§ 78. Электризация тел. Закон сохранения заряда

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии. Его обозначают буквой q, а единицей измерения служит кулон (Кл). Понятие заряда нужно, чтобы количественно описывать, насколько тело способно притягивать или отталкивать другие заряженные тела.

Электризация тел — процесс приобретения телом электрического заряда вследствие перехода или перераспределения электронов. При этом новые частицы заряда не создаются: меняется число электронов на теле или их расположение. Это определение помогает отличать электризацию от возникновения заряда из ничего.

Существуют положительный и отрицательный заряды. Положительный заряд связан с недостатком электронов, а отрицательный — с их избытком по сравнению с нейтральным состоянием. Два знака нужны для описания притяжения разноимённых и отталкивания одноимённых зарядов.

Закон сохранения электрического заряда утверждает: алгебраическая сумма зарядов замкнутой системы не изменяется. Замкнутой называют систему, через границы которой заряд не переходит. Закон позволяет проверять решения задач и отслеживать, куда переместился заряд при электризации.

Как это устроено

При электризации изменяется число электронов, потому что они находятся во внешних оболочках атомов и сравнительно слабо связаны с ядрами. Протоны и нейтроны входят в состав атомного ядра, а для их изменения потребовались бы ядерные процессы, не происходящие при обычном трении или контакте. Поэтому потеря электронов делает тело положительным, а их присоединение — отрицательным.

При трении поверхности разных материалов многократно соприкасаются, и электроны переходят через границу контакта. Материалы по-разному удерживают электроны, поэтому после разделения один из них оказывается с избытком электронов, а другой — с таким же по модулю недостатком. Заряд системы сохраняется, поэтому знаки зарядов противоположны.

При электризации соприкосновением заряженное тело контактирует с другим телом, и электроны могут переходить через границу между ними. Перемещение продолжается до установления нового распределения заряда. При электризации влиянием непосредственного переноса электронов между телами нет: внешнее заряженное тело лишь заставляет свободные заряды проводника разойтись по разным участкам.

В проводниках есть свободные электроны, способные перемещаться по всему объёму, поэтому после электризации заряд перераспределяется по поверхности. В диэлектриках электроны прочно связаны с атомами или молекулами и не могут свободно проходить через всё тело. Поэтому внесённый в диэлектрик заряд обычно остаётся вблизи места, где он появился, хотя внутри частиц возможна небольшая поляризация.

Закон сохранения заряда проявляется при любом способе электризации. Если электрон ушёл с одного тела, он оказался на другом теле или в окружающей среде; если заряды разделились, их общая сумма осталась прежней. Чтобы правильно применить закон, нужно включить в систему все тела, между которыми возможен обмен зарядом, в том числе землю.

Способы электризации тел

Таблица показывает, чем отличаются основные способы электризации. Сначала определите, был ли контакт, затем проследите, переходили ли электроны между телами или только перемещались внутри одного проводника. В последнем столбце указано наблюдаемое распределение зарядов.

Разбор задач

1. Число перешедших электронов

Условие: тело получило заряд q = −3,2·10⁻¹⁹ Кл. Нужно определить число электронов, перешедших на тело. Знак «минус» сразу подсказывает, что электроны не ушли, а присоединились.

1. Берём модуль заряда: |q| = 3,2·10⁻¹⁹ Кл.
2. Используем элементарный заряд электрона e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл и формулу N = |q|/e.
3. Подставляем значения: N = (3,2·10⁻¹⁹)/(1,6·10⁻¹⁹) = 2.

Ответ: на тело перешли 2 электрона. Если бы в условии стоял положительный заряд того же модуля, это означало бы уход двух электронов.

2. Соприкосновение одинаковых шариков

Условие: два одинаковых металлических шарика имеют заряды +6 нКл и −2 нКл. Их соприкоснули, а затем раздвинули. Требуется найти заряд каждого шарика после контакта.

1. Складываем начальные заряды: qобщ = +6 нКл − 2 нКл = +4 нКл.
2. При соприкосновении одинаковых проводников заряд распределяется поровну, поскольку условия для шариков симметричны.
3. Делим общий заряд на два: q = qобщ/2 = +4 нКл/2 = +2 нКл.

Ответ: каждый шарик после раздвижения имеет заряд +2 нКл. Проверка: сумма новых зарядов равна +4 нКл, то есть полный заряд сохранился.

3. Электризация влиянием и заземление

Условие: незаряженный металлический шарик находится рядом с отрицательно заряженной палочкой и соединён с землёй. Нужно описать состояние шарика после удаления сначала заземления, а затем палочки. Здесь особенно важен порядок действий.

1. Отрицательная палочка отталкивает свободные электроны шарика. При заземлении эти электроны уходят с шарика в землю, а ближняя к палочке часть остаётся положительной.
2. Сначала убирают заземление. Теперь электроны уже не могут вернуться из земли, поэтому на изолированном шарике сохраняется недостаток электронов и общий положительный заряд.
3. Затем убирают палочку. Внешнее воздействие исчезает, и положительный заряд равномерно распределяется по поверхности шарика.

Ответ: после удаления заземления, а затем палочки шарик останется положительно заряженным. Если убрать палочку раньше заземления, электроны из земли компенсируют разделение, и шарик снова станет нейтральным.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при электризации создаются новые заряды. Так думают, когда видят появление искры или притяжение тел, но в действительности электроны переходят между телами либо перераспределяются внутри них. Проверка: найдите тело, потерявшее электроны, и тело, получившее их.

Ошибка: путать знак заряда с видом движущихся частиц. Отрицательный заряд не означает, что «движется отрицательный заряд» как отдельная частица: это избыток электронов, тогда как положительный заряд означает их недостаток. Проверка: электрон, пришедший на тело, увеличивает его отрицательный заряд.

Ошибка: применять закон сохранения заряда к одному телу, не учитывая окружение. При заземлении часть электронов может перейти между телом и Землёй, поэтому тело само по себе не является замкнутой системой. Проверка: перечислите все объекты, через которые возможен обмен зарядом.

Ошибка: утверждать, что при соприкосновении любые тела делят заряд поровну. Это справедливо для одинаковых проводников в симметричных условиях, но форма, размеры и свойства материалов могут изменить распределение. Проверка: прежде чем делить сумму на два, убедитесь, что тела одинаковы и металлические.

Связь с другими темами

До изучения электризации нужно знать строение атома, различать электрон, протон и нейтрон, понимать электрическое взаимодействие и пользоваться единицами физических величин. Эти знания объясняют, какие частицы перемещаются и почему заряд получает определённый знак.

Дальше тема связывается с законом Кулона и электрическим полем. Заряд становится источником поля, а сила взаимодействия зависит от величин зарядов и расстояния между ними.

Представления о перераспределении заряда нужны для понимания электроскопа, конденсатора и молниеотвода. Они также объясняют многие бытовые явления: искры, прилипание одежды и защиту зданий от разрядов.

Что запомнить

• Электризация — это переход или перераспределение электронов.
• Избыток электронов сообщает телу отрицательный заряд, недостаток — положительный.
• При трении тела получают разноимённые заряды.
• В проводниках свободные электроны могут перемещаться по всему телу.
• В замкнутой системе алгебраическая сумма электрических зарядов сохраняется.
• Заряд тела кратен элементарному заряду: q = Ne.
• Электризация влиянием возможна без непосредственного контакта заряженного тела с проводником.