§ 35. Объяснение электрических явлений. Закон сохранения электрического заряда

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии. Его обозначают буквой q, а единицей измерения служит кулон, сокращённо Кл. Это понятие нужно, чтобы описывать, насколько тело способно притягивать или отталкивать другие заряженные тела.

Положительный и отрицательный заряды — два вида электрического заряда. Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Знак помогает понять направление взаимодействия и сравнить заряд тела с зарядом другого тела.

Электрон — частица с отрицательным элементарным зарядом, а протон — частица с положительным элементарным зарядом. Модули их зарядов одинаковы: |e| = 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл. Знание этих частиц объясняет, почему тело получает заряд при переходе электронов.

Электризация — приобретение телом электрического заряда вследствие перераспределения или перехода электронов. При этом новые заряды не появляются из ничего. Термин нужен для описания процессов, после которых тело начинает заметно притягивать или отталкивать другие тела.

Как это устроено

Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов, движущихся вокруг него. В ядре находятся протоны, а электроны имеют отрицательный заряд. В обычном атоме число протонов равно числу электронов, поэтому их заряды компенсируют друг друга и атом в целом нейтрален.

Обычно тело нейтрально, потому что положительные заряды протонов уравновешены отрицательными зарядами электронов. Электроны во внешних оболочках связаны с атомами слабее, поэтому часть из них может перейти к другому телу. Если электронов стало больше, тело заряжено отрицательно, а если их стало меньше — положительно.

При электризации трением поверхности двух тел многократно соприкасаются и разделяются. Электроны переходят с одного материала на другой, потому что разные вещества удерживают их с разной силой. Потерявшее электроны тело становится положительным, получившее их — отрицательным, поэтому заряды тел разноимённы.

При электризации соприкосновением заряженное тело касается другого тела, и электроны начинают перераспределяться между ними. Они переходят туда, где их избыток или недостаток уменьшается. После разделения оба тела могут иметь заряд, а у одинаковых проводящих тел общий заряд обычно распределяется поровну.

При электризации влиянием заряженное тело подносят к незаряженному проводнику, не касаясь его. Свободные электроны внутри проводника перемещаются: ближе к внешнему заряду скапливается заряд противоположного знака, а на дальней стороне остаётся одноимённый. Между телами электроны не переходят, поэтому общий заряд проводника сохраняется, меняется только его распределение.

Виды электризации и перераспределение электронов

Таблицу удобно читать по строкам: сначала определить способ электризации, затем проследить движение электронов и результат. Главное различие — при трении электроны переходят между телами, а при влиянии только перемещаются внутри проводника. При соприкосновении перенос электронов происходит во время контакта.

Если нужно проверить знак заряда, спросите себя, получил объект электроны или потерял их. Получение электронов означает отрицательный заряд, а потеря — положительный. В любом способе электризации следует учитывать все тела, участвующие в процессе.

Разбор задач

Задача 1

При трении стеклянной палочки о шёлк палочка приобрела положительный заряд. Требуется определить направление перехода электронов и заряд шёлка. Считаем систему «палочка — шёлк» замкнутой.

1. Положительный заряд палочки означает, что она потеряла электроны.
2. Потерянные электроны перешли на шёлк.
3. Шёлк получил отрицательный заряд, равный по модулю заряду палочки, если потерями наружу можно пренебречь.

Ответ: электроны перешли со стеклянной палочки на шёлк. Палочка зарядилась положительно, а шёлк — отрицательно. Заряды имеют противоположные знаки и одинаковые модули.

Задача 2

Два одинаковых металлических шарика имеют заряды +6 нКл и −2 нКл. Их соприкоснули, а затем раздвинули. Нужно найти заряд каждого шарика после контакта.

1. Находим суммарный заряд: q = +6 нКл + (−2 нКл) = +4 нКл.
2. Шарики одинаковые и металлические, поэтому после соприкосновения заряд делится поровну.
3. Для каждого шарика получаем q₁ = q₂ = +4 нКл : 2 = +2 нКл.

Ответ: заряд каждого шарика равен +2 нКл. Сумма после разделения составляет +4 нКл, как и до соприкосновения. Это подтверждает закон сохранения заряда.

Задача 3

Нейтральному телу сообщили заряд −3,2 · 10⁻¹⁹ Кл. Нужно узнать, сколько лишних электронов оно получило, и определить изменение заряда тела, отдавшего электроны.

1. Делим модуль сообщённого заряда на элементарный заряд: N = 3,2 · 10⁻¹⁹ : 1,6 · 10⁻¹⁹ = 2.
2. Знак «минус» показывает, что тело получило, а не потеряло электроны.
3. Отдавшее электроны тело потеряло такой же заряд по модулю, поэтому его заряд изменился на +3,2 · 10⁻¹⁹ Кл.

Ответ: тело получило 2 лишних электрона. Передавшее их тело стало положительно заряженным на +3,2 · 10⁻¹⁹ Кл, если до передачи было нейтральным. Суммарный заряд двух тел остался равным нулю.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при электризации заряд создаётся. Так думают, потому что после опыта тело начинает притягивать предметы, но на самом деле меняется число электронов. Проверьте себя: найдите тело, отдавшее электроны, и убедитесь, что его заряд противоположен заряду получателя.

Нельзя путать знак заряда с количеством вещества. Отрицательный заряд означает избыток электронов, а положительный — их недостаток, а не «большее количество» тела. Для проверки определите, электроны были получены или потеряны.

Неверно утверждать, что при трении заряжается только одно тело. Если электроны ушли с одной поверхности, они оказались на другой, поэтому оба тела приобретают разноимённые заряды. Проверьте это с помощью закона сохранения: сумма зарядов должна остаться прежней.

Ошибка — применять закон сохранения заряда только к одному телу. Сохраняется суммарный заряд замкнутой системы, включающей все участвующие тела. Перед вычислениями перечислите систему и сложите заряды с их знаками.

Связь с другими темами

Для понимания электризации нужно знать строение атома, а также представлять свойства протонов и электронов. Именно движение электронов объясняет появление и перераспределение заряда. Без различения этих частиц трудно правильно определить знак заряда тела.

Понятия заряда и его сохранения понадобятся при изучении взаимодействия заряженных тел и электрического поля. Позже они помогут понять, как возникает электрический ток и почему электроны движутся в проводнике. Закон сохранения заряда остаётся способом проверять рассуждения и вычисления.

Что запомнить

• Существуют два вида электрического заряда: положительный и отрицательный.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Электризация связана с переходом или перераспределением электронов.
• Тело с избытком электронов заряжено отрицательно, а с недостатком — положительно.
• При электризации трением тела получают разноимённые заряды.
• Алгебраическая сумма зарядов замкнутой системы сохраняется.