Что такое отрицательный и положительный заряд. Положительные и отрицательные заряды

Зарядим при помощи стеклянной палочки, потертой о шелк, легкую гильзу, подвешенную на шелковой нити, и поднесем к ней кусок сургуча, заряженного трением о шерсть. Гильза будет притягиваться к сургучу (рис. 7). Однако мы видели (§1), что эта же подвешенная гильза отталкивается от зарядившего ее стекла. Это показывает, что заряды, возникающие на стекле и сургуче, различаются по качеству.

Рис. 7. Бумажная гильза, заряженная от стекла, притягивается к наэлектризованному сургучу

Следующий опыт показывает это еще нагляднее. Зарядим два одинаковых электроскопа при помощи стеклянной палочки и соединим их стержни металлической проволокой, держа последнюю за изолирующую ручку. Если электроскопы вполне одинаковы, то после соединения отклонения их листков делаются равными, указывая этим на то, что полный заряд распределяется поровну между обоими электроскопами. Зарядим теперь один из электроскопов при помощи стекла, а другой – при помощи сургуча, и притом так, чтобы отклонения их листков стали одинаковы, и опять соединим их (рис. 8). Оба электроскопа окажутся незаряженными, а значит, заряды стекла и заряды сургуча, взятые в равных количествах, нейтрализуют, или компенсируют, друг друга.

Рис. 8. Два одинаковых электроскопа, заряженные разноименными зарядами и соединенные проводником, разряжаются; равные разноименные заряды при соединении не дают никакого заряда

Если бы в этих опытах мы использовали другие заряженные тела, то нашли бы, что часть из них действует как заряженное стекло, т. е. они отталкиваются от зарядов стекла и притягиваются к зарядам сургуча, а часть – как заряженный сургуч, т. е. они притягиваются к зарядам стекла и отталкиваются от зарядов сургуча. Несмотря на обилие различных веществ в природе, существует только два разных рода электрических зарядов.

Мы видим, что заряды стекла и сургуча могут компенсировать друг друга. Но величинам, которые при сложении уменьшают друг друга, принято приписывать разные знаки.

Поэтому условились приписывать и электрическим зарядам знаки, разделяя заряды на положительные и отрицательные (рис. 8).

Положительно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные тела так же, как стекло, наэлектризованное трением о шелк. Отрицательно заряженными называют тела, которые действуют так же, как сургуч, наэлектризованный трением о шерсть. Из опытов, описанных выше, следует, что одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются).

4.1. К электроскопу, заряженному при помощи сургучной палочки, прикасаются заряженным стеклом. Как изменится отклонение листков?

4.2. При натирании о шелк латунного стержня, зажатого в руке, последний не электризуется. Если, однако, произвести этот опыт, изолировав стержень от руки, например обернув его в резину, на нем возникнут заряды. Объясните различие результатов в этих двух опытах.

4.3. Каким образом, имея под руками горелку, можно удалить электрические заряды с диэлектрика, например с наэлектризованной стеклянной палочки?

4.4. Станьте на деревянную доску, положенную на четыре изолирующие подставки, например на крепкие стеклянные стаканы, возьмите в руку кусок меха и начните бить мехом по деревянному столу. Ваш товарищ может извлечь из вашего тела искру, поднеся к нему руку. Объясните, что при этом происходит.

4.5. Как доказать на опыте, что шелк при трении о стекло электризуется и притом отрицательно?

Комментариев: 0

Как правило, атом имеет одинаковое число протонов и электронов. Когда это так, атом электрически нейтрален, поскольку положительно заряженные протоны точно уравновешены отрицательно заряженными электронами. Однако в некоторых случаях атом утрачивает электрическое равновесие за счет потери или захвата электрона. При потере или захвате электрона атом более не является нейтральным. Он либо положительно, либо отрицательно заряжен - в зависимости от потери или захвата электрона. Таким образом, в атоме существует заряд, когда количество его протонов и электронов не совпадают.

В определенных условиях некоторые атомы могут терять небольшое число электронов на короткий период времени. Электроны атомов некоторых веществ, в особенности металлов, могут легко выбиваться со своих внешних орбит. Такие электроны называют свободными электронами, а содержащие их материалы - проводниками. Когда электроны покидают атом, последний приобретает положительный заряд, поскольку отрицательно заряженный электрон удаляется, нарушая электрический баланс в атоме.

Столь же просто атом может захватить и дополнительные электроны. В этом случае он приобретает отрицательный заряд.

Заряд, таким образом, создается при наличии избытка электронов или протонов в атоме. Когда один атом заряжен, а в другом содержится заряд противоположного знака, электроны могут перетекать с одного атома на другой. Этот электронный поток называется электрическим током.

Атом, потерявший или захвативший электрон, считается неустойчивым. Избыток электронов создает в нем отрицательный заряд. Недостаток электронов - положительный заряд. Электрические заряды взаимодействуют друг с другом различными способами. Две отрицательно заряженных частицы отталкивают друг друга, положительно заряженные частицы также отталкивают друг друга. Два заряда противоположных знаков взаимно притягиваются. Закон электрических зарядов гласит: заряды с одинаковыми знаками отталкиваются, а с противоположными притягиваются. 1.2 служит иллюстрацией к закону электрических зарядов.

Все атомы стремятся оставаться нейтральными, поскольку электроны на внешних орбитах отталкивают остальные электроны. Тем не менее многие материалы могут приобретать положительный или отрицательный заряд за счет механических воздействий, как, например, трение. Всем известное потрескивание при движении эбонитового гребешка через волосы в сухой зимний день служит примером генерации электрического заряда посредством трения.

Все тела окружающего нас мира состоят из двух видов стабильных частиц - протонов, заряженных положительно, и электронов, имеющих такой же заряд е отрицательного знака. Число электронов равно числу протонов. Поэтому Вселенная электрически нейтральна.

Так как электрон и протон никогда (во всяком случае, за последние 14 миллиардов лет ) не распадаются, то Вселенная не может нарушить своей нейтральности какими-либо воздействиями со стороны человека. Все тела обычно также электрически нейтральны, т. е. содержат одинаковое число электронов и протонов.

Для того чтобы тело сделать заряженным, из него нужно уда-лить, перенеся на другое тело, или добавить к нему, взяв из другого тела, некоторое число N электронов или протонов. Заряд тела станет равным Ne. При этом необходимо помнить (о чем обычно забывают ), что такой же заряд обратного знака (Ne) неизбежно образуется на другом теле (или телах). Натирая шерстью эбонитовую палочку, мы заряжаем не только эбонит, но и шерсть, перенося с одного на другое часть электронов.

Утверждение о притяжении двух тел с одинаковыми разноименными зарядами по принципам верификации и фальсификации научно, так как может быть в принципе подтверждено или опровергнуто эксперимен-тально. Здесь опыт может быть поставлен чисто, без вовлечения третьих тел, простым перенесением части электронов или протонов с одного опытного тела на другое.

Совсем иная картина с утверждением об отталкивании одноименных зарядов. Дело в том, что только два , например положительных, заряда q1, q2 для проведения эксперимента не могут быть созданы , так как при попытке их создания всегда неизбежно появляется третий , отрицательный заряд q3 = -(qi + q2). Поэтому в опыте будут обязательно участвовать не два, а три заряда . Провести эксперимент с двумя одноименными зарядами в принципе невозможно.

Поэтому утверждение Кулона об отталкивании одноименных зарядов по упомянутым принципам ненаучно.

По той же причине невозможен и опыт с двумя зарядами разных знаков q1, - q2, если эти заряды не равны друг другу. Здесь также неизбежно появляется третий заряд q3 = q1 - q2, который участвует во взаимодействии и оказывает влияние на результирующую силу .

Наличие третьего заряда забывается и не учитывается слепыми сторонниками Кулона. Два тела с одинаковыми зарядами разных знаков могут быть созданы разрывом атомов на две заряженные части и переносом этих частей с одного тела на другое. При таком разрыве необходимо совершить работу и затратить энергию. Естественно, что заряженные части будут стремиться вернуться в исходное состояние с меньшей энергией и соединиться, т. е. должны притягиваться друг к другу.

С точки зрения близкодействия любое взаимодействие предполагает наличие обмена между взаимодействующими телами чем-то материальным, а мгновенное действие на расстоянии и телекинез невозможны. Электростатические взаимодействия между зарядами осуществляются постоянным электрическим полем. Мы не знаем что это такое, но можем с уверенностью утверждать, что поле материально, так как оно обладает энергией, массой, импульсом и конечной скоростью распространения.

Принятые для изображения электрического поля силовые линии выходят из одного заряда (положительного) и не могут обрываться в пустоте, а всегда входят в другой (отрицательный) заряд. Они как щупальцы тянутся от одного заряда к другому, соединяя их. Для уменьшения энергии системы зарядов объем, занимаемый полем, стремится к минимуму. Поэтому протянутые «щупальцы» электрического поля всегда стремятся к сокращению подобно упругим, натянутым при зарядке резинкам. Вот за счет этого сокращения и осуществляется притяжение разноименных зарядов. Силу притяжения можно измерить экспериментально. Она и дает закон Кулона.

Совсем другое дело в случае одноименных зарядов. Суммарное электрическое поле двух зарядов выходит из каждого из них и уходит в бесконечность, а контакта полей одного и другого зарядов не достигается. Упругие «щупальцы” одного заряда не достигают другого. Поэтому нет и прямого материального воздействия одного заряда на другой, им нечем взаимодействовать. Поскольку телекинез мы не признаем, то, следовательно, не может быть никакого отталкивания.

А как же тогда объяснить расхождение лепестков элероскопа и наблюдаемое в опытах Кулона отталкивание зарядов? Вспомним, что когда мы создаем для нашего опыта два положительных заряда, то в окружающем пространстве неизбежно образуем и отрицательный заряд.

Вот притяжение к нему ошибочно и принимается за отталкивание .

Темы кодификатора ЕГЭ : электризация тел, взаимодействие зарядов, два вида заряда, закон сохранения электрического заряда.

Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.

Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение - гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.

1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные тела (имеющие электрический заряд ).

2. Гравитационное взаимодействие - это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.

3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.

Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда . Электрический заряд - это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы . Единицей измерения заряда является кулон (Кл).

Два вида заряда

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия - притяжение и отталкивание - удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные .

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды разных знаков друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1 ; подвешенным на нитях шарикам сообщены заряды того или иного знака.

Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации ) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен Кл. Величина

называется элементарным зарядом . Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:

Если , то тело имеет избыточное количество электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же , то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на больше.

Электризация тел

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация - это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.

Один из способов электризовать тело - сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк - отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть - положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением . С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову;-)

Другой тип электризации называется электростатической индукцией , или электризацией через влияние . В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других - отрицательные.

Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис. 2 . На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд . Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая - положительно.

Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3 (изображение с сайта en.wikipedia.org).

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.

Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней - положительный.

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд - хорошо известная вам молния.

Закон сохранения заряда

Вернёмся к примеру электризации трением - натирании палочки тканью. В этом случае палочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после взаимодействия.

Мы видим здесь закон сохранения заряда , который гласит: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими телами :

Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.

При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряженных частиц ушло с палочки - столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элементарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно сохраняется!

Например, на рис. 5 показан процесс , при котором порция электромагнитного излучения (так называемый фотон ) превращается в две заряженные частицы - электрон и позитрон . Такой процесс оказывается возможным при некоторых условиях - например, в электрическом поле атомного ядра.

Рис. 5. Рождение пары электрон–позитрон

Заряд позитрона равен по модулю заряду электрона и противоположен ему по знаку. Закон сохранения заряда выполнен! Действительно, в начале процесса у нас был фотон, заряд которого равен нулю, а в конце мы получили две частицы с нулевым суммарным зарядом.

Закон сохранения заряда (наряду с существованием наименьшего элементарного заряда) является на сегодняшний день первичным научным фактом. Объяснить, почему природа ведёт себя именно так, а не иначе, физикам пока не удаётся. Мы можем лишь констатировать, что эти факты подтверждаются многочисленными физическими экспериментами.