IV. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии. Его обозначают буквой q, а измеряют в кулонах (Кл). Понятие заряда нужно, чтобы сравнивать электрические свойства тел и описывать их притяжение или отталкивание.

Электризация — процесс, при котором тело приобретает электрический заряд. Она может происходить при трении или соприкосновении тел, когда между ними переходят электроны. Это понятие помогает объяснить, почему обычная палочка после взаимодействия с тканью начинает притягивать лёгкие предметы.

Электрическое поле — особый вид материи, существующий вокруг заряженных тел и действующий на другие заряженные тела. Само поле нельзя увидеть непосредственно, но его обнаруживают по движению или отклонению помещённого в него заряда. Так объясняют взаимодействие тел без их прямого контакта.

Проводники и диэлектрики — вещества, в которых электрические заряды соответственно могут или практически не могут свободно перемещаться. К проводникам относятся металлы, растворы солей и графит, а к диэлектрикам — стекло, резина и пластмасса. Различие между ними определяет, как ведёт себя заряд внутри вещества.

Как это устроено

При трении поверхности тел тесно соприкасаются, и электроны могут переходить с одного вещества на другое. Какое именно тело отдаёт электроны, зависит от строения его вещества и связи электронов с атомами. Получившее электроны тело имеет избыток отрицательного заряда, а потерявшее их — недостаток электронов и положительный заряд.

Существуют два знака заряда, потому что электрические свойства частиц могут быть противоположными. Чтобы обнаружить знак, заряженное тело сравнивают с телом, знак которого уже известен: отталкивание показывает одинаковые знаки, а притяжение — разные. Поэтому два тела, заряженные одинаково, расходятся, а тела с противоположными зарядами сближаются.

В электрически нейтральном теле суммарные положительные и отрицательные заряды уравновешены. При электризации протоны обычно остаются внутри атомных ядер, а перемещаются именно электроны, поэтому общий заряд тела меняется. Заряд не возникает из ничего: он переходит от одного тела к другому, а при перераспределении меняется его расположение.

Заряженное тело создаёт вокруг себя электрическое поле. Если в это поле поместить другое заряженное тело, поле подействует на него и вызовет притяжение или отталкивание. Значит, поле является посредником взаимодействия: его наличие обнаруживают не зрением, а действием на пробный заряд.

В проводниках есть частицы, способные перемещаться по всему веществу, поэтому заряд быстро распределяется по металлу. В диэлектриках электроны связаны с атомами значительно сильнее и не могут свободно перемещаться на большие расстояния. Из-за этого заряженный проводник передаёт заряд при контакте, а диэлектрик обычно сохраняет заряд в месте электризации.

Сравнение положительного и отрицательного электрических зарядов

Сначала найдите в условии знак заряда или выясните, получило тело электроны или потеряло их. Затем сравните знаки двух тел: одинаковые означают отталкивание, разные — притяжение. Строка о получении заряда помогает не перепутать знак тела со знаком электрона.

Разбор задач

После трения стеклянной палочки о шёлк палочка приобрела положительный заряд. Определим, какие частицы перемещались и каким стал заряд шёлка. Используем правило: положительно заряженное тело потеряло электроны.

1. Палочка имеет положительный заряд, значит, она отдала часть электронов.
2. Эти электроны перешли на шёлк, поскольку заряд не создаётся из ничего.
3. Шёлк получил избыток электронов и поэтому стал отрицательно заряженным.

Ответ: между телами перешли электроны со стеклянной палочки на шёлк. Палочка зарядилась положительно, а шёлк получил отрицательный заряд.

Два одинаково заряженных шарика подвешены на нитях. Нужно определить их поведение сначала при одинаковых, а затем при разных знаках зарядов. Размер и форма шариков здесь не меняют главного правила взаимодействия зарядов.

1. Если знаки зарядов одинаковы, шарики являются одноимённо заряженными.
2. Одноимённые заряды отталкиваются, поэтому нити отклонятся в разные стороны.
3. Если знаки разные, шарики становятся разноимённо заряженными и притягиваются друг к другу.

Ответ: при одинаковых знаках шарики отталкиваются, а при разных притягиваются. Направление движения определяют знаки зарядов, а не то, что шарики сделаны из одного материала.

Заряженную палочку поднесли к нейтральному проводнику, не касаясь его. В проводнике есть свободные электроны, поэтому поле палочки может переместить их внутри проводника. У нейтрального диэлектрика такого свободного перемещения по всему телу почти нет.

1. Поле заряженной палочки действует на электроны проводника и смещает их к одной его стороне или от неё.
2. На ближайшей стороне появляется избыток заряда противоположного знака, а на дальней — заряд того же знака.
3. В целом проводник остаётся нейтральным, но его части заряжены по-разному, поэтому он может притягиваться к палочке.
4. В диэлектрике возможны лишь небольшие смещения связанных зарядов, без свободного перераспределения по всему телу.

Ответ: в проводнике заряды перераспределяются под действием электрического поля, а в диэлектрике такое перемещение сильно ограничено. Поэтому проводник заметно поляризуется, а диэлектрик сохраняет почти исходное распределение зарядов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при электризации заряд возникает из ничего. Так думают, потому что после трения тело начинает притягивать предметы, хотя раньше этого не делало. Проверка проста: нужно проследить, куда перешли электроны, и учесть, что общий заряд системы сохраняется.

Ошибка: путать знак тела со знаком переданных частиц. Электрон отрицателен, поэтому тело, получившее электроны, становится отрицательным, а не положительным. Проверьте себя вопросом: тело приобрело электроны или потеряло их?

Ошибка: утверждать, что любые заряженные тела притягиваются. Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются, поэтому сначала сравнивают знаки. Если знак неизвестен, его нельзя уверенно назвать без опыта с известным зарядом.

Ошибка: считать электрическое поле условным названием пространства вокруг заряда. Поле реально проявляется действием на другой заряд, хотя непосредственно его не видно. Чтобы проверить себя, спросите, какое воздействие обнаружило бы поле в данной точке.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, атомном ядре и электронах. Именно электроны обычно переходят между телами или перераспределяются в них при электризации.

Далее эти представления понадобятся при изучении электрического тока, напряжения и электрических цепей. Движение зарядов в проводнике станет основой объяснения работы источников и потребителей тока.

Идея поля пригодится при изучении магнитного поля и других взаимодействий на расстоянии. Она помогает описывать действие объектов там, где они не соприкасаются.

Что запомнить

• Электрический заряд обозначают q и измеряют в кулонах.
• Существуют положительные и отрицательные электрические заряды.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• При электризации электроны переходят от одного тела к другому или перераспределяются.
• Заряженное тело окружено электрическим полем.
• Проводники позволяют зарядам перемещаться, а диэлектрики препятствуют их свободному движению.