Изучение электрических явлений часто начинается с простого опыта: натирания эбонитовой палочки о шерсть или стеклянной палочки о шелк. И один из первых вопросов, который возникает при изучении этой темы — заряжается ли при трении только одно тело или оба? Ответ однозначен: да, при трении электризуются оба тела. Давайте разберемся подробно, почему это происходит и как работает этот закон физики.
Что такое электризация?
Электризация — это процесс приобретения телом электрического заряда. В нормальном состоянии большинство тел нейтральны: в них количество положительно заряженных протонов равно количеству отрицательно заряженных электронов. Тело, которое после трения о другое тело способно притягивать к себе другие тела, называется наэлектризованным. Но что именно происходит на уровне атомов?
Почему при трении заряжаются оба тела?
Механизм этого явления тесно связан со строением атомов. Дело в том, что разные вещества по-разному удерживают свои электроны. Одни материалы притягивают к себе электроны сильнее, другие — слабее.
При трении двух тел друг о друга происходит следующее:
- Увеличивается площадь контакта: трение не является главной причиной перехода электронов, оно лишь увеличивает область плотного соприкосновения поверхностей. Даже простое соприкосновение двух разнородных тел вызывает в обоих телах электрическое состояние, но трение делает этот процесс более интенсивным.
- Переход электронов: при плотном соприкосновении часть электронов с одного тела переходит на другое. Тело, которое сильнее притягивает к себе электроны, перетягивает их на себя.
- Формирование зарядов: на теле, которое приобрело избыточное количество электронов, образуется отрицательный заряд. А второе тело, потерявшее часть своих электронов, заряжается положительно, так как в нем теперь протонов стало больше, чем электронов.
Таким образом, оба трущихся тела неизбежно заряжаются, причем заряды у них всегда разные по знаку. Исторически сложилось, что заряд, образованный при трении стекла о шелк, назвали стеклянным (положительным), а при трении смолы о шерсть — смоляным (отрицательным).
Пример из учебника физики (8 класс)
Как поясняется в решебниках по физике за 8 и 10 классы (Перышкин, Касьянов), при соприкосновении тело, которое сильнее притягивает к себе электроны, зарядится отрицательно, т.к. перетянет к себе часть электронов со второго тела. А второе тело зарядится положительно, т.к. потеряет часть электронов. Оба тела после этого способны притягивать к себе легкую бумажную гильзу, что является прямым доказательством наличия заряда у каждого из них.
Закон сохранения электрического заряда
Тот факт, что электризуются оба тела, неразрывно связан с одним из фундаментальных законов физики — законом сохранения электрического заряда.
До начала электризации суммарный заряд двух тел равнялся нулю (оба тела были электронейтральными). По закону сохранения электрического заряда, и после электризации суммарный заряд должен равняться нулю. Это возможно только в том случае, если модули противоположных по знаку зарядов, возникших на телах, абсолютно равны.
Представим это математически:
0 = (+q) + (-q)
Если бы при трении заряжалось только одно тело, то суммарный заряд системы изменился бы, что прямо нарушает закон сохранения заряда. Этого никогда не происходит в замкнутой системе.
Как распределяется заряд?
Интересно, что электризация тел может приводить к так называемому мозаичному распределению зарядов на их поверхности. Однако, если тела являются проводниками, приобретенный ими заряд распределяется равномерно по всей их поверхности.
На вопрос «При трении электризуются оба тела — да или нет?» можно с уверенностью ответить: ДА.
Ключевые выводы:
- При трении (или простом плотном соприкосновении) двух разнородных тел часть электронов переходит с одного тела на другое.
- Тело, получившее избыток электронов, заряжается отрицательно, а тело с недостатком электронов — положительно.
- Заряжаются обязательно оба тела, и модули их зарядов равны, что является следствием закона сохранения электрического заряда.
Это базовое, но невероятно важное правило лежит в основе всего учения об электричестве и объясняет множество явлений, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, от искры при снимании шерстяного свитера до работы мощных промышленных генераторов.