ID: 00026301
На столе установили два незаряженных электрометра и соединили их металлическим стержнем с изолирующей ручкой (рис. 1). Затем к первому электрометру поднесли, не касаясь шара, положительно заряженную палочку (рис. 2). Не убирая палочки, сняли стержень, а затем убрали палочку.
1 2 1 2 Рис. 1 Рис. 2 Ссылаясь на известные Вам законы и явления, объясните, почему электрометры оказались заряженными, и определите знаки заряда каждого из электрометров после того, как палочку убрали.
Источник: ФИПИ
Разберёмся в опыте по рисункам. На первом два одинаковых незаряженных электрометра соединены сверху металлическим стержнем, у которого изолирующая ручка — значит, заряд не может уйти через руку экспериментатора. Получается один общий проводник с нулевым зарядом. На втором рисунке к шару левого (первого) электрометра поднесена, но не прикасается, положительно заряженная палочка, и стрелки обоих приборов отклонены.
Обоснуем модель. Электрометры и стержень — металлические, а в металле есть свободные электроны. Внешнее электрическое поле палочки действует на них силой, и они перераспределяются, пока не установится равновесие зарядов в проводнике (поле внутри металла обращается в нуль). Это явление называется электризацией через влияние, или электростатической индукцией. Прикосновения нет, поэтому заряд палочки на приборы не переходит, и для системы двух электрометров всё время работает закон сохранения электрического заряда.
Шаг 1 — куда двинутся электроны. Палочка заряжена положительно, а разноимённые заряды притягиваются, значит свободные электроны проводника подтянутся к ближайшей к палочке точке — к шару первого электрометра. На первом электрометре появится избыток электронов, то есть отрицательный заряд, а второй электрометр, откуда электроны ушли, окажется заряженным положительно.
Шаг 2 — почему отклоняются обе стрелки. Стрелка электрометра отходит от стержня, когда на них появляется заряд одного знака: одноимённые заряды отталкиваются. Заряд появился и на первом (отрицательный), и на втором (положительный), поэтому обе стрелки отклонены, хотя знаки у них разные — прибор реагирует на модуль заряда, а не на знак.
Шаг 3 — снимаем стержень. Палочка ещё на месте, разделение зарядов удерживается её полем. Убирая стержень, мы делаем из одного проводника два независимых: у первого электрометра остаётся заряд $-q$, у второго $+q$, и перетечь друг к другу они уже не могут.
Шаг 4 — убираем палочку. Внутри каждого прибора заряд перераспределится более равномерно, ведь внешнего поля больше нет, но общий заряд каждого прибора никуда не денется. Первый электрометр останется отрицательным, второй — положительным, стрелки обоих останутся отклонёнными.
Шаг 5 — сравним модули. Заряд системы до опыта был нулевым, извне заряд не поступал, значит $q_1+q_2=0$, то есть $q_1$ и $q_2$ равны по модулю и противоположны по знаку. Одинаковые приборы при равных по модулю зарядах дадут одинаковое отклонение стрелок.
Проверим себя: если бы порядок действий был другим — сначала убрали палочку, а потом стержень, — электроны немедленно вернулись бы обратно и оба электрометра показали бы нуль. Значит, вся суть опыта именно в том, что разрыв проводника делается при включённом поле палочки.
Электрометры оказались заряженными из-за электризации через влияние. Пока стержень соединял приборы, они были одним проводником, и поле положительно заряженной палочки притянуло свободные электроны к ближнему шару. Снятый стержень разорвал проводник на две части и «запер» это разделение зарядов: возвращаться электронам стало некуда.
После удаления палочки первый электрометр (к которому её подносили) заряжен отрицательно, а второй — положительно; по модулю заряды одинаковы, так как суммарный заряд системы оставался нулевым.