Конспект урока: Объяснение электрических явлений. Закон сохранения электрического заряда. Электроскоп

Закон сохранения заряда

Как нам стало известно, заряд в атоме несут положительно заряженные частицы — протоны и отрицательно заряженные частицы — электроны. Если тело электрически нейтрально, то количество протонов в его атомах равно количеству электронов.
 

В процессе трения часть электронов с одного тела может переходить к другому: тело, потерявшее электроны, становится положительно заряженным; тело, присоединившее электроны, — отрицательно заряженным. Взаимодействующие тела стали наэлектризованы. Учтите, что переходить от одного тела к другому могут только электроны, в процессе электризации количество протонов в атомах не меняется.

Так, при трении стеклянной палочки о шёлк стекло приобретает положительный заряд, шёлк — отрицательный. Значит, часть электронов со стеклянной палочки перешла на шёлк. Очевидно, что количество частиц, которые потеряло стекло, должно быть равно количеству частиц, которые присоединил шёлк. Следовательно, сумма зарядов стекла и шёлка осталась неизменной.

Данное утверждение подводит нас к закону сохранения заряда:
 

$q_1 + q_2 + q_3 + ... + q_n= \mathrm{const}$,
 

где q₁, q₂, q₃, q_n — электрические заряды всех тел замкнутой системы.

Физический смысл закона сохранения заряда схож с законом сохранения энергии в механических или тепловых процессах: также как энергия не может появиться из ниоткуда и исчезнуть в никуда, так и заряд системы будет оставаться неизменным, пока система не получит или не потеряет часть своего заряда.

Однако возможно протекание таких процессов, в которых образуется пара частиц с равным по модулю, но противоположным зарядом. В таких процессах суммарный заряд системы по-прежнему не меняется.

Закон сохранения заряда позволяет утверждать, что, если тело было электрически нейтрально, его суммарный заряд останется равным нулю, пока оно не отдаст или не приобретёт какой-то заряд. Аналогично, если тело имеет положительный (или отрицательный) заряд, он сохранится, пока тело имеет недостаток (или избыток) электронов.

Объяснение электрических явлений

Нам уже известно, что два положительно (или отрицательно) заряженных тела будут отталкиваться; тела, имеющие разные по знаку заряды, притягиваются.
 

Как же объяснить взаимодействие заряженного и нейтрального тел?

Рис. 1. Смещение зарядов в атоме диэлектрика при сближении с заряженным телом

Наэлектризуем воздушный шарик путём трения о волосы. Если приблизить его к маленьким листочкам бумаги, они будут притягиваться. Бумага является диэлектриком: в ней нет свободных носителей заряда, электроны не могут перемещаться по всему объёму вещества. Тем не менее электроны и положительное ядро могут смещаться в пределах объёма атома под действием электрических сил (рис. 1).

 

Таким образом, если поднести заряженное тело к диэлектрику, все частицы противоположного знака сместятся в сторону заряженного тела; частицы того же знака — отдалятся. При этом суммарный заряд диэлектрика остаётся равным нулю. Благодаря тому, что количество атомов очень велико, силы притяжения становятся заметны — и мы наблюдаем, как диэлектрик притягивается к заряженному телу: частички бумаги притягиваются к заряженному шарику. Наблюдаемое явление получило название поляризация.

Приблизим заряженный воздушный шарик к кусочкам алюминиевой фольги: мы увидим, что частички фольги начали активно притягиваться к шарику. Как и в случае с диэлектриком, мы наблюдаем действие электрических сил, но на этот раз величина этих сил будет заметно больше. Металлы являются отличными проводниками: в них много свободных носителей зарядов — электронов, которые могут свободно перемещаться по всему объёму тела.

Рис. 2. Смещение зарядов в проводнике при приближении заряженного тела

Если приблизить к металлу положительно заряженное тело, все свободные электроны сместятся в сторону наэлектризованного тела (рис. 2), возникнут силы притяжения большие по величине, чем в случае с диэлектриком. Мы увидим, как металл притягивается к заряженному телу — частички фольги притягиваются к наэлектризованному воздушному шарику.

 

Аналогично, если приблизить к металлу тело, заряженное отрицательно, свободные электроны отдалятся от наэлектризованного тела, оставив в узлах кристаллической решётки положительные заряды, которые также будут притягиваться к отрицательно заряженному телу.

Естественно, описанные явления притяжения диэлектриков и проводников к заряженному телу можно наблюдать, если их масса достаточно мала. В противном случае перераспределение зарядов произойдёт, но сила тяжести будет много больше электрических сил и наблюдение притяжения будет невозможно.

Следует понимать, что при приближении заряженного тела к проводнику или диэлектрику в них происходит перераспределение зарядов, но в обоих случаях их суммарный заряд остаётся равным нулю.
 

Что же произойдёт, если коснуться заряженным телом изначально нейтрального металла? Проведём эксперимент: начнём приближать к незаряженной металлической гильзе наэлектризованную стеклянную палочку.

Рис. 3

Сначала свободные электроны в гильзе сместятся в сторону положительно заряженной палочки (рис. 3, а), гильза начнёт притягиваться.

 

В некоторый момент гильза коснётся палочки и тела начнут отталкиваться (рис. 3, б). В момент касания часть электронов с металлической гильзы перейдёт на палочку, в результате чего на гильзе образуется недостаток электронов, она становится положительно заряженной и начинает отталкиваться от стеклянной палочки.

 

Таким образом, наэлектризовать тело, то есть сообщить ему заряд, можно не только путём трения, но и через прикосновение к заряженному телу.

Итоги

• Закон сохранения заряда: если система тел не теряет и не получает заряды извне, то алгебраическая сумма зарядов этой системы остаётся неизменной $q_1 + q_2 + q_3 + ... + q_n= \mathrm{const}$.
• При сближении диэлектрика и заряженного тела заряженные частицы в веществе смещаются в пределах атома.
• Поляризация диэлектрика — это явление образования зарядов на границах диэлектрика под действием электрических сил со стороны поднесённого к нему заряженного тела.
• При сближении проводника и заряженного тела свободные электроны в веществе смещаются в пределах объёма тела.
• Явление образования зарядов на границах проводника под действием электрических сил со стороны поднесённого заряженного тела называется электростатической индукцией проводника.