Электрический заряд.

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрическом взаимодействии. Его обозначают буквой q, а измеряют в кулонах (Кл). По заряду можно предсказывать, будут ли тела притягиваться или отталкиваться.

Положительный и отрицательный электрические заряды — два вида заряда. Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Это правило позволяет по характеру взаимодействия сравнивать знаки зарядов, хотя одно лишь притяжение не всегда доказывает наличие противоположного заряда.

Элементарный заряд — наименьший по модулю заряд свободной заряженной частицы; его обозначают e. Модуль заряда электрона и протона одинаков и равен e ≈ 1,6·10⁻¹⁹ Кл, но знаки у них противоположны. Эта величина нужна для подсчёта, сколько электронов соответствует заряду тела.

Закон сохранения электрического заряда утверждает: в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов остаётся постоянной. Поэтому заряд не появляется из ничего и не исчезает бесследно, а переходит между телами. При вычислениях положительные и отрицательные заряды складывают с учётом знаков.

Как это устроено

При электризации тело приобретает заряд, потому что электроны переходят с одного тела на другое. Это может происходить при соприкосновении или трении: материал, удерживающий электроны слабее, отдаёт их, а другой принимает. Тело, потерявшее электроны, становится положительным, а получившее их — отрицательным; суммарный заряд двух тел не меняется.

Заряженные тела взаимодействуют благодаря электрическому полю, которое существует вокруг заряда и действует на другие заряды. Если знаки одинаковы, действие направлено так, чтобы тела удалялись друг от друга; при разных знаках они сближаются. По отталкиванию можно уверенно заключить, что заряды одноимённые, а по притяжению нужно учитывать возможность притяжения нейтрального тела.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронной оболочки. В ядре находятся протоны с зарядом +e и нейтроны, не имеющие электрического заряда, а электроны имеют заряд −e. Атом нейтрален, когда число протонов равно числу электронов: положительные и отрицательные заряды тогда взаимно компенсируются.

При электризации обычных тел меняется число электронов, а не протонов, потому что электроны находятся вне ядра и могут переходить между телами. Если электронов стало больше, возникает их избыток и отрицательный заряд; если электронов меньше, появляется недостаток и положительный заряд. Поэтому заряд тела связан с разностью числа протонов и электронов, а не с возникновением новых частиц.

Заряды частиц и тел

Таблица помогает определить знак частицы или тела и понять причину нейтральности атома. Для тела сначала сравните число электронов с числом протонов: избыток даёт знак «минус», недостаток — знак «плюс».

Если нужно найти количество элементарных зарядов, используют модуль заряда и формулу |q| = Ne. Знак затем устанавливают по тому, потеряло тело электроны или приобрело их.

Разбор задач

Задача 1

Определите знак заряда тела, если после электризации в нём оказалось больше электронов, чем протонов. Электрон имеет отрицательный заряд, поэтому избыток электронов не компенсируется положительными зарядами протонов. Нужно сравнить суммарный вклад частиц, а не считать сам факт наличия протонов признаком положительного заряда.

1. В нейтральном теле число протонов и электронов одинаково.
2. После электризации электронов стало больше, поэтому отрицательных зарядов больше, чем положительных.
3. Суммарный заряд получает отрицательный знак.

Ответ: тело заряжено отрицательно.

Задача 2

Тело получило заряд −3,2·10⁻¹⁹ Кл. Определите, сколько лишних электронов оно приобрело. Для количества электронов берём модуль заряда, поскольку число частиц не может быть отрицательным. Используем e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл и соотношение |q| = Ne.

1. Записываем модуль заряда: |q| = 3,2·10⁻¹⁹ Кл.
2. Находим число электронов: N = |q|/e = (3,2·10⁻¹⁹)/(1,6·10⁻¹⁹) = 2.
3. Минус в условии подтверждает, что это именно лишние электроны.

Ответ: тело приобрело 2 лишних электрона.

Задача 3

Два одинаковых проводящих тела имеют заряды +6e и −2e. После соприкосновения заряд может перераспределиться между телами, а общий заряд сохраняется. Так как тела одинаковые, после разъединения они получат одинаковые заряды.

1. Находим общий заряд: qобщ = +6e + (−2e) = +4e.
2. Делим его поровну между двумя одинаковыми телами: q = qобщ/2 = +4e/2 = +2e.
3. Проверяем сохранение заряда: +2e + +2e = +4e.

Ответ: заряд каждого тела после разъединения равен +2e.

Типичные ошибки

Путают знак заряда тела с зарядом электрона. Электрон действительно отрицателен, но тело с избытком электронов тоже получает отрицательный заряд. Проверьте, стало электронов больше или меньше, чем протонов.

Считают, что заряд возникает из ничего. При электризации перемещаются уже существующие электроны, поэтому второе тело получает заряд противоположного знака. Для проверки сложите заряды всех тел до и после процесса.

Забывают знак при сложении зарядов. Заряды +6e и −2e дают +4e, а не +8e, потому что противоположные знаки означают вычитание модулей. Перед вычислением перепишите каждый заряд вместе с его знаком.

Полагают, что заряд может иметь любое значение. Заряд обычного тела кратен элементарному заряду, поэтому число электронов должно быть целым. Проверьте результат делением |q| на e: должно получиться целое число.

Связь с другими темами

До изучения электрического заряда нужно знать строение атома и различать протоны, нейтроны и электроны. Без этого трудно понять, почему тело становится положительным или отрицательным и почему нейтральный атом не имеет общего заряда.

Понятие заряда понадобится при изучении электрического тока, электрического поля и взаимодействия зарядов. В этих темах заряд помогает описывать движение частиц, силы притяжения и отталкивания, а также процессы в электрических цепях.

Что запомнить

• Электрический заряд обозначают q и измеряют в кулонах.
• Существуют положительные и отрицательные заряды.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Носителями заряда в обычных телах чаще всего являются электроны.
• Алгебраическая сумма зарядов замкнутой системы сохраняется.
• Заряд тела кратен элементарному заряду: q = Ne.