§ 25 Электризация тел при соприкосновении. Взаимодействие заряженных тел

Определения и обозначения

Электризация тел – это процесс, в результате которого тела приобретают электрический заряд. В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с этим явлением, например, когда натираем пластиковую расчёску о волосы. Это необходимо для понимания как работают многие электрические приборы и процессы, происходящие в природе.

Электрический заряд – это физическая величина, которая характеризует способность тела участвовать в электрических взаимодействиях. Чем больше заряд, тем сильнее тело взаимодействует с другими заряженными телами. Обозначается это величина буквой q и измеряется в кулонах (Кл). Знание этой величины важно для расчётов в задачах по электричеству.

Проводники – это вещества, которые хорошо проводят электрический ток. Это происходит благодаря наличию в них большого количества свободных электронов, которые могут перемещаться внутри материала. Примерами проводников являются металлы, такие как медь, алюминий и железо. Их используют для изготовления проводов и других электрических компонентов.

Изоляторы (диэлектрики) – это вещества, которые плохо проводят электрический ток. В них электроны прочно связаны с атомами и не могут свободно перемещаться. Примеры изоляторов: стекло, резина, пластик. Они используются для изоляции проводов и предотвращения коротких замыканий.

Как это устроено

При соприкосновении двух нейтральных тел происходит перераспределение электронов между ними. Почему так происходит? Все дело в разной способности разных материалов отдавать или принимать электроны. Это связано с так называемой работой выхода электрона – энергией, необходимой для отрыва электрона от атома. Если один материал легко отдает электроны, а другой легко их принимает, происходит перераспределение.

Когда тело теряет электроны, оно становится положительно заряженным, потому что в нём остается избыток протонов (положительно заряженных частиц). И наоборот, когда тело получает электроны, оно становится отрицательно заряженным из-за избытка электронов. Важно понимать, что количество потерянных электронов равно количеству полученных – общий заряд системы сохраняется. Это значит, что положительный заряд одного тела равен по величине отрицательному заряду другого.

Величина заряда, приобретенного телом, напрямую зависит от количества перешедших электронов. Каждый электрон несет один элементарный заряд, равный -1.6 × 10⁻¹⁹ Кл. Таким образом, чем больше электронов перешло, тем больше модуль заряда. Это позволяет количественно описывать происходящие процессы и решать соответствующие задачи.

Взаимодействие заряженных тел подчиняется простому правилу: одноименные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются, а разноименные (положительный и отрицательный) притягиваются. Это фундаментальное свойство электрических зарядов, которое лежит в основе многих электрических явлений. Именно благодаря этому свойству работают электростатические фильтры и другие устройства.

Взаимодействие заряженных тел

Эта таблица наглядно показывает, как взаимодействуют заряженные тела. Помните, что взаимодействие происходит на расстоянии, и его сила зависит от величины зарядов и расстояния между ними.

Разбор задач

Задача 1: Эбонитовую палочку потерли о шерсть. Палочка приобрела заряд -3 нКл. Какой заряд приобрела шерсть?

1. Понимание условия: При электризации при соприкосновении заряд не возникает из ниоткуда и не исчезает в никуда. Существует закон сохранения заряда.
2. Решение: Поскольку палочка приобрела отрицательный заряд, это значит, что она приняла электроны от шерсти. Следовательно, шерсть потеряла электроны и стала положительно заряженной. Величина заряда шерсти будет равна по модулю заряду палочки, но с противоположным знаком.
3. Ответ: Шерсть приобрела заряд +3 нКл.

Задача 2: Два маленьких шарика, имеющие заряды +2 нКл и -5 нКл, находятся на расстоянии 10 см друг от друга. Определите силу взаимодействия между ними.

1. Понимание условия: Нам дана величина зарядов и расстояние между ними. Требуется определить силу взаимодействия, что подразумевает применение закона Кулона.
2. Решение: Используем формулу: F = k * (q1 * q2) / r², где k = 9 × 10⁹ Н·м²/Кл², q1 = +2 × 10⁻⁹ Кл, q2 = -5 × 10⁻⁹ Кл, r = 0.1 м. Подставляем значения: F = 9 × 10⁹ * (2 × 10⁻⁹ * (-5) × 10⁻⁹) / 0.1² = -9 × 10⁻⁸ Н.
3. Ответ: Сила взаимодействия между шариками равна -9 × 10⁻⁸ Н. Отрицательный знак указывает на то, что сила притяжения.

Задача 3: Один шар коснулся другого, имеющего заряд +10 нКл. После этого оба шара имеют заряд +2 нКл. Каков был первоначальный заряд второго шара?

1. Понимание условия: Происходит перераспределение заряда при соприкосновении. Общий заряд системы сохраняется.
2. Решение: Пусть первоначальный заряд второго шара был q. При соприкосновении частицы заряда перейдут с шара с зарядом q на нейтральный шар, в результате чего оба шара приобретут заряд +2 нКл. Т.к. шары одинаковые, то заряд распределится поровну: (q + 0) / 2 = +2 нКл. Отсюда q = +4 нКл.
3. Ответ: Первоначальный заряд второго шара был +4 нКл.

Типичные ошибки

Ошибка 1: Считать, что электризуются только проводники. Многие думают, что только металлы могут приобретать заряд. Это неверно. Изоляторы также могут электризоваться при трении, например, пластиковая расчёска о волосы. Просто заряд на них удерживается дольше, чем на проводниках.

Ошибка 2: Забывать про знак заряда. Заряд может быть как положительным, так и отрицательным. Важно правильно определять знак заряда, чтобы понимать, как тела будут взаимодействовать. Проверьте себя: запомните, что потертой об шерсть стеклянной палочке о обычно приобретает положительный заряд.

Ошибка 3: Путать проводники и изоляторы. Важно чётко различать эти два типа материалов, так как именно от этого зависит их способность проводить электрический ток и удерживать заряд. Для тренировки можно привести примеры каждого типа материалов.

Ошибка 4: Не учитывать, что суммарный заряд системы сохраняется при электризации. При любом способе электризации общий заряд системы остаётся постоянным. Это фундаментальный закон физики, который необходимо учитывать при решении задач.

Связь с другими темами

Строение атома. Электрически нейтральные тела. Понимание строения атома и того, что нейтральное тело содержит одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, необходимо для осознания процесса электризации.

Закон Кулона. Сила электрического взаимодействия. Знание закона Кулона позволяет количественно описывать силу взаимодействия между заряженными телами и решать соответствующие задачи.

Что запомнить

• Электризация при соприкосновении происходит из-за перераспределения электронов.
• Одноименные заряды отталкиваются, разноименные — притягиваются.
• Заряд тела характеризует его способность участвовать в электрических взаимодействиях.
• Проводники хорошо проводят электричество, изоляторы — плохо.
• Электрический заряд измеряется в кулонах (Кл).
• Суммарный заряд замкнутой системы сохраняется.