Электростатика — Задание 21 ЕГЭ по физике №00048579

Что тут происходит. Два металлических бруска на деревянном столе соединены металлическим стержнем — вместе они образуют один проводник. Дерево (стол и ручка) — диэлектрик, заряды по нему не уходят. К бруску 1 подносят положительно заряженную палочку, не касаясь его, затем, не убирая палочку, снимают стержень. Нужно определить заряды брусков.

Шаг 1 — откуда берутся заряды. Палочка бруска не касается, поэтому заряд с неё на бруски не переходит, и суммарный заряд системы «бруски + стержень» остаётся нулевым — по закону сохранения электрического заряда. Но в металле есть свободные электроны, и они могут перераспределиться — это электризация через влияние (электростатическая индукция).

Шаг 2 — куда сдвигаются электроны. Разноимённые заряды притягиваются, поэтому положительная палочка притягивает отрицательные электроны. Свободные электроны проводника «брусок 1 — стержень — брусок 2» смещаются к бруску 1, ближнему к палочке. На бруске 1 возникает избыток электронов (отрицательный заряд), на дальнем бруске 2 — их недостаток (положительный заряд).

Шаг 3 — почему перераспределение останавливается. Разделённые заряды создают своё поле, направленное против поля палочки. Положительный заряд бруска 2 — это не пришедшие положительные частицы (ядра закреплены в решётке), а недостача ушедших электронов. Электроны движутся, пока поле внутри металла не станет равным нулю — это условие равновесия зарядов в проводнике. Поэтому к бруску 1 уходит не «все электроны», а ровно столько, сколько нужно, чтобы погасить поле палочки внутри металла.

Шаг 4 — убираем стержень. Стержень поднимают за деревянную ручку, пока палочка ещё рядом. Соединение между брусками разорвано, а дерево (ручка и стол) зарядов не проводит: электроны уже не могут вернуться на брусок 2. Заряды «заперты» на брусках: брусок 1 заряжен отрицательно, брусок 2 — положительно. Если бы человек взялся прямо за металлический стержень, проводник через тело соединился бы с Землёй, и из Земли к палочке притянулись бы ещё электроны — заряды брусков стали бы другими. Поэтому ручка и деревянная.

Шаг 5 — модули зарядов. Суммарный заряд брусков со стержнем был нулевым и остался нулевым. Наведённые заряды собираются на концах проводника — на брусках, ближнем и дальнем от палочки, а середина (стержень) почти нейтральна. Поэтому стержень уносит лишь малую часть заряда, и $q_1\approx-q_2$: заряды брусков противоположны по знаку и практически равны по модулю.

Проверим себя. Если теперь убрать и палочку, заряды на изолированных брусках сохранятся — им некуда деться. А будь палочка отрицательной, электроны ушли бы от неё на брусок 2, и знаки поменялись бы: брусок 1 «плюс», брусок 2 «минус». Если же держать палочку над серединой стержня, электроны соберутся в середине, под палочкой, — на стержне, а оба бруска окажутся заряжены положительно, одинаково; поднятый стержень унесёт отрицательный заряд. Значит, знаки зарядов брусков определяет именно то, к какому краю проводника поднесли палочку.