Электризация, проводники и диэлектрики

Натёртый шарик притягивает бумагу, которую никто не натирал. Значит ли это, что у бумаги обязательно появился противоположный заряд? Начнём с того, что может меняться внутри вещества.

Подвесим два маленьких заряженных тела и сравним их действие: одни сочетания отталкиваются, другие притягиваются. Для описания ввели два знака электрического заряда — положительный и отрицательный. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются. Сам заряд обозначают q и измеряют в кулонах, Кл. Он характеризует электрическое взаимодействие, но не равен силе: сила зависит также от расстояния и окружающей среды.

Трение не добавляет веществу новый вид материи. В нём уже есть положительно и отрицательно заряженные частицы. При контакте и разделении материалов часть электронов может перейти между телами; трение помогает многим участкам соприкасаться. Электрон несёт отрицательный заряд. Поэтому первоначально нейтральное тело, получившее лишние электроны, становится отрицательно заряженным. Такой перенос или перераспределение зарядов называют электризацией.

У второго тела электронов становится меньше, а положительная часть вещества остаётся. Поэтому потерявшее электроны нейтральное тело получает положительный заряд. Проследи сразу за парой изолированных тел: сколько отрицательного заряда добавилось одному, столько ушло от другого. Если оба были нейтральны, итоговые заряды равны по модулю и противоположны, а сумма равна нулю. Обмен с рукой или воздухом нарушит именно это условие изоляции пары.

Почему металлический стержень принимает заряд на удалённом от места касания конце, а пластмассовый ведёт себя иначе? В металле имеются подвижные электроны, способные перемещаться по всему телу. Такой материал — проводник: при соединении частей заряд быстро перераспределяется. Рука тоже может дать путь для его ухода. Изолирующая ручка затрудняет этот обмен и позволяет исследовать заряд стержня, а не сразу передавать его окружению.

В диэлектрике при обычных условиях почти нет носителей, способных свободно пройти через всё тело. Однако это не отсутствие заряженных частиц. Под действием соседнего заряда положительные и отрицательные части могут немного сместиться относительно друг друга. Такое разделение называют поляризацией. Сумма зарядов может оставаться нулевой, хотя их расположение изменилось. Значит, «нейтральный» не означает «не способный электрически взаимодействовать».

Рядом с заряженным шариком бумага поляризуется: сторона с противоположным зарядом оказывается чуть ближе, одноимённая — чуть дальше. Электрическое действие ослабевает с расстоянием, поэтому ближнее притяжение может перевесить дальнее отталкивание. Получается притяжение без изменения общего заряда бумаги. Если в воображении сделать действие поля совершенно одинаковым на обе стороны, этот перевес исчезнет: важно именно различие действия по месту.

У электроскопа металлические листочки соединены с верхним стержнем. При передаче заряда он распределяется, и одинаково заряженные листочки расходятся из-за отталкивания. Но по расхождению нельзя узнать знак без сравнения с известным зарядом. Более того, близкое заряженное тело может перераспределить заряды без касания: листочки разойдутся, хотя электроскоп в целом останется нейтральным. Прибор показывает электрическое действие на листочки, а вывод требует знать условия.

К заряженной сфере прикоснулись нейтральным металлическим стержнем с изолирующей ручкой. Почему заряд оказался и на стержне?

При касании сфера и металлический стержень образуют общий проводник. Подвижные электроны могут перейти через место контакта.

Перераспределение продолжается до электрического равновесия. Изолирующая ручка затрудняет уход заряда через руку, поэтому заряд остаётся у этой системы.

Отдельные заряды не обязаны стать равными: равновесное распределение зависит от формы и размеров проводников. Сам контакт не означает деления заряда пополам.

Заряд перераспределяется по обоим проводникам благодаря подвижным электронам; часть оказывается на стержне.

При электризации изменяется перенос или расположение уже имеющихся зарядов.

В проводнике носители могут перемещаться по телу, в диэлектрике возможны небольшие взаимные смещения связанных зарядов.

Притяжение нейтральной бумаги объясняется поляризацией и неодинаковой силой на её ближнюю и дальнюю стороны.

Чтобы объяснить знак заряда точнее, рассмотрим ядро, электроны и образование ионов.