Строение атома и сохранение заряда

Как тело может быть нейтральным, если состоит из заряженных частиц? Посчитаем положительный и отрицательный заряд отдельно — и посмотрим, что меняет потеря одного электрона.

У атома есть положительно заряженное ядро и отрицательные электроны вокруг него. Положительный заряд ядра несут протоны; нейтроны электрически нейтральны. Заряды одного протона и одного электрона равны по модулю, поэтому при равном числе протонов и электронов сумма равна нулю. Это нейтральный атом. Нейтральность означает компенсацию, а не отсутствие зарядов. Рисунок ядра и оболочки показывает состав, но не изображает атом в настоящем масштабе.

Пусть нейтральный атом потерял электрон. Ядро не изменилось, но отрицательного заряда стало меньше, чем положительного. Остаток имеет положительный заряд и называется положительным ионом. При присоединении лишнего электрона получается отрицательный ион. Проверь знак без заучивания: удаление отрицательного увеличивает сумму, добавление отрицательного уменьшает её. В обычной электризации меняются электроны, а не состав атомного ядра.

Можно ли переносить заряд сколь угодно малыми порциями? В обычных опытах переносится целое число электронов или ионов. Модуль заряда электрона и протона называют элементарным зарядом e ≈ 1,6·10⁻¹⁹ Кл. Электрон имеет заряд −e, протон +e. Значение очень мало, поэтому заряд заметного тела складывается из огромного числа порций. Буква e обозначает положительный модуль, а знак частицы записывают отдельно.

Если между телами перешло n электронов, модуль перенесённого заряда равен ne. Вдвое больше электронов — вдвое больший перенос; при n = 0 переноса нет. Но n может быть только целым числом: половины электрона в таком процессе не возникает. Когда заряд большого тела делят между двумя телами, разделяют множество носителей. Получить произвольную долю заряда отдельного электрона этим способом нельзя.

Проследим за двумя телами как за одной системой. Электрон ушёл с первого и пришёл на второе: изменение суммарного заряда первого противоположно изменению второго. Поэтому в системе без обмена зарядом с окружением алгебраическая сумма зарядов сохраняется. Алгебраическая — значит со знаками: +q и −q дают ноль, хотя каждый заряд ненулевой. Контакт может менять распределение, но не создаёт суммарный заряд из ничего.

Заряженный металлический предмет коснулся Земли и почти разрядился. Закон нарушен? Нет: мы считали только предмет, а носители могли уйти в Землю или прийти из неё. Для одного тела сумма уже не обязана быть постоянной, потому что оно обменивается зарядом. Включим в систему всех участников обмена — и сохранение восстановится. Поэтому перед сложением зарядов спроси, через какую границу могли пройти носители.

Изолированные тела имеют +5 нКл и −2 нКл. Каков общий заряд после контакта?

Исходный суммарный заряд считаем алгебраически: +5 + (−2) = +3 нКл. Отрицательный заряд компенсирует часть положительного.

Тела изолированы от окружения, поэтому контакт может лишь перераспределить эти +3 нКл, но не изменить сумму.

Найти заряд каждого после контакта по одной сумме нельзя: требуются сведения о форме, размерах и расположении тел.

Суммарный заряд +3 нКл. После контакта у всей изолированной пары сохраняется тот же положительный избыток.

Нейтральное вещество содержит заряды, которые компенсируются в сумме.

Потеря электрона делает нейтральный атом положительным ионом; присоединение — отрицательным.

Сохраняется сумма со знаками в системе, через границу которой не переносят заряд.

Зная заряд, рассчитаем силу взаимодействия и введём характеристику электрического поля.