Электризация через влияние

Электризация через влияние

В. А. Тихомирова

Могут ли два одноименно заряженных тела притягиваться друг к другу?

Можно ли с помощью одного заряженного тела зарядить другое тело так, чтобы его заряд был больше заряда первого тела?

Чтобы ответить на эти вопросы, давайте разберемся в одном интересном физическом явлении — явлении электростатической индукции, или, другими словами, электризации тел через влияние.

Рассмотрим такой опыт. К шарику $A$, заряженному положительным зарядом $q_A$, подносится незаряженный металлический шар $B$ (рис. 1). При этом на поверхности шара $B$ появляются заряды: на ближней к шарику $A$ стороне отрицательные, а на дальней — положительные. В этом можно наглядно убедиться, если шариком электроскопа касать-

ся соответствующих участков поверхности шара $B$. Объяснить такое распределение зарядов нетрудно. Дело в том, что свободные электроны, которые раньше были равномерно распределены по всему шару $B$, под влиянием зарядов шарика $A$ приходят в движение и перераспределяются по шару так, что слева их оказывается больше, чем справа. Таким образом, в левой части шара индуцируется, то есть наводится, отрицательный заряд $-q_B$, а в правой части — положительный заряд $+q_B$. В этом и заключается явление электростатической индукции. Заметим кстати, что в нашем случае величина наведенного заряда $q_B$, конечно, меньше величины наводящего заряда $q_A$, поскольку влияние наводящего заряда распространяется и на другие окружающие его тела, где

Рис. 1.

Рис. 2.

74

тоже индуцируются электрические заряды.

Между заряженными телами всегда действует электрическая сила. Так будет и с шарами $A$ и $B$. Точнее сказать, в этом случае возникают две силы — сила притяжения $F_{\text{пр}}$ между шариком $A$ и левой частью шара $B$ и сила отталкивания $F_{\text{от}}$ между шариком $A$ и правой частью шара $B$ (рис. 2). Поскольку отрицательно заряженная часть находится ближе к шарику $A$, сила $F_{\text{пр}}$ больше силы $F_{\text{от}}$, и в результате шары будут притягиваться друг к другу под действием результирующей силы $F = F_{\text{пр}} - F_{\text{от}}$.

Что изменится, если шар $B$ предварительно зарядить некоторым зарядом $q'_B$, причем тоже положительным? Конечно, все прежние рассуждения о наведении зарядов остаются в силе, но теперь надо учесть еще взаимодействие зарядов $q_A$ и $q'_B$. Появляется еще одна сила $F'_{\text{от}}$ — сила отталкивания зарядов $q_A$ и $q'_B$. Окончательный результат будет зависеть от соотношения между величинами сил $F$ и $F'_{\text{от}}$, вернее, от соотношения между величинами зарядов $q_B$ и $q'_B$, так как чем больше величина заряда, тем больше сила электрического взаимодействия.

Если величина наведенного заряда $q_B$ окажется больше величины имеющегося на шаре заряда $q'_B$, то в итоге одноименно заряженные шары все-таки будут притягиваться.

Когда же это возможно? Мы уже говорили о том, что величина наведенного заряда на проводнике меньше величины влияющего заряда. Поэтому только если заряд $q_A$ намного больше заряда $q'_B$, может оказаться, что величина заряда $q_B$ будет больше заряда $q'_B$.

Итак, два одноименно заряженных тела могут притягиваться друг к другу, но для этого заряд одного из них должен быть намного больше, чем заряд другого.

Мы показали, что под влиянием заряженного тела на проводнике можно навести электрические заряды, но при этом проводник в целом остается электрически нейтральным (рис. 3). А нельзя ли его зарядить по-настоящему, так чтобы суммарный заряд не был равен нулю? Оказывается можно, и даже совсем просто. Для этого достаточно проводник в присутствии заряженного тела заземлить на некоторое время, а затем убрать и заземление, и заряженное тело (рис. 4). При этом знак заряда проводника будет противоположен знаку заряда тела. Действительно, при заземлении свободные электроны под влиянием положительного заряда на теле приходят из земли и остаются на проводнике, заряжая его в целом отрицательно.

Величину наведенного заряда можно существенно увеличить, практически приблизив ее к величине наводящего заряда, если заряженное тело поместить внутрь длинного ме-

Рис. 3.

Рис. 4.

75

Рис. 5.

таллического цилиндра (или шара) с небольшим отверстием. В этом случае влияние заряженного тела на другие тела почти исключено, поэтому на внутренней поверхности цилиндра (или шара) наведется заряд, по величине практически равный заряду шарика, но противоположный по знаку, а на наружной поверхности — такой же и по величине, и по знаку. Если заряженным телом коснуться внутренней стенки цилиндра, противоположные по знаку заряды нейтрализуются, и на цилиндре останутся заряды того же знака, что были на заряженном теле (рис. 5). Таким образом, можно практически целиком передавать заряд с одного тела на другое.

Теперь попробуем ответить и на второй вопрос, поставленный в самом начале. Пусть у нас имеются: заряженный шарик $A$, незаряженный шарик $B$, полый металлический шар и электроскоп, на котором мы хотим накопить заряд бо́льший, чем заряд шарика $A$.

Прежде всего зарядим по индукции шарик $B$ (естественно, зарядом противоположного знака). Внесем на некоторое время шарик $B$ внутрь заземленного шара, а затем уберем и заземление, и шарик $B$. На шаре останется заряд, равный по величине заряду шарика $B$, но противоположный ему по знаку, то есть совпадающий со знаком заряда шарика $A$. Теперь передадим этот заряд электроскопу. Если проделать такую опера-

цию многократно, то на электроскопе, действительно, можно будет получить заряд того же знака, что и исходный, но значительно больший по величине.

В заключение попробуйте ответить на два вопроса.

1. Незаряженный проводящий шарик $C$ с помощью длинного гибкого проводника присоединили к левой части шара $B$ (см. рис. 2). В результате на шарике появились положительные заряды. Почему?

2. На электроскопе имеется небольшой положительный заряд. Если к шарику электроскопа приближать сильно наэлектризованную палочку, несущую большой отрицательный заряд, то листочки электроскопа будут сначала опадать, а потом опять расходиться. Как это можно объяснить?

Рисунки П. Чернуского

76