§ 9. Электрические явления. Электризация тел

Определения и обозначения

Электрические явления — явления, связанные с электрическими зарядами и их взаимодействием. Например, к ним относится притяжение лёгких кусочков бумаги наэлектризованной палочкой. Это понятие помогает объединить наблюдения, в которых тела действуют друг на друга благодаря заряду. Причину такого действия нельзя объяснить только прикосновением или движением тел.

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии; заряды бывают положительными и отрицательными. Эти два знака позволяют описывать, будут тела притягиваться или отталкиваться. Заряд не виден сам по себе, поэтому о нём судят по действиям тел и показаниям приборов. Знак заряда нужен, чтобы правильно предсказать взаимодействие.

Электризация тел — приобретение телом электрического заряда. Она может происходить, например, при трении или контакте с заряженным телом. Это понятие объясняет, почему предмет после взаимодействия способен притягивать лёгкие тела или влиять на показания прибора. При электризации заряд не появляется из ничего, а переносится или перераспределяется.

Электроскоп — прибор для обнаружения электрического заряда и оценки его наличия. В простом электроскопе заряд передаётся проводящим частям, из-за чего его листочки расходятся; в другом устройстве может отклоняться стрелка. По величине отклонения можно судить о проявлении заряда, но не всегда определить его знак. Для сравнения знаков используют электроскоп, заряд которого заранее известен.

Как это устроено

При трении два разных тела электризуются, потому что при их тесном соприкосновении часть электрических частиц может перейти с одного тела на другое. Трение увеличивает и обновляет площадь контакта, поэтому перенос становится заметным. После разделения тел перенесённый заряд остаётся на них. Одно тело получает избыток частиц одного вида, а другое — соответствующее изменение заряда.

Во время электризации общий заряд не возникает из ничего: происходит его перенос между телами или перераспределение внутри них. Если при трении одно тело получает заряд, то другое получает заряд противоположного знака, равный ему по модулю. Это можно представить как передачу некоторого количества частиц: у одного тела их становится больше, у другого — меньше. Поэтому нельзя считать, что трение само создаёт электрический заряд.

Заряженные тела взаимодействуют в зависимости от знаков их зарядов. Если знаки одинаковы, действие одного тела на другое направлено так, что расстояние между ними увеличивается: тела отталкиваются. Если знаки разные, действие направлено навстречу, и тела притягиваются. Сначала нужно определить или узнать знаки зарядов, а затем применить это правило.

Заряженное тело способно притянуть даже тело, которое в целом не заряжено. Под действием внешнего заряда частицы внутри нейтрального тела немного перераспределяются, и ближайшая к заряженному телу область приобретает противоположный знак. Эта область притягивается сильнее, чем более удалённая область отталкивается. Поэтому суммарным результатом становится притяжение, хотя тело в целом остаётся незаряженным.

Электроскоп обнаруживает заряд по расхождению листочков или отклонению стрелки. Когда заряд попадает на его проводящие части, одноимённо заряженные элементы отталкиваются, и подвижная часть меняет положение. Само отклонение показывает наличие электрического воздействия, но не сообщает знак заряда. Чтобы сравнить знаки, сначала сообщают прибору заряд известного знака, а затем наблюдают, как меняется расхождение при поднесении исследуемого тела.

Электризация и взаимодействие заряженных тел

Таблица показывает, как способ электризации или знак заряда связан с наблюдаемым результатом. Сравнивайте ситуацию с тем, что происходит с зарядом, а затем проверяйте признак в последнем столбце. При определении знака помните: отклонение электроскопа само по себе ещё не говорит, какой заряд у тела.

Разбор задач

Задача 1

Два тела имеют положительные заряды. Как они будут взаимодействовать? Как изменится взаимодействие, если заряд одного тела заменить на отрицательный? Для ответа достаточно сравнить знаки зарядов, а величины зарядов знать не требуется. Важно рассматривать оба случая отдельно, не перенося вывод из первого случая во второй.

1. У первого и второго тел заряды положительные, то есть одинаковые по знаку.
2. Одноимённые заряды отталкиваются, значит, в первом случае тела будут отталкиваться.
3. Если заряд одного тела станет отрицательным, знаки зарядов окажутся разными.
4. Разноимённые заряды притягиваются, поэтому во втором случае тела будут притягиваться.

Ответ: два положительно заряженных тела отталкиваются; при замене одного заряда на отрицательный тела притягиваются. Рассуждение основано только на знаках зарядов. Оно не зависит от того, насколько сильно заряжено каждое тело.

Задача 2

Шерстяную ткань потерли о эбонитовую палочку. Объясните, почему оба тела оказались заряженными и почему их заряды имеют разные знаки. Здесь не требуется угадывать, какое именно тело получило положительный заряд: условие просит объяснить противоположность зарядов. Нужно проследить, что происходит с частицами во время трения.

1. При трении шерсть и эбонит тесно соприкасаются, и часть электрических частиц может перейти между ними.
2. Тело, которое получило избыток частиц, приобретает заряд одного знака; тело, потерявшее их, — противоположного.
3. Перенос происходит между этими двумя телами, поэтому заряд не возникает из ничего.
4. Следовательно, после трения заряжены оба тела, а их заряды имеют разные знаки; общий заряд сохраняется.

Ответ: при трении часть заряда переходит с одного тела на другое. Одно тело получает заряд одного знака, второе — противоположного. По условию нельзя установить, какое из них положительно, но можно заключить, что знаки разные.

Задача 3

К заряженному электроскопу поднесли неизвестную заряженную палочку, не касаясь его. Листочки разошлись сильнее. Как определить знак заряда палочки? Самого факта усиления расхождения недостаточно, если знак начального заряда прибора неизвестен. Поэтому сначала нужно получить возможность сравнения с зарядом известного знака.

1. Зарядите электроскоп телом, знак заряда которого известен, например положительным.
2. Поднесите неизвестную палочку к проводящей части, не касаясь её, и наблюдайте за листочками.
3. Если листочки расходятся сильнее, палочка имеет тот же знак, что и электроскоп: действие усиливает расхождение.
4. Если листочки сближаются, знак палочки противоположный; при этом исходное расхождение уменьшается.

Ответ: усиление расхождения означает, что палочка имеет такой же знак, как заранее известный заряд электроскопа. Если прибор предварительно зарядить положительно, палочка тоже заряжена положительно. Без сравнения с зарядом известного знака установить знак по одному отклонению нельзя.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что трение создаёт заряд из ничего. Так думают, потому что после трения оба предмета начинают заметно взаимодействовать. На деле часть заряда переносится с одного тела на другое, и общий заряд сохраняется. Проверьте себя вопросом: откуда взялся заряд одного тела и куда перешла соответствующая часть заряда?

• Ошибка: считать любое притяжение доказательством разноимённых зарядов. Это неверно, потому что заряженное тело может притягивать незаряженное за счёт перераспределения зарядов в нём. Такая ошибка возникает, если забыть о возможности электризации без передачи заряда другому телу. Перед выводом проверьте, известно ли, что оба тела заряжены.

• Ошибка: утверждать, что одноимённые заряды притягиваются. Правило обратное: одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Путаница часто появляется из-за того, что в быту чаще замечают притяжение лёгких предметов к заряженным. Для проверки сначала назовите знаки обоих зарядов и только потом определяйте взаимодействие.

• Ошибка: определять знак по одному отклонению электроскопа. Отклонение показывает электрическое воздействие, но без известного начального заряда не указывает, положителен заряд или отрицателен. Чтобы избежать ошибки, сначала зарядите электроскоп телом известного знака и сравните, усилилось или уменьшилось расхождение. Только такое сравнение позволяет сделать вывод о знаке.

Связь с другими темами

Для изучения электризации полезно знать, что вещества состоят из частиц, а тела могут действовать друг на друга силами. Эти представления помогают объяснить перенос заряда и притяжение незаряженного предмета. Позже они пригодятся при изучении электрического тока, проводников и диэлектриков. Электризация также помогает понять молнию, работу электрофильтров и некоторые явления бытового электричества.

Что запомнить

• Электризация — это приобретение телом электрического заряда.
• Существуют положительные и отрицательные электрические заряды.
• Одноимённые заряды отталкиваются.
• Разноимённые заряды притягиваются.
• При электризации заряд не возникает из ничего, а переносится или перераспределяется.
• Электроскоп служит для обнаружения электрического заряда.
• Заряженное тело может притягивать незаряженное.