§ 32. Объяснение электрических явлений. Закон сохранения электрического заряда

микроскопический процесс передачи электрического заряда между соприкасающимися телами за счёт перехода лёгких подвижных электронов внешних атомных слоёв:

• 1. Причина перехода — ядра атомов разных химических веществ притягивают свои валентные электроны с различной силой. При плотном контакте двух разнородных тел электроны отрываются от вещества со слабой связью и захватываются веществом с более сильным сродством к электрону.
• 2. Знак заряда — тело с избытком электронов приобретает отрицательный заряд ($-$), а тело с недостатком электронов — строго равный ему положительный заряд ($+$).

система взаимодействующих физических тел, которая никоим образом не обменивается электрическими зарядами (электронами, ионами) с любыми внешними телами, не входящими в эту систему.

в электрически изолированной системе при любых взаимодействиях и физико-химических процессах алгебраическая сумма электрических зарядов всех тел остаётся строго постоянной:

• 1. Математическая формулировка — $q_1 + q_2 + \dots + q_n = \text{const}$.
• 2. Следствие — электрические заряды не возникают из ничего и не исчезают бесследно; они могут лишь перераспределяться между телами системы или перемещаться внутри отдельного тела.

валентные электроны в кристаллической решётке металлов, потерявшие прочную связь с материнскими ядрами атомов и способные беспрепятственно и хаотически перемещаться по всему объёму твёрдого проводника под действием теплового движения и внешних электрических полей.

явление пространственного разделения и перераспределения свободных электрических зарядов внутри проводящего тела под действием внешнего электрического поля:

• 1. Механизм — на ближней к внешнему заряду стороне проводника индуцируется заряд противоположного знака, а на дальней стороне образуется равный по величине избыток одноимённого заряда. При этом суммарный заряд всего тела остаётся равным нулю.

упругое микроскопическое смещение связанных положительных атомных ядер и электронных оболочек в противоположные стороны внутри молекул диэлектрика под действием внешнего электрического поля, приводящее к появлению нескомпенсированных связанных зарядов на его поверхности.

В нейтральных атомах соприкасающихся тел число электронов равно числу протонов. Однако атомы разных веществ удерживают внешние электроны с неодинаковой силой. При тесном соприкосновении двух разнородных тел электроны с поверхности того тела, где они связаны слабее, переходят на поверхность тела, атомы которого притягивают их сильнее. В результате первое тело теряет часть электронов и заряжается положительно, а второе приобретает избыток электронов и заряжается отрицательно.

Электрический заряд переносится электронами. Поскольку каждый электрон несёт неделимый отрицательный элементарный заряд $-e$, переход определённого числа $N$ электронов с первого тела на второе создаёт на втором теле отрицательный заряд $q_2 = -N \cdot e$, а на первом теле оставляет в точности такое же количество $N$ нескомпенсированных протонов с суммарным зарядом $q_1 = +N \cdot e$. В силу закона сохранения заряда новые заряды не рождаются, а лишь перераспределяются: $|q_1| = |q_2|$.

Трение само по себе не порождает заряды. Трение необходимо лишь для того, чтобы:

• 1) Резко увеличить площадь истинного микроскопического контакта между шероховатыми твёрдыми поверхностями тел;
• 2) Сблизить максимальное число поверхностных атомов обоих веществ на расстояния межатомного взаимодействия, при которых возможен массовый перескок электронов от одного тела к другому.

Электрически изолированной (замкнутой) называют систему тел, через границы которой не происходит переноса заряженных частиц (электронов, ионов) извне или наружу, то есть система не обменивается зарядом с окружающими телами.

Закон сохранения электрического заряда: В электрически изолированной системе при любых взаимодействиях тел суммарный электрический заряд остаётся постоянным (сохраняется):

$$q_1 + q_2 + q_3 + \dots + q_n = \text{const}$$

Притяжение нейтральных тел обусловлено явлением перераспределения зарядов в поле внешнего заряда:

• В проводниках (металлическая гильза): под действием электрического поля внешнего заряда свободные электроны смещаются (электростатическая индукция). На стороне, обращённой к палочке, возникает индуцированный заряд противоположного знака, а на дальней — одноимённого знака. Поскольку разноимённый заряд находится ближе к палочке, сила притяжения по закону Кулона ($F \sim \frac{1}{r^2}$) оказывается сильнее силы отталкивания более удалённого одноимённого заряда. Результирующая сила направлена в сторону притяжения.
• В диэлектриках (кусочки бумаги): электроны не могут свободно перемещаться, но происходит поляризация — электронные облака атомов деформируются, и ближе к заряженному телу оказываются заряды противоположного знака, что также приводит к результирующей силе притяжения.

Электростатической индукцией (электризацией через влияние) называют явление разделения и перераспределения электрических зарядов в незаряженном проводнике при помещении его во внешнее электрическое поле без непосредственного механического контакта с источником заряда.

Нет, это абсолютно невозможно.

Электризация трением — это процесс взаимного перераспределения электронов. Если одно тело зарядилось (например, приобрело избыток электронов и стало отрицательным), то второе соприкасавшееся тело неизбежно потеряло ровно то же количество электронов и обязано приобрести равный по модулю положительный заряд. Заряжаются всегда оба соприкасающихся тела в строгом соответствии с законом сохранения электрического заряда.

• Почему расходятся и опадают: при поднесении палочки (например, отрицательной) свободные электроны стержня электроскопа отталкиваются вниз к листочкам (индукция). Листочки приобретают одноимённый отрицательный заряд и расходятся. Когда палочку убирают, внешнее поле исчезает, электроны равномерно возвращаются по всему стержню, листочки вновь становятся нейтральными и опадают под силой тяжести.
• Если коснуться пальцем в присутствии палочки: при касании пальцем избыточные свободные электроны с листочков через тело человека уйдут в Землю, и листочки спадут. Затем убираем руку, а потом убираем палочку. В электроскопе останется недостаток электронов (нескомпенсированный положительный заряд), который распределится по всему стержню и листочкам. Поэтому после удаления палочки листочки не опадут, а снова разойдутся, зафиксировав индуцированный положительный заряд!

В начальный момент незаряженная проводящая гильза притягивается к заряженной палочке благодаря электростатической индукции. Но как только гильза коснётся палочки:

• Произойдёт прямой перенос части заряда с палочки на гильзу.
• Гильза приобретёт заряд того же знака, что и палочка.
• Тела с одноимёнными зарядами отталкиваются, поэтому гильза мгновенно с силой отскочит (оттолкнётся) от палочки.