Предположим, что положительно заряженный металлический объект A подносят близко к незаряженному металлическому объекту B. Если они соприкоснутся, свободные электроны в нейтральном объекте B притягиваются к положительно заряженному объекту A, и часть этих электронов перейдет на него (рис. 16–6). Поскольку объект B, изначально нейтральный, теперь теряет часть своих отрицательных электронов, он приобретет суммарный положительный заряд. Этот процесс называется зарядкой через контакт (charging by conduction) или «прикосновением», и в результате оба объекта будут иметь заряд одного знака.
Теперь предположим, что положительно заряженный объект подносят близко к нейтральному металлическому стержню, но не касаются его. Хотя свободные электроны металлического стержня не покидают его, они все же перемещаются внутри металла в направлении внешнего положительного заряда, оставляя положительный заряд на противоположном конце стержня (рис. 16–7b). Говорят, что на концах металлического стержня индуцирован (наведен) заряд. При этом в стержне не создается суммарного заряда: заряды просто разделяются. Общий заряд металлического стержня остается равным нулю. Однако, если разделить металл на две части, мы получим два заряженных объекта: один с положительным зарядом, другой с отрицательным. Это называется зарядка через индукцию (наведение).
Еще один способ индуцировать суммарный заряд на металлическом объекте — сначала соединить его проводящим проводом с землей (или с проводящей трубой, ведущей в землю), как показано на рис. 16–8a. В этом случае объект считается заземленным или «подключенным к земле». Земля, благодаря своим огромным размерам и способности проводить электричество, легко принимает или отдает электроны, поэтому она действует как резервуар для заряда.
Если заряженный объект — на этот раз предположим, что он отрицательно заряжен — поднести близко к металлическому объекту, свободные электроны в металле будут отталкиваться, и многие из них переместятся по проводу в землю (рис. 16–8b). Это оставит металл положительно заряженным. Если теперь перерезать провод, металлический объект останется с положительным индуцированным зарядом (рис. 16–8c).
Если же провод перерезать после того, как отрицательно заряженный объект будет удален, все электроны вернутся из земли обратно в металлический объект, и он снова станет нейтральным.
Разделение зарядов возможно и в непроводящих материалах. Если поднести положительно заряженный объект близко к нейтральному диэлектрику, как показано на рис. 16–9, то почти никакие электроны не смогут свободно перемещаться внутри этого материала. Однако они могут слегка смещаться в пределах своих атомов и молекул. Каждый овал на рис. 16–9 представляет собой молекулу (не в масштабе);
отрицательно заряженные электроны, притягиваемые внешним положительным зарядом, стремятся сместиться в его направлении внутри своих молекул. Поскольку отрицательные заряды в непроводнике оказываются ближе к внешнему положительному заряду, диэлектрик в целом притягивается к этому внешнему положительному заряду.
Электроскоп — это устройство, которое может использоваться для обнаружения заряда. Как показано на рис. 16–10, внутри корпуса находятся две подвижные металлические пластины, часто изготовленные из золотой фольги, соединенные с металлической кнопкой снаружи. (Иногда подвижной является только одна пластина.)
Если поднести положительно заряженный объект близко к кнопке, происходит разделение зарядов: электроны притягиваются вверх к кнопке, а пластины приобретают положительный заряд (рис. 16–11a). Две пластины отталкиваются друг от друга, как показано на рисунке, поскольку они обе заряжены положительно. Если же кнопка заряжается через проводимость (прикосновением), то все устройство приобретает суммарный заряд, как показано на рис. 16–11b.
В любом случае, чем больше величина заряда, тем сильнее расходятся пластины.
Обратите внимание, что таким способом невозможно определить знак заряда, поскольку отрицательный заряд вызовет такое же расхождение пластин, как и равное количество положительного заряда; в любом случае две пластины будут отталкиваться друг от друга. Однако электроскоп можно использовать для определения знака заряда, если он сначала был заряжен через прикосновение, например, отрицательно, как показано на рис. 16–12a. Теперь, если поднести отрицательно заряженный объект, как на рис. 16–12b, дополнительные электроны индуцируются внизу пластины (наверху наведется положительный заряд), и они (пластины) разойдутся ещё сильнее. Если же поднести положительный заряд, электроны индуцируются наверху, так что пластины станут менее отрицательными, и их расхождение уменьшится (рис. 16–12c).
Электроскоп использовался в ранних исследованиях электричества. Тот же принцип, дополненный электроникой, применяется в гораздо более чувствительных современных электрометрах