§7. Электризация тел. Носители электрического заряда

Определения и обозначения

Электризация тел — процесс приобретения телом электрического заряда. Она происходит, например, при трении, соприкосновении или разделении тел. Это понятие нужно, чтобы описывать появление электрических свойств у первоначально нейтральных предметов.

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии. Заряд обозначают буквой q и измеряют в кулонах (Кл). По знаку и величине заряда можно сравнивать, как тела взаимодействуют.

Носители электрического заряда — частицы, перемещение или перераспределение которых приводит к появлению заряда на теле. В обычных телах такими носителями чаще всего являются электроны, а в растворах и газах — также ионы. Это понятие объясняет, что именно переносит электрический заряд.

Элементарный заряд — наименьшая порция электрического заряда по модулю. Заряд электрона равен −e, протона — +e, где e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл. Через элементарный заряд находят число частиц, участвовавших в электризации.

Как это устроено

В обычном состоянии тело электрически нейтрально, потому что атомы содержат положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Заряд ядра атома по модулю равен суммарному заряду его электронов. Поэтому положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируются.

При трении поверхности разных материалов соприкасаются, и электроны на них удерживаются неодинаково. Часть электронов переходит с одного тела на другое, а после разделения этот переход уже не компенсируется. Поэтому одно тело получает отрицательный заряд, а другое — такой же по модулю положительный заряд.

Положительный заряд означает, что тело потеряло часть электронов и в нём стало относительно больше протонов. Отрицательный заряд означает избыток электронов по сравнению с числом протонов. Протоны обычно остаются в ядрах атомов и между телами не переходят, поэтому при обычной электризации меняется именно число электронов.

В проводниках некоторые электроны слабо связаны с атомами и могут перемещаться по всему телу. В диэлектриках электроны сильнее удерживаются атомами, поэтому свободного перемещения заряда через всё тело почти нет. Такое различие объясняет, почему металл быстро передаёт заряд, а резина или стекло удерживают его на месте.

При электризации заряд не создаётся из ничего: он переходит от одного тела к другому или перераспределяется внутри системы. Если система замкнута, её полный заряд остаётся постоянным. Кроме того, заряд тела складывается из зарядов частиц, поэтому его значение кратно элементарному заряду.

Носители электрического заряда и их перемещение

Пользуясь таблицей, сначала определите, какая частица переносит заряд, а затем выясните, может ли она свободно двигаться в данном веществе. В металлах главным носителем является электрон, а в электролитах заряд переносят положительные и отрицательные ионы. Протон в обычной электризации рассматривают как неподвижную часть ядра.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Эбонитовую палочку натёрли о шерсть. Электроны переходят с шерсти на эбонит. Определить знаки зарядов палочки и шерсти.

1. Эбонит получил электроны, значит, число отрицательных зарядов на нём увеличилось.
2. Избыток электронов означает отрицательный заряд эбонитовой палочки.
3. Шерсть потеряла те же электроны, поэтому её заряд стал положительным.

Ответ: эбонитовая палочка заряжается отрицательно, шерсть — положительно.

Задача 2

Условие. Тело получило заряд q = −3,2·10⁻⁷ Кл. Найти число лишних электронов.

1. Знак «минус» показывает, что на теле появился избыток электронов. Для подсчёта используем модуль заряда: |q| = 3,2·10⁻⁷ Кл.
2. Число электронов находим по формуле N = |q|/e, где e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл.
3. N = 3,2·10⁻⁷/(1,6·10⁻¹⁹) = 2·10¹².

Ответ: на теле оказалось 2·10¹² лишних электронов.

Задача 3

Условие. Два одинаковых металлических шарика имеют заряды +6 нКл и −2 нКл. После соприкосновения их разъединили. Найти заряд каждого шарика и число перешедших электронов.

1. Суммарный заряд сохраняется: q₀ = +6 нКл − 2 нКл = +4 нКл.
2. Шарики одинаковы, поэтому после соприкосновения заряд распределится поровну: q = +4 нКл/2 = +2 нКл.
3. Первый шарик изменил заряд с +6 нКл до +2 нКл, то есть получил 4 нКл отрицательного заряда. N = 4·10⁻⁹/(1,6·10⁻¹⁹) = 2,5·10¹⁰ электронов.

Ответ: заряд каждого шарика равен +2 нКл; между шариками перешло 2,5·10¹⁰ электронов.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что при электризации на теле появляются новые протоны или электроны. Обычно частицы не возникают, а электроны переходят между телами; проверьте, откуда они могли переместиться.

Ошибка 2. Путать знак тела с видом частиц и говорить об «отрицательных протонах». Отрицательный заряд означает избыток обычных электронов, поэтому в решении нужно считать именно их.

Ошибка 3. Утверждать, что после соприкосновения заряд каждого тела обязательно равен нулю. Нулевым может стать общий заряд только при взаимной компенсации, а всегда сохраняется суммарный заряд системы.

Ошибка 4. Считать диэлектрик полностью лишённым зарядов. В нём есть электроны, протоны и ионы, но они связаны с атомами и не могут свободно перемещаться по всему телу.

Связь с другими темами

• Для понимания электризации нужны знания о строении атома, зарядах электрона и протона, а также об единицах физических величин. Эти сведения помогают правильно определять знак и величину заряда.
• Тема нужна при изучении взаимодействия заряженных тел, электрического поля и закона Кулона. Без понятия заряда невозможно объяснить притяжение и отталкивание тел.
• Различие проводников и диэлектриков используется при изучении электрического тока и электростатической индукции. Оно показывает, почему заряд в одних веществах перемещается свободно, а в других задерживается.

Что запомнить

• Электризация — это приобретение телом электрического заряда.
• Нейтральное тело содержит равные по модулю положительные и отрицательные заряды.
• При электризации между телами обычно перемещаются электроны.
• Недостаток электронов сообщает телу положительный заряд, избыток — отрицательный.
• В проводниках свободные носители заряда могут перемещаться по всему телу.
• Полный электрический заряд замкнутой системы сохраняется.
• Заряд тела кратен элементарному заряду.