7. Почему незаряженные тела притягиваются к заряженным?

Определения и обозначения

Электрически нейтральное тело — тело, в котором суммарный положительный и отрицательный заряды взаимно компенсируются. Это не значит, что зарядов внутри нет: их просто поровну по величине. Такое определение помогает понять, почему внешнее электрическое поле может действовать на тело, не имеющее общего заряда.

Проводник — вещество, в котором заряженные частицы могут свободно перемещаться по всему телу. В металлах такими частицами являются электроны. Благодаря их подвижности заряд под действием внешнего электрического поля способен собраться у одной из сторон проводника.

Диэлектрик — вещество, в котором заряженные частицы связаны с атомами или молекулами и не перемещаются свободно по всему телу. К диэлектрикам относятся, например, бумага и пластмасса. Их заряды не могут разойтись по всему предмету, зато немного смещаются внутри молекул.

Электростатическая индукция и поляризация — разделение зарядов в проводнике или небольшое смещение связанных зарядов в диэлектрике под действием внешнего заряда. Индукция объясняет перераспределение зарядов в металле, а поляризация — их смещение в изолирующем веществе. Оба процесса позволяют понять притяжение нейтральных тел.

Как это устроено

Нейтральное тело испытывает действие электрического поля, потому что оно состоит из заряженных частиц. Их общий заряд равен нулю, но поле действует на положительные и отрицательные заряды по-разному: в противоположных направлениях. Если частицы могут перемещаться или немного смещаться, распределение зарядов меняется. Так нейтральность всего тела сочетается с появлением заряженных участков.

В проводнике свободные заряды перераспределяются под действием поля внешнего тела. Например, отрицательно заряженная палочка отталкивает электроны металлического шара к дальней стороне. Ближайшая сторона при этом оказывается с недостатком электронов и становится положительной, а дальняя получает избыток электронов и становится отрицательной. Заряды не пришли извне: они лишь разделились внутри шара, поэтому его общий заряд остался нулевым.

На проводник одновременно действуют притяжение со стороны ближайшего участка и отталкивание со стороны дальнего. Противоположный заряд расположен ближе к внешнему телу, чем одноимённый. Электрическое взаимодействие ослабевает с увеличением расстояния, поэтому ближнее притяжение сильнее дальнего отталкивания. В результате сила, действующая на весь проводник, направлена к заряженному предмету.

В диэлектрике заряды не могут свободно перемещаться через всё тело, как в металле. Однако электрическое поле слегка смещает связанные положительные и отрицательные заряды внутри молекул в разные стороны. В результате молекулы становятся немного разделёнными по заряду, а ближняя к внешнему телу сторона диэлектрика поляризуется противоположным образом. Суммарный заряд предмета при этом остаётся нулевым.

Поле внешнего заряда сильнее действует на ближнюю сторону, чем на дальнюю, потому что расстояние до неё меньше. Поэтому притяжение поляризованной ближней части перевешивает отталкивание дальней. Знак внешнего заряда меняет направление смещения зарядов, но не этот общий результат: ближайшая сторона в обоих случаях оказывается противоположной по знаку. Так заряженное тело обычно притягивает нейтральное независимо от того, положительный или отрицательный у него заряд.

Поведение проводника и диэлектрика рядом с заряженным телом

Сравнивайте вещества по тому, насколько свободно в них движутся заряды. В таблице показано, что именно меняется под действием внешнего поля и почему возникает притяжение. Помните: в обоих случаях речь идёт о нейтральном теле, если оно не соприкасалось с заряженным предметом.

Разбор задач

Задача 1. К незаряженному металлическому шару поднесли, не касаясь его, отрицательно заряженную палочку. Как распределятся заряды на шаре и какая сила будет преобладать?

1. В металле есть свободные электроны, а заряд палочки отрицательный, поэтому он отталкивает электроны шара.
2. Электроны переместятся к дальней стороне. Ближняя сторона останется с избытком положительного заряда, дальняя станет отрицательной.
3. Сравниваем действие сторон: положительный участок ближе к палочке, чем отрицательный. Поэтому притяжение ближнего участка сильнее отталкивания дальнего.

Ответ: на ближней стороне шара будет положительный заряд, на дальней — отрицательный; шар притянется к палочке.

Задача 2. К натёртой пластмассовой линейке поднесли маленькие кусочки бумаги. Почему бумага притягивается, хотя до опыта была нейтральной?

1. Бумага — диэлектрик: её заряды связаны с молекулами и не могут свободно пройти через весь кусочек.
2. Поле заряженной линейки немного смещает положительные и отрицательные заряды внутри молекул бумаги. Ближняя сторона приобретает поляризацию, противоположную заряду линейки.
3. Ближняя сторона бумаги притягивается к линейке сильнее, чем дальняя сторона отталкивается. Общий заряд бумаги при этом остаётся нулевым.

Ответ: нейтральная бумага притягивается из-за поляризации её молекул.

Задача 3. Две одинаковые незаряженные металлические сферы соприкасаются. К одной поднесли положительно заряженное тело, затем сферы раздвинули и удалили внешнее тело. Почему сферы взаимодействуют и как распределятся их заряды?

1. Положительное внешнее тело притягивает электроны по соприкасающимся сферам к ближайшей сфере. Она получает избыток электронов и становится отрицательной, а вторая сфера остаётся с недостатком электронов и становится положительной.
2. Сферы раздвигают, пока внешнее тело ещё рядом. Поэтому заряды уже не могут перераспределиться между ними: на первой остаётся отрицательный, на второй — положительный заряд.
3. После удаления внешнего тела каждая сфера сохраняет свой заряд. Заряды противоположны, поэтому сферы притягиваются.

Ответ: первая сфера заряжена отрицательно, вторая положительно; после раздвигания они притягиваются.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что нейтральное тело вообще не содержит зарядов. Так могут подумать, потому что в обычном состоянии тело не проявляет общего заряда. Проверьте себя: нейтральность означает компенсацию положительных и отрицательных зарядов, а не их отсутствие.

Ошибка — утверждать, что при индукции тело получает заряд без контакта. Путаница возникает из-за появления на его сторонах участков с разными знаками. Чтобы проверить ответ, мысленно сложите заряды всех участков: без контакта и других процессов их сумма не изменилась.

Ошибка — считать, что одноимённый заряд на дальней стороне обязательно отталкивает всё тело. Учитывают сам факт отталкивания, но забывают сравнить расстояния до двух сторон. Проверьте, какая сторона ближе: противоположный заряд притягивает сильнее, поэтому результирующее действие обычно направлено к внешнему телу.

Ошибка — путать перераспределение зарядов в проводнике с поляризацией диэлектрика. В обоих случаях появляются участки с разным зарядом, поэтому процессы легко смешать. Проверьте, могут ли носители двигаться через всё тело: в проводнике могут, а в диэлектрике связанные заряды лишь немного смещаются внутри молекул.

Связь с другими темами

Для объяснения притяжения нужно знать, что существует два вида электрического заряда, одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Помогает и представление об электрическом поле — пространстве, где на заряд действует электрическая сила. Позже перераспределение зарядов пригодится при изучении действия электроскопа, электризации тел и молниеотвода. Тема также связывает электрические явления со строением вещества и движением свободных зарядов в проводниках.

Что запомнить

• Нейтральное тело содержит положительные и отрицательные заряды в равных количествах.
• Электрическое поле заряженного тела может перераспределять заряды в нейтральном теле.
• В проводнике свободные заряды перемещаются по всему телу.
• В диэлектрике происходит поляризация — небольшое разделение связанных зарядов.
• Противоположный заряд на ближней стороне действует сильнее, чем одноимённый на дальней.
• Поэтому заряженное тело обычно притягивает нейтральные тела независимо от знака своего заряда.