Объяснение электрических явлений

В прошлых уроках мы рассмотрели, как заряд передается от одних тел другим и как взаимодействуют наэлектризованные тела. Также вы уже знаете о строении атомов и существовании электрического поля.

Используя эти знания, в данном уроке мы более глубоко рассмотрим физику электрических явлений и объясним, что же в них происходит.

Электрическая нейтральность

Все тела состоят из атомов. В центре атома находится ядро, а вокруг него движутся электроны. В ядре находятся протоны и нейтроны. Общий заряд атома зависит от числа протонов и электронов. Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. Модули зарядов одного протона и одного электрона равны.

В обычных условиях число электронов в атоме равно числу протонов. В таком случае положительный заряд всех протонов компенсируется отрицательным зарядом всех электронов. В результате такой атом не имеет общего заряда — он электрически нейтрален.

Электрически нейтральное тело — это тело, в котором сумма всех отрицательных зарядов равна по абсолютному значению сумме всех положительных зарядов, поэтому тело в целом не имеет заряда.

{"questions":[{"content":"В электрически нейтральном атоме[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["число протонов равно числу электронов","число протонов больше числа электронов","число протонов меньше числа электронов"],"explanations":["При электрической нейтральности атом не имеет заряда: суммарный положительный заряд протонов компенсирует суммарный отрицательный заряд электронов.","Тогда атом будет иметь положительный заряд.","Тогда атом будет иметь отрицательный заряд."],"answer":[0]}}}]}

Положительно и отрицательно заряженные тела

Но некоторые тела имеют некоторый электрический заряд. В чем же суть, если изначально все атомы электрически нейтральны?

Электрически нейтральное тело получит отрицательный заряд, если получит дополнительные электроны от какого-нибудь другого тела. Тогда количество электронов в нем станет больше количества протонов.

Тело заряжено отрицательно, если электронов в нем больше, чем протонов.

Соответственно, если нейтральное тело, наоборот, теряет электроны и количество протонов в нем становится больше количества электронов, то оно обретает положительный заряд.

Тело обладает положительным зарядом, если у него недостаточно электронов.

Получается, что тела электризуются (получают электрический заряд), если они теряют или получают электроны.

Обратите внимание: при электризации меняется число электронов, а не протонов. Протоны и нейтроны удерживаются в ядре сильным ядерным взаимодействием. Поэтому при обычной электризации они не переходят от одного тела к другому. Если изменить число протонов в ядре, получится атом другого химического элемента.

{"questions":[{"content":"Если изначально нейтральное тело получило дополнительные электроны при его электризации, то оно [[choice-10]]","widgets":{"choice-10":{"type":"choice","options":["осталось электрически нейтральным","обладает отрицательным зарядом","обладает положительным зарядом"],"explanations":["В таком теле после электризации число электронов стало больше числа протонов. Оно не может быть электрически нейтральным.","","Чтобы тело стало обладать положительным зарядом, оно должно потерять, а не получить электроны."],"answer":[1]}}}]}

Потеря и приобретение веществами дополнительных электронов

Рассмотрим еще раз опыт с электризацией палочек о шелк и мех (рисунок 1).

Если потереть стеклянную палочку о шелк, палочка приобретет положительный заряд (рисунок 1, а). Значит, она потеряет электроны.

Куда они деваются? Дело в том, что при трении электроны переходят со стеклянной палочки на шелк. В итоге шелк получает избыток электронов и приобретает отрицательный заряд.

Теперь возьмем изначально нейтральную эбонитовую палочку и потрем ее о мех (рисунок 1, б). Она получит отрицательный заряд, а мех — положительный.

Это также объясняется тем, что при трении электроны переходят с меха на палочку. В итоге на эбонитовой палочке образуется избыток электронов, а на мехе — их недостаток.

Почему при трении электроны переходят со стеклянной палочки на шелк и с меха на эбонитовую палочку, а не наоборот? Разные вещества по-разному удерживают электроны у своей поверхности. При тесном соприкосновении часть электронов переходит к веществу, которое удерживает их сильнее. Трение увеличивает число участков, в которых поверхности соприкасаются.

{"questions":[{"content":"Если при трении стеклянной палочки о шелк палочка обретает отрицательный заряд, то это говорит нам о том, что[[choice-15]]","widgets":{"choice-15":{"type":"choice","options":["сила притяжения электронов к ядру атомов в стекле больше этой же силы в шелке","сила притяжения электронов к ядру атомов в шелке больше этой же силы в стекле","силы притяжения электронов к ядру атомов в шелке и стекле одинаковы"],"explanations":["","Если бы это было так, то тогда электроны перешли бы с палочки на шелк. Шелк бы обрел отрицательный заряд.","Тогда бы не произошло электризации."],"answer":[0]}}}]}

Закон сохранения электрического заряда

Если измерить заряды меха и эбонитовой палочки после электризации, то окажется, что они равны по модулю и противоположны по знаку. То же верно для шелка и стеклянной палочки. 

Сколько электронов ушло с меха, столько же получила эбонитовая палочка. Электроны не возникли и не исчезли, а только перешли с одного тела на другое. Поэтому общий заряд замкнутой системы не изменился.

Другие эксперименты только подтверждают этот факт. Так, при электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда.

Закон сохранения электрического заряда:
алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной при любых взаимодействиях в замкнутой системе:
$q_1 + q_2 + q_3 + \ldots + q_n = \mathrm{const}$,
где $q_1, q_2, \ldots, q_n$ — заряды тел или частиц системы.

Обратите внимание! Этот закон выполняется только в замкнутой системе. Что это означает?

Замкнутая система — это такая система, в которую не входят извне и не выходят наружу никакие электрические заряды.

{"questions":[{"content":"Замкнутая система состоит из эбонитовой палочки и меха. После электризации этих тел путем трения палочки о ткань суммарный заряд системы[[choice-23]]","widgets":{"choice-23":{"type":"choice","options":["сохраняется","увеличивается","уменьшается"],"explanations":["По закону сохранения электрического заряда он остается неизменным.","",""],"answer":[0]}}}]}

Свободные электроны

А какие именно электроны теряют вещества?

Снова вернемся к строению атома. В различных атомах электроны находятся на разных расстояниях от ядра. Взгляните, например, на атом лития (рисунок 2).

Электроны, которые дальше находятся от ядра, слабее притягиваются к нему. Те, что находятся ближе к ядру, притягиваются сильнее. Особенно слабо удерживаются удаленные электроны в металлах.

Получается, что в металлах происходит следующее:
наиболее удаленные от ядра электроны могут покидать свое место и свободно двигаться между атомами этого вещества.

Такие электроны называют свободными. Зафиксируем это новое определение.

Свободные электроны — это электроны, которые слабо связаны с отдельными атомами и могут перемещаться по всему металлическому проводнику.

Ранее вы уже слышали о делении веществ на проводники и непроводники (диэлектрики). В металлах электрический заряд могут переносить свободные электроны. В диэлектриках электроны связаны с атомами и не могут свободно перемещаться по всему телу. Подробнее о проводниках и диэлектриках мы поговорим в следующем уроке.

{"questions":[{"content":"Соотнесите тип вещества и его характеристику.[[matcher-27]]","widgets":{"matcher-27":{"type":"matcher","labels":["Металлический проводник","Диэлектрик"],"items":["Есть свободные электроны","Электроны не могут свободно перемещаться по всему веществу","Есть свободные протоны"]}},"hints":["Протоны входят в состав ядер и не перемещаются по веществу свободно."]}]}

Передача электрического заряда

Проверим вышесказанное о проводниках. Если в них есть свободные электроны, то они могут переносить электрический заряд.

Проведем опыт. Возьмем два электроскопа. Один из них оставим незаряженным, а второй зарядим отрицательно. Соединим электроскопы металлическим стержнем-проводником (рисунок 3).

Мы увидим, что ранее незаряженный электроскоп тоже получил отрицательный заряд.

Давайте объясним, как это произошло. В стержне есть свободные электроны. Когда мы соединяем его с электроскопами, они оказываются в электрическом поле заряженного электроскопа.

Свободные электроны в соединенных металлических частях приходят в движение. Избыток электронов на заряженном электроскопе заставляет их отталкиваться друг от друга и распределяться по обоим электроскопам. Поэтому часть электронов переходит на ранее незаряженный электроскоп, и он получает отрицательный заряд.

{"questions":[{"content":"По металлическому стержню электрический заряд переносится[[choice-31]]","widgets":{"choice-31":{"type":"choice","options":["свободными электронами","атомами вещества","протонами"],"explanations":["В металле свободные электроны могут перемещаться по всему проводнику.","При переносе заряда вещество не распадается на атомы.","Протоны остаются в ядрах атомов."],"answer":[0]}}}]}

Притяжение наэлектризованных тел к ненаэлектризованным

Объясним еще одно электрическое явление. Если поднести заряженную стеклянную палочку к нейтральной гильзе из металлической фольги, гильза будет притягиваться. Хотя общий заряд гильзы равен нулю, внутри нее есть положительные и отрицательные заряды. Электрическое поле палочки может вызвать их перераспределение.

Рассмотрим это явление поэтапно (рисунок 4).

Гильза сделана из металла. Это означает, что в ней есть свободные электроны. Как только гильза окажется в электрическом поле палочки, на эти электроны будет действовать электрическая сила. Они придут в движение.

Наша палочка заряжена положительно. Свободные электроны гильзы перейдут на тот ее конец, который ближе к палочке (рисунок 4, а). На этом конце возникнет избыток электронов, поэтому он будет заряжен отрицательно.

На другом конце гильзы образуется недостаток электронов. До касания с палочкой общий заряд гильзы остается равным нулю: электроны только перераспределились внутри нее. Другая сторона окажется заряженной положительно.

Отрицательно заряженный край гильзы притянется к положительно заряженной палочке: разноименные заряды притягиваются. Гильза коснется палочки. При этом часть свободных электронов перейдет с гильзы на палочку (рисунок 4, б).

Потеряв часть электронов, гильза окажется положительно заряженной (рисунок 4, в).

{"questions":[{"content":"Если к электрически нейтральному металлическому телу поднести заряженную палочку, то [[choice-43]]","widgets":{"choice-43":{"type":"choice","options":["электрическое поле палочки приведет в движение свободные электроны в теле","электрическое поле палочки никак не подействует на тело","тело оттолкнется от палочки или притянется, но его электризации не произойдет"],"answer":[0]}}}]}

Деление электрического заряда между телами

Посмотрим, как разделяется электрический заряд между двумя телами.

Проделаем простой опыт. Снова возьмем два одинаковых электроскопа. Один из них зарядим. Соединим их металлическим стержнем (рисунок 5).

После их соединения мы увидим, что второй электроскоп зарядился. Половина заряда перешла на второй электроскоп. Первоначальный заряд поделился на две равные части.

Теперь рассмотрим два проводящих шара разного размера. Пусть они находятся далеко от других заряженных тел, имеют одинаковую форму и соединены тонким проводником. Если незаряженный шар больше заряженного, после соединения на большем шаре окажется больше половины общего заряда.

Для тел сложной формы распределение заряда зависит не только от их размера, поэтому это правило нельзя применять ко всем телам без дополнительных условий.

Из двух удаленных друг от друга проводящих шаров одинаковой формы большая часть общего заряда окажется на большем шаре.

Заземление — это соединение тела с Землей проводником. По проводнику электроны могут уходить с тела в Землю или переходить из Земли на тело. Земля очень велика, поэтому такой обмен почти не меняет ее электрическое состояние. В простом случае после заземления тело становится практически нейтральным.

{"questions":[{"content":"Два удаленных от других тел проводящих шара одинаковой формы соединили проводником. Первый шар был заряжен, а второй имел меньший размер и был нейтрален. На второй шар перейдет[[choice-46]]","widgets":{"choice-46":{"type":"choice","options":["меньшая часть общего заряда","большая часть общего заряда","ровно половина общего заряда"],"explanations":["При таких условиях на меньшем шаре окажется меньшая часть общего заряда.","Большая часть общего заряда окажется на большем шаре.","Поровну заряд делится между одинаковыми шарами."],"answer":[0]}}}]}

Упражнения

Упражнение №1
Почему можно наэлектризовать трением эбонитовую палочку, держа ее в руке, а металлический стержень нельзя?

Эбонит — диэлектрик. Полученный заряд не может свободно перемещаться по палочке, поэтому остается на ней, даже когда палочку держат в руке.

Металлический стержень — проводник. Если держать его рукой, заряд уйдет через тело человека в Землю. Металлический стержень можно наэлектризовать, если держать его за изолирующую ручку.

Упражнение №2
При наливании бензина корпус бензовоза при помощи металлического проводника обязательно соединяют с землей. Зачем это делают?

Дело в том, что на металлическом корпусе бензовоза может скапливаться определенный заряд (статическое электричество). Он может спровоцировать появление искры, что крайне взрывоопасно в сочетании с бензином и его парами.

Соединяя корпус бензовоза с Землей, его заземляют. Избыточный заряд уходит с корпуса в Землю. Это не дает заряду накапливаться и снижает риск появления искры.

Упражнение №3
Пластмассовая линейка, потертая шерстяной тканью, получила отрицательный заряд. Избыток или недостаток электронов образовался на ткани?

Если линейка получила дополнительные электроны, значит, по закону сохранения заряда эти электроны потеряла ткань. То есть при электризации линейки электроны перешли с ткани на линейку. Поэтому на ткани образовался недостаток электронов, и ткань приобрела положительный заряд.

Частые вопросы

Почему при электризации перемещаются электроны, а не протоны?

Протоны находятся в ядрах атомов и прочно удерживаются там. Электроны некоторых веществ могут переходить от одного тела к другому.

Может ли нейтральное металлическое тело притягиваться к заряженному?

Да. Поле заряженного тела перераспределяет свободные электроны в металле. На ближайшей стороне возникает заряд противоположного знака, поэтому появляется притяжение.

Что сохраняется в замкнутой системе?

Сохраняется алгебраическая сумма всех зарядов системы. Заряды могут перераспределяться между телами, но их общая сумма не меняется.