Объяснение электризации. Закон сохранения заряда

Открытие электрона и строения атома позволило объяснить многие электрические явления.

1. Как происходит электризация тел при трении? Тела, состоящие из нейтральных частиц (атомов и молекул), в обычных условиях не обладают зарядом. Однако в процессе трения часть электронов, покинувших свои атомы, может перейти с одного тела на другое. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний. Но если тела после трения разъединить, то они окажутся заряженными: то тело, которое отдало часть своих электронов, будет заряжено положительно, а то тело, которое их получило,— отрицательно.

Итак, тела электризуются, т. е. получают электрический заряд, когда они приобретают или теряют электроны. (В некоторых случаях электризация обусловлена перемещением ионов.) Новые электрические заряды при этом не возникают. Происходит лишь разделение уже имеющихся зарядов между электризующимися телами: часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое.

2. Почему через металлы проходит электрический заряд, а через диэлектрики нет? В диэлектриках электроны связаны с ядрами своих атомов и не могут свободно перемещаться по всему телу. В металлах связь электронов с ядрами слабее. Поэтому некоторые из них отрываются от своих атомов и начинают свободно перемещаться по всему объему тела (такие электроны называют свободными электронами). Эти электроны и переносят заряд по проводнику.

Разделение зарядов может наблюдаться при трении любых тел — как диэлектриков, так и металлических проводников. Почему же тогда в опытах по электризации используют, как правило, такие тела, как янтарь, стекло, эбонит и т. п. (т. е. диэлектрики)? Дело в том, что только на таких телах заряд будет оставаться на том же месте, где он возник: ведь через диэлектрик заряды перемещаться не могут. Если же наэлектризовать трением о мех или бумагу металлический предмет, то появившийся на нем заряд тут же уйдет через предмет, а затем через руку в тело человека, проводящего опыт. (Перемещение зарядов обусловлено взаимным отталкиванием свободных электронов.) Этого, правда, можно избежать, если держать металлический предмет за изолирующую ручку. Тогда появившийся заряд так и останется на металле.

3. Изменяется ли общий заряд тел при электризации? Проведем опыт. Укрепим на стержне электрометра металлический диск и, положив на него прослойку из сукна, поставим сверху еще один такой же диск, но с ручкой из диэлектрика. Совершив несколько движений верхним диском по изоляционной прослойке, уберем его в сторону. Мы увидим, что стрелка электрометра отклонится, свидетельствуя о появлении на сукне и соприкасающемся с ним диске электрического заряда (рис. 12, а).

Продолжим опыт. Прикоснемся другим диском (которым мы терли о сукно) к стержню другого электрометра. Стрелка этого электрометра отклонится примерно на такой же угол, что и первого электрометра (рис. 12, б). Это означает, что при электризации оба диска получили одинаковый по модулю заряд. Что можно сказать о знаках этих зарядов? Для ответа на этот вопрос завершим опыт, соединив оба электрометра металлическим проводником. Мы увидим, как стрелки обоих приборов опустятся вниз. Нейтрализация зарядов свидетельствует о том, что они были равны по модулю, но противоположны по знаку (и, следовательно, в сумме давали нуль).

Этот и другие опыты показывают, что в процессе электризации общий (суммарный) заряд тел сохраняется: если он был равен нулю до электризации, то таким он и останется после нее.

Почему так происходит? Когда, например, эбонитовую палочку трут о шерсть, то она, как мы уже знаем, заряжается отрицательно, а шерсть при этом заряжается положительно. Происходит это потому, что при трении на эбонитовой палочке образуется избыток электронов, а на куске шерсти — недостаток. При этом заряды шерсти и эбонитовой палочки оказываются равными по модулю и противоположными по знаку. Объясняется это тем, что недостаток электронов на шерсти в точности равен их избытку на эбоните. При этом полный электрический заряд на шерсти и на эбоните по-прежнему оказывается равным нулю, т. е. сохраняется.

Полный электрический заряд сохраняется и в том случае, если первоначальные заряды тел были отличны от нуля. Если обозначить первоначальные заряды тел через q₁ и q₂, а заряды тех же тел после их взаимодействия через q₁' и q₂', то можно записать:

q₁' + q₂' = q₁ + q₂,

т. е.

При любых взаимодействиях тел их полный электрический заряд остается неизменным.

В этом заключается фундаментальный закон природы, называемый законом сохранения электрического заряда.

Закон сохранения заряда был установлен в 1750 г. американским ученым и видным политическим деятелем Бенджамином Франклином. Он же впервые ввел представление о положительных и отрицательных зарядах, обозначив их знаками «+» и «–».

??? 1. Объясните возникновение положительного и отрицательного зарядов в процессе электризации трением. 2. Почему металлы проводят электрический заряд, а диэлектрики нет? 3. Почему на эбоните и на шерсти при их соприкосновении образуются заряды, которые равны по модулю и противоположны по знаку? 4. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда. 5. Почему при заземлении заряженного проводника почти весь его заряд переходит в землю?

Экспериментальное задание. Поднесите к незаряженной гильзе (см. рис. 7) отрицательно заряженный предмет. Почему гильза к нему притягивается: она ведь не заряжена? Что происходит со свободными электронами внутри гильзы? На какой стороне гильзы (той, которая обращена к поднесенному предмету, или на противоположной) образуется избыточное число электронов? Как при этом заряжается другая сторона гильзы? Почему та же самая гильза после соприкосновения с заряженным предметом тут же отталкивается от него?