§ 1.1. Заряженные тела. Электризация тел

Определения и обозначения

Заряженное тело — тело, имеющее электрический заряд. Его суммарный заряд не равен нулю, тогда как незаряженное тело в целом электрически нейтрально: положительные и отрицательные заряды в нём компенсируют друг друга. Поэтому заряженное тело способно создавать электрическое взаимодействие с другими телами.

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электромагнитном взаимодействии; его обозначают буквой q. Значение и знак заряда позволяют описывать состояние тела и предсказывать, как оно будет взаимодействовать с другими заряженными телами. Заряд можно переносить или перераспределять, но нельзя создать из ничего.

Существуют два вида электрических зарядов: положительный и отрицательный. Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Это правило помогает сравнивать неизвестный заряд с известным, но само по себе притяжение ещё не означает, что оба тела заряжены.

Электризация тел — процесс, при котором тела приобретают электрический заряд или заряд внутри тела перераспределяется. Она происходит, например, при трении и соприкосновении, а также под действием заряженного тела без контакта. Понятие электризации нужно, чтобы объяснить, откуда берётся наблюдаемое взаимодействие и что именно происходит с зарядами.

Как это устроено

Наблюдения показывают, что наэлектризованные тела могут притягиваться и отталкиваться, то есть между ними действует электрическое взаимодействие. Чтобы выяснить, почему в одном случае тела расходятся, а в другом сближаются, сравнивают их поведение с телом, заряд которого известен. Так обнаруживают два вида зарядов: одинаковые знаки дают отталкивание, противоположные — притяжение.

При электризации трением поверхности тел соприкасаются, и электроны могут перейти с одного тела на другое. После разделения тело, получившее электроны, имеет их избыток и отрицательный заряд; тело, потерявшее электроны, — их недостаток и положительный заряд. Протоны обычно остаются связанными в ядрах атомов, поэтому знак заряда определяется изменением числа электронов. В результате два тела получают заряды противоположных знаков.

Заряд не возникает заново, потому что частицы с зарядом уже присутствуют в телах, а при электризации меняется лишь их распределение. Электроны переходят между телами или смещаются внутри одного тела, поэтому заряд одного участка может измениться. Если рассматривать замкнутую систему, которая не обменивается зарядом с окружением, сумма зарядов всех её частей остаётся прежней. Так выполняется закон сохранения электрического заряда.

В проводниках имеются заряды, способные перемещаться по веществу; пример — электроны в металле. Поэтому после переноса заряд может распределиться по доступным участкам проводника, а внешнее воздействие вызывает заметное смещение зарядов. В диэлектриках свободное перемещение зарядов по всему телу затруднено, поскольку заряженные частицы связаны в атомах и молекулах. Однако они могут немного смещаться друг относительно друга, поэтому диэлектрик тоже реагирует на заряженное тело.

При электризации соприкосновением заряженное тело касается другого, и часть заряда переходит между ними. После разделения оба тела могут оказаться заряженными; результат зависит от исходных зарядов и свойств тел. При электризации влиянием контакта нет: поле поднесённого заряженного тела смещает свободные заряды внутри проводника. Ближняя сторона приобретает избыток зарядов одного знака, дальняя — другого, но суммарный заряд изолированного шара при этом не меняется.

Виды зарядов и способы электризации тел

Сначала определите, идёт ли речь о взаимодействии уже заряженных тел или о способе электризации. Затем выясните, есть ли контакт: при трении и соприкосновении заряд передаётся, а при влиянии без контакта происходит его перераспределение. Таблица также помогает не смешивать притяжение тел с передачей заряда.

Разбор задач

Задача 1. Два лёгких шарика после электризации отталкиваются. Что можно заключить об их зарядах? Нужно связать наблюдаемое движение с правилом взаимодействия зарядов. Сам факт отталкивания информативнее, чем простое сближение, потому что незаряженное тело тоже может притягиваться к заряженному.

1. Шарики отталкиваются, значит, взаимодействие соответствует отталкиванию зарядов.
2. Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются.
3. Следовательно, шарики заряжены одноимённо: оба положительно или оба отрицательно. Определить, какой именно знак у них, по одному наблюдению нельзя.

Ответ: заряды шариков имеют одинаковый знак.

Задача 2. При трении стеклянной палочки о ткань палочка получает положительный заряд. Какой заряд получает ткань и что происходит с электронами? Положительный знак означает не появление положительных частиц, а недостаток электронов. Сохранение заряда подсказывает, что электроны должны перейти на другое тело.

1. Палочка стала положительной, значит, она потеряла часть электронов.
2. Эти электроны перешли с палочки на ткань; ткань приобрела их избыток и зарядилась отрицательно.
3. Если до опыта тела в целом были нейтральны и образуют замкнутую систему, заряды после трения равны по модулю и противоположны по знаку.

Ответ: ткань заряжается отрицательно, поскольку получает электроны от палочки.

Задача 3. Заряженную палочку подносят к незаряженному металлическому шару, не касаясь его. Как перераспределятся заряды и изменится ли суммарный заряд шара? Здесь важно отличить перенос электронов между телами от их движения внутри шара. Металл — проводник, поэтому его свободные электроны реагируют на электрическое воздействие палочки.

1. Палочка не касается шара, поэтому заряд между ними не передаётся.
2. Свободные заряды в металле смещаются: ближайшая к палочке сторона приобретает избыток заряда противоположного знака, а на дальней стороне возникает избыток одноимённого знака.
3. В шаре происходит разделение зарядов, но их суммарное количество не меняется: шар остаётся нейтральным.

Ответ: заряды перераспределяются внутри шара, его суммарный заряд не меняется.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при электризации появляется новый заряд. Так думают, если рассматривают только одно тело и не замечают переноса электронов между телами или их смещения внутри проводника. Проверьте себя: учтите все части замкнутой системы и сложите их заряды до и после электризации. Сумма должна совпасть.

Ошибка: связывать положительный заряд с переходом на тело положительных частиц. Обычно в твёрдых телах перемещаются электроны, поэтому положительный заряд означает их недостаток, а отрицательный — избыток. Ошибка возникает из-за смешения знака тела со знаком частиц, которые перемещались. Для проверки спросите себя, потеряло тело электроны или получило их.

Ошибка: считать любое притяжение доказательством разноимённых зарядов. Заряженное тело способно притянуть нейтральный проводник, потому что вызывает в нём разделение зарядов; ближайшая сторона притягивается сильнее. Чтобы проверить вывод, отличайте притяжение от отталкивания и учитывайте возможность электризации влиянием. Отталкивание надёжно указывает на наличие одноимённых зарядов у взаимодействующих тел.

Ошибка: полагать, что в диэлектрике заряды совсем не смещаются. В нём действительно нет свободного перемещения зарядов по всему телу, но заряженные частицы могут немного смещаться внутри атомов и молекул. Это ограниченное смещение часто путают с полной неподвижностью. Проверьте себя: различайте движение зарядов между участками вещества и небольшое смещение внутри его частиц.

Связь с другими темами

Для понимания электризации нужно знать строение атома: в его ядре находятся положительно заряженные протоны, а вокруг — отрицательно заряженные электроны. Перераспределение электронов объясняет, как тело получает заряд и почему в замкнутой системе он сохраняется. Эти представления понадобятся при изучении закона сохранения электрического заряда и закона Кулона, описывающего взаимодействие зарядов. Далее на их основе вводят понятие электрического поля.

Что запомнить

• Существуют два вида электрического заряда: положительный и отрицательный.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• При электризации тела получают заряд вследствие перераспределения зарядов.
• В замкнутой системе суммарный электрический заряд сохраняется.
• В проводниках свободные заряды могут перемещаться по телу.
• В диэлектриках свободное перемещение зарядов по всему телу затруднено.