§ 1. Электрический заряд. Взаимодействие зарядов

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии. Его обозначают буквой q, а единицей измерения служит кулон (Кл). Эта величина помогает описывать, насколько заряжено тело и как оно будет взаимодействовать с другими телами.

Электрические заряды бывают двух видов — положительные и отрицательные. Их различают по знаку: заряд записывают со знаком «плюс» или «минус». Такое обозначение позволяет определить взаимодействие тел, не проводя опыт каждый раз.

Электризация — процесс, при котором тело приобретает электрический заряд. Тела можно электризовать, например, трением или соприкосновением с уже заряженным телом. Понятие нужно, чтобы объяснить, откуда у предмета появляется способность притягивать лёгкие тела и участвовать в электрическом взаимодействии.

Электрическое взаимодействие — притяжение или отталкивание заряженных тел в зависимости от знаков их зарядов. Одноимённые заряды отталкиваются, а противоположные притягиваются. Это правило позволяет предсказывать, что произойдёт при сближении тел.

Как это устроено

Если потереть некоторые тела друг о друга, а затем поднести их к мелким кусочкам бумаги, бумажки могут притянуться. Причина в том, что после трения тела электризуются и начинают взаимодействовать с окружающими предметами. По одному наблюдению нельзя определить знак заряда, но можно заметить, что состояние тела изменилось.

Для сравнения зарядов используют два тела, заряд которых уже известен. Если они отталкиваются, их заряды имеют одинаковый знак; если притягиваются — знаки противоположны. Так обнаружили, что зарядов не один вид: два тела с одинаковым способом электризации могут отталкиваться, а тела, получившие заряды разного знака, притягиваются.

При электризации электроны переходят с одного тела на другое. Электроны несут отрицательный заряд: тело, получившее их избыток, заряжается отрицательно, а тело, потерявшее часть электронов, — положительно. Заряд не создаётся из ничего: сколько отрицательного заряда приобретает одно тело, столько же другого знака получает второе, поэтому общий заряд сохраняется.

Заряд можно обнаружить электроскопом или электрометром — приборами, у которых части отклоняются при электрическом взаимодействии. Если прибор зарядить или поднести к нему заряженное тело, его части получают заряды, которые отталкиваются. Чем заметнее отклонение, тем сильнее проявляется действие заряда, однако один только прибор не всегда показывает его знак.

При соприкосновении заряженного и незаряженного тел часть электронов может перейти с одного на другое. После разделения заряд оказывается на обоих телах, а его распределение зависит от свойств и размеров тел. Передача происходит потому, что электроны могут перемещаться между соприкасающимися телами; общий заряд при этом остаётся прежним.

Электрические заряды и взаимодействие тел

Сначала определите, заряжены ли оба тела и какие у них знаки, а затем найдите соответствующую строку. Для нейтрального тела правило про два знака напрямую не подходит: заряженное тело способно вызвать перераспределение зарядов внутри него. Поэтому притяжение само по себе не доказывает, что оба тела заряжены.

Разбор задач

Заряды одного знака

Два небольших тела имеют положительные заряды. Определите, будут ли они притягиваться или отталкиваться. В условии даны знаки обоих зарядов, поэтому вычисления не нужны; следует применить правило взаимодействия зарядов.

1. Запишем знаки зарядов: у первого тела «плюс», у второго тоже «плюс».
2. Сравним знаки: они одинаковые, значит, заряды одноимённые.
3. По правилу одноимённые заряды отталкиваются.

Ответ: тела будут отталкиваться. При решении важно сравнивать именно знаки зарядов, а не то, как тела были наэлектризованы.

Заряды противоположных знаков

Одно тело заряжено отрицательно, другое — положительно. Определите характер их взаимодействия. Здесь также не требуется знать численные значения зарядов: для ответа достаточно установить, одинаковы ли знаки.

1. У первого тела заряд отрицательный, у второго — положительный.
2. Знаки разные, следовательно, заряды противоположные.
3. Противоположные заряды притягиваются.

Ответ: тела будут притягиваться. Проверить себя можно, вспомнив пару правил: одинаковые знаки дают отталкивание, разные — притяжение.

Электризация трением

Два первоначально незаряженных тела потерли друг о друга, и одно приобрело отрицательный заряд. Определите знак заряда второго тела и объясните почему. При трении электроны переходят с одного тела на другое, а суммарный заряд системы сохраняется.

1. Отрицательный заряд первого тела означает, что оно получило избыток электронов.
2. Эти электроны ушли со второго тела, поэтому у него возник недостаток отрицательного заряда.
3. Недостаток электронов соответствует положительному заряду; заряды двух тел противоположны.

Ответ: второе тело приобрело положительный заряд. Так как до трения оба тела были нейтральны, суммарный заряд был равен нулю и после перераспределения остался равен нулю.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что заряды одного знака притягиваются. Так можно перепутать правила, если запоминать их механически или смешивать с магнитными полюсами. Проверьте себя: одинаковые знаки отталкиваются, разные притягиваются.

Ошибка: путать знак заряда тела со знаком электронов, которые перешли на него. Избыток электронов делает тело отрицательным, а их недостаток — положительным; путаница возникает из-за того, что положительный заряд связывают с частицами, а не с их нехваткой. Чтобы проверить ответ, спросите себя, получило тело электроны или потеряло их.

Ошибка: утверждать, что заряд возникает из ничего при электризации. Кажется, будто новый заряд появился на потёртом предмете, если не учитывать второе тело. Вспомните о переходе электронов: одно тело получает заряд одного знака, другое — противоположного, а общий заряд сохраняется.

Ошибка: считать, что притяжение обязательно означает наличие у обоих тел противоположных зарядов. Нейтральное тело тоже может притягиваться, потому что заряд внутри него перераспределяется. Проверяйте не только факт притяжения, но и то, известно ли, что оба тела заряжены.

Связь с другими темами

Чтобы понять появление зарядов, полезно вспомнить строение атома. В атоме положительно заряженное ядро окружено отрицательно заряженными электронами, и при обычной электризации между телами перемещаются именно электроны. Поэтому знак заряда тела зависит от того, стало ли в нём электронов больше или меньше.

Понятия электрического заряда и его сохранения понадобятся при изучении электрического тока и расчёте электрических цепей. Ток связан с направленным движением заряженных частиц, а заряд помогает описывать это движение количественно. Умение следить за переносом и сохранением заряда помогает рассуждать о происходящем в цепи.

Что запомнить

• Существуют электрические заряды двух знаков: положительные и отрицательные.
• Заряды одного знака отталкиваются.
• Заряды противоположных знаков притягиваются.
• При электризации тела могут обмениваться электронами.
• Электрический заряд не возникает и не исчезает, а передаётся от тела к телу.
• Заряд измеряют в кулонах.