§ 33. Электризация тел. Два вида электрических зарядов

Определения и обозначения

Электризация тел — приобретение телом электрического заряда при соприкосновении, трении или воздействии другого заряженного тела. Например, после трения некоторые предметы начинают притягивать лёгкие кусочки бумаги. Понятие электризации помогает описать, как тело получает способность участвовать в электрическом взаимодействии.

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии; его обозначают q. Заряд может быть положительным или отрицательным. Обозначение q позволяет кратко записывать сведения о заряженном теле и использовать их при объяснении взаимодействий.

Положительный заряд возникает, когда электронов в теле меньше, чем было в нейтральном состоянии. При этом ядра атомов не становятся положительно заряженными заново: тело теряет часть отрицательных электронов, а положительный заряд его ядер оказывается не полностью компенсирован. Поэтому знак «плюс» указывает на недостаток электронов.

Отрицательный заряд возникает при избытке электронов по сравнению с нейтральным состоянием тела. Лишние электроны добавляют отрицательный заряд, который уже не уравновешен положительным зарядом ядер. Это определение позволяет по движению электронов понять, какой знак приобретёт тело.

Как это устроено

При электризации меняется число электронов, а не состав атомных ядер. Электроны находятся вне ядра и в некоторых условиях могут покидать атомы и переходить к другим атомам. Ядра содержат протоны и нейтроны и прочно связаны с атомами, поэтому обычное трение или контакт не перемещают их между телами. Так объясняется, почему знак тела определяется избытком или недостатком электронов.

При трении поверхности разных материалов тесно соприкасаются во множестве точек. Электроны в них удерживаются неодинаково, поэтому часть электронов может перейти с одного материала на другой. Получившее электроны тело становится отрицательным, а потерявшее — положительным. Заряды двух тел возникают вместе: электроны не создаются, а только перемещаются, поэтому при отсутствии обмена с окружающими телами общий заряд сохраняется.

Если заряженное тело касается нейтрального, электроны могут перемещаться между ними, особенно если оба тела проводят электрический ток. Перемещение продолжается, пока заряд не перераспределится по соприкасающимся телам. После разделения часть заряда остаётся на каждом из них, поэтому оба тела могут оказаться заряженными. То, сколько заряда получит каждое тело, зависит от условий контакта и свойств тел.

Заряженное тело может притягивать даже нейтральное. Заряды в нейтральном теле обычно компенсируют друг друга, но под действием внешнего заряда они немного смещаются: ближе оказывается область с зарядом противоположного знака. Это перераспределение называют поляризацией. Ближняя область притягивается сильнее, чем дальняя отталкивается, поэтому суммарное действие может быть притяжением.

Правило взаимодействия можно проверить на лёгких телах или с помощью электроскопа — прибора, который показывает наличие заряда. Если к телу с известным зарядом поднести заряженное тело и наблюдать отталкивание, заряды одноимённые; при притяжении они разноимённые. Нейтральный предмет тоже может притягиваться из-за поляризации, поэтому для определения знака нужно сравнивать взаимодействие именно с телом известного заряда. Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются.

Два вида электрических зарядов

Таблица помогает сопоставить знак заряда с изменением числа электронов и с поведением тел при взаимодействии. Чтобы определить знак, сначала выясни, были ли электроны получены или потеряны, а затем используй правило притяжения и отталкивания. Пример заряженного тела показывает, как эти признаки проявляются на практике.

Разбор задач

Задача 1. Эбонитовую палочку потерли о шерсть. Палочка стала отрицательно заряженной. Определите, какие частицы перешли с шерсти на палочку и какой заряд приобрела шерсть.

1. Отрицательный заряд означает, что палочка получила избыток электронов.
2. Значит, электроны перешли с шерсти на палочку. Протоны не перемещались: при обычной электризации переходят электроны.
3. Шерсть потеряла часть электронов, поэтому у неё оказался недостаток отрицательного заряда, то есть она зарядилась положительно.

Ответ: с шерсти на палочку перешли электроны, шерсть получила положительный заряд. Оба тела приобрели заряды противоположных знаков, а общий заряд системы не изменился.

Задача 2. Два небольших шарика отталкиваются. Известно, что один заряжен отрицательно. Какие варианты зарядов возможны у второго шарика?

1. Вспомним правило: отталкиваются тела с одноимёнными зарядами, а разноимённые заряды притягиваются.
2. Раз шарики отталкиваются, второй шарик тоже должен иметь отрицательный заряд. Положительный заряд привёл бы к притяжению.
3. Нейтральный шарик в обычной ситуации может притягиваться к заряженному из-за перераспределения зарядов, а не отталкиваться.

Ответ: второй шарик заряжен отрицательно. Он не может быть положительно заряженным или нейтральным, если наблюдаемое взаимодействие — именно отталкивание.

Задача 3. К положительно заряженному металлическому шару прикоснули незаряженный металлический шар, затем их разделили. Объясните, как распределились электроны и какие заряды получили шары.

1. Положительный заряд первого шара означает, что ему не хватает электронов. В металле есть электроны, способные перемещаться, поэтому при контакте они переходят с нейтрального шара на положительный.
2. У первого шара электронов становится больше, а у второго меньше, чем было до контакта. Заряд перераспределяется между шарами, но суммарно остаётся положительным, как и до соприкосновения.
3. После разделения оба шара сохраняют часть общего положительного заряда. Точное количество заряда на каждом шаре без дополнительных сведений определить нельзя.

Ответ: электроны перемещаются с нейтрального шара на положительно заряженный; после разделения оба шара заряжены положительно. Общий заряд системы сохраняется.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при электризации создаются новые заряды. Так иногда думают, потому что после трения тела начинают вести себя иначе. На самом деле происходит переход или перераспределение электронов, а общий заряд изолированной системы сохраняется. Проверь себя: можно ли назвать тело, которое потеряло электроны, и тело, которое их получило?

Ошибка — путать знак тела со знаком перешедших частиц. Электроны имеют отрицательный заряд, но их переход на тело делает это тело отрицательно заряженным; уход электронов оставляет положительный заряд. Путаница возникает из-за того, что знак частицы переносят на всё тело без учёта изменения числа электронов. Для проверки спроси себя: электронов стало больше или меньше?

Ошибка — утверждать, что любые заряженные тела обязательно отталкиваются. Это неверно: отталкиваются только одноимённые заряды, а разноимённые притягиваются. Ошибку допускают, если вспоминают только один наблюдавшийся случай взаимодействия. Перед ответом сравни знаки обоих зарядов и проверь, одинаковы они или различны.

Ошибка — считать, что отсутствие отталкивания доказывает отсутствие заряда или что нейтральное тело не взаимодействует с заряженным. Нейтральное тело может притягиваться, потому что его заряды перераспределяются под действием внешнего тела. Для самопроверки различай два случая: нейтральность означает равенство положительных и отрицательных зарядов в целом, а не невозможность их смещения.

Связь с другими темами

Для понимания электризации нужно знать строение атома: в нём есть положительно заряженное ядро и отрицательные электроны. Также полезно различать проводники, где заряды могут перемещаться, и непроводники, где такое перемещение затруднено.

Правила электризации и взаимодействия зарядов станут основой для изучения электрического поля и закона Кулона. Позже они помогут понять, как электрические заряды создают взаимодействие на расстоянии и как возникает электрический ток.

Эти знания объясняют работу электроскопа, некоторые способы защиты от статического электричества и образование молнии. Во всех этих явлениях важно учитывать, где находятся заряды и как они перераспределяются.

Что запомнить

• Электризация — это приобретение телом электрического заряда.
• Существуют два вида зарядов: положительный и отрицательный.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• При электризации электроны переходят с одного тела на другое или перераспределяются внутри тела.
• Тело с избытком электронов заряжено отрицательно, а с недостатком — положительно.
• Электрический заряд не возникает из ничего и не исчезает бесследно: выполняется закон сохранения заряда.
• Заряженное тело может притягивать нейтральное из-за перераспределения зарядов в нём.