Темы кодификатора егэ : электризация тел, взаимодействие зарядов, два вида заряда, закон сохранения элек

И. В. Яковлев

|

Материалы по физике

|

MathUs.ru

Электрический заряд

Темы кодификатора ЕГЭ : электризация тел, взаимодействие зарядов, два вида заряда, закон сохранения элек-

трического заряда.

Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных вза-

имодействий в природе. Силы упругости и трения, давление газа и многое другое можно свести

к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодей-

ствия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.

Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение — гравитационное

притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимо-

действиями имеется несколько важных отличий.

1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные

тела (имеющие электрический заряд ).

2. Гравитационное взаимодействие — это всегда притяжение одного тела к другому. Элек-

тромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.

3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила

электрического отталкивания двух электронов в 10

42

раз превышает силу их гравитаци-

онного притяжения друг к другу.

Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда q. Электри-

ческий заряд — это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодей-

ствия между объектами природы. Единицей измерения заряда является кулон (Кл).

Два вида заряда

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неот-

рицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия — при-

тяжение и отталкивание — удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положи-

тельные и отрицательные.

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды разных знаков друг от друга

отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис.

1

; подвешенным на нитях шарикам сообщены

заряды того или иного знака.

+

−

+

+

−

−

Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого ве-

щества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заря-

женные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

1

Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электро-

нов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему

в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих

тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно рас-

пределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате

электризации) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в

данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве

первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен 1,6 · 10

−19

Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен

−1,6 · 10

−19

Кл. Величина

e = 1,6 · 10

−19

Кл

называется элементарным зарядом. Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с

меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить,

почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела q всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:

q = ±N e.

Если q < 0, то тело имеет избыточное количество N электронов (по сравнению с количеством

протонов). Если же q > 0, то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на N больше.

Электризация тел

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно

электризовать. Электризация — это нарушение электрической нейтральности тела или его

частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимо-

действиям.

Один из способов электризовать тело — сообщить ему электрический заряд, то есть добиться

избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит

на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк — отрицательно. А вот при

натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на

палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть — положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением. С электризацией тре-

нием вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову ;-)

Другой тип электризации называется электростатической индукцией, или электризацией

через влияние. В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспре-

деляется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других —

отрицательные.

+

q

−

+

−

+

−

+

−

+

−

+

Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис.

2

. На некотором расстоянии от металлического тела находится

положительный заряд q. Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные

2

электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На

дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле

произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктир-

ной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая — положительно.

Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп по-

казан

1

на рис.

3

.

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предва-

рительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд.

Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положитель-

ные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать

палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время

грозы. На рис.

4

мы видим идущую над землёй грозовую тучу

2

.

Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими

потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в

нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней — положительный.

1

Изображение с сайта

en.wikipedia.org

.

2

Изображение с сайта

elementy.ru.

3

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли за-

ряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением

между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного про-

межутка, то произойдёт разряд — хорошо известная вам молния.

Закон сохранения заряда

Вернёмся к примеру электризации трением — натирании палочки тканью. В этом случае па-

лочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их

суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после

взаимодействия.

Мы видим здесь закон сохранения заряда, который гласит: в замкнутой системе тел алгеб-

раическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими

телами:

q

1

+ q

2

+ . . . + q

n

= const.

Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между

собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.

При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряжен-

ных частиц ушло с палочки — столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно

то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элемен-

тарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно

сохраняется!

Например, на рис.

5

показан процесс γ → e

−

+ e

+

, при котором порция электромагнитного

излучения γ (так называемый фотон) превращается в две заряженные частицы — электрон e

−

и позитрон e

+

. Такой процесс оказывается возможным при некоторых условиях — например, в

электрическом поле атомного ядра.

γ

e

−

e

+

Рис. 5. Рождение пары электрон–позитрон

Заряд позитрона равен по модулю заряду электрона и противоположен ему по знаку. За-

кон сохранения заряда выполнен! Действительно, в начале процесса у нас был фотон, заряд

которого равен нулю, а в конце мы получили две частицы с нулевым суммарным зарядом.

Закон сохранения заряда (наряду с существованием наименьшего элементарного заряда)

является на сегодняшний день первичным научным фактом. Объяснить, почему природа ведёт

себя именно так, а не иначе, физикам пока не удаётся. Мы можем лишь констатировать, что

эти факты подтверждаются многочисленными физическими экспериментами.

4