Перенос электронов и сохранение заряда
Переноси электроны между первоначально нейтральными телами. Сравни их заряды и сумму.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Оба тела входят в электрически изолированную систему. Единица на рисунке — один элементарный заряд; атомная структура не воспроизводится.
Знак: два вида заряда
Электрический заряд характеризует участие частиц в электромагнитном взаимодействии. Заряды бывают положительными и отрицательными. Одноимённые неподвижные заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются. Единица заряда — кулон, обозначение Кл.
Нейтральное тело содержит заряженные частицы, но их положительные и отрицательные заряды компенсируются. Нейтральность не означает отсутствия электронов и протонов. Заряд электрона −e, протона +e, где e ≈ 1,602·10⁻¹⁹ Кл.
Положительный заряд тела
Недостаток электронов относительно нейтрального состояния
Отрицательный заряд тела
Избыток электронов в обычной электризации
Нейтральное тело имеет нулевой суммарный заряд, а не отсутствие заряженных частиц.
Перемещаются ли обычно протоны между твёрдыми телами при трении?
В обычном описании электризации переносится часть электронов; ядра остаются связанными со своими атомными структурами.
Дискретность: заряд меняется порциями
Заряд изолированного обычного тела кратен элементарному заряду: q = ne, где n — целое число со знаком. Если тело получило пять электронов, его заряд изменился на −5e. Если потеряло пять, изменение равно +5e.
Число перенесённых электронов находят по модулю: N = |Δq|/e. Например, заряд −3,204·10⁻¹⁹ Кл соответствует избытку двух электронов. Макроскопические заряды кажутся непрерывными из-за огромного числа таких порций.
Элементарный заряд
e ≈ 1,602·10⁻¹⁹ Кл
Заряд тела
q = ne
Число перенесённых электронов
N = |Δq|/e
Знак заряда и число перенесённых электронов нужно различать.
Почему N не может быть отрицательным?
N считает частицы. Направление переноса задают отдельно, а знак изменения заряда определяют зарядом электрона.
Исторический электроскоп
Электроскоп обнаруживает электризацию по механическому действию зарядов. Перераспределение электронов не нарушает сохранение суммарного заряда.
Rama · CC BY-SA 3.0 fr · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Генератор Ван де Граафа
Электростатический генератор разделяет и переносит заряды. Он не создаёт электрический заряд из ничего.
Jared C. Benedict · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Сохранение: считать всю замкнутую систему
Алгебраическая сумма зарядов электрически изолированной системы сохраняется. При трении двух первоначально нейтральных тел их заряды могут стать +q и −q. Возникновение заряда одного тела сопровождается соответствующим изменением другого.
Если тело соединено с Землёй, его собственный заряд может изменяться: Земля входит в расширенную систему как участник обмена. Нельзя проверять сохранение, забыв источник электронов, провод или окружающую среду.
Выделить систему
Какие тела участвуют?
Учесть перенос
Куда ушли и откуда пришли электроны?
Сложить со знаками
Σqдо = Σqпосле
Заряд сохраняется для всей изолированной системы, а не обязательно для каждого тела.
Нарушает ли заземление закон сохранения заряда?
Нет. Заряд переходит между телом и Землёй; суммарный баланс сохраняется.
Контакт: распределение не всегда поровну
После соединения проводников заряд перераспределяется до электростатического равновесия. Равное деление заряда справедливо для одинаковых изолированных проводящих шаров в симметричных условиях, когда влиянием окружения можно пренебречь.
Например, одинаковые шары с +6 нКл и −2 нКл после контакта получают по +2 нКл. Сумма +4 нКл сохраняется. В интерактиве перенос электронов показан отдельно от чисел заряда, чтобы знак не терялся.
Суммарный заряд
6 + (−2) = 4 нКл
Проверить одинаковость шаров
Только тогда делить поровну
Результат
По 2 нКл на каждом
Равное деление заряда требует симметрии проводников и условий.
Обязаны ли два разных проводника после контакта иметь одинаковые заряды?
Нет. В равновесии выравниваются потенциалы; заряды зависят от формы, размеров и окружения.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 10 класс», § 16. Тема и содержание сверены с файлом «10 класс. Физика — § 16. Электрический заряд. Закон сохранения.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.