Электризация тел. Электрический заряд. Закон сохранения заряда — тренажёр для 8 класса

Определение

Электрический заряд — это физическая величина, характеризующая способность тела или частицы участвовать в электромагнитном взаимодействии. Обозначается буквой *q*, измеряется в кулонах (Кл), может принимать положительные и отрицательные значения.

Электризация — процесс сообщения телу электрического заряда, то есть нарушения равенства числа протонов и электронов в теле. Незаряженное (нейтральное) тело содержит одинаковое количество положительных и отрицательных элементарных зарядов, и их действия взаимно компенсируются.

Носителями заряда служат частицы атома: электрон несёт наименьший отрицательный заряд, протон — такой же по модулю положительный. Значение этого элементарного заряда *e* = 1,6·10⁻¹⁹ Кл. Электрон подвижен и способен переходить с тела на тело, протон закреплён в ядре — поэтому при электризации перемещаются именно электроны.

Тема открывает раздел «Электрические явления»: без понятия заряда невозможно объяснить электрический ток, напряжение и работу любой цепи.

Ключевые правила

Электрический заряд подчиняется пяти правилам, которые проверяются в каждой задаче раздела.

1. Существует два рода зарядов — положительный и отрицательный. Стекло, потёртое о шёлк, заряжается положительно; эбонит, потёртый о шерсть, — отрицательно.
2. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются. Два наэлектризованных о волосы воздушных шарика расходятся в стороны — заряды у них одного знака.
3. Закон сохранения электрического заряда: в замкнутой (электрически изолированной) системе алгебраическая сумма зарядов остаётся постоянной: *q*₁ + *q*₂ + … + *qₙ* = const. Заряд не создаётся и не исчезает — он только перераспределяется.
4. Заряд дискретен: *q* = *N*·*e*, где *N* — целое число. Заряд 0,5*e* невозможен.
5. Сила взаимодействия (закон Кулона, качественно) растёт при увеличении зарядов и быстро убывает при увеличении расстояния: при удалении шариков вдвое сила уменьшается вчетверо.

Разбор примеров

Пример 1. Эбонитовая палочка и шерсть. После трения палочка притягивает мелкие бумажки. Шерсть слабее удерживает свои внешние электроны, часть из них переходит на эбонит. Вывод: эбонит получил избыток электронов (заряд «минус»), шерсть — недостаток (заряд «плюс»), суммарный заряд пары остался нулевым.

Пример 2. Стекло и шёлк. Стеклянная палочка после трения о шёлк отталкивает наэлектризованное стекло, но притягивает эбонит. Электроны ушли со стекла на шёлк, стекло заряжено положительно. Вывод: знак заряда определяется направлением перехода электронов, а не самим фактом трения.

Пример 3. Электризация через влияние (индукция). К незаряженному металлическому цилиндру на изолирующей подставке подносят отрицательную палочку, не касаясь его. Свободные электроны металла отталкиваются к дальнему концу, ближний конец приобретает положительный заряд. Вывод: тело в целом остаётся нейтральным, произошло лишь перераспределение зарядов внутри проводника.

Пример 4. Соприкосновение одинаковых шариков. Шарики с зарядами *q*₁ = +6 нКл и *q*₂ = −2 нКл привели в контакт и развели. Общий заряд: 6 + (−2) = +4 нКл; он делится поровну: каждому по +2 нКл. Вывод: закон сохранения задаёт сумму, симметрия тел — способ деления.

Пример 5. Подсчёт электронов. Тело получило заряд *q* = −3,2·10⁻⁹ Кл. Число избыточных электронов: *N* = |*q*|/*e* = 3,2·10⁻⁹ / 1,6·10⁻¹⁹ = 2·10¹⁰. Вывод: любой заряд кратен элементарному.

Таблица

Типичные ошибки

Ошибка «заряд рождается при трении». Возникает из-за бытового представления о трении как об источнике «электричества». Неправильно: «трение создало заряд у эбонита». Правильно: «электроны перешли с шерсти на эбонит, суммарный заряд системы не изменился».

Ошибка «протоны переходят с тела на тело». Причина — забвение строения атома. Протоны связаны в ядре ядерными силами и при трении не перемещаются. Правильно: положительный заряд тела означает недостаток электронов.

Ошибка «сумма зарядов складывается по модулю». Ученик пишет: 6 нКл + (−2) нКл = 8 нКл. Заряд — алгебраическая величина, знаки обязательны: 6 + (−2) = +4 нКл.

Ошибка «притягивается — значит заряжено противоположно». Наэлектризованная палочка притягивает и нейтральные бумажки — за счёт индукции. Отталкивание — единственный надёжный признак наличия одноимённого заряда.

Ошибка «заряд может быть любым». Ответ вида *N* = 2,5 электрона недопустим: число элементарных зарядов целое, требуется перепроверка вычислений.

Пошаговый алгоритм

1. Определите систему тел и убедитесь, что она изолирована (заряд не уходит на землю или руки).
2. Запишите начальные заряды с их знаками: *q*₁, *q*₂, … .
3. Найдите алгебраическую сумму: *Q* = *q*₁ + *q*₂.
4. Установите характер процесса: трение (обмен электронами), контакт (выравнивание), индукция (смещение внутри тела).
5. При контакте одинаковых шаров разделите сумму поровну: *q*′ = *Q*/2.
6. При необходимости переведите заряд в число электронов: *N* = |*q*|/*e*, *e* = 1,6·10⁻¹⁹ Кл.
7. Определите характер взаимодействия по знакам: совпали — отталкивание, различны — притяжение.
8. Проверьте результат: сумма конечных зарядов равна начальной, *N* — целое, единицы приведены к кулонам (1 нКл = 10⁻⁹ Кл).

Как запомнить

• «Электрон — Электризация»: движется только электрон, протон остаётся в ядре.
• «Свои гонят, чужих зовут»: одноимённые — отталкивание, разноимённые — притяжение.
• «Стекло — шёлк: стекло плюс» (в алфавите «ст» раньше «ш» — стекло отдаёт).
• Закон сохранения одной строкой: Σ*q* до = Σ*q* после.
• Формула-опора: *q* = *N*·*e*, где *e* = 1,6·10⁻¹⁹ Кл.