Закон сохранения электрического заряда: полный заряд замкнутой системы тел или частиц остается неизменным при любых взаимодействиях, происходящих в этой системе (рис. 5):

,

где – заряды тел или частиц, образующих замкнутую систему (n – количество таких тел или частиц).

Рис. 5. Закон сохранения электрического заряда

Под замкнутой системой подразумевают такую систему тел или частиц, которые взаимодействуют только друг с другом, то есть не взаимодействуют с другими телами и частицами.

Решение различных задач

Рассмотрим примеры решения нескольких важных задач, связанных с различными электрическими явлениями.

Задача 1. Два одинаковых проводящих заряженных шарика соприкоснулись и сразу же разошлись. Вычислите заряд каждого шарика после соприкосновения, если до него заряд первого шарика был равен , а второго .

Решение

Решение данной задачи основывается на законе сохранения электрического заряда: сумма зарядов шариков до и после соприкосновения не может измениться (так как в данном случае они образуют замкнутую систему). Кроме того, поскольку шарики одинаковые, то перетекание заряда с одного шарика на другой будет происходить до тех пор, пока их заряды не уравняются (в качестве аналогии можно рассмотреть тепловой баланс в системе из двух одинаковых тел с разными температурами, который установится только тогда, когда уравняются температуры тел). Значит, после соприкосновения заряд каждого из шариков станет равным (рис. 6). Пользуясь законом сохранения заряда, мы получаем: . Из этого несложно получить, что после соприкосновения заряд каждого из шариков будет равен: .

Рис. 6. Заряды после соприкосновения шариков

Задача 2. Два заряженных шарика подвешены на шелковых нитях. К ним подносят положительно заряженный лист оргстекла, и угол между нитями увеличивается. Каков знак зарядов шариков? Ответ обоснуйте.

Решение

До поднесения оргстекла силы, действующие на каждый из шариков, уравновешены (сила тяжести, сила натяжения нити и сила электрического взаимодействия шариков) (рис. 7). Мы видим, что при поднесении положительно заряженного оргстекла шарики «поднимаются» относительно первоначального положения. Значит, возникла сила, которая направлена вверх. Это, конечно же, сила электрического взаимодействия шарика и пластинки. Значит, шарик и пластинка отталкиваются (в противном случае сила их взаимодействия «тянула» бы шарик вниз). Из этого можно сделать вывод, что шарики заряжены так же по знаку, как и пластинка, то есть положительно (рис. 8).


Рис. 7. Силы, действующие на шарики до поднесения оргстекла	Рис. 8. Движение шариков вверх

Задача 3. Как передать электроскопу заряд, который в несколько раз больше, чем заряд наэлектризованной стеклянной палочки? У вас, кроме заряженной палочки и электроскопа, есть небольшой металлический шарик на изолирующей ручке.

Решение

Будем использовать электризацию через влияние. Поднесем шарик к палочке (не касаясь) и, дотронувшись до шарика пальцем, зарядим его. После этого поднесем шарик к шару электроскопа и коснемся его с внутренней стороны. Заряд распределится по поверхности шара электроскопа. Повторяя операцию много раз, мы можем сообщить электроскопу достаточно большой заряд.

В этом можно убедиться с помощью наглядной демонстрации (рис. 9).

Рис. 9. Сообщение электроскопу большого заряда многократной передачей

Заземление. Проводники и диэлектрики

Если взять металлический стержень и, удерживая его в руке, попробовать наэлектризовать, окажется, что это невозможно. Дело в том, что металлы – это вещества, имеющие множество так называемых свободных электронов (рис. 10), которые легко перемещаются по всему объему металла.

Рис. 10. Металлы – это вещества, имеющие множество свободных электронов

Подобные вещества принято называть проводниками. Попытка наэлектризовать металлический стержень, удерживая его в руке, приведет к тому, что избыточные электроны очень быстро убегут со стержня, и он останется незаряженным. «Дорогой для бегства» электронов служит сам исследователь, поскольку тело человека – это проводник. Именно поэтому опыты с электричеством могут быть опасными для их участников!

Рис. 11. «Дорога для бегства» электронов

Обычно «конечный пункт» для электронов – земля, которая тоже является проводником. Ее размеры огромны, поэтому любое заряженное тело, если его соединить проводником с землей, спустя некоторое время станет практически электронейтральным (незаряженным): тела, заряженные положительно, получат от земли некоторое количество электронов, а с тел, заряженных отрицательно, избыточное количество электронов уйдет в землю (см. рис. 12).

Рис. 12. Земля – «конечный пункт» для электронов

Технический прием, позволяющий разрядить любое заряженное тело путем соединения этого тела проводником с землей, называют заземлением.

Рис. 13. Обозначение заземления на схеме

В некоторых случаях, например чтобы зарядить проводник или сохранить на нем заряд, заземления следует избегать. Для этого используют тела, изготовленные из диэлектриков. В диэлектриках (их еще называют изоляторами) свободные электроны практически отсутствуют. Поэтому если между землей и заряженным телом поставить барьер в виде изолятора, то свободные электроны не смогут покинуть проводник (или попасть на него) и проводник останется заряженным (рис. 14). Стекло, оргстекло, эбонит, янтарь, резина, бумага – диэлектрики, поэтому в опытах по электростатике их легко наэлектризовать – заряд с них не стекает.

Рис. 14. Если между землей и заряженным телом поставить барьер в виде изолятора, то свободные электроны не смогут покинуть проводник (или попасть на него)