Электрический заряд. Закон сохранения заряда
Введение
С электричеством вы сталкиваетесь постоянно. Вы видели молнию, вы освещаете комнату с помощью электрической лампочки, электрообогреватель выделяет тепло – все эти явления связаны с движением электрического заряда. С неподвижным электрическим зарядом вы тоже сталкивались, когда после расчесывания получали наэлектризованные волосы. Они разлетаются в разные стороны. Электрические заряды находятся без преувеличения везде, из них состоит любое вещество! На этом уроке мы выясним то, что нам известно про заряды.
Как известно, в природе встречаются заряды двух типов – положительные и отрицательные. Разноименные заряды притягиваются, одноименные – отталкиваются. Это взаимодействие происходит на любом расстоянии. Как же они тогда взаимодействуют? Для этого существует электрическое поле. Вокруг каждого заряда существует такое поле и если в него попадает еще один заряд, то он начинает «чувствовать» это поле: на него начинают действовать силы притяжения или отталкивания соответственно.
В природе есть много ненаблюдаемого. Например, мы не видим ветер, но видим, как он раскачивает ветви деревьев. Мы не видим температуру, но мы видим, как нагретые тела расширяются. По расширению, например, ртути в термометре, мы можем температуру измерять (см. рис. 1).
Рис. 1. Расширение ртути
Т. е. мы наблюдаем проявление чего-то и на основе этих наблюдений судим о том, чего непосредственно не наблюдаем. Заряд мы тоже изучаем по его проявлению. Мы не видим заряды, но наблюдаем их взаимодействие. Один заряд действует на другой на расстоянии через электрическое поле. Поле заряда – это пространство, где на другие заряды будет действовать сила.
Взаимодействие тел через поле нам уже знакомо. Тело, обладающее массой, создает вокруг себя поле – гравитационное, которое проявляется в действии на другое тело, обладающее массой. Их взаимодействие подчиняется закону всемирного тяготения (см. рис. 2).
Рис. 2. Взаимодействие массивных тел
Закон всемирного тяготения
Вокруг тела, обладающего массой, возникает гравитационное поле. Посредством этого поля массы взаимодействуют, притягиваются. Сила их притяжения пропорциональна величине каждой из масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (см. рис. 3):
– константа, гравитационная постоянная, равна 
.
Рис. 3. Закон всемирного тяготения
Квадрат расстояния встречается во многих физических формулах, так что это позволяет говорить о законе, связывающем величину эффекта с квадратом расстояния от источника воздействия:
Эта пропорциональность справедлива для гравитационного, электрического, магнитного действия, силы звука, света, радиации, распространяющихся от источника. Связано это, конечно, с тем, что площадь поверхности сферы распространения эффекта увеличивается пропорционально квадрату расстояния (см. рис. 4). Это будет выглядеть естественным, если вспомнить, что площадь сферы пропорциональна квадрату радиуса:
и тогда понятно, что сила действия от источника вдали от него должна распределяться по сфере всё большего радиуса.
Рис. 4. Площадь сферы распространения эффекта увеличивается с увеличением радиуса сферы
Итак, электрические заряды взаимодействуют через электрическое поле, которое они вокруг себя создают.
Электрический заряд
Электрический заряд – физическая величина, которая показывает способность тел участвовать в электромагнитных взаимодействиях.
Разные заряды будут взаимодействовать с разными силами. Измерить силы обычным способом – это легко разрешимая задача. По величине силы мы можем судить о величине заряда. Понятно, что чем больше заряды, тем сильнее они взаимодействуют. Но понятия больший или меньший заряд – нечеткие, а величину заряда нужно измерить точно.
Измерить заряд, используя уже известные единицы измерения, не получится. Мы не измерим заряд ни в метрах, ни, например, в килограммах. Это сущность, для которой нужна новая единица измерения. Единица измерения заряда – кулон.
Обозначается заряд чаще всего буквой 
.
Единицы измерения заряда
Заряд проявляется в воздействии на другой заряд. Измерять его можно по этому воздействию, то есть измерять силу, с которой этот заряд действует на другой заряд на некотором расстоянии. Тогда единицы измерения заряда можно выразить через килограмм, метр и секунду. Так раньше и поступали в системе СГС. В системе СИ заряд удобно измерять в Кл (кулонах).
Электризация
Процесс сообщения телу электрического заряда называется электризацией. Часто он происходит при трении тел друг о друга. Например, если потереть эбонитовую палочку о шерсть (см. рис. 5), то и она, и шерсть приобретут электрические заряды (эбонитовая палочка зарядится отрицательно, а шерсть – положительно).
Рис. 5. Заряжание эбонитовой палочки
Проверить это просто: если поднести два наэлектризованных кусочка шерсти друг к другу, то они будут отталкиваться, так как заряжены зарядом одинакового знака (см. рис. 6).
Рис. 6. Оба кусочка шерсти заряжены положительно
Из этого следует вывод, что заряды одного типа отталкиваются. Если расчесывать волосы, то расческа заряжается отрицательно, а волосы – положительно (см. рис. 7).
Рис. 7. Заряжание волос
Собственно, поэтому, после расчесывания, волосы разлетаются в разные стороны (каждый волос заряжен положительно и отталкивается от остальных (см. рис. 8)).
Рис. 8. Каждый волос заряжен положительно
Путем простых опытов мы обнаружили, что существует два типа зарядов, которые взаимодействуют следующим образом: однотипные заряды отталкиваются, разнотипные – притягиваются.
Как определить, какой именно заряд приобретает тело при трении
Мы проводим много опытов с расческами, тканями и палочками, чтобы они приобретали электрический заряд. Одна и та же шерсть заряжается отрицательно при трении о стекло и положительно при трении о полиэтилен. Как можно заранее знать, какой тип заряда приобретает материал? Есть ли какое-то правило? Можно заниматься практическим определением (такие опыты были проведены много раз), и были получены трибоэлектрические ряды некоторых материалов (см. рис. 9), в которых любой взятый материал при трении с материалом, расположенным ниже него в ряду, заряжается положительно, и наоборот. Разные экспериментаторы получали свои ряды, и на рисунке их можно увидеть.
Рис. 9. Трибоэлектрические ряды
Сейчас известно, что носителями двух типов заряда являются элементарные частицы: электрон и протон. Элементарные частицы неделимы, поэтому заряд одной частицы, равный 
, – это минимальный заряд, обозначается часто 
или 
. Эти частицы имеют массу: 
и 
для электрона и протона соответственно.
Элементарные частицы
Что же происходит с телами при электризации? Представьте себе два одинаковых металлических шара, но только один из них заряжен отрицательно, а другой не заряжен (см. рис. 10).
Рис. 10. Заряженный и незаряженный шары
Известно, что все тела состоят из атомов, а те, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов, электронов (см. рис. 11).
Рис. 11. Атом
Протоны заряжены положительно, электроны – отрицательно. Будем называть их элементарными зарядами, то есть неделимыми. Так вот, в большинстве случаев в атоме количество протонов равняется количеству электронов и получается, что они полностью компенсируют друг друга и в целом атом нейтрален. Важно понимать, что в атоме заряды никуда не исчезают, там по-прежнему есть положительные и отрицательные частицы, просто их действие на далекие предметы полностью компенсируется (см. рис. 12).
Рис. 12. Действие частиц компенсировано
А вот в шаре, заряженном отрицательно, электронов больше, чем протонов, поэтому в целом в теле количество отрицательных элементарных зарядов больше, чем количество положительных элементарных зарядов, и тело заряжено отрицательно (см. рис. 13).
Рис. 13. Количество электронов в заряженном шаре
Заряд макроскопического тела (состоящего из большого количества атомов) – это величина, показывающая разность между положительными и отрицательными зарядами в теле. Если это количество одинаково, то заряд нулевой. Величина элементарного заряда известна и равна 
. Соответственно, заряд протона договорились считать положительным 
, а заряд электрона – отрицательным 
.
Что же происходит при трении тел друг о друга, например пластика о шерсть? Электроны с внешних оболочек атомов, входящих в состав шерсти, «перепрыгивают» на пластмассу (см. рис. 14).
Рис. 14. Движение электронов при трении
Получается, что в шерсти становится меньше отрицательных электронов и она заряжается положительно, а пластмасса – отрицательно, так как в ней появляется избыточное количество электронов. Можно даже сказать: если при контакте заряд одного тела увеличивается, то у другого уменьшается.
Что касается искр между людьми, то это происходит, если хотя бы один человек «заряжен» (допустим, человек ходил по шерстяному ковру, при трении подошвами по нему), и если другой человек не заряжен также, то заряд будет перетекать с одного человека на другого, иногда это перетекание может быть даже по воздуху, в таком случае и появляется искра. Стоит отметить, что искра появляется только благодаря движению электронов, протоны находятся в ядрах атомов, они менее подвижны и не могут покидать атомов отличие от электронов.
Зарядить тело можно и без контакта – через влияние электрическим полем. Представьте себе незаряженный шар, к которому подносят положительно заряженную палочку – разноименные заряды притягиваются, поэтому электроны, которые были в шаре, притянутся к положительно заряженной палочке и скопятся в той части шара, которая ближе к ней (см. рис. 15).
Рис. 15. Влияние положительно заряженной палочки на электроны
Почему незаряженные частицы фольги притягиваются к заряженной расческе?
Оказывается, незаряженный кусочек фольги будет притягиваться к заряженной расческе. Как же так? В целом кусочек фольги электрически нейтрален. Давайте посмотрим, что произойдет, если мы поднесем отрицательно заряженную расческу к кусочку фольги – отрицательно заряженная расческа притягивает к себе положительный заряд и отталкивает отрицательный. Поэтому электроны отодвинутся дальше от границы, а сторона, которая находится ближе к расческе, будет заряжена положительно (см. рис. 16) и притяжение будет сильнее, чем отталкивание, потому что положительная часть фольги находится ближе к расческе.
Рис. 16. Расположение электронов в фольге при поднесении расчески
Закон сохранения электрического заряда
Так как основным принципом физики является принцип, по которому «ничто не исчезает бесследно», то выполняется закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов неизменна. Электрически замкнутая система – это модель. Это такая система, которую не покидают и не пополняют электрические заряды.
Задача
Пылинка, имеющая положительный заряд 
, потеряла электрон. Каким стал заряд пылинки?
В задаче описано тело, теряющее заряд. По закону сохранения заряд не исчезает бесследно, в электрически замкнутой системе суммарный заряд не изменяется. Выберем, какую систему считать электрически замкнутой. Пылинку покидает электрон, поэтому саму пылинку считать электрически замкнутой нельзя. Замкнутой можно считать систему, в которую входит пылинка и электрон (см. рис. 17).
Рис. 17. Замкнутая система
По закону сохранения заряда заряд системы до потери пылинкой электрона равен заряду после потери. Запишем это: заряд пылинки был . После взаимодействия заряд системы состоит из нового заряда пылинки и заряда электрона и равен заряду системы до потери:
где 
– новый заряд пылинки. Заряд пылинки стал равен 
.
Рис. 18. Заряд системы до и после потери электрона
Ответ: заряд пылинки стал равен .