§ 26. Электризация тел. Два вида электрических зарядов

Определения и обозначения

Электризация тел — приобретение телом электрического заряда при взаимодействии с другими телами. Например, при трении тела могут обменяться электронами и изменить своё электрическое состояние. Это понятие помогает описать, почему после взаимодействия предметы начинают притягиваться или отталкиваться. Само трение не создаёт заряд из ничего, а сопровождается его перераспределением.

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии. Заряд позволяет отличать электрически заряженные тела от нейтральных и описывать их взаимодействие. В этой теме достаточно понимать, что заряд бывает двух видов и может переходить между телами. Обозначения «+» и «−» помогают указывать его знак.

Положительный электрический заряд — один из двух видов электрического заряда, знак которого условно обозначают «+». Тело с таким зарядом обычно имеет недостаток электронов по сравнению с нейтральным состоянием. Знак нужен, чтобы сравнивать заряды разных тел. По нему можно предсказать, будут ли они притягиваться или отталкиваться.

Отрицательный электрический заряд — второй вид заряда, знак которого условно обозначают «−». Тело с таким зарядом имеет избыток электронов. Это не означает, что сами электроны приобрели новый знак: они и так отрицательно заряжены. Обозначение помогает отличать этот вид заряда от положительного и применять правило взаимодействия.

Как это устроено

При электризации трением электроны могут перейти с одного тела на другое. Причина в том, что при тесном соприкосновении и последующем разделении часть электронов оказывается связанной с одним телом сильнее, чем с другим. Одно тело теряет электроны, а другое получает их. Поэтому заряды тел оказываются противоположными: у одного возникает недостаток отрицательных зарядов, у другого — избыток.

В обычном состоянии тело электрически нейтрально: его положительные и отрицательные заряды уравновешены. В атомах положительный заряд связан с ядром, а отрицательный — с электронами. Если суммарные заряды этих частиц компенсируют друг друга, у тела нет общего электрического заряда. Нейтральность не означает отсутствия заряженных частиц, а говорит только об их равновесии.

Если тело получает избыток электронов, оно заряжается отрицательно. Это следует из того, что каждый электрон несёт отрицательный заряд, и дополнительных отрицательных зарядов становится больше. Если тело теряет часть электронов, положительные заряды его ядер оказываются в избытке, поэтому тело заряжается положительно. Так можно определить знак заряда, зная, что произошло с электронами.

Заряженные тела взаимодействуют: одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Если знаки совпадают, тела действуют друг на друга так, что расстояние между ними увеличивается. Если знаки разные, тела стремятся сблизиться. Поэтому заряженное тело может притягиваться к телу с противоположным зарядом, но из одного факта отталкивания можно узнать только, что заряды одноимённые.

При электризации заряд не возникает из ничего: он перераспределяется между взаимодействующими телами. Электроны переходят с одного тела на другое, а не появляются в результате трения. Поэтому потеря электронов одним телом соответствует их приобретению другим. Если учитывать оба тела вместе, их суммарный заряд сохраняется.

Сравнение электрических состояний тел

Сначала определите, заряжено ли тело и какой у него знак, затем проверьте, совпадают ли знаки у двух тел. Совпадающие знаки означают отталкивание, разные — притяжение. Нейтральное тело не следует путать с телом, лишённым зарядов: в нём заряды уравновешены.

Разбор задач

Стеклянную палочку потерли о шёлк. Объясните, почему палочка и шёлк приобрели заряды противоположных знаков.

При трении палочка и шёлк соприкасаются, поэтому электроны могут переходить между ними. Нужно выяснить, как этот переход связан со знаками зарядов. Конкретно определить, какое тело получило электроны, можно только при наличии дополнительных сведений о паре материалов.

1. При взаимодействии часть электронов переходит с одного тела на другое.
2. Тело, которое получает электроны, приобретает отрицательный заряд, а потерявшее их — положительный.
3. Электроны не возникают заново: переход с одного тела на другое объясняет, почему знаки зарядов различны.

Ответ: палочка и шёлк получают противоположные заряды, потому что электроны перераспределяются между ними. Если известно, какое тело потеряло электроны, можно указать, что оно заряжено положительно, а другое — отрицательно.

Тело получило дополнительные электроны. Определите знак его заряда и объясните ответ.

В условии сказано, что электроны перешли к телу. Каждый электрон имеет отрицательный заряд, поэтому нужно сравнить количество отрицательных и положительных зарядов тела. Если электронов стало больше, их заряд уже не уравновешен полностью положительным зарядом.

1. Дополнительные электроны увеличивают суммарный отрицательный заряд тела.
2. Положительный заряд его ядер при этом не исчезает, но теперь отрицательных зарядов больше.
3. Избыток отрицательных зарядов определяет знак всего тела.

Ответ: тело заряжено отрицательно. Причина — избыток электронов, а не изменение знака самих электронов.

Два заряженных тела отталкиваются. Можно ли определить, положительно или отрицательно заряжено каждое из них? Обоснуйте.

Известно только, что оба тела заряжены и отталкиваются. Следует применить правило взаимодействия зарядов: отталкиваются тела с одинаковыми знаками. Но это правило сообщает о совпадении знаков, а не о том, какой именно знак у них общий.

1. Отталкивание означает, что заряды тел одноимённые.
2. Одноимёнными могут быть два положительных или два отрицательных заряда.
3. Без дополнительной информации выбрать один из этих вариантов нельзя.

Ответ: точно определить знак каждого тела нельзя. Можно заключить только, что оба заряда положительные или оба отрицательные.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при электризации заряды создаются заново. Так думают, потому что до трения тело кажется незаряженным, а после него начинает взаимодействовать с другими предметами. Проверьте себя: проследите, куда переходят электроны; заряды перераспределяются между телами, а суммарный заряд сохраняется.

Ошибка: путать знак тела со знаком электронов и считать, что избыток электронов даёт телу положительный заряд. Причина ошибки — смешение заряда отдельных частиц с общим зарядом тела. Проверьте соотношение зарядов: дополнительные отрицательные электроны означают отрицательный заряд тела, а потеря электронов — положительный.

Ошибка: утверждать, что любые заряженные тела отталкиваются. Это заблуждение возникает, если запомнить только один вариант взаимодействия и забыть о противоположных знаках. Проверьте знаки тел: одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.

Ошибка: считать нейтральное тело телом без электрических зарядов. Слово «нейтральное» можно ошибочно понять как полное отсутствие заряженных частиц. Проверьте, что означает нейтральность: в теле есть положительные и отрицательные заряды, но они уравновешены, поэтому общий заряд равен нулю.

Связь с другими темами

Чтобы понять, почему тело заряжается при переходе электронов, нужно знать строение атома: в нём есть положительно заряженное ядро и отрицательные электроны. При дальнейшем изучении физики это знание поможет разобраться в электрическом токе, проводниках и диэлектриках. Также оно пригодится при изучении электроскопа — прибора, с помощью которого обнаруживают наличие заряда. Так тема электризации связывает строение вещества с электрическими явлениями.

Что запомнить

• Существуют два вида электрических зарядов: положительный и отрицательный.
• Одноимённые заряды отталкиваются.
• Разноимённые заряды притягиваются.
• Нейтральное тело содержит положительные и отрицательные заряды в равном количестве.
• При электризации трением электроны переходят с одного тела на другое.
• Заряд не создаётся, а перераспределяется между телами.