§ 32. Объяснение электрических явлений. Закон сохранения электрического заряда

МАСШТАБЫ МИКРОМИРА: СООТНОШЕНИЕ РАЗМЕРОВ АТОМА И ЯДРА

Для наглядного понимания строения материи важно сопоставить размеры атома и его центрального ядра. Если мысленно увеличить атомное ядро водорода до размеров крошечного макового зёрнышка (диаметром около 1 мм), то сам атом с его внешней электронной оболочкой увеличился бы до гигантских размеров целого футбольного стадиона — около 100 метров в поперечнике!

Это наглядно демонстрирует, что атом практически пуст. Однако в этой микроскопической центральной точке сосредоточена колоссальная масса: если бы ядра атомов прижались вплотную друг к другу без межатомных пустот, вещество объёмом всего в одно маковое зёрнышко весило бы около миллиона тонн! Именно такая невероятная плотность материи существует в космосе внутри сверхплотных нейтронных звёзд.

МЕХАНИЗМ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ: ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ

Электроны не покидают атом самопроизвольно, так как удерживаются силами кулоновского притяжения к положительному ядру. Однако ядра атомов различных химических элементов содержат разное количество протонов, поэтому и сила удержания внешних (валентных) электронов у разных веществ неодинакова:

• При плотном соприкосновении двух разнородных твёрдых тел внешние электроны атомов одного вещества испытывают более сильное притяжение к ядрам соседнего тела, чем к своим собственным.
• В результате электроны отрываются от своих атомов и переходят с поверхности одного тела на другое.
• Тело, потерявшее часть электронов, испытывает их недостаток и приобретает положительный заряд ($q > 0$).
• Тело, приобретшее лишние электроны, оказывается с их избытком и заряжается отрицательно ($q < 0$).

Таким образом, явление электризации сводится не к созданию новых зарядов, а к пространственному перераспределению уже существовавших электронов между телами. Механическое трение выполняет лишь вспомогательную роль — увеличивает реальную площадь микроскопического контакта соприкасающихся поверхностей.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА

Если рассматривать взаимодействующие тела (например, эбонитовую палочку и кусок шерсти) как замкнутую систему, не отдающую и не принимающую заряды извне, то сколько электронов ушло с шерсти, ровно столько же осело на эбоните:

• Электрически изолированная (замкнутая) система — это совокупность тел, не обменивающихся электрическими зарядами с окружающими внешними телами.

Для таких систем действует один из фундаментальнейших законов Вселенной:

• Закон сохранения электрического заряда: В электрически изолированной системе тел при любых происходящих взаимодействиях алгебраическая (с учётом знаков) сумма электрических зарядов остаётся строго постоянной:

Заряды не возникают из ничего и не исчезают бесследно. Если где-то возникает положительный заряд $+q$, то в той же изолированной системе обязательно одновременно возникает равный по величине отрицательный заряд $-q$.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ НА АТОМНОМ УРОВНЕ

Электронная теория легко объясняет резкое различие между проводниками и диэлектриками:

1. Проводники (металлы): В атомах металлов внешние валентные электроны очень слабо связаны со своими ядрами. При объединении атомов в кристаллическую решётку эти внешние электроны полностью отрываются от своих атомов, обобществляются и образуют так называемый электронный газ из свободных электронов. Миллиарды свободных электронов могут беспрепятственно перемещаться по всему объёму металлического проводника в любом направлении, обеспечивая отличную электропроводность.
2. Диэлектрики (изоляторы): В стекле, эбоните, фарфоре, пластмассе и резине все электроны прочно удерживаются собственными ядрами внутри своих атомов или молекул. В диэлектриках практически отсутствуют свободные заряженные частицы, способные хаотично перемещаться по телу, поэтому перенос электрического заряда сквозь них невозможен.

ПРИТЯЖЕНИЕ НЕЗАРЯЖЕННЫХ ТЕЛ: ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ИНДУКЦИЯ И ПОЛЯРИЗАЦИЯ

Почему наэлектризованная палочка притягивает нейтральные, незаряженные тела — металлическую гильзу или кусочки бумаги?

1. Притяжение незаряженного проводника (металлической гильзы):

Под действием электрического поля поднесённой положительной палочки свободные электроны гильзы притягиваются к ней и смещаются на ближайшую к палочке сторону. На ближней стороне возникает избыток электронов (отрицательный заряд), а на дальней стороне — недостаток электронов (положительный заряд).

• Суммарный заряд гильзы по-прежнему равен нулю.
• Однако отрицательный заряд расположен ближе к палочке, чем положительный.
• Согласно закону Кулона ($F \sim 1/r^2$), сила притяжения ближней стороны оказывается существенно больше силы отталкивания дальней стороны, и гильза устремляется к палочке!
• Это явление разделения зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией (электризацией через влияние).

2. Притяжение незаряженного диэлектрика (бумаги):

В бумаге нет свободных электронов, но под действием поля заряженной палочки происходит поляризация нейтральных молекул: электронные облака каждого атома слегка вытягиваются и смещаются относительно ядер. На обращённой к палочке стороне каждого атома и листа бумаги возникает связанный противоположный заряд, благодаря чему кусочки бумаги притягиваются к наэлектризованному телу.