободно пройти через всё тело. Различие не в том, есть ли заряды, а в том, насколько легко они меняют положение. Именно подвижность носителей позволяет проводнику переносить заряд.
В электрическом поле свободные заряды проводника перемещаются и перераспределяются по нему. В диэлектрике заряды не переходят с одного края тела на другой: связанные положительные и отрицательные частицы лишь немного смещаются относительно друг друга. Такое смещение называют поляризацией. Поэтому оба вещества реагируют на поле, но в проводнике происходит движение свободных зарядов, а в диэлектрике — небольшое смещение связанных.
| Свойство | Проводник | Диэлектрик |
|---|---|---|
| Наличие свободных носителей заряда | Есть свободные носители | Свободных носителей почти нет |
| Возможность перемещения зарядов внутри вещества | Заряды могут перемещаться по веществу | Заряды связаны с частицами и свободно не перемещаются |
| Поведение вблизи заряженного тела | Свободные заряды перераспределяются | Связанные заряды немного смещаются |
| Примеры веществ | Металлы, графит, растворы солей | Стекло, резина, пластмасса, сухой воздух |
Сравнивайте вещества по наличию подвижных носителей, а не по тому, заряжено ли конкретное тело. Последняя строка даёт привычные примеры, но свойства зависят и от условий: например, вода с растворёнными солями проводит ток лучше чистой воды.
К электроскопу прикоснулись заряженным телом. Листочки разошлись. Нужно объяснить наблюдение и найти причину расхождения. Разделим передачу заряда и дальнейшее движение листочков: это связанные, но разные этапы.
При соприкосновении часть заряда переходит с тела на электроскоп. Значит, заряд теперь есть на его проводящих частях. При этом прибор не просто испытывает действие тела снаружи.
Заряд распределяется по стержню и листочкам. Оба листочка получают заряды одного знака. Это происходит потому, что части прибора соединены проводником.
Одноимённые заряды отталкиваются, и листочки расходятся. Следовательно, их расхождение показывает наличие заряда на электроскопе. Ответ: заряд передался прибору, а листочки разошлись из-за взаимного отталкивания.
К незаряженному электроскопу поднесли заряженную палочку, не касаясь его. Листочки разошлись; требуется объяснить, что изменилось и что будет после удаления палочки. Ключевой вопрос — был ли контакт, ведь от него зависит передача заряда.
Контакта не было, поэтому заряд палочки не перешёл на электроскоп. Но электрическое действие палочки заставило свободные заряды в проводящих частях прибора перераспределиться. Общий заряд изолированного электроскопа остался нулевым.
Часть зарядов сместилась к шарику, а другая часть — к листочкам. На листочках оказалось больше зарядов одного знака, поэтому они оттолкнулись. Так проявилась электризация через влияние.
Если убрать палочку, причина перераспределения исчезнет. Заряды снова распределятся по прибору так, что листочки сблизятся. Ответ: листочки разошлись из-за перераспределения зарядов, но без контакта электроскоп не получил суммарный заряд.
К электроскопу поднесли заряженную палочку, а затем коснулись его рукой, не убирая палочку. Нужно выяснить, почему прибор может остаться заряженным после удаления руки и палочки. Для этого важно проследить действия по порядку: палочка создаёт разделение зарядов, а рука связывает прибор с землёй.
Сначала палочка вызывает перераспределение зарядов в электроскопе. У шарика и листочков оказываются заряды разных знаков, хотя суммарный заряд прибора пока не изменился. Палочку на этом этапе не убирают.
При касании рукой электроскоп оказывается соединён с Землёй через тело человека. Заряды одного знака могут уйти в Землю или, наоборот, прийти из неё. Какой именно знак останется, зависит от знака палочки.
Если сначала убрать руку, пока палочка ещё рядом, связь с Землёй прекращается и заряд не может свободно уйти. Затем убирают палочку: оставшийся заряд перераспределяется по электроскопу. Ответ: прибор может остаться заряженным, потому что прикосновение изменило его суммарный заряд, а порядок удаления руки и палочки сохранил этот результат.
Ошибка: считать, что заряженное тело обязательно сообщает заряд электроскопу, даже если его только поднесли. Так думают, потому что листочки заметно расходятся и это похоже на обычную передачу заряда. Проверьте себя вопросом: был ли контакт или другой путь для переноса заряда? При поднесении без контакта к изолированному прибору меняется распределение зарядов, а суммарный заряд сохраняется.
Ошибка: объяснять расхождение листочков их притяжением к заряженной палочке. Палочка может вызвать перераспределение зарядов, но сами листочки расходятся потому, что получают одноимённые заряды и отталкиваются. Чтобы проверить объяснение, назовите, какие именно части взаимодействуют: листочки друг с другом, а не листочки с палочкой. Причину расхождения ищите во взаимодействии подвижных частей прибора.
Ошибка: считать, что в диэлектрике зарядов совсем нет. Её допускают, смешивая отсутствие свободного движения с отсутствием заряженных частиц. В диэлектрике положительные и отрицательные заряды есть, но связаны с частицами вещества; в поле они могут немного сместиться. Проверка: спросите себя, могут ли заряды пройти через всё тело, а не просто существовать в нём.
Ошибка: называть проводником любое тело, которому однажды передали заряд. Способность проводить определяется строением вещества и наличием свободных носителей, а заряд может удерживаться на поверхности и диэлектрика. Проверьте рассуждение на примере пластмассы: её можно зарядить трением, но это не превращает её в проводник. Передача заряда в конкретном опыте сама по себе не доказывает, что носители свободно движутся внутри материала.
Чтобы понять работу электроскопа, нужно знать, что тела могут электризоваться и взаимодействовать электрическими силами, а заряды бывают двух знаков. Представление о проводниках и диэлектриках понадобится при изучении электрического тока: ток связан с упорядоченным движением зарядов. Эти же знания помогают разбираться в электрических цепях и в электробезопасности — например, понимать, зачем изоляцию делают из диэлектриков.
Как электроскоп показывает, что тело заряжено?
Когда заряд попадает на электроскоп или перераспределяется в нём, его подвижные части отклоняются. Чем заметнее расхождение листочков или поворот стрелки, тем сильнее проявляется электрическое действие.
Почему листочки электроскопа расходятся?
Листочки получают заряды одного знака. Одноимённые заряды отталкиваются, поэтому листочки удаляются друг от друга.
Получает ли электроскоп заряд, если к нему только поднести заряженное тело?
Нет, при простом поднесении заряд не передаётся, поэтому суммарный заряд изолированного электроскопа не меняется. Однако заряды внутри прибора перераспределяются, и листочки могут разойтись.
Почему металлы проводят электрический ток?
В металлах есть свободные электроны — носители заряда, которые могут перемещаться по веществу. Под действием электрического поля их движение становится упорядоченным, и возникает электрический ток.
Может ли диэлектрик содержать электрические заряды?
Да. В диэлектрике есть заряженные частицы, но они связаны с атомами или молекулами и не перемещаются свободно по всему телу. В электрическом поле они могут немного смещаться.
22. Электроскоп. Проводники и диэлектрики
