Электрические силы

Определения и обозначения

Электрический заряд — свойство тел и частиц участвовать в электрическом взаимодействии; заряд бывает положительным или отрицательным. Это свойство помогает объяснить, почему одни тела притягиваются, а другие отталкиваются. Знак заряда показывает, к какому из двух видов он относится.

Электризация — приобретение телом электрического заряда при трении, соприкосновении или влиянии другого заряженного тела. При этом электроны могут перейти с одного тела на другое или перераспределиться внутри тела. Это понятие нужно, чтобы объяснить, откуда у предмета появляется заряд.

Электрическая сила — сила притяжения или отталкивания между заряженными телами. Она описывает, как тела действуют друг на друга: сближаются или расходятся. Не путай её с зарядом: заряд принадлежит телу, а сила возникает при взаимодействии.

Электрическое поле — область пространства, в которой на электрический заряд действует электрическая сила. Его создаёт заряженное тело, даже если поблизости нет других тел. Поле помогает понять, как взаимодействие передаётся без непосредственного соприкосновения.

Как это устроено

В некоторых случаях при трении электроны переходят с одного тела на другое. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому тело, получившее их, приобретает отрицательный заряд. Тело, отдавшее электроны, становится положительно заряженным: в нём остаётся недостаток электронов по сравнению с положительными зарядами. Заряд не появляется из ничего — он перераспределяется между телами.

Заряженные тела могут притягиваться или отталкиваться из-за электрического взаимодействия. Если знаки зарядов одинаковы, тела отталкиваются; если разные — притягиваются. Это правило можно проверить, наблюдая за подвешенными лёгкими шариками: при отталкивании их заряды одноимённые. Но одного притяжения недостаточно, чтобы заключить, что знаки разные: одно из тел может быть нейтральным.

Взаимодействие возможно и без касания, потому что заряженное тело создаёт вокруг себя электрическое поле. Поле занимает пространство вокруг тела и действует на находящиеся там заряды. Когда в поле попадает другое заряженное тело, на него начинает действовать электрическая сила. Поэтому предметы могут притягиваться или отталкиваться на расстоянии, не соприкасаясь.

Нейтральное тело тоже может притягиваться к заряженному. Внутри нейтрального тела положительные и отрицательные заряды в сумме уравновешены, но под влиянием электрического поля они могут немного сместиться. Ближе к заряженному телу оказывается часть с зарядом противоположного знака, а одноимённая часть — дальше. Притяжение ближайшей части оказывается заметным, поэтому всё нейтральное тело движется к заряженному.

На заметность взаимодействия влияют величина зарядов и расстояние между телами. Чем больше заряды, тем сильнее электрическое взаимодействие при прочих равных условиях. Когда тела сближаются, действие электрической силы становится заметнее, а при удалении ослабевает. Поэтому маленькие заряженные предметы легче наблюдать рядом друг с другом, чем на большом расстоянии.

Заряды и электрическое взаимодействие

В таблице сопоставлены способы возникновения зарядов и поведение тел. Слово «нейтральное» означает, что положительные и отрицательные заряды в теле уравновешены. Чтобы понять последний столбец взаимодействия, помни: заряженное тело может притягивать нейтральное.

Разбор задач

Задача 1. После трения пластмассовой расчёски о волосы она притягивает мелкие кусочки бумаги. Нужно объяснить, как расчёска получила заряд и почему бумага движется к ней. Сама бумага может оставаться нейтральной: для притяжения ей не обязательно заранее иметь противоположный заряд.

1. При трении часть электронов переходит между волосами и расчёской. Поэтому расчёска получает электрический заряд, хотя без дополнительных наблюдений нельзя указать его знак.
2. Расчёска создаёт вокруг себя электрическое поле. Оно действует на заряды в бумаге и немного перераспределяет их так, что ближе к расчёске оказывается часть противоположного знака.
3. Ближняя часть бумаги притягивается к расчёске, поэтому кусочек сдвигается к ней. Ответ: расчёска электризуется при трении, а её поле вызывает притяжение нейтральной бумаги.

Задача 2. Два лёгких шарика отталкиваются. Нужно определить, что можно сказать о знаках их зарядов, и подумать, как уточнить вывод. По правилу взаимодействия отталкиваться друг от друга могут заряженные тела с одинаковыми знаками. Одного этого наблюдения не хватит, чтобы узнать, положителен заряд или отрицателен.

1. Установи, что оба шарика заряжены: их устойчивое отталкивание соответствует действию одноимённых зарядов. Значит, знаки у шариков одинаковые.
2. Чтобы выяснить сами знаки, поднеси к одному шарику тело с известным зарядом, не касаясь его. Если шарик оттолкнётся от положительно заряженного тела, его заряд тоже положительный; если притянется, результат нужно оценить осторожно, поскольку возможно притяжение нейтрального тела.
3. Для надёжного вывода сравни поведение с телами обоих известных знаков или предварительно убедись, что шарик заряжен. Ответ: шарики имеют одноимённые заряды, а чтобы назвать знак, нужны дополнительные наблюдения.

Задача 3. Заряженная палочка притягивает нейтральный металлический шарик. Нужно объяснить притяжение и предсказать, что изменится после касания. Металл проводит электрический заряд, поэтому его заряды могут перемещаться внутри шарика. После контакта возможна передача заряда от палочки к шарику.

1. До соприкосновения поле палочки перераспределяет заряды в шарике. Ближе к палочке собирается заряд противоположного знака, поэтому шарик притягивается, хотя в целом остаётся нейтральным.
2. При касании часть заряда может перейти с палочки на металлический шарик. После этого шарик получает заряд того же знака, что и палочка.
3. Одноимённые заряды отталкиваются. Ответ: сначала шарик притягивается из-за перераспределения зарядов, а после контакта может оттолкнуться от палочки.

Типичные ошибки

Ошибка: думать, что при электризации заряд возникает из ничего. Так кажется, потому что до трения тела выглядят незаряженными, а после начинают притягивать лёгкие предметы. Проверь себя: при трении электроны переходят с одного тела на другое, поэтому одно получает избыток электронов, а другое — недостаток.

Ошибка: считать, что любое притяжение доказывает наличие зарядов разных знаков. Обычно вспоминают правило о разноимённых зарядах, но забывают о нейтральных телах. Проверь себя: если одно тело нейтральное, поле заряженного тела может перераспределить в нём заряды и вызвать притяжение.

Ошибка: путать электрический заряд с электрической силой. Эти понятия связаны, поэтому их легко смешать, но они обозначают разное. Спроси себя: заряд — это свойство тела, а сила — действие при взаимодействии тел.

Ошибка: считать, что электрическое взаимодействие возможно только при соприкосновении. Такое представление возникает из повседневного опыта, где предметы часто толкают друг друга при контакте. Проверь себя: заряженное тело создаёт электрическое поле, которое действует на другие заряды на расстоянии.

Связь с другими темами

Чтобы понять электрические силы, полезно знать, что вещество состоит из частиц, среди которых есть электроны. Трение и силы взаимодействия тел помогают представить, как заряды переходят и как предметы начинают двигаться. Позже эти знания пригодятся при изучении электрического тока, источников тока и электрических цепей: ток связан с движением заряженных частиц. Представление о поле также подготовит к изучению магнитного поля и других видов взаимодействия.

Что запомнить

• Электрический заряд бывает положительным и отрицательным.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Электризация связана с переходом или перераспределением электронов.
• Заряженное тело создаёт вокруг себя электрическое поле.
• Электрическая сила может действовать на расстоянии.
• Заряженное тело способно притягивать нейтральное тело.
• При соприкосновении заряд может передаваться от одного тела к другому.