"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Электризация — это приобретение телом электрического заряда, обычно из-за перехода электронов от одного тела к другому. Она объясняет, почему после трения материалы притягиваются или отталкиваются и как заряды распределяются при соприкосновении. Заряды бывают положительными и отрицательными: одноимённые отталкиваются, разноимённые притягиваются. Главное правило темы — в замкнутой системе суммарный заряд не меняется: он перераспределяется, но не возникает из ничего.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электризация тел — процесс приобретения телом электрического заряда. Иными словами, после электризации тело начинает участвовать в электрическом взаимодействии иначе, чем нейтральное. Это понятие помогает описывать, например, притяжение лёгких предметов к натёртой палочке.
Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии; его обозначают q и измеряют в кулонах (Кл). Значение заряда показывает, сколько заряда имеет тело, а знак — какого он вида. Обозначение и единица измерения нужны, чтобы записывать результаты и решать задачи.
Положительный и отрицательный электрические заряды — два вида заряда: одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Это правило позволяет предсказать результат взаимодействия, не касаясь тел. Например, два тела с положительным зарядом будут отталкиваться.
Закон сохранения электрического заряда утверждает: в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов остаётся постоянной. Замкнутой называют систему, которая не обменивается зарядом с окружающими телами. Закон нужен, чтобы находить неизвестный заряд после взаимодействия.
В обычном атоме положительный заряд ядра уравновешивается отрицательным зарядом электронов. Поэтому в целом атом электрически нейтрален, хотя внутри него есть заряженные частицы. Если число протонов и электронов одинаково, их заряды взаимно компенсируются.
Когда тело электризуется, его заряд меняется из-за перехода электронов между телами. Электроны сравнительно легко отделяются от атомов и перемещаются, а положительно заряженные ядра обычно остаются связанными с атомами вещества. Поэтому тело, которое потеряло часть электронов, получает положительный заряд, а тело, которое приобрело электроны, — отрицательный.
При трении поверхности разных материалов многократно соприкасаются и разделяются. Такое взаимодействие облегчает переход электронов: у материалов неодинакова способность удерживать их. В результате одно тело получает избыток электронов, а другое — их недостаток; заряд появляется у обоих, а не только у натёртого предмета.
При соприкосновении заряд тоже может переходить между телами, если для электронов есть путь. В проводниках, например металлах, есть свободные электроны, поэтому они перемещаются по всему телу и перераспределяют заряд. В диэлектриках — материалах, где заряды не могут свободно перемещаться на большие расстояния, — заряд обычно остаётся преимущественно в месте возникновения.
Перемещение электронов не означает, что заряд создаётся из ничего. Если два тела взаимодействуют в замкнутой системе, электроны лишь переходят с одного на другое, поэтому изменение зарядов этих тел взаимно компенсируется. Так сохраняется алгебраическая сумма: положительные и отрицательные заряды учитывают со знаками, а не складывают только их величины.
| Ситуация или объект | Что происходит с электронами | Какой заряд получает тело | Главный вывод |
|---|---|---|---|
| Нейтральное тело | Число электронов уравновешивает заряд протонов | Нулевой суммарный заряд | Заряды внутри есть, но они компенсированы |
| Тело с избытком электронов | Электронов больше, чем было в нейтральном состоянии | Отрицательный | Избыток электронов даёт отрицательный заряд |
| Тело с недостатком электронов | Часть электронов ушла | Положительный | Недостаток электронов означает положительный заряд |
| Электризация трением | Электроны переходят между материалами | Одно тело заряжается положительно, другое отрицательно | Заряжаются оба тела |
| Электризация соприкосновением | Электроны переходят и перераспределяются при контакте | Зависит от начальных зарядов и свойств тел | Общий заряд системы сохраняется |
| Проводник | Свободные электроны перемещаются по телу | Заряд распределяется по проводнику | Заряд не обязательно остаётся в точке контакта |
| Диэлектрик | Электроны не перемещаются свободно по всему телу | Заряд преимущественно остаётся возле места возникновения | Перенос заряда ограничен |
| Замкнутая система тел | Заряды переходят между телами системы | Суммарный заряд остаётся прежним | Σq = const |
Сначала определите, какие частицы могут перемещаться и какие тела входят в систему. Затем установите, меняется ли число электронов у каждого тела, и укажите знак его заряда. Для проверки сложите заряды с учётом знаков.
Задача 1. После трения стеклянной палочки о шёлк палочка получила заряд +q. Найдите заряд шёлка, если система изолирована. Решение. До взаимодействия тела считались нейтральными, поэтому их суммарный заряд был равен нулю. После трения эта сумма должна остаться нулевой: +q + qшёлка = 0. Значит, шёлк получил заряд −q, противоположный заряду палочки.
Задача 2. Два одинаковых металлических шарика имеют заряды +6 нКл и −2 нКл. Их соприкоснули и раздвинули. Решение. Сначала найдём полный заряд: +6 − 2 = +4 нКл. У одинаковых проводящих шариков после контакта заряд распределяется поровну, поэтому +4 : 2 = +2 нКл приходится на каждый шарик. Ответ: каждый шарик имеет заряд +2 нКл.
Задача 3. Три проводящих шарика с известными начальными зарядами соприкасают последовательно; требуется определить конечные заряды. Численные значения зарядов и порядок контактов в условии не заданы, поэтому ответ можно записать только общим способом. Обозначим начальные заряды шариков A, B и C как qA, qB и qC, а каждый контакт двух одинаковых шариков будем считать с последующим разъединением. После контакта складываем их заряды и делим сумму пополам, затем используем полученные значения в следующем контакте.
В последнем примере формулы описывают именно порядок A–B, затем B–C и одинаковые шарики. При другой последовательности контактов нужно пересчитать заряды заново: после каждого соприкосновения меняются значения, участвующие в следующем шаге.
Считать, что при электризации создаются новые заряды, — неверно: обычно электроны переходят между телами. Так можно подумать, если следить только за одним из них и не учитывать второе. Проверка: включите в систему все взаимодействующие тела и сравните сумму зарядов до и после.
Положительный заряд не означает, что в теле появились положительные частицы. Обычно тело теряет электроны, а протоны остаются в ядрах атомов. Проверить себя просто: положительный заряд — недостаток электронов, отрицательный — их избыток.
После любого соприкосновения тела не обязательно получают одинаковые заряды. Равенство получается, например, у одинаковых проводящих шариков, но не является правилом для тел с разными свойствами или формой. Перед делением общего заряда поровну проверьте, что условия задачи действительно позволяют это сделать.
Нельзя применять закон сохранения заряда только к одному телу, забыв об остальных и окружающей среде. Заряд отдельного тела может измениться, когда оно обменивается электронами с другими. Чтобы проверить решение, правильно выберите замкнутую систему и сложите заряды всех её частей со знаками.
Чтобы понять электризацию, нужно знать строение атома: в ядре находятся протоны и нейтроны, а вокруг него — электроны. Это помогает объяснить, почему нейтральный атом может стать заряженным при потере или приобретении электронов. Далее эти знания пригодятся при изучении взаимодействия зарядов и электрического поля, которое описывает их действие на расстоянии.
Знание о зарядах используется на практике: заземление помогает отводить избыточный заряд, а электроскоп обнаруживает его наличие. Понимание статического электричества важно и для защиты от нежелательного накопления заряда. Так правила о переходе и сохранении заряда связывают школьные опыты с техническими устройствами.
Почему после трения заряжаются оба тела, а не только одно?
При трении электроны переходят с одного материала на другой. Тело, отдавшее электроны, становится положительно заряженным, а получившее — отрицательно заряженным. Заряды возникают одновременно и компенсируют друг друга по сумме.
Можно ли получить электрический заряд из ничего?
Нет, электрический заряд не создаётся при обычной электризации. Электроны переходят между телами или перераспределяются внутри системы, поэтому её общий заряд сохраняется.
Почему нейтральное тело притягивается к заряженному?
Заряд заряженного тела немного смещает заряды внутри нейтрального тела. Ближе оказываются заряды противоположного знака, поэтому притяжение с этой стороны сильнее отталкивания с дальней стороны.
Куда перемещаются электроны в металлическом проводнике?
В металле есть свободные электроны, которые могут перемещаться между атомами. Поэтому после сообщения заряда они перераспределяются по проводнику, а не остаются только в точке касания.
Почему при соприкосновении одинаковых шариков их заряды становятся равными?
При контакте заряд перетекает между шариками до установления равновесия. У одинаковых проводящих шариков условия для распределения заряда одинаковы, поэтому после разъединения заряды равны. Их сумма при этом остаётся прежней.
25. Природа электризации тел. Закон сохранения заряда
