§ 37. Электрический заряд. Электрическое взаимодействие

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии. Заряд обозначают буквой q, а измеряют в кулонах (Кл). Это понятие позволяет описывать, насколько тело заряжено, и сравнивать заряды разных тел. По одному значению заряда нельзя судить о размере тела: важны и величина, и знак заряда.

Положительный электрический заряд — один из двух видов электрического заряда. Его условно обозначают знаком «+». Такое обозначение помогает отличать его от отрицательного заряда и предсказывать взаимодействие тел. Например, тела с положительными зарядами отталкиваются.

Отрицательный электрический заряд — второй вид электрического заряда. Его условное обозначение — знак «−». Отрицательный знак указывает на вид заряда, а не на то, что тело обязательно имеет меньше заряда по величине. Он нужен, чтобы записывать заряд и определять, будет ли тело притягиваться к другому или отталкиваться от него.

Электризация — процесс, при котором тело приобретает электрический заряд или изменяет его. Это происходит, например, когда тела трут друг о друга или соприкасаются. Слово описывает сам процесс, а не отдельную частицу. Понимание электризации помогает объяснить, почему после взаимодействия тела начинают притягиваться или отталкиваться.

Как это устроено

При трении двух тел часть электронов может перейти с одного тела на другое. Электрон — частица с отрицательным зарядом; протоны с положительным зарядом находятся в ядрах атомов и обычно не переходят между телами при таком процессе. Поэтому тело, получившее электроны, приобретает отрицательный заряд, а тело, потерявшее их, — положительный. Заряды оказываются противоположными, потому что электроны не исчезли, а переместились с одного тела на другое.

Электризация возможна не только при трении: при соприкосновении заряженных тел заряд может перераспределяться между ними. Под перераспределением понимают перемещение электронов так, что на разных участках или телах их становится больше либо меньше. Новые электроны или протоны при этом не создаются: меняется лишь их расположение и количество на каждом теле. Поэтому изменение заряда одного тела сопровождается соответствующим изменением заряда другого.

Заряженные тела способны действовать друг на друга, даже если между ними есть расстояние и они не соприкасаются. Это называют электрическим взаимодействием. Заряд одного тела создаёт вокруг него условия, при которых на другое заряженное тело действует электрическая сила. Так можно понять, почему лёгкий предмет иногда движется к заряженному телу ещё до касания.

Знак заряда позволяет предсказать направление взаимодействия. Два тела с положительными зарядами или два тела с отрицательными отталкиваются: одноимённые заряды отталкиваются. Если знаки противоположны, тела притягиваются, потому что разноимённые заряды притягиваются. Это правило относится к заряженным телам и помогает понять результат опыта, не измеряя силу.

Заряд тела связан с соотношением числа электронов и протонов. В нейтральном теле положительный заряд протонов уравновешен отрицательным зарядом электронов. Если электронов становится больше, их отрицательный заряд преобладает и тело заряжается отрицательно; если электронов меньше, преобладает положительный заряд протонов. Значит, положительный заряд не требует перехода протонов: достаточно, чтобы часть электронов ушла с тела.

Виды электрического заряда и взаимодействие

Сначала найдите в таблице знак заряда, затем сравните знаки двух тел. Если они одинаковые, тела отталкиваются; если разные — притягиваются. Соотношение электронов и протонов помогает понять, почему тело получило именно такой знак.

Разбор задач

Задача 1. Стеклянную палочку потерли о шёлк. Палочка получила положительный заряд. Определим заряд шёлка и направление перехода электронов. Здесь важно помнить, что при электризации заряд не возникает из ничего.

1. Положительный заряд палочки означает, что ей не хватает электронов.
2. Следовательно, электроны перешли с палочки на шёлк.
3. Шёлк получил лишние электроны и стал отрицательно заряженным.

Ответ: палочка заряжена положительно, шёлк — отрицательно; электроны перешли со стекла на шёлк.

Задача 2. Два одинаковых по размеру тела после электризации имеют заряды +q и −q. Нужно предсказать, что произойдёт при их сближении. Размер тел здесь не определяет знак взаимодействия, поэтому начнём именно со знаков зарядов.

1. У первого тела заряд положительный, у второго — отрицательный.
2. Знаки разные, то есть заряды разноимённые.
3. Разноимённые заряды притягиваются, поэтому тела будут сближаться друг с другом.

Ответ: тела притянутся, потому что их заряды имеют разные знаки.

Задача 3. Тело имеет заряд −3 нКл. Сколько электронов перешло на него, если заряд одного электрона равен −1,6·10⁻¹⁹ Кл? Отрицательный знак показывает, что электроны пришли на тело, а для подсчёта их количества достаточно модулей зарядов.

1. Переведём нанокулоны в кулоны: 3 нКл = 3·10⁻⁹ Кл.
2. Разделим модуль заряда тела на модуль заряда одного электрона: N = 3·10⁻⁹ / 1,6·10⁻¹⁹.
3. Вычислим: N = 1,875·10¹⁰, приблизительно 1,9·10¹⁰ электронов.

Ответ: на тело перешло примерно 1,9·10¹⁰ электронов. Округление уместно, поскольку количество электронов очень велико, а исходные данные заданы с ограниченной точностью.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при электризации заряженные частицы возникают из ничего. Так думают, потому что после трения на телах появляются заряды и их легко принять за новые частицы. На деле обычно перемещаются электроны или перераспределяются уже имеющиеся заряды. Проверьте себя: объясняя процесс, укажите, откуда и куда переместились электроны.

Ошибка: путать знак тела со знаком электрона и заключать, что положительно заряженное тело получило электроны. Положительный заряд тела означает не знак его отдельных электронов, а недостаток электронов по сравнению с протонами. Протоны положительны, электроны отрицательны. Для проверки спросите себя: электронов стало больше или меньше?

Ошибка: полагать, что любые заряженные тела притягиваются. Такое впечатление может возникнуть, если помнить только о примерах притяжения, но взаимодействие зависит от обоих знаков. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются. Перед ответом обязательно запишите знаки обоих тел и сравните их.

Ошибка: считать, что электрическое взаимодействие возможно только при соприкосновении. При касании заряды действительно могут перераспределиться, но сила может действовать и на расстоянии. Проверить себя можно простым вопросом: должны ли тела коснуться, чтобы начать притягиваться или отталкиваться? Нет, непосредственный контакт не обязателен.

Связь с другими темами

Чтобы понять, откуда берутся заряды при электризации, нужно знать строение атома. В нём есть положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Их соотношение определяет, будет ли тело нейтральным или заряженным.

Правило притяжения и отталкивания связано с изученным ранее взаимодействием тел и действием сил. Заряженные тела не обязательно соприкасаются, чтобы изменить движение друг друга. Это подготавливает к изучению электрического поля, через которое описывают действие зарядов на расстоянии.

Понятие заряда понадобится при изучении проводников и диэлектриков, где по-разному перемещаются заряды. Оно также связано с электрическим током: ток возникает при упорядоченном движении заряженных частиц. Значит, представление о заряде помогает перейти от опытов с электризацией к объяснению электрических явлений.

Что запомнить

• Существуют два вида электрического заряда: положительный и отрицательный.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Электрон имеет отрицательный заряд, протон — положительный.
• Отрицательно заряженное тело имеет избыток электронов.
• Положительно заряженное тело имеет недостаток электронов.
• При электризации заряд перераспределяется между телами.