1. Электрические взаимодействия

Определения и обозначения

Электрическое взаимодействие — притяжение или отталкивание тел, обусловленное наличием у них электрического заряда. Оно может происходить без непосредственного контакта тел. Это понятие помогает объяснить, почему заряженные предметы действуют друг на друга.

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии. Заряд бывает положительным и отрицательным. Знак нужен, чтобы предсказывать результат взаимодействия: одинаковые знаки отталкиваются, разные притягиваются.

Электризация — процесс приобретения телом электрического заряда при переходе или перераспределении электронов. При этом заряд не создаётся из ничего, а меняется распределение уже имеющихся частиц. Знание этого процесса объясняет появление электрических свойств после трения, соприкосновения или приближения заряженного тела.

Проводник и диэлектрик — вещества, в которых электрические заряды соответственно могут свободно перемещаться или практически не перемещаются. Металлы обычно являются проводниками, а стекло, резина и пластмасса — диэлектриками. От этого свойства зависит, растечётся заряд по телу или останется возле места его появления.

Как это устроено

При трении электроны могут перейти с поверхности одного тела на поверхность другого. Тело, отдавшее часть электронов, получает недостаток отрицательного заряда и становится положительным, а принявшее электроны — отрицательным. Поэтому после трения тела обычно заряжаются разноимённо, хотя суммарный заряд пары сохраняется.

Одноимённые заряды отталкиваются, потому что электрическое поле каждого из них действует на другой заряд в направлении удаления. Разноимённые заряды, наоборот, испытывают силы, направленные навстречу друг другу. Это правило позволяет определить характер взаимодействия, даже если тела находятся на расстоянии.

Электрический заряд не возникает из ничего и не исчезает бесследно. При взаимодействии тел электроны переходят от одного тела к другому или перераспределяются внутри тел, поэтому общий заряд замкнутой системы остаётся прежним. Например, если одно тело получило отрицательный заряд, другое обычно приобрело такой же по модулю положительный заряд.

Заряженное тело способно притягивать нейтральное, хотя у нейтрального тела общий заряд равен нулю. Поле заряженного тела немного смещает связанные положительные и отрицательные заряды внутри нейтрального тела: ближе оказывается противоположный заряд. Сила притяжения ближних зарядов оказывается больше силы отталкивания дальних, поэтому возникает общий эффект притяжения.

В проводнике свободные электроны перемещаются на большие расстояния, поэтому заряд быстро перераспределяется по его поверхности. В диэлектрике электроны связаны с атомами или молекулами и лишь немного смещаются относительно них. Поэтому в диэлектрике электризация может сохраняться локально, а в металле заряд легче растекается по всему телу.

Виды электрических взаимодействий и свойства веществ

Сначала определите, какие тела участвуют во взаимодействии и есть ли у них заряд. Затем сравните знаки зарядов или выясните, может ли нейтральное тело перераспределить заряды. Последние две строки помогают выбрать объяснение для проводников и диэлектриков.

Разбор задач

Задача 1

Условие: После трения стеклянной палочки о шёлк палочка притягивается к кусочкам бумаги. Объяснить, почему это происходит.

1. При трении часть электронов переходит между стеклом и шёлком, поэтому палочка получает электрический заряд.
2. Бумага вначале нейтральна, но поле палочки немного перераспределяет заряды внутри её молекул.
3. К палочке ближе смещается заряд противоположного знака, и притяжение ближних зарядов перевешивает отталкивание дальних.

Ответ: палочка притягивает бумагу благодаря электризации трением и перераспределению зарядов в нейтральной бумаге.

Задача 2

Условие: Два одинаковых металлических шарика имеют заряды одного знака. Определить характер их взаимодействия и описать, что произойдёт после соприкосновения шариков.

1. Заряды имеют одинаковый знак, поэтому до соприкосновения шарики отталкиваются.
2. При касании электроны могут свободно перемещаться по металлу, и заряд перераспределится между шариками.
3. Так как шарики одинаковые, после установления равновесия их заряды станут равными, а их сумма будет равна начальному общему заряду.

Ответ: шарики отталкиваются; после соприкосновения общий заряд сохранится и при одинаковых шариках разделится между ними поровну.

Задача 3

Условие: Заряженная палочка приближена к незаряженному электроскопу. Объяснить отклонение листочков и указать, как проверить знак заряда палочки.

1. Поле палочки перераспределяет свободные заряды в металлическом электроскопе.
2. Одноимённые заряды перемещаются к листочкам, поэтому оба листочка получают одинаковый знак и отталкиваются.
3. Для определения знака сначала заряжают электроскоп известным зарядом, а затем приближают палочку и наблюдают изменение расхождения листочков.

Ответ: листочки отклоняются из-за перераспределения зарядов; усиление расхождения указывает на одинаковый знак палочки и электроскопа, уменьшение — на противоположный.

Типичные ошибки

Заряд создаётся из ничего. Так считают, потому что после трения тело начинает притягивать лёгкие предметы. Проверьте себя: найдите второе тело — оно обычно получает заряд противоположного знака, а общий заряд сохраняется.

Знак заряда путают с видом движущихся частиц. В металлах обычно перемещаются электроны, но тело может стать положительным именно из-за их ухода. Чтобы не ошибиться, связывайте знак с избытком или недостатком электронов.

Любое притяжение считают доказательством разноимённых зарядов. Нейтральное тело тоже может притягиваться из-за перераспределения зарядов. Проверьте, был ли у второго тела заряд до взаимодействия.

Диэлектрик считают полностью неспособным к электризации. В нём заряды действительно не перемещаются свободно по всему телу, но могут смещаться внутри молекул или сохраняться на поверхности. Значит, нужно различать невозможность свободного движения и невозможность зарядиться.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны представления о строении атома, электронах, протонах и нейтронах. Также важно различать проводники и изоляторы: это поможет понять, почему заряд ведёт себя по-разному в металле и пластмассе.

Дальше электрические взаимодействия станут основой для изучения электрического поля, напряжения и электрического тока. Понимание движения электронов понадобится при объяснении работы электрических цепей и электростатических устройств.

На практике эти знания используют в электроскопах, молниеотводах и установках электростатической очистки. Они также помогают объяснить способы защиты от накопления статического электричества.

Что запомнить

• Электрический заряд бывает положительным и отрицательным.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• При электризации электроны переходят или перераспределяются, а полный заряд сохраняется.
• Заряженное тело может притягивать нейтральное тело.
• В проводниках свободные заряды перемещаются, в диэлектриках они связаны с атомами и молекулами.
• Электризация возможна трением, соприкосновением и влиянием.
• Электрическое взаимодействие происходит без непосредственного контакта тел.