Почему натёртый шарик притягивает нейтральную бумагу?
Натёртый шарик может притягивать нейтральную бумагу: он немного меняет расположение связанных зарядов внутри неё. Медленно поднесите шарик до и после натирания, затем отделите наблюдение от вывода о заряде.
Нейтральная бумага тоже содержит заряды
В бумаге есть положительные и отрицательные электрические заряды. У нейтрального кусочка их суммарные величины равны; это не означает полного отсутствия зарядов. Заряженный шарик может изменить их расположение, даже не касаясь бумаги.
На упрощённой схеме ниже шарик заряжен отрицательно. Рядом с ним бумага поляризуется: внутри её атомов и молекул связанные положительные и отрицательные заряды немного смещаются друг относительно друга. Положительная сторона оказывается ближе к шарику. Это небольшое локальное перераспределение, а не свободное перемещение электронов через весь лист.
Почему бумага движется к шарику
Разноимённые заряды притягиваются, одноимённые отталкиваются. На схеме ближний положительный заряд притягивается, а более далёкий отрицательный — отталкивается. Электрическое воздействие шарика сильнее вблизи него, поэтому эти действия не компенсируются: в сумме бумага притягивается к шарику.
При этом суммарный заряд бумаги может оставаться нулевым. Чтобы начать двигаться, ей не обязательно сначала получить положительный заряд в целом. Положительно заряженный предмет тоже может притягивать нейтральную бумагу; направление поляризации будет обратным.
Сравните поведение до и после натирания
Возьмите надутый и завязанный шарик, сухую шерстяную ткань и несколько маленьких кусочков, оторванных от листа тонкой бумаги. Работайте на сухом гладком столе без сквозняка. Взрослый должен надуть шарик и помогать детям. Держите ненадутые шарики и обрывки лопнувших шариков подальше от маленьких детей; не используйте латексный шарик, если у того, кто будет с ним работать, есть аллергия на латекс.
До натирания медленно поднесите шарик к бумаге сверху, не касаясь её. Остановите руку и понаблюдайте. Запишите, сдвинулся ли хоть один кусочек. Это условие для сравнения, а не доказательство того, что заряд шарика точно равен нулю.
Натрите один участок шарика тканью и так же поднесите его к той же бумаге. Приближайте медленно и остановитесь до касания. Следите, начнётся ли движение, пока между бумагой и шариком ещё есть зазор. Не дуйте на бумагу и не проводите шариком над ней резко.
Повторите приближение три раза; при необходимости снова натрите шарик. Если бумага коснулась шарика, возьмите свежие кусочки. Для каждой попытки запишите: «сдвинулось до касания», «сдвинулось только после касания» или «явного движения нет». Отметьте сквозняк и случайное касание, если они были. Отводите каждой попытке отдельную строку, чтобы потом сравнить результаты.
Что можно заключить из сравнения
Движение к натёртому шарику до касания согласуется с электростатическим притяжением поляризованной бумаги. Медленное приближение с остановкой помогает отличить его от движения воздуха, вызванного шариком. Само наблюдение не измеряет заряд и не доказывает, что суммарный заряд бумаги противоположен заряду шарика.
После касания между бумагой и шариком может перейти заряд, и дальнейшее поведение изменится. Кусочек может прилипнуть или позже упасть. Не используйте его поведение после касания как однозначную проверку первоначального объяснения для нейтральной бумаги.
Дополнительная проверка: два шарика
Надуйте два похожих шарика и подвесьте их на отдельных коротких нитях, чтобы они могли свободно двигаться. Не обматывайте нити вокруг шеи и держите их подальше от маленьких детей. Натрите оба одной и той же сухой тканью. Поднесите натёртые участки друг к другу без касания, остановите руки и дождитесь, когда затихнет раскачивание.
Шарики, заряженные одинаковым способом, могут отталкиваться. В простой модели у них одноимённые суммарные заряды. Сравните это с притяжением нейтральной бумаги: само по себе притяжение не доказывает, что два предмета имеют разноимённые суммарные заряды. При натирании разных материалов знак заряда не всегда одинаков.
Если ничего не происходит
- Сделайте кусочки бумаги легче или меньше и уберите сквозняк. Чтобы движение стало заметным, притяжение должно преодолеть силы, удерживающие бумагу на месте.
- Возьмите сухие материалы и натрите шарик снова. Влажный воздух и влажные поверхности могут мешать сохранению статического заряда; результат зависит от материалов и условий.
- Поверните натёртый участок к бумаге и приближайте его медленно. Резким взмахом можно сдвинуть бумагу потоком воздуха.
- Если кусочек коснулся шарика, отложите его и возьмите другой. Не считайте, что после касания он обязательно остался нейтральным.
- Если два шарика не расходятся, проверьте, позволяют ли нити им двигаться и не мешают ли раскачивание или потоки воздуха. Неудачная попытка не означает, что одноимённые заряды притягиваются.
Проверьте объяснение
Заряженный шарик может притянуть нейтральную бумагу за счёт поляризации. Одно притяжение не доказывает, что суммарные заряды разноимённые.
Ответы и пояснения
- Бумага поляризуется, но может оставаться нейтральной.: Да. Небольшое перераспределение связанных зарядов может дать притяжение без изменения их общего баланса.
- Бумага обязана сначала получить противоположный суммарный заряд.: Это необязательно. Поляризация позволяет притянуть нейтральный предмет до касания.
- В нейтральной бумаге вообще нет электрических зарядов.: Нейтральность означает равные суммарные величины положительного и отрицательного зарядов, а не отсутствие зарядов.
Что меняет натирание
В обычном школьном объяснении опыта с резиновым шариком и шерстью электроны переходят между материалами, нарушая равенство положительного и отрицательного зарядов. Натирание многократно сближает поверхности; оно не создаёт электрический заряд из ничего. Отрицательный шарик на схеме — один пример, а не правило для любой пары материалов.
Последовательность сравнения, иллюстрацию и вопрос подготовил Coru. Основные принципы электростатики и опыты с шариками давно известны. На рисунке сильно преувеличено крошечное смещение связанных зарядов; это условная схема, а не изображение отдельных частиц в масштабе.